CC BY
86
Эффект «шахматной доски» и процессы массопереноса в интерфейсных средах живой и неживой природы
Л.Е. Панин, В.Е. Панин1
Институт биохимии СО РАМН, Новосибирск, 630117, Россия 1 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия
Приведен обзор работ авторов с сотрудниками, посвященных проблемам природы процессов массопереноса через интерфейсы в твердых телах и биологические мембраны. На основе термодинамического подхода физической мезомеханики сделано заключение, что в основе распространения транспортных потоков через интерфейсы и мембраны в живой и неживой природе лежат структурнофазовые переходы наноструктурных состояний на границах раздела в гетерогенных средах. Такие состояния возникают на интерфейсах и в мембранах в условиях «шахматного» распределения напряжений, деформаций и химических потенциалов компонентов сопрягаемых разнородных сред. Рассмотрены актуальные практические приложения развиваемого подхода в биологии и современном материаловедении.
Effect of the “chessboard” and mass transfer in interfacial media of organic and inorganic nature
L.E. Panin and V.E. Panin1
Institute of Biochemistry SB RAMS, Novosibirsk, 630117, Russia 1 Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia
The paper reviews our previous research work on the origin of mass transfer through biological membranes and interfaces of solids. Using the thermodynamic approach of physical mesomechanics we conclude that the propagation of transport flows through interfaces and membranes in the organic and inorganic nature is based on structural phase transformations in nanostructural states at interfaces of heterogeneous media. Such states arise at interfaces and in membranes under the chessboard-like distribution of stresses, strains and chemical potentials of components of conjugate dissimilar media. The practical applications of the developed approach in biology and modern materials science are considered.
1. Введение
Все среды в живой и неживой природе имеют интерфейсы. Они связаны либо с гетерогенной внутренней структурой, либо являются виртуальной границей раздела «ослабленный поверхностный слой - кристаллическая подложка», либо возникают в среде в результате внешних воздействий. Размеры интерфейсов варьируют в широких пределах: от наноразмеров в клетках биологических объектов до макромасштабов геологических сред. Все виды интерфейсов играют важную функциональную роль в отклике среды на внешнее воздействие. В клеточных биологических структурах они контроли-
руют процессы внутриклеточного обмена, в твердых телах существенно влияют на их поведение в полях внешних воздействий. В жидкостях и газах интерфейсы возникают при движении в них фронтов различной природы (динамические воздействия, химические реакции и др.). В особых случаях существенную роль играют границы раздела разнородных сред «твердое тело - жидкость», «твердое тело - газ», «жидкость - жидкость» и др. Ярким примером последнего является химическая реакция Белоусова-Жаботинского на движущейся границе раздела двух разнородных жидкостей в тонком поверхностном слое раствора.
© Панин Л.Е., Панин В.Е., 2007
Традиционно роль интерфейсов в поведении структурно-неоднородных твердых тел в полях внешних воздействий рассматривается в физике и механике деформируемого твердого тела. Основная задача — описать влияние интерфейсов на развитие пластического течения в твердом теле. Роль биологических мембран в процессах внутриклеточного обмена — проблема молекулярной биологии и биохимии. Длительное время в каждой из областей наук ставились совершенно разные задачи и использовались принципиально различные подходы.
В последние годы ситуация радикально изменяется в связи с разработкой материалов новых поколений в современном материаловедении, появлением приборов сверхвысокого разрешения и быстрым ростом числа мультидисциплинарных исследований. Наноструктурные материалы и покрытия, тонкопленочные и многослойные материалы в микро- и наноэлектронике, неравновесные композиционные материалы, наноструктурные катализаторы, поведение материалов в экстремальных условиях нагружения, нанотехнологии в различных областях науки и техники выявили общность функциональных свойств интерфейсов в гетерогенных средах различной природы, включая биологические мембраны. Появилась возможность использовать нетрадиционные мультидисциплинарные подходы к описанию функциональных свойств интерфейсов различной природы. Один из таких мультидисциплинарных подходов связан с физической мезомеханикой процессов массопереноса в интерфейсных средах живой и неживой природы. Он разрабатывается в совместных исследованиях Института физики прочности и материаловедения СО РАН и Института биохимии СО РАМН. Концептуальному изложению данных работ [1-20 и др.] посвящен настоящий обзор.
2. Концептуальные основы общности процессов массопереноса в интерфейсных средах в полях внешних воздействий
Интерфейс любых разнородных сред, характеризуемых различными значениями модулей упругости, коэффициентов термического расширения и химического состава, в полях внешних воздействий испытывает неоднородное распределение напряжений, деформаций и химического потенциала. Это связано с выполнением условия совместности деформации и химического потенциала разнородных сред, испытывающих разные степени упругого и термического расширения, а также характеризующихся на интерфейсе разностью химических потенциалов. Экспериментальные исследования и теоретические расчеты, выполненные в работах [4-10, 21-25], показали, что распределение напряжений и деформаций на интерфейсах в твердых телах является периодическим. Для плоской границы раздела это распре-
деление имеет вид «шахматной доски», на которой клетки, испытывающие сжимающие нормальные напряжения, в «шахматном» порядке чередуются с клетками, испытывающими растягивающие нормальные напряжения [7, 8]. Касательные напряжения также имеют «шахматное» распределение, но сдвинутое в пространстве по фазе на л/ 2.
«Шахматное» распределение напряженно-деформированного состояния на интерфейсе разнородных сред играет ключевую роль в нелинейных процессах массо-переноса в гетерогенных средах живой и неживой природы. Ранее в [4, 7] было показано, что «шахматное» распределение растягивающих и сжимающих нормальных напряжений позволяет объяснить физическую природу локализации пластического течения в различных материалах, на различных масштабно-структурных уровнях и при различных схемах нагружения. Моделирование методом стохастических возбудимых клеточных автоматов показало, что пластическое течение возникает только в локальных зонах, испытывающих растягивающие нормальные напряжения [6]. Этот результат имеет принципиально важное значение и свидетельствует о том, что пластическое течение в кристалле может развиваться только как его локальное структурное превращение в зонах сильнонеравновесных состояний. Такие сильно возбужденные состояния возникают в зонах растягивающих нормальных напряжений. Наличие в них избыточного молярного объема и виртуальных узлов более высокоэнергетической структуры в пространстве междоузлий позволяет осуществить локальное структурное превращение, соответствующее неравновесному состоянию в данной зоне. В зонах сжимающих нормальных напряжений такой возможности нет. Именно это обстоятельство обусловливает определяющую роль растягивающих нормальных напряжений в возникновении всех видов локализации транспортного массо-переноса на интерфейсах двух разнородных сред.
В рамках такой термодинамической постановки ме-зомеханика процессов массопереноса на интерфейсах в твердых телах и через биологические наноструктурные мембраны имеет общую физическую основу: она связана с локальными структурно-фазовыми превращениями при взаимодействии транспортных потоков с наноструктурными состояниями интерфейсов и мембран. Это вполне логично, учитывая, что биологические мембраны являются жидкими кристаллами, а твердотельная наноструктура представляет собой смесь нанокристаллов и квазиаморфной фазы. В обоих случаях все процессы массопереноса могут развиваться только как локальные структурно-фазовые превращения в лабильной наноструктурной среде.
Физическая мезомеханика структурно-фазовых превращений на интерфейсах «наноструктурированный поверхностный слой - подложка» в твердых телах интенсивно разрабатывается в последние годы как на основе
теоретического моделирования, так и путем экспериментальных исследований с использованием сканирующих приборов новых поколений сверхвысокого разрешения. Интерфейс со структурой «шахматной доски» в распределении напряжений, деформаций и химического потенциала является хорошей моделью твердотельной мембраны. Так, авторами работ [7, 26] показано, что в условиях «шахматного» распределения растягивающих и сжимающих нормальных напряжений на интерфейсе двух сред транспортные потоки развиваются как нелинейные волновые процессы. Различие химических потенциалов нанокластеров различных конфигураций в сильно возбужденной среде определяет потоки их массопереноса через интерфейсы (или в их пределах) с «шахматным» распределением химического потенциала. С этим связаны такие широко известные явления, как рост поверхностных слоев конструкций и их охрупчивание в условиях высокоэнергетических воздействий, деградация тонкопленочных структур в мик-ро- и наноэлектронике при протекании электрического тока, высокоскоростная сверхпластичность наноструктурных материалов, возрастание каталитической активности поверхностных слоев при их наноструктурировании и др. Подобные процессы эффективно моделируются стохастическим методом возбудимых клеточных автоматов как структурно-фазовые превращения в среде нанокластеров различных конфигураций.
