научная статья по теме ЭЛЕКТРОПОРАЦИЯ ПОД ВЛИЯНИЕМ МЕМБРАННОГО ПОТЕНЦИАЛА КАК ФИЗИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ ПРОХОЖДЕНИЯ НАНОЧАСТИЦЫ МЕТАЛЛА ЧЕРЕЗ КЛЕТОЧНУЮ МЕМБРАНУ Химия

Текст научной статьи на тему «ЭЛЕКТРОПОРАЦИЯ ПОД ВЛИЯНИЕМ МЕМБРАННОГО ПОТЕНЦИАЛА КАК ФИЗИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ ПРОХОЖДЕНИЯ НАНОЧАСТИЦЫ МЕТАЛЛА ЧЕРЕЗ КЛЕТОЧНУЮ МЕМБРАНУ»

КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ, 2014, том 76, № 6, с. 791-797

УДК 541.18.04

ЭЛЕКТРОПОРАЦИЯ ПОД ВЛИЯНИЕМ МЕМБРАННОГО ПОТЕНЦИАЛА КАК ФИЗИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ ПРОХОЖДЕНИЯ НАНОЧАСТИЦЫ МЕТАЛЛА ЧЕРЕЗ КЛЕТОЧНУЮ МЕМБРАНУ © 2014 г. З. Р. Ульберг, В. Н. Шилов

Институт биоколлоидной химии им. Ф.Д. Овчаренко Национальной академии наук Украины

03044 Киев, проспект Вернадского, 42 E-mail: zulberg@bioco.kiev.ua Поступила в редакцию 13.03.2014 г.

Предложен механизм весьма важного для биотехнологии феномена проникновения наноразмер-ных металлических частиц из окружающего раствора в цитоплазму живой клетки. Движущей силой в новом механизме является мембранный потенциал, т.е. разность потенциалов между цитоплазмой клетки и внешним раствором. Суть механизма заключается в том, что металлическая частица, оказавшись у клеточной мембраны, зашунтирует перепад потенциала в диффузной части двойного электрического слоя последней. Вследствие этого почти весь мембранный потенциал, который в нормальном состоянии клетки распределялся между ее двойным электрическим слоем и липидным бислоем клеточной мембраны, оказывается целиком приложенным к последнему. В результате возрастет напряженность поля в липидном бислое, и, соответственно, увеличится вероятность образования в нем поры, сквозь которую металлическая частица, диаметр которой лежит в определенном интервале (в рассмотренном здесь случае — от двух до трех десятков нанометров), сможет проникнуть в цитоплазму, не повредив клетку.

Б01: 10.7868/80023291214050152

ВВЕДЕНИЕ

Изучению возможностей проникновения на-ночастиц металлов, в частности золота, в цитоплазму живой клетки посвящено быстро растущее число исследований на стыке биологии, медицины, химии и физики [1—5]. Это связано с привлекательными возможностями управления жизнедеятельностью клетки, доставки в нее биологически активных веществ, а также для получения информации о структурах внутри живой клетки с использованием металлических наноча-стиц, проникших в ее цитоплазму. Существуют представления о нескольких путях, по которым наночастицы могут преодолеть плазматическую мембрану и попасть внутрь клетки. При этом, в зависимости от реализуемого пути, положение частицы в клетке, и, соответственно, возможности ее использования могут быть существенно различными. Кроме того, эти пути различются тем, насколько каждый из них повреждает клетку.

Первым из известных и наиболее изученных путей, по которым частица попадает из внеклеточной среды в живую клетку, является эндоцитоз [6, 7]. При эндоцитозе клеточная мембрана прогибается внутрь клетки под приблизившейся частицей, и затем, замкнувшись, образует вокруг последней вакуоль, которая, вместе с заключен-

ной в нее частицей, оказывается внутри клетки, ничуть ее не повредив. Правда, то обстоятельство, что помещенная в вакуоль частица не может взаимодействовать со сруктурами цитоплазмы, ограничивает возможности ее использования (см. [1]).

