Искусственная мембрана. Классификация мембран. Искусственные мембраны Искусственные мембраны

Аппарат на две рабочие зоны, в которых поддерживаются различные давления и составы разделяемой смеси .

Мембраны могут быть выполнены в виде плоских листов, труб, капилляров и полых волокон . Мембраны выстраиваются в мембранные системы. Наиболее распространенные искусственные мембраны - полимерные электролитические мембраны . При определённых условиях, преимущественно могут быть использованы керамические мембраны .

Некоторые мембраны работают в широком диапазоне мембранных операций, таких, как микрофильтрация , ультрафильтрация , обратный осмос , первапорация , сепарация газа , диализ или хроматография . Способ применения зависит от типа функциональности включеной в мембрану, которые могут быть основаны на изоляции по размеру, химическом родстве или электростатике.

Использование

Мембраны наиболее часто используются для очистки воды, удаления микроорганизмов из молочных продуктов, опреснения воды, дегидратирования природного газа, гемодиализа или в качестве компонентов топливных элементов.

См. также

Напишите отзыв о статье "Искусственная мембрана"

Литература

Ю. И. Дытнерский, В. П. Брыков, Г. Г. Каграманов . Мембранное разделение газов. - М.: Химия, 1991.

Отрывок, характеризующий Искусственная мембрана

Так, совершенно свободно разгуливая по жилищу святейшего Папы, я ломала голову, не представляя, что означал этот необъяснимый, длительный «перерыв». Я точно знала, Караффа очень часто находился у себя в покоях. Что означало только одно – в длительные путешествия он пока что не отправлялся. Но и меня он почему-то всё также не беспокоил, будто искренне позабыл, что я находилась в его плену, и что всё ещё была жива...
Во время моих «прогулок» мне встречалось множество разных-преразных приезжих, являвшихся на визит к святейшему Папе. Это были и кардиналы, и какие-то мне незнакомые, очень высокопоставленные лица (о чём я судила по их одежде и по тому, как гордо и независимо они держались с остальными). Но после того, как покидали покои Папы, все эти люди уже не выглядели такими уверенными и независимыми, какими были до посещения приёмной... Ведь для Караффы, как я уже говорила, не имело значения, кем был стоящий перед ним человек, единственно важным для Папы была ЕГО ВОЛЯ. А всё остальное не имело значения. Поэтому, мне очень часто приходилось видеть весьма «потрёпанных» визитёров, суетливо старавшихся как можно быстрее покинуть «кусачие» Папские покои...
В один из таких же, совершенно одинаковых «сумрачных» дней, я вдруг решилась осуществить то, что уже давно не давало мне покоя – навестить наконец-то зловещий Папский подвал... Я знала, что это наверняка было «чревато последствиями», но ожидание опасности было во сто раз хуже, чем сама опасность.
И я решилась...
Спустившись вниз по узким каменным ступенькам и открыв тяжёлую, печально-знакомую дверь, я попала в длинный, сырой коридор, в котором пахло плесенью и смертью... Освещения не было, но продвигаться дальше большого труда не доставляло, так как я всегда неплохо ориентировалась в темноте. Множество маленьких, очень тяжёлых дверей грустно чередовались одна за другой, полностью теряясь в глубине мрачного коридора... Я помнила эти серые стены, помнила ужас и боль, сопровождавшие меня каждый раз, когда приходилось оттуда возвращаться... Но я приказала себе быть сильной и не думать о прошлом. Приказала просто идти.

Мембраны могут быть выполнены в виде плоских листов, труб, капилляров и полых волокон . Мембраны выстраиваются в мембранные системы. Наиболее распространенные искусственные мембраны - полимерные мембраны. При определённых условиях, преимущественно могут быть использованы керамические мембраны.

Некоторые мембраны работают в широком диапазоне мембранных операций, таких, как микрофильтрация , ультрафильтрация, обратный осмос , первапорация , сепарация газа, диализ или хроматография . Способ применения зависит от типа функциональности включеной в мембрану, которые могут быть основаны на изоляции по размеру, химическом родстве или электростатике.

Использование

Мембраны наиболее часто используются для очистки воды, удаления микроорганизмов из молочных продуктах, опреснения воды, дегидрирования природного газа, гемодиализа или в качестве компонентов топливных элементов.

