Лако-красочные материалы — производство

М. Л. Белая, В. Г. Левадный

(Институт проблем кибернетики АН СССР, Москва)

Физико-химические характеристики биологических мембран, основу которых составляют фосфолипидные бислои, определяют механизмы протекания многих важных биологических процес­сов. В последнее десятилетие усилия многих лабораторий были направлены на исследование этих характеристик с помощью различных модельных систем, среди которых мультиламелляр — ная фосфолипидная дисперсия является одной из самых попу­лярных. Эта система, самопроизвольно образующаяся при опре­деленной концентрации фосфолипидных молекул в воде, пред­ставляет собой стопку плоских параллельных бислоев, разделен­ных тонкой прослойкой воды или водного электролита. Как из­вестно, свойства воды в таких тонких слоях существенно отли­чаются от свойств объемной воды [415]. Если в водной фазе фосфолипидных дисперсий присутствуют растворенные ионы, то около каждой липидной поверхности образуется двойной элект­рический слой (ДЭС).

Эксперименты показали, что на больших расстояниях (когда толщина водной прослойки превышает 3 нм) взаимодействие фосфолипидных бислоев описывается теорией Дерягина — Лан­дау— Фервея — Овербека [416, 417]. На меньших расстояниях наблюдается сильное отклонение от предсказаний теории ДЛФО 1418—420], что подтверждает высказанную Б. В. Дерягиным [415] еще в 30-е годы гипотезу о существовании специфических сил между поверхностями в водном электролите на малых рас­стояниях и отличающихся от электростатических и вандервааль — совых сил. Эти силы получили название структурных сил, или структурной составляющей расклинивающего давления [421— 422].

Структурные силы — это одно из проявлений эффектов воз­действия границы раздела диэлектрик/электролит на структуру водного электролита. В этой связи возникает целый ряд проб­лем, затрагивающих взаимодействие поверхности с омывающим ее электролитом.

Термин «липиды» объединяет широкий класс химических со­единений. Встречающиеся в литературе определения этого тер­мина неоднозначны. Обычно к липидам относят низкомолеку­лярные вещества, молекулы которых состоят из гидрофильной полярной головки и одного или нескольких гидрофобных хвостов [423, 424]. Последние представляют собой небольшую углеводо­родную цепь (СН2)п (для фосфолипидов л = 8-^-20). Фосфолипи — ды были изучены наиболее тщательно, так как они составляют основу биологических мембран.

Полярная головка фосфолипидной молекулы состоит из фос­фатной и аминной групп, соединенных короткой углеводородной цепочкой (СНг)г (рис. 9.1). Аминная группа заряжена положи­тельно, а фосфатная — отрицательно, т. е. головка фосфолипид­ных молекул обладает довольно значительным электрическим дипольным моментом, который и обусловливает их гидрофиль — ность. Отметим, что определенный вклад в суммарный диполь­ный момент головки вносят также группы С = 0 [425]. Головки большинства фосфолипидов могут диссоциировать на ионы, при­обретая при этом, помимо дипольного момента, электрический заряд — обычно отрицательный.

На поверхности воздух — вода фосфолипидные молекулы об­разуют мономолекулярную пленку, обращенную головками к воде и хвостами в воздух. При увеличении концентрации липи — дов часть молекул уходит в глубь воды, где при достижении оп­ределенной «критической концентрации мицеллообразования» образуются различные жидкокристаллические структуры — куби­ческая, гексагональная или ламеллярная [423]. Общий принцип построения этих структур заключается в том, что полярные го­ловки стремятся контактировать с водой, а углеводородные хво­сты— друг с другом. Реализация той или иной мезофазы зави­сит от концентрации липида в системе, температуре, рН и ион­ной силы раствора.

В ламеллярной фазе фосфолипидные молекулы образуют протяженные плоские слои — ламеллы, разделенные водой. Каждый такой слой состоит из двух фосфолипидных монослоев,

Обращенных друг к другу своими гидрофобными хвостами, а к воде — гидрофильными головками (рис. 9.2). Подобные бислои входят в состав биологических мембран, поэтому такая система является хорошим модельным объектом, позволяющим исследо­вать, в частности, взаимодействие и слияние клеточных мем­бран [423].

Поверхность фосфолипидных бислоев обладает особенностью (отличающей ее от обычных коллоидных структур), которая в значительной степени осложняет теоретический анализ межфаз­ных явлений в системе. Эта особенность связана с тем, что об­ласть полярных головок проницаема для молекул воды и ионов электролита [423, 424]. В этой области перемешаны как источ­ники электрических полей, принадлежащих самой поверхности, так и заряды ионов и электрические диполи молекул воды. В та­ких системах трудно выделить четкую границу раздела между фосфолипидной фазой и электролитом. «Поверхностные» источ­ники электрических полей, по существу, распределены в некото­ром приповерхностном слое. Термин «поверхностные» в данном случае означает, что они, обладая некоторой мобильностью в этом слое, сохраняют химическую связь с определенными груп­пами липидной поверхности. Учет этой особенности дает воз­
можность рассмотреть целый ряд новых явлений [426]. В част­ности, оказалось, что поверхностные диполи существенно влия­ют на структуру ДЭС [427] и даже образуют ДЭС вблизи элект­рически нейтральной поверхности.

Другой аспект анализа структуры ДЭС вблизи фосфолипид — ных бислоев связан с проблемой адекватного описания электро­лита. В последние годы было показано (обзор см. в [428]), что водный электролит обладает свойством нелокальной поля­ризуемости, влияние которой наиболее значительно в системах, содержащих в качестве источников электрических полей по­верхностные диполи [429]. В этой связи возникает вопрос о влиянии нелокальной поляризуемости водного электролита на структуру ДЭС вблизи фосфолипидной поверхности.