Лекции по биофизике
.pdf
Электрические свойства Бислойной Липидной Мембраны (БЛМ)
R (сопротивление) БЛМ = 107 – 108 Ом*см2
Слой раствора электролита (KCl 0.01 М) имеет R = 10 – 4 Ом*см2
(диэлектрическая проницаемость) липидов мембраны = 2
(диэлектрическая проницаемость) воды = 80
|
Если концентрация ионов |
|
в растворе равна 0.1 М, то |
5 нм (50 А) |
в липидной фазе она |
|
должна упасть до 10-13 М. |
|
|
Изучение электрического пробоя на БЛМ
Формирование бислойной |
|
||
липидной мембраны |
|
||
2 |
|
|
|
4 |
|
|
|
3 |
|
5 нм (50 А) |
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
1 |
|
|
|
A |
B |
C |
D |
|
Е |
|
|
|
|
A – C – стадии формирования БЛМ |
|
|
|
D – микроскопическое строение БЛ |
|
|
|
E – Общий вид установки с БЛМ . |
|
Вольт-амперные характеристики БЛМ
|
|
|
контроль |
|
|
2 |
|
|
|
) |
|
+ УФ |
|
|
(пА |
|
|
|
|
|
|
|
+ 20% |
|
Ток |
1 |
|
|
|
|
холестерина |
|||
|
|
|||
|
|
|
||
|
0 |
40 |
80 |
120 |
|
|
Разность потенциалов (мВ) |
||
При потенциалах, ниже порогового значения ϕ*, зависимость между током и разностью потенциалов на мембране – линейная. При потенциалах выше ϕ* ток начинает расти. Процесс прогрессирует во времени и, если не сбросить потенциал, заканчивается механическим разрушением мембраны.
Такое явление называется электрическим пробоем мембраны. Потенциал ϕ*называется потенциалом пробоя и может служить количественной характеристикой электрической прочности мембран.
Гипотезы о механизмах
электрического пробоя |
|
|
||||
|
Т ория |
Автор |
Год |
Описание |
Недостатки |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Теория |
Thompson |
1970 |
Лавинное нарастание числа |
Возможен в толстых пленках |
|
|
лавинного |
|
|
носителей в бислое |
Необходима большая |
|
|
пробоя |
|
|
|
напряженность поля |
|
|
Эффект Вина |
Neumcke |
1970 |
Увеличение константы |
Не согласуются температурные |
|
|
|
|
|
диссоциации электролитов в |
зависимости |
|
|
|
|
|
неводных растврорах |
Различаются константы |
|
|
|
|
|
|
процессов |
|
|
Теория |
Crowley |
1973 |
Мембранаконденсатор с |
Занижен модуль упругости |
|
|
электромеха- |
|
|
упругим диэлектриком между |
|
|
|
нического |
|
|
обкладками |
|
|
|
сжатия |
|
|
При Fэл > Fупр происходит |
|
|
|
|
|
|
электромеханический коллапс |
|
|
|
Тепловая |
Смолин |
1974 |
Под действием электрического |
Возможно, реализуется при |
|
|
природа пробоя |
Поливода |
|
поля теплообразование |
разрушении толстых пленок |
|
|
|
|
|
превышает теплоотдачу |
|
|
|
Эволюция |
Чизмаджев |
1981 |
Радиус поры зависит от |
Теория применима к действию |
|
|
локальных |
|
|
приложенного напряжения |
импульсов конечной |
|
|
дефектов пор |
|
|
|
длительности |
|
|
|
|
|
|
|
|
Факты подтверждающие теорию порообразования
1.Неспецифическая проницаемость для разных низкомолекулярных веществ;
2.Локальность изменения свойств мембраны;
3.Резкое увеличение скорости флип-флопа липидов;
4.Существование легко измеряемого эффективного диаметра проницаемых структур, который зависит от параметров электрообработки.
Зависимость времени жизни липидных пор от напряжения |
||||
|
|
|
ФЭ |
Точками обозначены данные |
|
|
|
эксперимента, сплошные кривые– |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
теоретические. |
|
6 |
|
ФХ |
Мембраны были сформированы из |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
разных фосфолипидов: |
мкс |
4 |
|
|
ФЭ - фосфатидилэтаноламин; ФХ - |
|
|
фосфатидилхолин |
||
τ, |
|
|
|
τ - Время жизни пор |
Lg |
|
|
|
|
|
|
|
ϕ - потенциал на мембране |
|
|
2 |
|
|
|
|
ФХ + лизоФХ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,2 |
0,4 |
|
0,6 |
|
ϕ (V) |
|
|
|
Пробой БЛМ при УФ
облученииУФ
Сопротивление БЛМ, ГОм
БЛМ из яичного лецитина
БЛМ из липидов митохондрий
Время инкубации, мин
Самопробой БЛМ протонным диффузионным потенциалом |
|
||||||||||
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
U (mV ) zF ln [H ]2 60 |
|
|
(мВ |
|
|
Потенциал пробоя |
pH |
|||||||
|
|
RT |
[H ]1 |
|
|||||||
|
|
|
|
||||||||
ϕ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
120 |
|
|
|
pH = 3.2 |
|
|
|
ϕ (mV) |
|
||
100 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
80 |
|
|
|
|
|
pH = 1.2 |
HCl |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
60 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
40 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
Время (мин) |
|
|
|
|
|
|||
Измерение потенциала, генерируемого мембраной в результате диффузии ионов в |
|||||||||||
присутствии переносчика протонов ClCCP. |
Запись изменения потенциала. После |
||||||||||
добавления ClCCP с одной стороны мембраны добавляли кислоту для создания разности рН |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
( |
pH). |
|
|
|
Электрический пробой мембран собственным мембранным потенциалом |
|||||
Мембранный потенциал |
|
ϕ* |
|
ϕ* |
|
|
замыкание |
|
замыкание |
Пробой |
|
25 мВ |
2 мин |
30 мВ |
1 мин |
||
|
|
||||
Val |
Пробой |
ClCCP |
|
||
|
|
||||
|
|
|
|||
Источником электродвижущей силы в данном случае служит сама мембрана, по |
|||||
сторонам которой созданы разные концентрации ионов: K+ (слева) или H+ (справа). |
|||||
Мембранный потенциал появлялся в ответ на введение ионофора: валиномицина |
|||||
(переносчик ионов калия) – слева или CCCP (переносчик протонов) – справа. Как |
|||||
только потенциал достигал критического значения, наступал электрический пробой |
|||||
иизмеряемый потенциал начинал падать. В этот момент производилось "короткое замыкание" растворов по сторонам мембраны. После потенциал вновь развивался
ивторично наступал электрический пробой мембраны (при потенциале пробоя *).