Качественно подобный подход развивается авторами для описания поведения любых биологических мембран, являющихся жидкими кристаллами. Поведение жидких кристаллов качественно подобно поведению твердых нанокристаллов. В них также развиваются процессы массопереноса под влиянием температуры, давления, изменения pH среды, солевого состава и др., что приводит к локальным структурно-фазовым переходам в стенках биологических мембран. В этом случае существенно меняется и функциональное поведение мембран.
В жидкокристаллических биологических мембранах, также как и в твердых, принципиально важную роль играет «наноструктурирование» их поверхностных слоев путем адсорбции низкомолекулярных соединений. Например, в клеточных мембранах и липопротеи-нах его роль играют молекулы холестерина, которые изменяют липид-липидные и белок-липидные взаимодействия. Это радикально изменяет активность мембранно-связанных ферментов, состояние многочисленных рецепторов и трансмембранных переносчиков. Естественно, изменяются и вязкостные свойства мембран. Место холестерина при такой молекулярной адсорбции могут занимать стероидные гормоны, которые являются производными холестерина. Подобные явления происходят в условиях стресса, когда содержание стероидных гормонов в крови может увеличиваться в разы.
С фундаментальной точки зрения принципиально важно знать молекулярно-кинетические механизмы поведения наноструктурных интерфейсов и мембран в средах различной природы при воздействии на них внешних полей, сформулировать общие принципы повышения устойчивости мембран (нанокристаллических кристаллов) при действии агрессивных факторов, разработать средства их защиты и дизайна.
В работах [1-4] на основе теоретических и экспериментальных исследований развивается физическая мезомеханика возникновения «шахматного» распределения напряжений, деформаций и химического потенциала в наноструктурных мембранах и обосновывается важная функциональная роль «шахматной» структуры мембраны в формировании встречных транспортных потоков межклеточных обменов. На примере наноструктурных металлических и биологических мембран показано, что «шахматное» чередование растягивающих и сжимающих нормальных и касательных напряжений, а также химического потенциала, играет принципиально важную роль в формировании структурнофункциональных свойств наноструктурных мембран, которые управляют встречными процессами транспорта.
Использование подходов физической мезомеханики массопереноса через твердотельные интерфейсы позволяет понять и феноменологически описать механизмы межклеточного обмена через биологические мембраны.
3. «Шахматное» распределение напряжений, деформаций и химических потенциалов на интерфейсе различных сред в полях внешних воздействий
В одномерном приближении задача о распределении напряжений и деформаций на границе раздела двух разнородных сред в полях внешних воздействий решена в работах [22-25]. В рамках механики сплошной среды в [22] рассчитано распределение нормальных и касательных напряжений на границе двух разориентированных зерен в нагруженном поликристалле. В [23] подобная задача решена для сопряжения двух сред с различными коэффициентами термического расширения. В обоих случаях получено квазипериодическое распределение нормальных и касательных напряжений на границе сопряжения двух разнородных сред. Период модуляции напряжений на интерфейсе линейно зависит от толщины эффективного граничного слоя. Этот эффект в явном виде рассчитан в [27] для сопряжения с подложкой поверхностных слоев различной толщины, имеющих отличный от подложки модуль упругости. Экспериментальное подтверждение подобной зависимости получено в [28, 29] при отжиге напыленных тонких пленок или их циклическом нагружении, что сопровождается формированием в пленке ячеистой или складчатой
мкм 0
Ь. нм
0 40 80 мкм
Рис. 1. «Шахматная» мезоструктура, возникающая при знакопеременном изгибе в тонкой пленке Т на медной подложке. Щ = 2.6 • 105 циклов. Атомно-силовая микроскопия [28]
структуры (рис. 1). В соответствии с предсказанием теории для пленок различного состава выполняется линейная зависимость между поперечным размером складок и толщиной напыленной пленки.
Распространение результатов [22-25] на двухмерный случай привел автора [26] к заключению о «шахматном» характере распределения напряжений и деформаций на интерфейсе двух разнородных сред. Теоретическое моделирование подобной задачи в трехмерном приближении с использованием стохастического метода возбудимых клеточных автоматов подтвердило данное заключение (рис. 2) [7, 27]. Другими словами, в поверхностных слоях и на внутренних границах раздела в деформируемом твердом теле формируется «шахматное» распределение растягивающих и сжимающих нормальных и касательных напряжений.
Особый интерес в «шахматном» распределении напряженно-деформированного состояния на интерфейсе представляют локальные зоны растягивающих нормальных напряжений (светлые клетки на рис. 2). Расчет электронно-энергетического спектра в таких зонах1 показал, что локальное возрастание параметра решетки в кристалле обусловливает уменьшение перекрытия волновых функций валентных электронов, сужение гибридизированной зоны s-d электронных состояний N=Щ(Е) и смещение ее центра тяжести в сторону более высоких энергий. Согласно [30-32] в таких зонах сильно возбужденных состояний функция распределения атомов в пространстве качественно отличается от таковой для идеального кристалла. Наряду со структурными состояниями исходного кристалла в условиях сильного воз-
1 Коротеее Ю.М. Расчет кривой плотности з^-электронных состояний в локальных зонах сжатия-растяжения кристаллической решетки меди // Физ. мезомех. - 2008. - Т. 11. - № 3 (е печати).
20 10 0 10 20 мкм
Рис. 2. Контурная карта распределения нормальных напряжений (а) и топография поверхности (б ) деформируемого растяжением образца с модифицированным поверхностным слоем. Модуль упругости поверхностного слоя Е8 = 0.5 Еу, где Еу — модуль упругости объема материала; толщина подложки принималась бесконечно большой по сравнению с толщиной поверхностного слоя. Моделирование методом возбудимых клеточных автоматов [27]
буждения в пространстве междоузлий появляются новые разрешенные структурные состояния, которые могут быть либо вакантными, либо занятыми сильно возбужденными атомами. В кристалле возникают новые степени свободы. Сильно возбужденный кристалл становится, по существу, суперпозицией нескольких структур, и число разрешенных структурных состояний в системе значительно превышает число атомов. Такие состояния в кристалле были названы атом-вакансионны-ми. Они допускают возможность локальных структурных превращений в структурно-неоднородной среде в полях внешних воздействий и вполне естественно объясняют нелинейный характер поведения сильно возбужденного кристалла, аномально большие скорости мас-сопереноса в нем, поскольку атомы в данных условиях могут двигаться через междоузлия, гидродинамический характер течения.
Рис. 3. «Шахматная» структура наноструктурированного поверхностного слоя плоского образца сплава Zr - 2.5%Nb при сжатии, Е = 5 % (а) и растяжении, Е = 22 % (б). T = 293 K. Лазерная интерферометрия
[7]
При образовании пар «атом - виртуальная вакансия» возникают локализованные электронные состояния, которые определяют формирование кластеров с различными атомными конфигурациями. Подобные кластеры, перестраиваясь в полях градиентов напряжений, осуществляют пластическое течение как волновой процесс, описываемый уравнением Кортевега - де Вриза [4].
Экспериментальное подтверждение «шахматного» распределения напряжений и деформаций на интерфейсе разнородных сред получено в работах [7, 8, 10, 29], где использовали наноструктурирование поверхностных слоев (сплав Zr - 2.5 % Nb), наводораживание поверхностного слоя технического титана, нанесение наноструктурных покрытий Si-Al-N на медный образец, наклеивание на плоский образец алюминиевого сплава тонкой пластинки монокристалла Al. Внешнее воздействие на образцы осуществляли их растяжением, сжатием, циклическим нагружением при знакопеременном изгибе, по схеме push-pull или термоциклирова-нием. Во всех исследованных случаях в модифицированном поверхностном слое или нанесенном покрытии возникала «шахматная» мезоструктура, отражающая «шахматное» распределение напряжений на интерфейсе «модифицированный поверхностный слой (покрытие) -подложка». Ряд примеров таких «шахматных» мезо-структур приведен на рис. 3, 4.
На рис. 3 представлен «шахматный» профиль нано-структурированного поверхностного слоя плоского образца сплава Zr - 2.5 % Nb после деформации сжатием на 5 % и растяжением на 22 %. В обоих случаях в ходе пластической деформации в наноструктурированном поверхностном слое формируется крупная клеточная структура с линейными размерами клетки L = 80100 мкм. При небольших пластических деформациях
Рис. 4. Вид покрытия Si-Al-N (темные области) на медной подложке (светлые области) после термоциклирования (число циклов N = 55, поверхностный слой подложки перед нанесением покрытия нано-структурирован пучком ионов Си+) [29] (а) и после одноосного растяжения (£ = 4 %, Т = 293 К) [11] (б )
(рис. 3, а) на фоне крупной клеточной структуры проявляется мелкая клеточная структура с линейным размером клетки Ь2 ~ 5-6 мкм. Она связана с аккомодационной деформацией зерен как целого в подложке. При больших деформациях (рис. 3, б) пластическое течение в наноструктурированном поверхностном слое развивается квазивязко, не «чувствуя» движения зерен подложки.
