NANOSYSTEMS: PHYSICS, CHEMISTRY, MATHEMATICS, 2021, 12 (1), P. 22–31
Mechanism of gas molecule transport through erythrocytes’ membranes by kinks-solitons
P.V. Mokrushnikov – Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering, Leningradskaya, 113, Novosibirsk, 630008, Russia; pavel.mokrushnikov@bk.ru
V.Ya. Rudyak – Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering, Leningradskaya, 113, Novosibirsk, 630008; Novosibirsk State University, Pirogova, 1, Novosibirsk, 630090, Russia; valery.rudyak@mail.ru
E.V. Lezhnev – Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering, Leningradskaya, 113, Novosibirsk, 630008, Russia; lionlev@yandex.ru
A model of kinks appearance in the lipid bilayer membrane of erythrocytes, which are responsible for gas molecule transport, in particular, oxygen, is proposed. It was shown that the kinks arise due to the simultaneous action of transverse and tensile longitudinal mechanical stresses compressing the membrane. This model explains the membrane’s permeability sharp increase for gases during an erythrocyte passage through the microcapillary network with the compressive transverse mechanical stresses sharply increasing in its membrane. It was found that the equation of kinks motion has a soliton solution, so that a kink-soliton is formed in the bilayer of the erythrocyte membrane. The developed model is consistent with the previously experimentally established fact that the native erythrocyte membranes in the bloodstream undergo a structural transition, when small changes in blood pH, hormone concentration, and temperature dramatically change the conformation of the biomembranes and its functions by changing the mechanical stress field in the biomembrane.
Keywords: biomembrane, diffusion, kinks, mechanical stress in biomembranes, microcapillary, nanosystem, erythrocyte.
PACS 87.16.Dg, 87.16.Uv, 87.15.He
DOI 10.17586/2220-8054-2021-12-1-22-31
[In Russian] П.В. Мокрушников, В.Я. Рудяк, Е.В. Лежнев
Механизм транспорта молекул газа через мембраны эритроцитов кинк-солитонами
Предложена модель возникновения кинков липидной бислойной мембраны эритроцитов, ответственных за транспорт молекул газа, в частности кислорода. Показано, что кинки возникают за счет одновременного действия поперечных и растягивающих продольных механических напряжений, сжимающих мембрану. Эта модель объясняет резкое увеличение проницаемости мембраны для газов при прохождении эритроцита по микрокапиллярной сети с резко возрастающими в ее мембране сжимающими поперечными механическими напряжениями. Установлено, что уравнение движения кинков имеет солитонное решение, поэтому в бислое мембраны эритроцита образуется кинк-солитон. Разработанная модель согласуется с ранее экспериментально установленным фактом, что естественные мембраны эритроцитов в кровотоке претерпевают структурный переход, когда небольшие изменения рН крови, концентрации гормонов и температуры резко изменяют конформацию биомембран и ее функции за счет изменения механического поля напряжений в биомембране.
Ключевые слова: биомембрана, диффузия, кинки, механические напряжения в биомембранах, микрокапилляр, наносистема, эритроцит