См. также

Литература

Ю. И. Дытнерский, В.П. Брыков, Г.Г.Каграманов, Г.Г.Пиздюков, П.Ф.Ахуеть. Мембранное разделение газов, Москва, Химия, 1991.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Искусственные мембраны" в других словарях:

У этого термина существуют и другие значения, см. Мембрана Изображение клеточной мембраны. Маленькие голубые и белые шарики соответствуют гидрофильным «головкам» липидов, а присоединённые к ним линии гидрофобным «хвостам». На рисунке показаны… … Википедия

Пищевые продукты, как правило, высокой белковой ценности, создаваемые новыми технологическими методами на основе отдельных пищевых веществ (белков или составляющих их аминокислот, углеводов, жиров, витаминов, микроэлементов и др.); по… … Большая советская энциклопедия

I Ультрафильтрация метод коррекции водного гомеостаза при избытке воды в организме путем удаления из крови безбелковой жидкости через естественные или искусственные мембраны, играющие роль ультрафильтра. Чаще всего в качестве ультрафильтра… … Медицинская энциклопедия

Обычно представляет собой жесткую селективно проницаемую перегородку, разделяющую массообменный аппарат на две рабочие зоны, в которых поддерживаются различные давления и составы разделяемой смеси. Мембраны могут быть выполнены в виде плоских… … Википедия

Искусственная мембрана обычно представляет собой жесткую селективно-проницаемую перегородку, разделяющую массообменный аппарат на две рабочие зоны, в которых поддерживаются различные давления и составы разделяемой смеси. Синтетические мембраны успешно используются промышленных процессов как малой так и большой мощности с середины 20-го века. В настоящий момент синтетические мембраны достаточно разнообразны по свойствам. Они производятся из органических материалов как полимерных и жидких, так и неорганических. Синтетические мембраны применяемые в разделительных процессах имеют различную геометрию и соответствующую потоку конфигурацию. Мембраны могут быть выполнены в виде плоских листов, труб, капилляров и полых волокон. Мембраны выстраиваются в мембранные системы.

Наиболее распространенные искусственные мембраны - полимерные мембраны . Они разделяются по поверхностному химическому составу, структуре, морфологии и способу изготовления. Химические и физические свойства синтетических мембран и разделяемые субстанции также как инициирующая сила определяются индивидуальными особенностями мембранного сепарационного процесса. Наиболее часто используемые инициирующие силы в индустриальных мембранных процессах - давление и разница концентрации. Соответствующие мембранные процессы называют фильтрацией. При определённых условиях, преимущественно могут быть использованы керамические мембраны .

Некоторые мембраны работают в широком диапазоне мембранных операций, таких, как микрофильтрация , ультрафильтрация , обратный осмос , первапорация , сепарация газа, диализ или хроматография . Способ применения зависит от типа функциональности включенной в мембрану, которые могут быть основаны на изоляции по размеру, химическом родстве или электростатике.

Они также классифицируются по форме и режиму применения. Наиболее известные мембранные процессы включают очистку воды, обратный осмос, обезвоживание природного газа, удаление частиц с помощью микрофильтрации и ультрафильтрации, удаление бактерий из молочных продуктов, диализа, гемодиализа или в качестве компонентов топливных элементов.

Частично проницаемая мембрана -- искусственная мембрана, предназначенная для разделения смеси жидкостей или газов на составляющие компоненты. Также называется избирательно-проницаемой мембраной, полупроницаемой мембраной или дифференциально-проницаемой мембраной. Она позволяет определённым молекулам или ионам проходить через неё благодаря диффузии. Скорость прохождения зависит от давления, концентрации и температуры молекулы или растворённых веществ с обеих сторон, а также проницаемости мембраны для каждого раствора.

Микрофильтрация -- процесс разделения жидких или газовых смесей от взвешенных частиц диаметром 100-0,1 мкм и выше. Фильтрация производится на мелкозернистом материале, песок, кварц и т. д., для грубой фильтрации больших частиц. Процесс проводят в тупиковом режиме с регенерацией обратным током жидкости/газа.

Обратный осмос -- прохождение воды или других растворителей через мембрану из более концентрированного в менее концентрированный раствор в результате воздействия давления, превышающего разницу осмотических давлений обоих растворов. Обратный осмос используется в различных технологиях очистки воды от примесей, в том числе для опреснения воды и очищения питьевой воды для различных целей с начала 1970-х годов.

Первапорация - технология разделения преимущественно жидких смесей различных веществ, при которой поток жидкости, содержащий два или более смешивающихся компонента помещен в контакт с одной стороной непористой полимерной мембраны или молекулярно-пористой неорганической мембраны (типа цеолитной мембраны), в то время как с другой стороны используется вакуумная или газовая продувка. Компоненты жидкого потока абсорбируются в/на мембране, проникают через мембрану, и испаряются в паровую фазу (откуда и образуется слово "pervaporate"). Образующийся пар, названный "пермеатом", конденсируется. Вследствие различных видов питающих смесей, имеющие различные сродства к мембране и различные скорости диффузии через мембрану, даже компонент, находящийся в малой концентрации питающей среде, может быть обогащен с высокой степенью в пермеате. Таким образом, состав растворенного вещества может сильно отличаться от того, что находится в виде пара, образующегося после развития свободного равновесия жидкость-пар. Коэффициенты обогащения, степень пермеирования концентрации питающей смеси находятся в диапазоне от единиц до нескольких тысяч, в зависимости от состава, мембраны и условий процесса.