Очень наглядное и убедительное доказательство «шахматного» распределения сжимающих и растягивающих нормальных напряжений на интерфейсе «наноструктурная тонкая пленка Б1-А1-Ы - медная подложка» представлено на рис. 4 [ 11, 29]. При термоциклировании такого образца от 1000 °С охлаждением в воде при 20 °С после 34 циклов в напыленной пленке возникает прямоугольная сетка трещин, а после 55 циклов отдельные клетки пленки отслаиваются, образуя прямоугольную «шахматную» структуру клеток (рис. 4, а).
Показательно, что при одноосном растяжении медного образца с наноструктурным покрытием Б1-А1-Ы клетки хрупкого покрытия отслаиваются в виде зигзага по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений тшах (рис. 4, б). Поскольку пластическая деформация поверхностного слоя подложки может развиваться только в зонах растягивающих нор-
Рис. 5. Три принципиально возможные схемы стационарного гофрирования поверхностного слоя деформируемого твердого тела при структуре интерфейса в виде «шахматной доски» [7]
мальных напряжений на интерфейсе «покрытие - подложка», она распространяется зигзагообразно вдоль сопряженных направлений тшах. Это сопровождается соответствующим зигзагообразным отслоением клеток хрупкого покрытия от деформируемой подложки.
Мезоскопический эффект «шахматного» распределения растягивающих и сжимающих нормальных напряжений на интерфейсе двух разнородных сред неизбежно приводит к «шахматному» распределению на интерфейсе химического потенциала. Это следует из рассмотрения на интерфейсе локальных термодинамических потенциалов на основе метода Гиббса в рамках термодинамики необратимых процессов. Локальные термодинамические потенциалы зависят от координат локальной зоны и времени как функции характеристических термодинамических параметров: локальной плотности, внутренней энергии и(хг-, {), удельного объема V(х{, {) и локальной концентрации компонентов С (х,, {). Из определения химического потенциала
\
(1)
]8, А,П^ Ф
где Us — плотность внутренней энергии локальной зоны интерфейса; ns г- — избыточное содержание г-го компонента в локальной зоне интерфейса, деленное на величину ее площади А, следует, что «шахматное» распределение плотности внутренней энергии на интерфейсе вызывает соответствующее распределение химических потенциалов компонентов гетерогенной среды. Последнее вызывает развитие транспортных потоков массопе-реноса в гетерогенной среде в полях внешних воздействий.
4. Роль интерфейсов в твердых телах в развитии транспортных потоков локального массопереноса
«Шахматное» распределение растягивающих и сжимающих нормальных напряжений на интерфейсе разнородных сред лежит в основе зарождения и развития потоков локального массопереноса в твердом теле в полях внешних воздействий (механических, тепловых, электрических и др.). Это вытекает из основного положения
физической мезомеханики, согласно которому пластическое течение твердого тела при любых внешних воздействиях связано с локальной потерей его сдвиговой устойчивости и развивается как локальное структурнофазовое превращение кристалла в зонах пластического сдвига. Подобные локальные структурно-фазовые превращения могут развиваться в стабильном кристалле только в локальных зонах растягивающих нормальных напряжений, как это показано в предыдущем разделе. Направления потоков локального массопереноса определяют градиенты касательных напряжений и химических потенциалов компонентов гетерогенной среды. При одноосном растяжении плоского двухслойного образца «модифицированный поверхностный слой (покрытие) -подложка» потоки локального массопереноса в зоне интерфейса должны распространяться по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений тшах вдоль клеток «шахматного» интерфейса с растягивающими нормальными напряжениями. На рис. 4, б это проявилось в виде зигзагообразного отслаивания клеток хрупкого покрытия на медной подложке. В зависимости от соотношений характеристик сдвиговой устойчивости плоских слоев сэндвича потоки локализованного массо-переноса могут развиваться по схемам, представленным на рис. 5.
Эксперименты полностью подтвердили положения физической мезомеханики. На рис. 6 показано развитие полос локализованного пластического течения тонких пленок меди различной толщины, напыленных на полипропиленовую подложку, при одноосном растяжении [28]. Полосы локализованного течения развиваются по сопряженным направлениям Тшах. В соответствии с теорией ширина полос линейно возрастает с увеличением толщины напыленной пленки. В сильнонеравновесных системах в поле всестороннего растяжения происходит структурно-фазовый переход с вытеснением избыточного объема в локальные зоны пустоты в виде цепочек микропор. В пространстве между ними формируются фрагменты материала в более равновесном состоянии. В условиях неоднородного распределения внутренних напряжений цепочки микропор концентрируются в зонах растягивающих нормальных напряже-
Рис. 6. Полосы локализованного пластического течения в медной пленке толщиной 100 (а) и 900 нм (б) при растяжении, Е = 1.8 %. Размеры изображений — 11.2x11.2 мкм. Атомно-силовая микроскопия [28]
ний. Фрагментация материала формирует разориенти-рованную мезосубструктуру, декорирующую развитие сдвигов на мезомасштабном уровне.
Результат такого структурно-фазового перехода в пластинке высокочистого алюминия А999 представлен на рис. 7. Первоначально полированную пластинку А999 приклеили к плоскому образцу технического алюминия А7 и подобный двухслойный образец подвергли знакопеременному изгибу. Более твердый образец алюминия А7 нагружался вблизи упругой области, а мягкая пластинка алюминия А999 — в пластической. При небольших степенях пластической деформации на поверхности пластинки А999 возникли обычные линии кристаллографического скольжения. Однако после числа циклов нагружения N = 17.55-106 несовместность деформации образца А7 и пластинки А999 обусловила выгибание образца по схеме изогнутого бикристалла. В поверхностном слое сильнодеформированной пластинки А999 возникло большое количество цепочек микро-пор вдоль мезополос локализованного пластического течения (рис. 7). Границы зерен поверхностного слоя раскрывались в виде двугранных углов, достигающих 20°-30° (рис. 8). Подобные эффекты, наблюдаемые в изогнутом поверхностном слое пластинки А999, возникают только в условиях ее сильнонеравновесного состояния, вызванного интенсивной пластической деформацией.
Как будет показано ниже, аналогичные структурнофазовые превращения развиваются и в биологических мембранах, которые обеспечивают процессы массопе-реноса во встречных потоках. Но в условиях слабых взаимодействий в биологической среде такие структурно-фазовые превращения являются обратимыми. Это обеспечивает нормальное функционирование биологических мембран в процессах обмена в живом организме.
Рис. 7. Лазерная профилометрия поверхности пластинки алюминия А999 после ее интенсивной пластической деформации знакопеременным изгибом в плоском двухслойном образце А999/А7. АВ — граница зерен, N = 17.55 • 106 циклов, Т = 293 К [33]
мкм
Рис. 8. Профилограмма поверхности, представленной на рис. 7, поперек границы АВ зерен
При воздействии гормонов стресса структурно-фазовые превращения в биологических мембранах становятся необратимыми. Это вызывает отмирание клеток.
В работе [33] экспериментально показано, что в локальных зонах экструзии сильнонеравновесного материала развиваются процессы массопереноса примесей внедрения. В этих экспериментах тонкая пластинка высокочистого алюминия А999 наклеивалась на плоский образец технического титана ВТ1-0. При большом числе циклов знакопеременного изгиба титан деформировался только упруго и изгибания двухслойного образца как бикристалла не происходило. Стесненная пластическая деформация мягкой пластинки А999 вызывала сильно выраженные эффекты локальной экструзии алюминия перпендикулярно плоскости образца. На поверхности экструдированных мезополос возникала тонкая пленка химического соединения алюминия с серой, кислородом и углеродом. Она отслаивалась от поверхности мезополосы, обнажая вихревой характер ее экструзии (рис. 9). В условиях подобного вязкопластического течения материала при его экструзии развивается восходящий массоперенос примесей внедрения на поверхность сильнонеравновесного алюминия.
Качественно подобно развиваются транспортные потоки массопереноса через биологические мембраны. Только в последнем случае важную роль играет также «шахматное» распределение в стенке мембраны хими-
Рис. 9. Изображение поверхности зоны экструзии материала А999 в плоском двухслойном образце А999/ВТ1-0 после интенсивной пластической деформации (№ = 2.9 • 106 циклов). В зоне А произошло локальное отслоение хрупкой поверхностной пленки А1—В-О—С, Т = 293 К, х830. Растровая элетронная микроскопия [33]
ческих (или электрохимических) потенциалов компонентов окружающей среды.
