Библиографическое описание:РАСПРОСТРАНЯЮЩИЕСЯ СУБТЕРАГЕРЦОВЫЕ ПРОДОЛЬНЫЕ ФОНОННЫЕ МОДЫ В ЛИПИДНОМ БИСЛОЕ В ВОДНОЙ СРЕДЕ = Propagating Sub-Terahertz Longitudinal Phonon Modes in Lipid Bilayer in Aqueous Medium : научное издание / В. Е. Захватаев. - Текст : непосредственный // Биологические мембраны: журнал мембранной и клеточной биологии. - 2018. - Т. 35, № 3. - С. 219-232. - DOI 10.7868/S0233475518030064. Перевод заглавия: Propagating Sub-Terahertz Longitudinal Phonon Modes in Lipid Bilayer in Aqueous Medium
Аннотация:Недавно было экспериментально обнаружено, что субтерагерцовые/терагерцовые колебания ферментов и ДНК в водной среде могут быть связаны с когерентными делокализованными модами с затуханием значительно ниже критического, регулирующими важные функциональные процессы. Аналогичные распространяющиеся фононные моды найдены и в свободных гидратированных липидных бислоях. В настоящей работе теоретически исследованы свойства субтерагерцовых (частоты порядка десятков-сотен гигагерц) продольных акустических колебаний в бислойной липидной мембране, погруженной в водную среду. Рассматриваются вынужденные колебания, возбуждаемые касательными механическими напряжениями на поверхностях бислоя, и термически возбуждаемые фононные моды. В основу анализа положены: (а) обобщенная гидродинамическая модель системы двумерный липидный бислой + водная среда; (б) известные оценки частот и времен жизни продольных акустических фононов в свободном гидратированном липидном бислое и в воде, полученные по результатам экспериментов по неупругому рентгеновскому рассеянию и численного моделирования методом молекулярной динамики. Показано, что для характерных значений параметров затухание мембранной фононной моды ниже критического. При этом вклад водной среды в затухание мембранной моды мал по сравнению со вкладом липидного бислоя. Полученные результаты обосновывают возможность реализации термически возбуждаемых продольных фононов в биологических мембранах в физиологических условиях, а также возможность резонансного усиления воздействия на мембранную динамику субнаносекундных электрических импульсов и импульсов субтерагерцового электромагнитного излучения.
It has been recently revealed that sub-terahertz/terahertz vibrational motions in enzymes and DNA in aqueous solutions can be underdamped, being associated with coherent delocalized modes that control important functional processes (Turton et al. 2014. Nat. Commun. 5, 3999; Gonzalez-Jimenez et al. 2016. Nat. Commun. 7, 11799). Analogous propagating phonon modes have been found in free hydrated lipid bilayers (Zhernenkov et al. 2016. Nat. Commun. 7, 11575). In the present paper, sub-terahertz (at frequencies of the order of tens and hundreds of gigahertzs) longitudinal acoustic oscillations in lipid bilayer membrane immersed in aqueous medium are investigated theoretically. We consider driven vibrations excited by tangential mechanical tensions at the bilayer surfaces and thermally induced phonon modes. The analysis is based on: (i) generalized hydrodynamic model of two-dimensional lipid bilayer in aqueous medium; (ii) known estimates of frequencies and lifetimes of longitudinal acoustic phonons in free hydrated lipid bilayer and in water, which were obtained in experiments on non-elastic X-ray scattering and molecular dynamics simulations. The membrane phonon mode is found to be underdamped for the typical values of the system parameters, the contribution of the aqueous medium to membrane mode damping being small compared with the contribution of the lipid bilayer. The results suggest the possibility of realization of thermally induced longitudinal membrane phonons in physiological conditions, as well as the possibility of resonance amplification of the impact of sub-nanosecond electric impulses and impulses of sub-terahertz electromagnetic radiation on membrane dynamics.
Источник:Биологические мембраны: журнал мембранной и клеточной биологии
Выпуск:Т. 35, № 3
Номера страниц:219-232
Держатель оригинала документа:Сибирский федеральный университет, Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук"
Количество экземпляров:
Твёрдая копия издания отсутствует в фонде библиотеки