Первапорация отличается относительно низким удельным энергопотреблением по сравнению с мембранными технологиями, использующими пористые мембраны.

Разделение идёт на молекулярном уровне, что повышает избирательность.

Диализ -- освобождение коллоидных растворов и растворов высокомолекулярных веществ от растворённых в них низкомолекулярных соединений при помощи полупроницаемой мембраны. При диализе молекулы растворенного низкомолекулярного вещества проходят через мембрану, а неспособные диализировать (проходить через мембрану) коллоидные частицы остаются за ней. Простейший диализатор представляет собой мешочек из коллодия (полупроницаемого материала), в котором находится диализируемая жидкость. Мешочек погружают в растворитель (например в воду). Постепенно концентрации диализирующего вещества в диализируемой жидкости и в растворителе становятся равными. Меняя растворитель, можно добиться практически полной очистки от нежелательных примесей. Скорость диализа обычно крайне низка (недели). Ускоряют процесс диализа увеличивая площадь мембраны и температуру, непрерывно меняя растворитель. Процесс диализа основан на процессах осмоса и диффузии, что объясняет способы его ускорения.

· Диализ применяют для очистки коллоидных растворов от примесей электролитов и низкомолекулярных неэлектролитов. Диализ применяют в промышленности для очистки различных веществ, например в производстве искусственных волокон, при изготовлении лекарственных веществ.

· Материал, прошедший через мембрану, называется диализат.

Гемодиализ (от гемо… и греч. dialysis -- разложение, отделение) -- метод внепочечного очищения крови при острой и хронической почечной недостаточности. Во время гемодиализа происходит удаление из организма токсических продуктов обмена веществ, нормализация нарушений водного и электролитного балансов. Гемодиализ осуществляют обменным переливанием крови (одновременное массивное кровопускание с переливанием такого же количества донорской крови), обмыванием брюшины солевым раствором (перитонеальный диализ), промыванием слизистой оболочки кишечника умеренно гипертоническими растворами (кишечный диализ). Наиболее эффективным методом гемодиализа является применение аппарата искусственная почка.

Хроматография (от греч. чсюмб - цвет) -- метод разделения и анализа смесей веществ, а также изучения физико-химических свойств веществ. Основан на распределении веществ между двумя фазами -- неподвижной и подвижной (элюент ). Название метода связано с первыми экспериментами по хроматографии, в ходе которых разработчик метода Михаил Цвет разделял ярко окрашенные растительные пигменты.

Жидкие мембраны относятся к классу синтетических мембран, изготовленных их эластичных материалов. Некоторые типы жидких мембран применяются в промышленности: эмульсионные мембраны, задерживающие мембраны, расплавы солей, мембраны из холофайбера. Жидкие мембраны были достаточно изучены, но имеют ограниченное применение в промышленности.

Полимерные мембраны возглавляют рынок в промышленной сепарации, потому что достаточно конкурентноспрособны по эксплуатационным и экономическим параметрам. Многие полимеры доступны в качестве материала для них, но выбрать полимер для определенной цели зачастую оказывается сложно. Полимер должен иметь соответствующие характеристики для назначенной задачи. Полимер зачастую должен иметь высокую устойчивость к отделяемым молекулам (особенно в биотехнологическом применении) и удовлетворять жестким условиям очистки. Он должен быть совместим с технологическим процессом изготовления мембраны.

Полимер должен быть пригодным к разработке мембраны по таким параметрам как устойчивость и взаимодействие полимерных связей, пространственная однородность, полярность полимерных связей и его функциональная группа. Полимеры могут быть аморфными и полукристаллическими по структуре (также иметь различную температуру плавления), влияющие на параметры применения мембраны. Также немаловажными являются доступность и адекватная стоимость для формирования критерия низкой стоимости мембранного процесса. Многие мембранные полимеры дополняются примесями, модифицируются или добавляются как примесь для улучшения их параметров. В синтезе мембран наиболее распространены ацетат целлюлозы, нитраты и сложные эфиры (СА, CN и СЕ), полисульфон (PS), полиэстер сульфон (PES), полиакрилонитрил (PAN), полиамид, полиимид, полиэтилен и полипропилен (PE и РР), политетрафлюороэтилен (PTFE), поливинилоэденохлорид (PVDF), поливинилхлорид (PVC)