Согласно современным представлениям, кроме как посредством эндоцитоза, наночастицы могут попасть внутрь клетки только с помощью достаточно сильных внешних воздействий, например, таких как ультразвук (сонопорация) [8, 9] или электрическое поле (электропорация) [10], которые могут быть опасными для клетки. Например, электропорацию нельзя применять в тех случаях, когда наночастицы вводятся в клетки живых тканей. Однако, вопреки сказанному в начале абзаца, сумев доставить наночастицы в живые клетки "без каких-либо вспомогательных процедур обработки клеток", авторы работы [11] отмечают, что "вопрос о механизме проникновения наноча-стиц в клетки недостаточно ясен и заслуживает специального изучения". Особенности феномена проникновения наноразмерных золотых и железных частиц в живые клетки были всесторонне исследованы авторами работ [12, 13]. В частности, было показано, что частицы определенных размеров проникают в клетку без внешних полей.

792

УЛЬБЕРГ, ШИЛОВ

Рис. 1. Схема распределения электрических полей и

зарядов в клеточной мембране и прилегающих к ней

дебаевских атмосферах.

Суть физического механизма электропорации состоит в том, что при действии достаточно сильного электрического поля на неполярный липид-ный бислой возникает существенная энергетическая выгода замещения последнего водной фазой и образования в нем поры. Исследования в области электропорации и ее приложений были начаты в 70-тых годах в работах [1—11] и активно продолжаются в настоящее время. Во всех этих исследованиях рассматривается электропорация, вызываемая исключительно действием внешнего электрического поля, которое одно лишь считается ответственным за формирование поры в клеточной мембране.

Здесь мы рассмотрим возможность проникновения наночастиц металла в клетку путем особого вида электропорации, которая вызвана не внешним полем, а ростом напряженности электрического поля в липидном бислое мембраны живой клетки, когда поблизости от ее поверхности оказывается металлическая наночастица. Примем во внимание то обстоятельство, что и без внешних источников мембрана живой клетки всегда находится под действием электрического поля, необходимого для ее жизнедеятельности. Источником этого поля является мембранный потенциал — разность потенциалов между цитоплазмой клетки и внешним раствором. Существование мембранного потенциала, а также то обстоятельство, что специальные структуры живой клетки поддерживают его оптимальную величину, является ключевым в нашей модели.

НАПРЯЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

ПОЛЯ В МЕМБРАНЕ В НОРМАЛЬНОМ

СОСТОЯНИИ КЛЕТКИ

Величина мембанного потенциала и, в зависимости от вида клеток и от их физиологического состояния, по разным данным, может изменяться в пределах от —70 до —120 мВ. Если бы такая, небольшая на первый взгляд, разность потенциалов оказалась вся приложена к непроводящему ли-пидному бислою мембраны, имеющему толщину около 5 нм, то в нем действовало бы поле напряженностью до 25 кВ/см, вполне достаточное для его пробоя. Однако этого не происходит по той причине, что на липидном бислое падает только часть мембранного потенциала, которую мы обозначим Ду т. Две другие его части, и Дуе приходятся на две области объемного заряда — первая представляет собой дебаевскую атмосферу, образованную свободными ионами цитоплазмы и примыкающую к внутренней поверхности клеточной мембраны, вторая — дебаевскую атмосферу, образованную ионами раствора и примыкающую к наружной поверхности мембраны:

и = Ду; +Ду т е. (1)

Подчеркнем, что здесь и далее нижние индексы 1, т и е обозначают, соответственно, величины, относящиеся к цитоплазме клетки, клеточной мембране и раствору, окружающему клетку.

На рис. 1 показано распределение потенциала в клеточной мембране и вблизи нее в обычном состоянии клетки, то есть в отсутствие как внешнего поля, так и металлической частицы вблизи нее. Полоса посередине рисунка представляет собственно мембрану. Слева и справа вдали от нее представлены цитоплазма и внеклеточная среда. Значки — и + обозначают ионы дебаевских атмосфер соответствующего знака по обе стороны от мембраны, а © — отрицательно заряженные ионы, адсорбированные на ее поверхностях.