5. Структурно-фазовые переходы в биологических мембранах как жидкокристаллической среде
Любая клетка — это полифункциональная система. Она построена из мембран, общая площадь которых огромна. Значительная часть сухого вещества клетки — это мембраны. Они состоят на 60 % из белков и на 40 % из липидов. По структуре мембрана напоминает «сэндвич», состоящий из липидного бислоя, образованного фосфолипидами. Их гидрофобные «хвосты» (остатки жирных кислот) обращены внутрь, а гидрофильные «головки» (остатки глицерина) — наружу. В липидный бислой погружены («плавают») различные белки, выполняющие роль ионных каналов, рецепторов различных гормонов, переносчиков и т.д. (рис. 10). Кроме того, биологические мембраны определяют пространственное разграничение функций клетки, что позволяет организовать сложное производство всего необходимого для ее жизнедеятельности в микрообьеме.
Основные функции мембран:
- Хранение и оперативное использование генетической информации в ядре. Здесь важную роль играет ядерная мембрана — сложная конструкция, с которой структурно и функционально связана самоорганизация хроматина. Через ядерную мембрану осуществляется огромный массоперенос. В ядро поступают нуклеотиды, аминокислоты, жиры и жирорастворимые соединения и т.д. Из ядра в цитоплазму поступает оперативная информация в виде матричной (информационной) РНК, необходимой для синтеза всех нужных для клетки и организма в целом белков: ферментов, белковых гормонов, антител, структурных белков и т.д. Через ядерную мембрану происходит перенос в цитоплазматическое пространство предшественников рибосом, которые можно сравнить с печатными станками с программным управлением.
Рис. 10. Жидкомозаичная модель структуры мембраны. Треугольники — молекулы холестерина; точки с разветвлениями — молекулы гликолипидов [34]
- Синтез белков — это выпуск печатной продукции, которая связана с другими биологическими мембранами. Их относят к эндоплазматической сети клетки. Та часть мембран, на которой фиксируются рибосомы и осуществляется синтез белка, называется шероховатым эндоплазматическим ретикулумом, а свободные от рибосом мембраны называются гладким эндоплазматичес-ким ретикулумом. Здесь находятся ферменты синтеза липидов, происходит распад чужеродных соединений и т.д.
- В цитоплазме локализованы энергетические машины клетки — митохондрии, отвечающие за синтез АТФ. Он связан с трансформацией свободной энергии окисляющихся соединений (жиры, углеводы) в энергию мак-роэргических связей. Ферменты окисления органических соединений (субстратов) и синтеза АТФ связаны с внутренней митохондриальной мембраной. С внешней митохондриальной мембраной связаны процессы транспорта веществ в митохондрии и за их пределы.
- В клетке важную роль играют мембраны, связанные с лизосомами, пероксисомами, эндосомами, пространственно разделяющими различные клеточные функции.
- Наконец, чрезвычайно важную роль играет внешняя клеточная мембрана — цитоплазматическая. С ней связаны различные клеточные переносчики (глюкозы, №+, К+, Са+2), ферменты (АТФаза, ацетилхолинэсте-раза и др.), рецепторы гормонов и т.д. С клеточными мембранами связан электрохимический потенциал, обусловленный присутствием ионов №+ на внешней и ионов К+ на внутренней стороне мембраны, формирующих ее ионное (наноструктурное) покрытие. Через клеточную мембрану осуществляется встречный массопе-ренос газов: кислорода в клетку, углекислого газа из клетки (рис. 11). Говоря о важности и разнообразии функций биологических мембран, необходимо помнить, что все они представляют собой сложные гетерокристаллы. Их поведение описывается как поведение жидкокристаллических структур, в которых проявляют себя фундаментальные законы физики и механики.
Поведение жидких кристаллов во многом напоминает поведение сильнонеравновесных твердых кристаллов. Изучение тех и других позволяет понять общие закономерности, которые использует природа независимо от того, идет ли речь о живой клетке, сложных клеточных системах или металлоконструкциях.
В биологии и физике гетерокристаллы — это сложные атомно-молекулярные системы с общими принципами системной организации. Основные различия в их поведении определяются энергией связей, формирующих жидкие и твердые кристаллы. В жидких кристаллах — это ковалентные и водородные связи, слабые электростатические (ионные) и гидрофобные взаимодействия. Самые сильные из них — ковалентные связи. Трансляционная инвариантность твердых кристаллов
Рис. 11. Схема. Многоуровневая система регуляции физиологических и метаболических функций в организме при участии клеточных мембран: I — блок морфофункциональных и гомеостатических систем; II — метаболический блок
обусловливает возникновение зонной структуры валентных электронов. Она характеризуется высоким уровнем сил связи (по сравнению с жидкими кристаллами). Однако, как отмечалось выше, в локальных зонах растягивающих напряжений возникают сильно возбужденные состояния, которые характеризуются более низким уровнем сил связи.
Биологические мембраны, как и макромолекулы в организме животных и человека, ведут себя как жидкие кристаллы, в которых постоянно происходят наноструктурные или фазовые структурные переходы в зависимости от изменения температуры, рН среды, содержания электролитов и т.д.
Покажем это на примере липопротеиновой частицы, которая имеет поверхностную оболочку, состоящую из монослоя фосфолипидов. Гидрофобные жирнокислотные «хвосты» последних обращены в сторону липидного ядра частицы, а гидрофильные «головки» — наружу. Между фосфолипидами располагаются молекулы холестерина. В монослой фосфолипидов погружены белки — аполипопротеины. Это копия клеточной мембраны, но состоящая из монослоя, а не бислоя. Ядро такой частицы образовано триглицеридами, в которых растворены эфиры холестерина (рис. 12). Это типичный жидкий гетерокристалл. Системообразующими силами здесь являются гидрофобные взаимодействия, слабые электростатические взаимодействия, ковалентные и водородные связи. При изменении температуры, рН, ионной силы раствора в нем наблюдаются типичные структурные фазовые переходы, которые отражаются на свойствах кристалла: вязкости, электропроводности и т.д.
Рис. 12. Обобщенная схема структуры сывороточных липопротеинов крови (из Интернет-страницы «Lipoprotein metabolism: Step by step»)
Например, в липопротеинах высокой, низкой и очень низкой плотности выявлены аномальные изменения вязкости в различных температурных диапазонах, обусловленные структурными фазовыми переходами. Для липо-протеинов высокой плотности первый структурный переход обнаружен в области 22-23 °С, а второй — в области 35-36 °С. Условия эксперимента: 0.9% раствор NaCl, рН = 6.1. Измерение температурной зависимости вязкости в K+-, Ка+-фосфатном буфере с рН = 7.35 выявило сдвиг точки фазового перехода Tc в область 37.5 °С, т.е. на 1-2 °С выше (рис. 13). В физической мезомеханике такие изменения определяют структурные уровни пластической деформации в поликристаллах [1]. На этом же рисунке представлена температурная зависимость вязкости функции л(^) для одного из основных белков липопротеинов высокой плотности — аполипопротеина А-1. Видны аномальные изменения вязкости в области физиологических температур (3738 °С). Мы с этим регулярно сталкиваемся, когда температура тела у нас повышается при воспалительных
103/Т, К-1
103/Т, К-1
Рис. 13. Вязкость коллоидных растворов (кг/(м ■ с)) липопротеинов крыс, измеренная при разной температуре: а — липопротеины высокой плотности (0.9% №С1, рН = 6.1); б — липопротеины высокой плотности (/) и аполипопротеин А-1 (2). Тс — точка фазового перехода
103/Т, к-1
103/Т, К“1
Рис. 14. Вязкость коллоидных растворов (кг/(м ■ с)) липопротеинов крыс, измеренная при разной температуре: а — липопротеины низкой плотности, б — липопротеины очень низкой плотности
или инфекционных заболеваниях. Из данных результатов видно, что структурные переходы наблюдаются не только в жидких гетерокристаллах, но и в макромолекулах.
Температурный коэффициент вязкости в интервале температур 34-37 °С составил 2.93 • 10-5 кг/(м • с • °С), в интервале 37-40 °С — 1.07 • 10-5 кг/(м • с -°С), т.е. по обе стороны от Тс он отличается в 2.75 раза. В растворах №С1 и К+-, №+-фосфатном буфере аномальных изменений вязкости не наблюдалось.