Полиэтилен (PE)политетрафлюороэтилен (PTFE) полипропилен (РР)

Искусственные липидные мембраны , имеющие двуслойное строение, оказались во многих отношениях сходными с биологическими мембранами. Искусственные мембраны получаются при контакте смеси фосфолипидов и нейтральных липидов , растворенных в органических растворителях, с водой. Бимолекулярные липидные мембраны (БЛМ), называемые также бислойными или черными липидными мембранами, представляют собой широко используемую экспериментальную модель , которая позволяет воспроизводить в искусственных условиях многие свойства и характеристики биологических мембран. Как и биологические мембраны, они представляют собой замкнутые системы, что делает их пригодными для изучения пассивного транспорта ионов и малых молекул через липидный бислой.

Липосомы - сферические везикулы, имеющие один или несколько липидных бислоев. Образуются в смесях фосфолипидов с водой . Внутри липосом содержится вода или раствор, в котором проводилась ультразвуковая обработка. В отличие от БЛМ, липосомы достаточно стабильны и не содержат органических растворителей. Состав липидов в липосомах можно произвольно варьировать и таким образом направленно изменять свойства мембраны. Благодаря возможности реконструкции мембраны из ее основных компонентов удается моделировать ферментативные транспортные и рецепторные функции клеточных мембран. В липосомы можно ввести антигены, а также ковалентно присоединить антитела и использовать их в иммунологических исследованиях . Они представляют собой удобную модель для изучения действия многих лекарственных веществ, витаминов, гормонов, антибиотиков и т. д.

В настоящее время хорошо разработаны методы включения функционально-активных мембранных белков в липосомы. Такие искусственные белково-липидные структуры обычно называются протеолипосомами .

Эффективность встраивания большинства белков компонентов в искусственные мембранные системы резко зависит от липидного состава мембран, pH, солевого состава, температуры и т. д. Система протеолипосомы - коллодиевая пленка , первоначально разработанная для изучения бактериородопсина, была затем использована при исследовании целого ряда других мембранных преобразователей энергии.

Существует два основных типа искусственных мембран:

классические плоские,
сферические мембраны различного размера.

Для получения искусственных мембран используют:

различные фосфатиды,
нейтральные глицериды,
смеси липидов биологического происхождения, добавляя к ним холестерин, а-токоферол и другие минорные добавки.

Потенциальная ценность искусственных мембран для исследований зависит от возможности включения в них природных белков, в особенности тех, которые обладают транспортными свойствами. Липосомы, состоящие из белков и липидов, стали получать в 60-е гг. Термин протеолипосомы был введен В. П. Скулачевым. В настоящее время разработан целый ряд методов приготовления различных типов липосом и протеолипосом, а также их стандартизации по размерам, структуре, гомогенности, стабильности и другим характеристикам. Липосомы используют для доставки в клетку лекарственных и химических соединений, стабилизации ферментов в инженерной энзимологии, введения в клеточные мембраны молекул зондов, модифицирующих и моделирующих их поверхность. Большой интерес для генной инженерии и медицины представляют работы по введению в клетки при помощи липосом нуклеиновых кислот и вирусов.

С водой связаны многие структурно-функциональные свойства мембран, а также процессы стабилизации и формирования мембран. Вода входит в состав мембран и делится на:

свободную,
связанную,
захваченную.

Связанная и свободная вода различается по подвижности молекул воды и растворяющей способности. Наименьшей подвижностью и растворяющей способностью обладает внутренняя связанная вода . Она присутствует в липидной зоне мембран в виде отдельных молекул. Основную часть связанной воды представляет вода гидратных оболочек . Эта вода окружает полярные группы белков и липидов, имеет min подвижность и практически не обладает свойствами растворителя. Свободная вода в порах и каналах . По ней могут перемещаться свободные ионы. Она является хорошим растворителем, подвижная и обладает всеми свойствами жидкой воды.

Захваченная вода обладает изотопным движением, характерным для жидкой воды, является хорошим растворителем. Она встречается в центральной зоне мембран, между ее липидными слоями, но эта вода пространственно делится как с внеклеточной жидкостью, так и с цитоплазмой . У нее нет возможности свободно с ними обмениваться.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Министерство науки и образования Украины

Национальный технический университет Украины

"Киевский политехнический институт им. Игоря Сикорского"

Факультет биомедицинской инженерии

клеточный мембрана молекулярный

Мембраны клетки. Искусственные и наномембраны

выполнила

студентка группы БМ-61

Папакина Маргарита

проверил:

профессор В.И. Коржоа

Актуальность темы

С момента открытия строения клетки и в частности клеточной мембраны медицинская и биологическая наука изучила ее достаточно хорошо для того, чтобы за это время ученые совершили огромное количество последующих открытий в области биологии и медицины, которые в последствие улучшили возможности медицины, качество жизни людей и дали толчок последующим биологическим, биохимическим, биофизическим исследованиям в этой области.