Принимая во внимание, что клетка имеет размер порядка микрона и более, тогда как толщина менбраны вместе с прилегающими к ней Дебаев-скими атмосферами составляет менее двух десятков нанометров, можно рассматривать мембрану как плоский слой, разделяющий два полупространства — цитоплазму и наружный раствор. Следуя известной электрической модели клетки Паули—Швана [14], будем считать этот слой идеальным однородным диэлектриком с диэлектрической проницаемостью бт. Таким образом, распределение потенциала в мембране и прилегающих к ней дебаевских атмосферах можно считать квазиплоским, зависящим только от одной координаты х, которую мы будем отсчитывать от наружной поверхности мембраны в сторону окружающего раствора (см. рис. 1). Распределения потенциала в мембране, ут(х), и в дебаевских

атмосферах с ее внутренней, у;(х), и наружной, уе(х), сторон будут описываться одномерным уравнением Лапласа и одномерными уравнениями Дебая соответственно:

Параметры, использованные при расчетах [19]

0 V т = 0

йх2

-Н<х<0

4 Уе

йх1

0 V i 2

-ТТ = к i V i ах

х<-Ь

2

Ке V <

(2)

х <-Н

М2

где к — толщина мембраны; к; е =

V8 08;,е^ТУ

значения дебаевской длины экранирования, е1е — диэлектрической проницаемости, с1е — ионной силы электролита (смысл нижних индексов см. в замечании после уравнения (1)), Ш — число Фара-дея, Я — универсальная газовая постоянная, Т — абсолютная температура, е0 — электростатическая постоянная.

Общее решение первого из этих уравнений, а также решения второго и третьего уравнений, не расходящиеся на большом расстоянии от мембраны и обращающиеся в глубине цитоплазмы в и, а в глубине раствора в нуль (см. рис. 1), запишем в следующем виде:

Vт = Етх + Vт0 при -Н < х < 0, (3) у; = и + Ду;еК;(Н+х) при х < -Н, (4)

уе = Дуее~к°х прих > 0. (5)

Постоянные интегрирования Ет, ут0, Ду;, Ду е найдем из четырех граничных условий

(V т - V;) х=0 = 0, (Vт - V;) х=Н = 0, (6)

(Е 011 - О^т

I 1 йх т йх

т л е ,

V ах ах

1

= — ст 1,

=-Н 6с

= — СТе,

х=0 80

(7)

Ет —

6¡8еК;КеЦ - 6¡К¡СТе + &е^СТ;

бебтКе + 6 ;6тК; + 6 ;6еК ;КеН

(8)

и, В к, м се, моль/л С;, моль/л

0.09 5 х 10-9 2 80 0.065 0.154

Се а У

моль/л Кл/м2 Кл/м2 Дж/м2 Дж/м

0.65 х 10-1 1.5 х 10-2 2.5 х 10-2 3 х 10-5 1.2 х 10-12

ВЛИЯНИЕ НАНОЧАСТИЦЫ МЕТАЛЛА НА НАПРЯЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В МЕМБРАНЕ

Рассмотрим далее ситуацию, когда металлическая наночастица появляется у наружной поверхности менбраны, погрузившись полностью или частично в ее дебаевскую атмосферу. Поскольку электропроводность частицы намного превышает электропроводность окружающего раствора, ее поверхность будет эквипотенциальной. Из принципа аддитивности электрических полей следует теорема о том, что электрический потенциал поверхности хорошо проводящей сферы равен потенциалу, который создавали бы в ее центре внешние по отношению к ней заряды [15]. Поскольку центр частицы, которая вплотную приблизилась к поверхности мембраны, находится от нее на расстоянии а, то, пользуясь этой теоремо

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком