Публикации автора

Одно из современных направлений в клеточной биоэнергетике – это исследования молекулярных механизмов эффективного переноса протонов в белках и поверхностных протонпроводящих структурах в биологических мембранах. В данной работе разработана математическая модель молекулярного механизма направленного транспорта протонов вдоль липидных мембран. Рассмотрено движения протонов в квазиодномерных латеральных доменных структурах в многокомпонентных липидных мембранах, которые, как предполагается, играют роль протонпроводящих поверхностных структур. В работе предложена модель тройной системы, включающей подсистему цепочек водородных связей поверхностных молекул воды, взаимодействующих с подсистемами полярных групп и углеводородных цепей липидных молекул. Показано, что в рассмотренной тройной системе могут возникать коллективные возбуждения солитонного типа, приводящие к латеральному транспорту протонов, сопровождающемуся движением солитонов, которые представляет собой локальные области сжатия в подсистеме полярных групп липидов и структурные дефекты в подсистеме углеводородных цепей липидных молекул мембраны. Результаты моделирования показали, что латеральный перенос протонов в этой связанной системе не зависит от электрического поля вдоль мембраны и может определяться упругими полями деформации и кривизной мембраны, создаваемых белками и ионными каналами, встроенными в биомембраны.

Цели. Исследование протонного транспорта в мембранных структурах является важной технологической задачей в области водородной энергетики, а также представляет собой фундаментальную проблему биоэнергетики. Целью этих исследований является выяснение физических механизмов быстрого протонного транспорта в мезо-пористых структурах полимерных электролитных мембран, являющихся электрохимическими компонентами водородных топливных элементов. В области биоэнергетики эти исследования направлены на выяснения молекулярных механизмов эффективного протонного транспорта в трансмембранных белках-каналах и в поверхностных протонпроводящих структурах биологических мембран в системах биоэнергетики клетки. С целью исследования молекулярных механизмов направленного транспорта протонов в работе рассматривается модель движения протонов в квазиодномерных латеральных доменных структурах в многокомпонентных липидных мембранах.

Методы. В основе развиваемого подхода лежит модель коллективных возбуждений типа акустических солитонов, которые представляют собой перемещающиеся вдоль мембраны области локального сжатия полярных групп и структурных дефектов в подсистеме углеводородных цепей липидных молекул.

Результаты. Показано, что учет в модели взаимодействия избыточного протона на поверхности мембраны с солитоном сжатия мембраны приводит к захвату протона акустическим солитоном с его последующим транспортом. Разработанная модель применяется к описанию механизма эффективного протонного транспорта вдоль внутренней митохондриальной мембраны и его роли в сопряжении функционирования молекулярных комплексов в системе биоэнергетики клетки.

Выводы. Развитая солитонная модель протонного транспорта показала, что коллективные возбуждения в липидных мембранах могут определять факторы, влияющие на эффективность протонного транспорта вдоль межфазных границ. Дальнейшее развитие теоретических подходов, учитывающих динамические свойства полимерных и биологических протонпроводящих мембран, может внести вклад в исследование роли поверхностного транспорта протонов в биоэнергетику клетки, а также в исследование транспортных характеристик разрабатываемых протонно-обменных полимерных мембран водородной энергетики.