В настоящее время ученые решают вопросы возможности проведения биологических исследований не на биологическом материале, а на его моделях. В области биохимических исследований активно разрабатывается и вводится в практику применения искусственных мембран, а также наномембран. Развитие смежных наук и технологий позволило создать такие модели также для их применения в других сферах жизни, а не только в научных исследованиях.

То есть, процесс изучения клеточных мембран, а также методы получения искусственных мембран и наномембран и их совершенствование -- очень перспективная отрасль биологической науки в настоящее время.

Мембраны клетки

Клеточная мембрана (также цитолемма, плазмалемма, или плазматическая мембрана) -- эластическая молекулярная структура, состоящая из белков и липидов. Отделяет содержимое любой клетки от внешней среды, обеспечивая её целостность; регулирует обмен между клеткой и средой; внутриклеточные мембраны разделяют клетку на специализированные замкнутые отсеки -- компартменты или органеллы, в которых поддерживаются определённые условия среды. Клеточная стенка, если таковая у клетки имеется (обычно есть у растительных клеток), покрывает клеточную мембрану.

Рис. 1. Строение клеточной мембраны.

Клеточная мембрана представляет собой двойной слой (бислой) молекул класса липидов, большинство из которых представляет собой так называемые сложные липиды -- фосфолипиды. Молекулы липидов имеют гидрофильную («головка») и гидрофобную («хвост») части. При образовании мембран гидрофобные участки молекул оказываются обращены внутрь, а гидрофильные -- наружу.

Биологическая мембрана включает и различные белки: интегральные (пронизывающие мембрану насквозь), полуинтегральные (погружённые одним концом во внешний или внутренний липидный слой), поверхностные (расположенные на внешней или прилегающие к внутренней сторонам мембраны). Некоторые белки являются точками контакта клеточной мембраны с цитоскелетом внутри клетки и клеточной стенкой (если она есть) снаружи. Некоторые из интегральных белков выполняют функцию ионных каналов, различных транспортеров и рецепторов.

Свойства мембран

Все клеточные мембраны представляют собой подвижные текучие структуры, поскольку молекулы липидов и белков не связаны между собой ковалентными связями и способны достаточно быстро перемещаться в плоскости мембраны. Благодаря этому мембраны могут изменять свою конфигурацию, т. е. обладают текучестью.

Мембраны -- структуры очень динамичные. Они быстро восстанавливаются после повреждения, а также растягиваются и сжимаются при клеточных движениях.

Мембраны разных типов клеток существенно различаются как по химическому составу, так и по относительному содержанию в них белков, гликопротеинов, липидов, а следовательно, и по характеру имеющихся в них рецепторов. Каждый тип клеток поэтому характеризуется индивидуальностью, которая определяется в основном гликопротеинами. Разветвленные цепи гликопротеинов, выступающие из клеточной мембраны, участвуют в распознавании факторов внешней среды, а также во взаимном узнавании родственных клеток..

Подобное явление наблюдается в процессе дифференцировки тканей. В этом случае сходные по строению клетки с помощью распознающих участков плазмалеммы правильно ориентируются относительно друг друга, обеспечивая тем самым их сцепление и образование тканей. С распознаванием связана и регуляция транспорта молекул и ионов через мембрану, а также иммунологический ответ, в котором гликопротеины играют роль антигенов. Сахара, таким образом, могут функционировать как информационные молекулы (подобно белкам и нуклеиновым кислотам). В мембранах содержатся также специфические рецепторы, переносчики электронов, преобразователи энергии, ферментные белки. Белки участвуют в обеспечении транспорта определенных молекул внутрь клетки или из нее, осуществляют структурную связь цитоскелета с клеточными мембранами или же служат в качестве рецепторов для получения и преобразования химических сигналов из окружающей среды.

Важнейшим свойством мембраны является также избирательная проницаемость. Это значит, что молекулы и ионы проходят через нее с различной скоростью, и чем больше размер молекул, тем меньше скорость прохождения их через мембрану. Это свойство определяет плазматическую мембрану как осмотический барьер. Максимальной проникающей способностью обладает вода и растворенные в ней газы; значительно медленнее проходят сквозь мембрану ионы. Диффузия воды через мембрану называется осмосом.

Существует несколько механизмов транспорта веществ через мембрану.

Диффузия --проникновение веществ через мембрану по градиенту концентрации {из области, где их концентрация выше, в область, где их концентрация ниже). Диффузный транспорт веществ (воды, ионов) осуществляется при участии белков мембраны, в которых имеются молекулярные поры, либо при участии липидной фазы (для жирорастворимых веществ).

При облегченной диффузии специальные мембранные белки-переносчики избирательно связываются с тем или иным ионом или молекулой и переносят их через мембрану по градиенту концентрации.

Активный транспорт сопряжен с затратами энергии и служит для переноса веществ против их градиента концентрации. Он осуществляется специальными белками-переносчиками, образующими так называемые ионные насосы. Наиболее изученным является Na-/ К--насос в клетках животных, активно выкачивающих ионы Na+ наружу, поглощая при этом ионы К-. Благодаря этому в клетке поддерживается большая концентрация К- и меньшая Na+ по сравнению с окружающей средой. На этот процесс затрачивается энергия АТФ.

В результате активного транспорта с помощью мембранного насоса в клетке происходит также регуляция концентрации Mg2-и Са2+.

В процессе активного транспорта ионов в клетку через цитоплазматическую мембрану проникают различные сахара, нуклеотиды, аминокислоты.

Макромолекулы белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липопротеидные комплексы и др. сквозь клеточные мембраны не проходят, в отличие от ионов и мономеров. Транспорт макромолекул, их комплексов и частиц внутрь клетки происходит совершенно иным путем -- посредством эндоцитоза. При эндоцитозе {эндо... -- внутрь) определенный участок плазмалеммы захватывает и как бы обволакивает внеклеточный материал, заключая его в мембранную вакуоль, возникшую вследствие впячивания мембраны. В дальнейшем такая вакуоль соединяется с лизосомой, ферменты которой расщепляют макромолекулы до мономеров.

Процесс, обратный эндоцитозу, -- экзоцитоз (экзо... -- наружу). Благодаря ему клетка выводит внутриклеточные продукты или непереваренные остатки, заключенные в вакуоли или пузырьки. Пузырек подходит к цитоплазматической мембране, сливается с ней, а его содержимое выделяется в окружающую среду. Гак выводятся пищеварительные ферменты, гормоны, гемицеллюлоза и др.

Таким образом, биологические мембраны как основные структурные элементы клетки служат не просто физическими границами, а представляют собой динамичные функциональные поверхности. На мембранах органелл осуществляются многочисленные биохимические процессы, такие как активное поглощение веществ, преобразование энергии, синтез АТФ и др.

Биохимические функции

Барьерная -- обеспечивает регулируемый, избирательный, пассивный и активный обмен веществ с окружающей средой. Например, мембрана пероксисом защищает цитоплазму от опасных для клетки пероксидов. Избирательная проницаемость означает, что проницаемость мембраны для различных атомов или молекул зависит от их размеров, электрического заряда и химических свойств. Избирательная проницаемость обеспечивает отделение клетки и клеточных компартментов от окружающей среды и снабжение их необходимыми веществами.

Транспортная -- через мембрану происходит транспорт веществ в клетку и из клетки. Транспорт через мембраны обеспечивает: доставку питательных веществ, удаление конечных продуктов обмена, секрецию различных веществ, создание ионных градиентов, поддержание в клетке оптимального pH и концентрации ионов, которые нужны для работы клеточных ферментов.

Частицы, по какой-либо причине неспособные пересечь фосфолипидный бислой (например, из-за гидрофильных свойств, так как мембрана внутри гидрофобна и не пропускает гидрофильные вещества, или из-за крупных размеров), но необходимые для клетки, могут проникнуть сквозь мембрану через специальные белки-переносчики (транспортёры) и белки-каналы или путём эндоцитоза.

При пассивном транспорте вещества пересекают липидный бислой без затрат энергии по градиенту концентрации (градиент концентрации указывает направление увеличения концентрации) путём диффузии. Вариантом этого механизма является облегчённая диффузия, при которой веществу помогает пройти через мембрану какая-либо специфическая молекула. У этой молекулы может быть канал, пропускающий вещества только одного типа.

Активный транспорт требует затрат энергии, так как происходит против градиента концентрации. На мембране существуют специальные белки-насосы, в том числе АТФаза, которая активно вкачивает в клетку ионы калия (K+) и выкачивает из неё ионы натрия (Na+).

Матричная -- обеспечивает определённое взаиморасположение и ориентацию мембранных белков, их оптимальное взаимодействие.

Механическая -- обеспечивает автономность клетки, её внутриклеточных структур, также соединение с другими клетками (в тканях). Большую роль в обеспечении механической функции имеют клеточные стенки, а у животных -- межклеточное вещество.

Энергетическая -- при фотосинтезе в хлоропластах и клеточном дыхании в митохондриях в их мембранах действуют системы переноса энергии, в которых также участвуют белки.

Рецепторная -- некоторые белки, находящиеся в мембране, являются рецепторами (молекулами, при помощи которых клетка воспринимает те или иные сигналы).

Например, гормоны, циркулирующие в крови, действуют только на такие клетки-мишени, у которых есть соответствующие этим гормонам рецепторы. Нейромедиаторы (химические вещества, обеспечивающие проведение нервных импульсов) тоже связываются с особыми рецепторными белками клеток-мишеней.

Ферментативная -- мембранные белки нередко являются ферментами. Например, плазматические мембраны эпителиальных клеток кишечника содержат пищеварительные ферменты.

Осуществление генерации и проведения биопотенциалов.

С помощью мембраны в клетке поддерживается постоянная концентрация ионов: концентрация иона К+ внутри клетки значительно выше, чем снаружи, а концентрация Na+ значительно ниже, что очень важно, так как это обеспечивает поддержание разности потенциалов на мембране и генерацию нервного импульса.

Маркировка клетки -- на мембране есть антигены, действующие как маркеры -- «ярлыки», позволяющие опознать клетку. Это гликопротеины (то есть белки с присоединёнными к ним разветвлёнными олигосахаридными боковыми цепями), играющие роль «антенн». Из-за бесчисленного множества конфигурации боковых цепей возможно сделать для каждого типа клеток свой особый маркер. С помощью маркеров клетки могут распознавать другие клетки и действовать согласованно с ними, например, при формировании органов и тканей. Это же позволяет иммунной системе распознавать чужеродные антигены.

Искусственные мембраны

Искусственные мембраны получаются при контакте смеси фосфолипидов и нейтральных липидов, растворенных в органических соединениях, с водой. Толщина таких мембран менее 100 А. ?

Эти искусственные мембраны, подобно настоящим клеточным мембранам, гидрофобны. Поэтому сквозь них не могут диффундировать заряженные частицы вроде НСОз) в то время как незаряженные молекулы свободно проходят через гидрофобный слой. ?

В настоящее время в лабораторной практике применяются почти исключительно искусственные мембраны, изготовленные из природных или синтетических органических полимеров (целлюлозы и ее эфире, белков, полистирола) и других материалов. Они имеют то огромное преимущество по сравнению с растительными и животными мембранами, употреблявшимися ранее, что их можно готовить с хорошо воспроизводимой градацией проницаемости. Для работ с неводными растворами часто пользуются целлюлозными мембранами.

Пути синтеза современных мембран часто идут по довольно сложным схемам, потому что макромолекулярная архитектура этих соединений должна представлять прочный полимерный каркас, несущий на себе крепко пришитые, заряженные группы. Изготовить такой материал, который отвечал бы всем требованиям технологических приложений, нелегко, и можно сказать, что это не только научная задача, а большое искусство. Молекулярный дизайн современных мембран отличается большим разнообразием, которое зависит не только от типа и природы заряженных фрагментов, но и от химической структуры несущей матрицы. Первые мембраны изготавливали из зернистых ионитов, так называемых ионообменных смол.

Кроме пористых ионообменных мембран существует множество других типов искусственных мембран, среди которых можно выделить толстые сплошные мембраны и очень тонкие бислойные липидные мембраны, состоящие из двух мономолекулярных слоев. ?

Трудности, связанные с получением биологических мембран, удовлетворительных по размерам и воспроизводимости, привели биологов к необходимости изучить возможности использования в качестве моделей искусственно приготовленных мембран. На искусственных мембранах сравнительно легко можно проводить измерения электродвижущей силы, чисел переноса, электропроводности и т. д.

Наномембраны

Наномембранами называют мембраны, которые содержат поры диаметром в доли микрона и менее. В частности, материалы, в которых размер пор строго контролируем и составляет от 2 до 50 нм, называются мезопористыми молекулярными ситами. Мелкие поры способны задерживать очень малые твердые частицы, а также микробы, вирусы, отдельные клетки и даже молекулы. Особое применение наномембраны находят в медицине. С помощью них можно выделять вирусы и белки, проводить гемодиализ - разделять компоненты крови, стерилизовать растворы (путем отфильтровывания микроорганизмов), выполнять микробиологический анализ воды. Интересное потенциальное применение связано с биоимплантатами. Клеточную структуру имплантата можно изолировать от остального организма замкнутой наномембраной. Тогда обмен между имплантатом и организмом необходимыми веществами будет осуществляться через нанопоры, а антитела, разрушающие инородные клетки, не смогут проникнуть через мембранный барьер.