При исследовании функции ^(Т) для липопротеинов низкой и очень низкой плотности также выявлены аномальные изменения вязкости. Для липопротеинов низкой плотности Тс находилась при 37.5 ± 0.5 °С. Температурный коэффициент вязкости ниже Тс составлял 2.6 • 10-5 кг/(м • с • °С), а выше нее — 1.0 • 10-5 кг/(м • с • °С). Отношение этих величин составляло 2.6. Для липопротеинов очень низкой плотности Тс находилась в области 37.5 ± 0.5 °С. Температурный коэффициент вязкости ниже Тс составлял 1.71 • 10-5 кг/(м • с -°С), а выше нее — 1.21 • 10-5 кг/(м • с • °С) (рис. 14).
Теплота активации вязкого течения липопротеинов и условная теплота перехода ДНпер невелики (табл. 1). Небольшие величины энтальпии перехода и энергии активации в липопротеинах показывают, что в структурных переходах участвуют низкоэнергетические связи: гидрофобные взаимодействия (1-3 ккал/моль), ван-дер-ваальсовые силы (1 ккал/моль) и в меньшей степени водородные связи (~5 ккал/моль).
Изменение свойств жидкокристаллических структур обусловлено образованием мезофаз типа смектик, холестерик, нематик и переходами между ними. Ранее температурный переход «смектик ^ изотропная среда» в липопротеинах низкой плотности был описан в области 35 °С с использованием рентгеноструктурного
Таблица 1
Теплота активации вязкого течения липопротеинов крыс при температурах ниже и выше Тс и величина энтальпии перехода ДНПер, ккал/моль
Липопротеины Липопротеины Липопротеины
высокой низкой очень низкой
плотности плотности плотности
< Тс 1.94 ± 0.03 4.02 ± 0.03 2.87 ± 0.03
> Тс 1.30 ± 0.03 1.24 ± 0.03 2.13 ± 0.03
Д-Нпер 0.63 ± 0.03 2.78 ± 0.03 0.74 ± 0.03
анализа и микрокалориметрии [35]. В липопротеинах очень низкой плотности кроликов, обогащенных холестерином, описан переход «смектик ^ холестерик» в области 40-42 °С [36]. Авторы показали, что в этом переходе могут принимать участие эфиры холестерина и фосфолипиды. Величина энтальпии перехода «смектик А ^ С» составляет 0.01- 0.06 ккал/моль. Его относят к фазовому переходу 2-го рода. По-видимому, в липопро-теинах высокой плотности мы имеем дело именно с таким переходом. Он инициируется на поверхности частиц и связан с синхронным изменением угла наклона углеводородных цепей доменов (кластеров) фосфолипидов и холестерина к поверхности частицы и сопровождается изменением симметрии и скачком теплоемкости [37].
Энтальпия перехода «смектик ^ нематик» составляет 0.16-2.3 ккал/моль. Выявленный нами структурный переход в липопротеинах низкой плотности, вероятно, следует отнести к такому переходу. На это указывает энтальпия перехода, равная 2.78 ккал/моль, и то, что параметр упорядоченности фосфолипидов в интервале температур 35-40 °С изменяется мало. Вероятно, в липопротеинах очень низкой плотности имеет место переход «смектик ^ холестерик». Энтальпия такого перехода составляет 0.74 ккал/моль. Согласно литературным данным АН перехода «смектик ^ холестерик» изменяется в пределах 0.5-1.1 ккал/моль [36].
Аномальные изменения вязкости белка — аполипо-протеина А1, входящего в структуру липопротеинов высокой плотности, при температуре 36-37 °С, по-видимому, связаны с переходом «клубок ^ а-спираль» или «клубок ^ Р-структура» [20], что указывает на изменение вторичной структуры белка. Переход «клубок ^ Р-структура» относится к фазовому переходу 2-го рода. Он связан с изменением симметрии. Характерной особенностью данного перехода является то, что со скачком вязкости связан и скачок теплоемкости [37]. Возможно, в липопротеинах высокой плотности структурный переход инициируется белковым компонентом.
Такие же структурные фазовые переходы, образующие кластеры, обнаружены нами в клеточных мембранах (лимфоциты, эритроциты). Важной особенностью клеточных мембран (в отличие от липопротеинов) яв-
ляется наличие электрохимического потенциала, распределенного по их поверхности (своеобразное ионное наноструктурированное покрытие мембран клеток). Он образован ионами №+ снаружи и К+ внутри клетки (см. рис. 11). При структурных фазовых переходах в плазматических мембранах вполне возможно «квазишахмат-ное» распределение заряда (перераспределение его на поверхности мембраны). Это может быть связано с образованием С02 в клетке и закислением среды, что приводит к структурному переходу и создает условия для облегченного массопереноса С02 из клетки и 02 в клетку, т.е. обеспечивает пространственное разделение встречного массопереноса. Предложенный механизм нуждается в дальнейшей экспериментальной проверке.
Ранее нами было показано, что в эритроцитарных мембранах возможно наноструктурирование поверхности за счет адсорбции холестерина (см. рис. 10). Это отражается на изменении в них микровязкости. Место холестерина на плазматических мембранах могут занимать стероидные гормоны — производные холестерина. В этом случае увеличение вязкости мембран оказывается особенно выраженным. Если речь идет об эритроцитах, то увеличение вязкости их мембран в капиллярном русле может приводить к стазу, т.е. к остановке кровотока. В этом месте возникает тканевая гипоксия и развивается инфаркт [19]. В экспериментальных моделях стресса (введение стероидных гормонов) это частое явление. Сегодня данная проблема особенно актуальна. Хорошо известно, что в международном спорте стали наблюдаться случаи внезапной смерти спортсменов от остановки сердца во время соревнований, т.е. в условиях стресса. Спортсмены международного класса, как правило, принимают в качестве допинга стероидные гормоны (анаболики). Суммарная доза стероидных гормонов может быть запредельной для организма, что и приводит к смерти.
Таким образом, в плане фундаментальных проблем природы массопереноса принципиально важно знать молекулярно-кинетические механизмы поведения наноструктурных интерфейсов и мембран в средах различной природы при воздействии на них внешних полей, общие принципы повышения устойчивости мембран (наноструктурированных кристаллов) при действии агрессивных факторов, что позволяет разработать средства их защиты и дизайна. Очень эффективными в решении данных вопросов являются мультидисципли-нарные подходы физической мезомеханики материалов.
6. Механизм влияния гормонов стресса на структуру и функции биологических мембран
Известно, что все биологические мембраны на своей поверхности содержат много свободного холестерина (см. рис. 10). Эти запасы холестерина участвуют в постоянном обмене при помощи липопротеинов крови
Рис. 15. Химическая структура холестерина, кортизола и тестостерона
[38]. Холестерин — это очень гидрофобная молекула, которая в 17-м положении Д-кольца содержит углеводородную цепь, состоящую из 8 углеродных атомов, жесткое кольцо В из-за наличия двойной связи в положении 5-6 и только один активный гидроксил в положении 3 А-кольца (рис. 15). Такая молекула хорошо взаимодействует с фосфолипидной подложкой биологических мембран, причем ее углеводородная цепь глубоко проникает в область «жирнокислотных хвостов» фосфолипидов (см. рис. 10). Это взаимодействие является гидрофобным и приводит к образованию гидрофобных кластеров в жидкокристаллической структуре фосфоли-пидных мембран.
Между жирнокислотными хвостами фосфолипидов находится большое количество молекул воды. При образовании гидрофобных кластеров под влиянием холестерина она вытесняется в соседние области. За счет дополнительных сил гидрофобного взаимодействия кластеры, содержащие холестерин, начинают испытывать нормальные и касательные сжимающие напряжения, а соседние — растягивающие напряжения. При достаточно высокой плотности гидрофобных кластеров распределение сжимающих и растягивающих напряжений в жидкокристаллической структуре биологических мембран приобретает картину шахматной доски. Реальная картина наноструктурных изменений (переходов) более сложная и определяется действием специфических белков. Они по своей природе могут быть рецепторами (SR-B-белок) или переносчиками (АВС-белок, аполи-попротеин А-1). Предполагаемые механизмы их дейст-
вия в клеточных мембранах описаны достаточно подробно [39]. Для эритроцитов взаимодействие аполипо-протеина А-1 с клеточной мембраной может быть представлено в виде следующей схемы (рис. 16).
Аполипопротеин А-1 — это белок, который входит в структуру липопротеинов высокой плотности и с которым связано определенное количество фосфолипидов и холестерина. Взаимодействуя с мембраной эритроцитов аполипопротеин А-1 «структурирует» ее при участии холестерина, что приводит к образованию гидрофобных кластеров. При этом диполи воды вытесняются в смежные области. В них образуются трансмембранные поры, облегчающие транспорт газов: 02 — в клетку, С02 — из клетки. Предполагается, что такая ситуация формируется в капиллярах под влиянием закисле-ния среды. В конце капилляра и в магистральных сосудах аполипопротеин А-1 вместе с гидрофобным кластером выходит из мембраны эритроцитов и формирует незрелые (насцентные) липопротеины высокой плотности при участии липопротеинов очень низкой плотности.
В этих процессах активную роль играет липопротеиновая липаза, находящаяся на поверхности эндотелиальных клеток капилляров. Под влиянием данного фермента триглицеридное ядро липопротеинов очень низкой плотности разрушается с образованием жирных кислот, а сами липопротеины очень низкой плотности превращаются в более мелкие частицы. При этом освобождается часть фосфолипидов и холестерина. Оба соединения также участвуют в восстановлении исходной структуры клеточной мембраны эритроцитов. Эта схема в настоящее время подвергается экспериментальной проверке.
При внедрении молекул холестерина в фосфолипид-ную подложку биологической мембраны в ней умень-
Сферические
липопротеины
высокой
плотности
Липопротеины крови
5 Аполипопротеин^-А-1
ш » % ш ! . І
Насцентные липопротеины высокой плотности
ж. Ш
А Свободный О Фосфолипиды $ Диполи воды холестерин
Рис. 16. Наноструктурные изменения в эритроцитарных мембранах: а — в капиллярах; б — в магистральных сосудах
шается взаимодействие молекул воды с гидрофобными остатками жирных кислот фосфолипидов, увеличиваются количество водородных связей и степень упорядоченности системы в целом. Образование дополнительных водородных связей и снижение подвижности молекул воды приводит к уменьшению энтропии 5. Однако в изменении величины свободной энергии
ДG = АЯ - ТАБ (2)
определяющим фактором в данном случае является снижение энтальпийной составляющей АН.
Как уже отмечалось, место холестерина в биологических мембранах могут занимать стероидные гормоны. Являясь производными холестерина, они существенно отличаются от него по содержанию функционально активных групп (рис. 15). Во-первых, у них отсутствует гидрофобная углеводородная цепь в 17-м положении. Во-вторых, у стероидных гормонов больше содержание окси (-ОН) и кето (=0) групп. Например, в кортизоле окси-группы содержатся в 11-м, 17-м и 21-м положениях, а кето-группы — в 3-м и 20-м положениях. Связь в положении 4-5 А-кольца ненасыщенна, что делает кольцо более жестким. В тестостероне в 3-м положении содержится кето-группа, а в 17-м положении — окси-группа. Кольцо А в положении 4-5 также ненасыщенно.
Еще раз отметим, что интерес к этим двум гормонам сегодня продиктован двумя соображениями: усилением секреции кортизола в кровь у человека в условиях стресса и широким использованием андрогенов (тестостерона) среди спортсменов в качестве допинга. В условиях спортивных соревнований в крови может быть повышено содержание обоих гормонов одновременно. Если данные гормоны будут взаимодействовать с эрит-роцитарными мембранами, то это существенно может изменить их свойства как жидких кристаллов и как функционально активных структур.
Мы исследовали природу наноструктурных изменений в эритроцитарных мембранах при взаимодействии их с кортизолом и тестостероном методами инфракрасной, флуоресцентной спектроскопии и малоуглового рентгеновского рассеяния. Тени эритроцитов получали в гипотоническом фосфатном буфере рН = 7.35, тщательно отмывали от гемоглобина и хранили при температуре 4 °С. Инфракрасную спектроскопию проводили на спектрофотометре Specord М-80, флуориметрию — на спектрофлуориметре Шимадзу ИР^301, малоугловое рентгеновское рассеяние — на рентгеновском дифрактометре фирмы Siemens.
Инфракрасные спектры теней эритроцитов, не нагруженных гормонами, имели характерные полосы поглощения. Область 1650-1656 см-1 свидетельствует о том, что в мембраносвязанных белках наряду с неупорядоченной структурой присутствуют а-спиральные участки. Области 1635, 1696 и 1520 см-1 говорят о на-
личии Р-структуры. Полоса 3 308 см-1 указывает на МН-валентные колебания белков, а области 2948, 2920 и
2 848 см-1 — на СН-валентные колебания белков и фосфолипидов. Для последних характерна полоса 1736 см-1 (С=0-связь), 1238 см-1 (Р=0-связь), 1460 и 1386 см-1 — СН2-деформационные колебания, 1048 см-1 — С-О-С-связь и 978 см-1 — деформационные колебания С-С-связей. Полоса 1736 см-1 узкая, что указывает на высокую степень упорядоченности в области сложноэфирных связей глицерина и остатков жирных кислот. Наблюдаемое расщепление полосы 1238 см-1 (Р=0-связь) на 1258, 1238 и 1218 см-1 свидетельствует о взаимодействии кластеров, отличающихся направлением ди-польных моментов. Изменение величины дипольного момента оценивается как I = dQ)2, где I — интен-
сивность полосы поглощения; d|J, — изменение дипольного момента; dQ — изменение обобщенной координаты. Расщепление полосы также указывает на способность мембраны к связыванию воды.
Добавление в среду инкубации теней эритроцитов кортизола (1.82 • 10-7 М) приводит к наноструктурированию мембран. Это сопровождается увеличением интенсивности полос поглощения 1650 см-1 (СО-связь), 1548 и 3 300 см-1 (МН-связь). С повышением концентрации гормона возрастает интенсивность поглощения. Увеличивается интенсивность поглощения в области 1650 см-1, что говорит о повышении доли а-спирали в мембраносвязанных белках, причем это обусловлено структурным переходом «статистический клубок ^ а-спираль».
Обнаружены увеличение интенсивности и сдвиг полосы 3308 ^ 3 284 см-1, что свидетельствует об образовании водородной связи между кортизолом и МН-груп-пой пептидной связи белка. Со стороны гормона наиболее вероятно в этом участвует кето-группа в 3-м положении А-кольца. В образовании водородных связей с белками может также принимать участие кето-группа в положении С20 или ОН-группа — в положении С11. Отмечается сдвиг полос 2848 ^ 2 852 см-1 и 2932 ^ 2924 см-1, ответственных за валентные колебания СН-связей. Одновременное увеличение интенсивности последней связи указывает на наличие наноструктурного перехода, который может наблюдаться как в белках, так и в фосфолипидах. Обнаружены повышение интенсивности и сдвиг полосы 1 744 ^ 1740 см-1, что говорит об увеличении упорядоченности в области остатков жирных кислот фосфолипидов и уменьшении энтропии. В образовании водородной связи с СО-груп-пой фосфолипидов принимает участие ОН-группа при С21- либо С11-атоме. Полученные результаты говорят о том, что кортизол может взаимодействовать одновременно как со структурными белками, так и с фосфолипидами, что увеличивает жесткость эритроцитарных мембран и препятствует латеральной подвижности бел-
ков, т.е. снижает «жидкостность» мембран. Некоторое увеличение интенсивности и сдвиг частоты Р=О-связи на 4 см-1 в коротковолновую область объясняется дегидратацией эритроцитарных мембран.
Таким образом, кортизол, как и холестерин, также образует при взаимодействии с фосфолипидной подложкой биологических мембран гидрофобные кластеры. Однако они формируются на поверхности фосфоли-пидного бислоя и обусловлены действием дополнительных водородных связей между гормоном, с одной стороны, фосфолипидами и белками, с другой. Под влиянием холестерина в жидкокристаллических мембранах наноструктурные кластеры формируются преимущественно за счет гидрофобных взаимодействий, что не препятствует их подвижности и подвижности мембраносвязанных белков. За счет углеводородной цепи в 17-м положении холестерина формирование гидрофобных кластеров идет в глубоких слоях фосфолипидных мембран, в которых находится большое количество свободной воды и которая при этом вытесняется в соседние области. Другими словами, наноструктурирование биологических мембран под влиянием холестерина и кортизола принципиально отличается друг от друга и может привести к серьезным нарушениям их функций в условиях стресса.
Аналогичные результаты были получены нами при изучении взаимодействия тестостерона с эритроци-тарными мембранами при концентрациях гормона 3.0 X X10-6 М. Отмечается значительное (на 20 %) увеличение интенсивности полос в областях 1544, 1656 и 3 292 см-1, сдвиг полосы поглощения 3 308 ^ 3 293 см-1, увеличение интенсивности полос 2 852 и 2 932 см-1. Последнее обстоятельство свидетельствует об увеличении упорядоченности мембраносвязанных белков, главным образом, в связи со структурным переходом «статистический клубок ^ а-спираль». Сдвиг полосы поглощения
3 308 ^ 3 292 см-1 обусловлен образованием водородной связи между кето-группой в положении С3 А-коль-ца гормона и МН-группой пептидной связи или индоль-ного ядра триптофана. Увеличение полосы поглощения 2 932 и 2 852 см-1 говорит о повышении упорядоченности эритроцитарных мембран.
Наряду с этим, наблюдаются увеличение интенсивности полосы 1740 см-1 (С=0-связь сложноэфирной группы фосфолипидов) и одновременно ее сдвиг в коротковолновую область, что свидетельствует о повышении упорядоченности фосфолипидов внутри кластеров, а также в системе кластеров. Все это говорит о том, что гормоны образуют водородные связи как с фосфолипидами, так и с белками. Сдвиг данной полосы в коротковолновую область обусловлен образованием водородной связи между ОН-группой при С17-атоме Д-кольца и С=О-группой сложноэфирной связи фосфолипидов. Сдвиг полос поглощения 1088 ^ 1098 см-1 и 1236 ^
1248 см-1 связан с процессом дегидратации фосфолипидов в результате увеличения их упорядоченности. Повышение упорядоченности фосфолипидов согласуется также с увеличением интенсивности полос 1098 и 1248 см-1 (Р-О-С- и Р=О-связи соответственно).
Таким образом, можно видеть, что взаимодействие обоих стероидных гормонов с фосфолипидной подложкой биологических мембран носит однотипный характер и приводит к увеличению их жесткости. У спортсменов, которые используют андрогены (тестостерон) в качестве допинга, в условиях соревнований (стресса) может наблюдаться аддитивный эффект гормонов. Если учесть, что оба гормона повышают жесткость эритроцитарных мембран, может возникнуть критическая ситуация, когда эритроциты будут неспособны продвигаться по капиллярному руслу. Возникнет стаз (остановка) крови, развитие гипоксии с последующим инфарктом.
Для дополнительной оценки структурных переходов в мембраносвязанных белках были измерены интенсивности поглощения и флуоресценции остатков трипро-фана в составе белков. С этой целью осуществляли титрование мембран эритроцитов растворами кортизола и тестостерона. На основании полученных результатов рассчитывали константу связывания гормона с мембранами (К^,, М-1) и количество связанного гормона (Втах, моль/мг белка). Изменение свободной энергии ДG системы при переходе гормона из буфера в мембрану эритроцита определяли по формуле:
ДG = - RT 1п( К ас,),
где R = 8.314 Дж/(К-моль); Т — абсолютная температура.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что взаимодействие кортизола и тестостерона с эритроци-тарными мембранами несколько отличается. При взаимодействии мембран с кортизолом (С = 1.82 • 10-7 М) интенсивность поглощения I при X = 227 нм снижается на 4.6 % по отношению к контролю (без гормона). При взаимодействии мембран с тестостероном в большей концентрации (С = 3.0 • 10-6 М) интенсивность поглощения снижается всего на 2.8 % по отношению к контролю. Константы связывания обоих гормонов с эритроци-тарными мембранами также несколько отличаются: для кортизола Касс = (2.23 ± 0.12) • 10-6 М, а для тестостерона К асс = (2.24 ± 0.12) • 10-6 М, т.е. выше. Количество связанного гормона Втах также отличается: для кортизола Втах = (4.69 ± 0.47) • 10-10 моль/мг белка, а для тестостерона Втах = (1.09 ± 0.11) • 10-9 моль/мг белка, т.е. тоже выше. Небольшие отличия получены для изменения свободной энергии ДG: для кортизола ДG = -36.0 кДж/моль, а для тестостерона ДG = -37.6 кДж/моль. Несмотря на выявленные отличия общие закономерности наноструктурирования биологических (эритроцитарных) мембран
стероидными гормонами одни и те же. Они обусловлены комбинированным влиянием главным образом гидрофобных взаимодействий и водородных связей. Так, тушение флуоресценции триптофана связано с увеличением водородных связей в белке и структурным переходом «клубок ^ а-спираль». Этим же можно объяснить увеличение безызлучательных переходов триптофана (возбужденное или исходное состояние). Спирализация белка может также вести к изменению направления моментов квантовых переходов триптофановых остатков. Важно, что водородные связи гормоны образуют и с липидными компонентами мембран (фосфолипидами). Здесь проявляются также и гидрофобные взаимодействия. Таким образом формируются сложные кластеры, включающие белки и фосфолипиды. Это наноструктурирование носит кооперативный характер и распространяется не только на белки и липиды, с которыми непосредственно взаимодействует гормон, но и на соседние компоненты мембраны. Как следствие, на поверхности фосфолипидной мембраны в результате структурно-фазовых переходов формируются кластеры, в которых действуют касательные и, в меньшей степени, нормальные сжимающие напряжения.
Этот результат отличается от того, который наблюдается при действии холестерина. Его основным следствием является увеличение жесткости мембран и, вероятно, нарушение их функции.
Данные малоуглового рентгеновского рассеяния также указывают на наличие структурных фазовых переходов в эритроцитарных мембранах под влиянием стероидных гормонов. Анализ рентгенограмм малоуглового рентгеновского рассеяния, полученных при разных плотностях буфера, позволяет говорить, что структурные переходы в эритроцитарных мембранах наблюдаются одновременно как в липидном, так и в белковом компонентах. Результаты, полученные тремя различными методами, хорошо согласуются друг с другом.
7. Заключение
Мультидисциплинарный подход к описанию процессов массопереноса в интерфейсных средах живой и неживой природы приводит к заключению о принципиально важной роли локальных структурно-фазовых переходов в распространении транспортных потоков через интерфейсы в твердых телах и клеточные мембраны в биологических объектах. Это принципиально отличает твердотельную или биологическую мембрану от механического фильтра, имеющего заданную пористость внутренней структуры.
Любая граница раздела в структурно-неоднородной среде характеризуется «шахматным» распределением напряжений, деформаций и химических потенциалов компонентов сопрягаемых на интерфейсе сред. Локальные структурно-фазовые переходы на интерфейсах (мембранах) развиваются только в локальных зонах, ко-
торые испытывают растягивающие нормальные напряжения. Их «шахматное» распределение на интерфейсе контролирует встречные транспортные потоки массо-переноса в структурно-неоднородной среде. Избирательность адсорбции различных компонентов в зонах мембран с растягивающими нормальными напряжениями определяется их химическим потенциалом.
Развиваемый мультидисциплинарный подход представляется очень перспективным для решения многих задач современного материаловедения в области наноматериалов и нанотехнологий, для описания поведения материалов и конструкций в условиях экстремальных внешних воздействий (лазерное и нейтронное облучение, ударно-волновое нагружение, взаимодействие с высокотемпературной плазмой и др.), в биологии и медицине. Особенно актуальны задачи внутриклеточных обменов в биологических объектах в условиях стресса, разработка общих принципов повышения устойчивости биологических мембран, адресный транспорт лекарственных препаратов в живых организмах.
Использование подходов физической мезомеханики транспортного массопереноса через твердотельные интерфейсы позволяет понять и феноменологически описать основополагающие принципы внутри- и межклеточного обмена через биологические мембраны. В рамках такой постановки анализ поведения природных жидкокристаллических структур проводится авторами с сотрудниками в соответствии с теорией структурных фазовых переходов Ландау с использованием хорошо обоснованных моделей и решений, представленных в работах [40-42 и др.]. В предложенном варианте подобные работы выполняются пока только в рамках комплексных исследований в СО РАМН и СО РАН.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 06-08-08059) и Президиума РАН (проект № 9.6).
Литература
1. Поверхностные слои и внутренние границы раздела в гетерогенных материалах / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2006. - 520 с.
2. Панин Л.Е. Детерминантные системы в физике, химии, биологии. -
Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2006. - 200 с.
3. Панин В.Е., Панин Л.Е. Масштабные уровни гомеостаза в деформи-
руемом твердом теле // Физ. мезомех. - 2004. - Т. 7. - № 4. - С. 5-
23.
4. Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Панин А.В. Физическая мезомеханика
деформируемого твердого тела как многоуровневой системы.
I. Физические основы многоуровневого подхода // Физ. мезомех. -2006. - Т. 9. - № 3. - С. 9-22.
5. Панин В.Е., Панин А.В., Моисеенко Д.Д., Шляпин А.Д., Авраамов Ю.С., Кошкин В.И. Физическая мезомеханика деформируемого твердого тела как многоуровневой системы. II. Явление взаимного проникания частиц разнородных твердых тел без нарушения сплошности под воздействием концентрированных потоков энергии // Физ. мезомех. - 2006. - Т. 9. - № 4. - С. 5-13.
6. Панин В.Е., Моисеенко Д.Д., Максимов П.В., Панин А.В. Физическая мезомеханика деформируемого твердого тела как многоуров-
невой системы. III. Неупругий предвестник зарождения пластического сдвига // Физ. мезомех. - 2006. - Т. 9. - № 5. - С. 5-15.
7. Панин В.Е., Панин А.В., Моисеенко Д.Д. «Шахматный» мезоэффект
интерфейса в гетерогенных средах в полях внешних воздействий // Физ. мезомех. - 2006. - Т. 9. - № 6. - С. 5-15.
8. Панин В.Е., Панин А.В., Моисеенко ДД., Елсукова Т.Ф., Кузина О.Ю., МаксимовП.В. Эффект «шахматной доски» в распределении напряжений и деформаций на интерфейсах в нагруженном твердом теле // Докл. Академии наук. - 2006. - Т. 409. - № 5. -С. 606-610.
9. Панин В.Е., Моисеенко Д.Д., Жевлаков А.Л., Максимов П.В. Зарож-
дение мезополос неупругой деформации на интерфейсе «поверхностный слой - подложка» при нагружении неравновесного твердого тела // Физ. мезомех. - 2006. - Т. 9. - Спец. выпуск. - С. 1316.
10. Панин В.Е., Сергеев В.П. Наноструктурирование поверхностных слоев и нанесение наноструктурных покрытий: Научные основы и инженерные приложения // Наука и нанотехнологии: Материалы научной сессии Президиума СО РАН, 22.12.2006 г. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2007. - С. 57-67.
11. Панин А.В., Шугуров А.Р., Сергеев В.П., Казаченок М.С. Многоуровневый характер разрушения покрытий на основе Si-Al-N при механическом нагружении // Сб. статей II Межд. конф. «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» / Под ред. ак. О.А. Банных. - М.: Интерконтакт Наука, 2007. - С. 385-386.
12. Панин В.Е., Панин А.В. Фундаментальная роль наномасштабного структурного уровня пластической деформации твердых тел // МиТОМ. - 2006. - № 12. - С. 5-10.
13. Панин Л.Е., Куницын В.Г., Некрасова М.Ф. Изменения структуры эритроцитарных мембран и активность Na+, K+ АТФазы у участников советско-канадского трансарктического лыжного перехода // Космическая биология и авиакосмическая медицина. - 1991. -Т. 25. - № 5. - С. 12-15.
14. Тузиков Ф.В., Панин Л.Е., Тузикова Н.А., Поляков Л.М. Применение метода малоуглового рассеяния для оценки структурных изменений в липопротеинах высокой плотности // Биологические мембраны. - 1996. - Т. 13. - № 1. - С. 71-78.
15. Панин Л.Е., Шалбуева Н.И., Максимов В.Ф., Поляков Л.М., Зен-ковН.К., Колосова Н.Г. Структурные изменения и особенности окислительного фосфорилирования в митохондриях печени крыс линии OXYS // Биологические мембраны. - 2004. - Т. 21. - № 1.-С. 33-38.
16. Panin L.E. Determinate systems in physics, chemistry and biology. -Novosibirsk: Sib. Univ. Pub. House, 2008. - 180 p.
17. Panin L.E., Kunitsyn V.G., Tuzikov F.V. Changes in the secondary structure of highly polymeric DNA and CC(GCC)n-type oligonucleotides under the action of steroid hormones and their complexes with apolipoprotein A-I // J. Phys. Chem. B.: Condens. Mater. Surf. Interfaces Biophys. - 2006. - V. 110. - No. 27. - P. 110-121.
18. Панин Л.Е. Биохимические механизмы стресса. - Новосибирск: Наука, 1983. - 232 c.
19. Панин Л.Е. Обмен липопротеинов и атеросклероз // Бюл. СО РАМН. - 2006. - № 2(120). - С. 15-21.
20. Kunitsyn V.G., Panin L.E., Polyakov L.M. Anomalous changes of viscosity and conductivity in blood plasma lipoproteins in the physiological temperature range // Int. J. Quantum Chemistry. - 2001. -V. 81. - P. 348-369.
21. Панин В.Е. Синергетические принципы физической мезомеха-ники // Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 6. - С. 5-36.
22. Гриняев Ю.В., Панин В.Е. Расчет напряженного состояния в уп-ругонагруженном поликристалле // Изв. вузов. Физика. - 1978. -№ 12. - С. 95-101.
23. Cherepanov G.P. On the theory of thermal stresses in a thin bonding layer // J. Appl. Phys. - 1995. - V. 78. - P. 6826-6832.
24. Панин В.Е., ПлешановВ.С., ГриняевЮ.В., Кобзева С.А. Формирование периодических мезополосовых структур при растяжении поликристаллов с протяженными границами раздела // ПМТФ. -1998. - Т. 39. - № 4. - С. 141-147.
25. Панин В.Е., Гриняев Ю.В. Физическая мезомеханика — новая парадигма на стыке физики и механики деформируемого твердого тела // Физ. мезомех. - 2003. - Т. 6. - № 4. - С. 9-36.
26. Панин А.В. Нелинейные волны локализованного пластического течения в наноструктурных поверхностных слоях твердых тел и тонких пленках // Физ. мезомех. - 2005. - Т. 8. - № 3. - С. 5-17.
27. Моисеенко Д.Д., Максимов П.В. Распределение напряжений и деформаций на интерфейсе «поверхностный слой - подложка»: Моделирование на основе стохастического подхода // Физ. мезо-мех. - 2005. - Т. 8. - № 6. - С. 89-96.
28. Панин А.В. Масштабные уровни деформации в поверхностных слоях нагруженных твердых тел и тонких пленках // Автореф. дис. ... докт. физ.-мат. наук. - Томск: ИФПМ СО РАН, 2006. - 37 с.
29. Панин В.Е., Панин А.В., Сергеев В.П., Шугуров А.Р. Эффекты скейлинга в структурно-фазовой самоорганизации на интерфейсе «тонкая пленка - подложка» // Физ. мезомех. - 2007. - Т. 10. -№3. - С. 9-21.
30. Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Хон Ю.А., Елсукова Т.Ф. Атом-ва-кансионные состояния в кристаллах // Изв. вузов. Физика. -1982. - Т. 24. - № 12. - С. 5-28.
31. Панин В.Е. Новая область физики твердого тела // Изв. вузов. Физика. - 1987. - Т. 30. - № 1. - С. 3-8.
32. Егорушкин В.Е., Панин В.Е., Савушкин Е.В., Хон Ю.А. Сильно возбужденные состояния в кристаллах // Изв. вузов. Физика. -1987.- Т. 30. - № 1. - С. 9-33.
33. ПанинВ.Е., Елсукова Т.Ф., Ваулина О.Ю., ПочиваловЮ.И. Нелинейные волны распространения солитонов формы в поверхностных слоях поликристаллов высокочистого алюминия при интенсивной пластической деформации // Физ. мезомех. - 2007. -Т. 10.- № 6. - С. 21-31.
34. Singer S.J., Nicolson G.L. The fluid mosaic model of the structure of cell membranes // Science. - 1972. - V. 175. - No. 4. - Р. 720-731.
35. Deckelbaum R.J., Shipley G.G., Small D.M. Structure and interactions of lipid in human plasma low density lipoproteins // J. Biol. Chem. - 1977. - V. 252. - P. 744-754.
36. Morriset J.D., Gaubatz J. W., Faver A.P., Allen J.K., Pownall H.J., LaggnerP., Hamilton J.A. Thermotropic properties and molecular dynamics of cholesterol ester rich very low density lipoproteins // Biochemistry. - 1984. - V. 23. - P. 5343-5352.
37. Анисимов М.А. Критические явления в жидкостях и жидких кристаллах. - М.: Наука, 1987. - 270 с.
38. Климов А.Н., Никулъчева Н.Г. Обмен липидов и липопротеидов и его нарушения. - СПб.: Питер Ком, 1999. - 512 с.
39. Тарховская Т.И., Халилов О.М. Мембранные белки и фосфолипиды как эффекторы обратного транспорта холестерина // Биомед. хим. - 2006. - Т. 52. - Вып. 2. - С. 113-123.
40. Капустин А.П. Экспериментальные исследования жидких кристаллов. - М.: Наука, 1978. - 368 с.
41. Паташинский А.З., Покровский В.П. Флуктуационная теория фазовых переходов. - М.: Наука, 1982. - 382 с.
42. Singh S., Lee D.M. Conformational studies of lipoprotein B and apolipoprotein B: Effects of disulfide reducing agents, sulfhydryl blocking agents, denaturating agents, pH and storage // Biochim. Biophys. Acta: Lipids and Lipid Metabolism. - 1986. - V. 876. -P. 460-468.
Поступила в редакцию 28.11.2007 г.