Современный способ получения высокоэффективных наномембран - облучение сплошных полимерных пленок ускоренными тяжелыми ионами или продуктами распада радиоактивных элементов. Высокоэнергетические частицы, пролетая через слой полимера, оставляют треки - сквозные каналы диаметром около 10 нм, заполненные продуктами разрушения (деполимеризации) материала. В результате последующей обработки растворителем на месте каналов образуются поры, диаметр которых можно регулировать в широком интервале от 30 до 1000 нм.

Существует много других методов получения наномембран. Мембраны на основе оксида алюминия с упорядоченными нанопорами создают анодным окислением поверхности алюминиевой пластины. Нанопоры в пленке кремния образуются в результате кратковременной термической обработки сплошного слоя аморфного кремния. Наномембраны также формируют путем полимеризации органического соединения из раствора или в присутствии поверхностно-активного вещества. В результате ассоциации молекул последнего образуются цилиндрические каналы диаметром в несколько нанометров, пронизывающие насквозь полученную пленку. Ионообменные мембраны получают из ионообменных полимеров (смол), а также из некоторых неорганических соединений, обладающих ионной проводимостью (диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, оксид висмута и др.).

В заключение этой работы можно отметить, что производство искусственных мембран и наномембран -- это отрасль биотехнологий, которая будет уверенно развиваться в ближайшем будущем и которая будет активно внедряться во многие сферы производства, но особое применение искусственные мембраны получат в медицине, которые позволят усовершенствовать уже существующие наработки и сделать много новых открытий.

Литература

Трековые мембраны нового поколения. В мире науки. 2005. № 12. С. 35.

Мулдер М. Введение в мембранную технологию. М.: Мир, 1999. 514 с.

Н. П. Березина. Синтетические ионообменные мембраны. Соросовский образовательный журнал, том 6, №9, 2000

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Понятие и функциональное назначение цитоплазматической мембраны как эластической молекулярной структуры, состоящей из белков и липидов. Ее биологическая роль, обязательные компоненты. Типы и основные функции белков: интегральные и периферические.

презентация , добавлен 26.10.2015

Строение ионных каналов - специализированных белков клеточной мембраны, образующих гидрофильный проход, по которому заряженные ионы могут пересекать клеточную мембрану по электрохимическому градиенту. Свойства активного транспорта, его потенциал.

презентация , добавлен 30.10.2016

Основные факты о строении клеточной мембраны. Общие представления о проницаемости. Перенос молекул через мембрану. Облегченная диффузия, пассивный и активный транспорт. Уравнение Фика. Сущность понятия "селективность". Строение и функции ионных каналов.

презентация , добавлен 19.10.2014

Строение мембран. Мембраны эритроцитов. Миелиновые мембраны. Мембраны хлоропластов. Внутренняя (цитоплазматическая) мембрана бактерий. Мембрана вирусов. Функции мембран. Транспорт через мембраны. Пассивный транспорт. Активный транспорт. Ca2+ –насос.

реферат , добавлен 22.03.2002

Мембранный транспорт: транслокация веществ через биологические мембраны с участием молекул-посредников. Механизмы клеточной проницаемости. Способы сопряжения транспорта с энергией метаболизма. Транспорт веществ из клетки в среду: секреция и экскреция.

реферат , добавлен 26.07.2009

Особенности строения клеток прокариот и эукариот. Структура фосфолипидного бислоя. Связи в молекуле фосфолипида, расщепляемые разными классами фосфолипаз. Липидный состав плазматической мембраны. Обзор основных способов переноса веществ через мембраны.

презентация , добавлен 26.03.2015

Структура цитоплазматической мембраны бактерии. Анализ функций клетки: деление, биосинтез ряда компонентов, хемо и фотосинтез. Трансмембранный фрагмент белка как альфа-спираль. Транспорт веществ в бактерии: пассивный, активный транслокация групп.

презентация , добавлен 17.11.2013

Виды биологических мембран и их функции. Мембранные белки. Виды и функции мембранных белков. Структура биологических мембран. Искусственные мембраны. Липосомы. Методы исследования структуры мембран. Физическое состояние и фазовые переходы в мембранах.

презентация , добавлен 21.05.2012

Проблемы сборки мембранных белков, методы исследования и условия переноса белков через мембраны. Сигнальная и мембранная (триггерная) гипотеза встраивания белков в мембрану. Процесс сборки мультисубъединичных комплексов и обновление мембранных белков.

курсовая работа , добавлен 13.04.2009

Протекание биохимических процессов, их причинно-следственный механизм. Натриево-калиевый насос, энергия гидролиза АТФ, кальциевые насосы, натрий-кальциевый обменник. Функции мембраны, электрический потенциал клетки и молекул, их роль в обменных процессах.