Определение мембрана: Что такое мембрана? Виды и ключевые модели

Содержание

Из чего делают мембраны? | «BASK» — официальный сайт производителя одежды и снаряжения

Существуют гидрофобные, гидрофильные и переходные полимеры. Принято считать полимеры, впитывающие не более 1-2% влаги – гидрофобными, 10% и более – гидрофильными.

Гидрофобные полимеры и мебраны из них

Гидрофобныё полимеры не впитывают и соответственно не пропускают воду. А значит тонкие пленки из них непромокаемы. Но из этого так же следует, что такие пленки не пропускают водяные пары. Чтобы совместить непромокаемость и паропроницаемость, гидрофобные пленки делают пористыми. Поры, конечно, не выглядят как система аккуратных круглых отверстий, проходящих через толщу пленки. Структура мембраны может быть похожа на губку, на срез буханки хлеба или, например, хаотическое или упорядоченное в какой-то степени, объёмное переплетение нитей, что хорошо видно на примере снимков, сделанных электронным микроскопом.

Размер пор мал – от 0.1 мкм до 1 мкм. Поэтому капли воды через такие поры не проходят. Водяные пары механически проходят через поры мембраны, практически не взаимодействуя с веществом мембраны.Правильнее говорить пористая мембрана, а не поровая.

Начнём с самой известной марки мембран из гидрофобных полимеров – GORE-TEX. Мембрану производят из растянутого политетрафторэтилена (PTFE). Плёнки PTFE с добавлением веществ для порообразования при определенных условиях механически растягивают, и получают плёнки со структурой, как на фото выше. Далее к этой пленке добавляют жироотталкивающий PU слой, возможно напыление, для защиты пор от жиров и грязи.

Молекула PTFE

При измерении паропроницаемости по методу b1 PTFE используют в качестве прокладки между абсорбентом и мембраной, потому она обладает такой высокой паропроницаемостью, которая заведомо выше паропроницаемости исследуемой мембраны. Тогда почему не все используют PTFE для изготовления мембран?

Предполагаю, тут возможен только один ответ – патент. W. l. Gore запатентовала мембраны из PTFE, и это не позволяет остальным делать мембраны тем же способом и из того же материала. И другим компаниям приходится выкручиваться, изобретая другие мембраны и добиваясь схожих характеристик. И похоже, BHA Group со своей мембраной Event удалось разработать технологию или купить лицензию изготовления мембран из PTFE.

Чтобы добиться большей паропроницаемости, чем у gore-tex (3-layer event ret = 4.5, 3-layer gore xcr ret = 5.1) из Event убрали защитный PU слой. По заявлениям производителя защита встроена в саму мембрану, какая – не разъясняется. Другими словами Event – клон gore-tex.

У Toray нет секретов, они открыты по сравнению с другими производителями. Общедоступны спецификации на все мембраны. Они производят обычные микропористые и непористые PU мембраны. Отмечу уникальную двухслойную мембрану Entrant HB, где микропористый PU слой сочетается с ультратонким непористым слоем.

1-3. gore-tex 2. sofitex

Гидрофильные полимеры и мебраны из них

Гидрофильность данных полимеров объясняется тем, что их молекулы полярны и поэтому охотно вступают в химические связи с молекулами воды – водородная связь. Из таких полимеров можно делать паропроницаемые пленки без пор.

Молекула PU

Несмотря на то, что пор в таких мембранах нет, водяные пары – молекулы воды, связываются с гидрофильными молекулами мембраны. Далее молекулы воды продвигаются через толщу мембраны последовательно, как эстафетная палочка, связываясь с молекулами полимера, постепенно переходя на другую сторону. Мембрана при этом остается твердой, не разбавляется водой.

Гидрофильная мембрана принимает активное участие в транспорте молекул: с одной стороны в ней вообще нет пор и поэтому она должна хуже пропускать водяные поры, но с другой стороны – в ней, в отличии от гидрофобных, появляются дополнительные химические силы. Гградиент концентрации играет для них такую же определяющую роль, как и для гидрофобных мембран. Точное описание данных процессов и будет предметом последующих моих изысканий.

1. PU – внутренняя поверхность, отделка мембраны gore-tex 2. ePTFE – внешняя поверхность мембраны gore-tex 3. ePTFE с олеофобным покрытием

Sympatex – самая известная непористая мембрана. Это сополимер из 70% гидрофобного полиэстера и 30% гидрофильного полиэфира. 30% гидрофильного вещества в составе мембраны и выполняют роль передающей среды для водяных паров. Sympatex – очень тонкая (5 мкм) и эластичная (растяжение до 300%) пленка. К сожалению, на официальном сайте Ret явно указано только для phaseable 2.5-layer. И голословно утверждается, что Sympatex High out дышит на 120% лучше, чем стандартные ламинаты.

Sympatex

Toray производит непористую гидрофильную PU мембрану – Dermizax-ev.

Материал, в части молекулярных механизмов работы гидрофильных мембран будет расширен и уточнен, по мере доступа к нужной литературе.

Читать так же:

Мембраны. Немного физики

Разумно о мембранах

Методы определения паропроницаемости и Ret мембраны

Мембраны: «Взгляд изнутри» – как это устроено и работает

просто и понятно о ее строении и функциях

Определение

История исследования

Свойства и функции

Строение

Видео

Ни для кого не секрет, что все живые существа на нашей планете состоят их клеток, этих бесчисленных «атомов» органической материи. Клетки же в свою очередь окружены специальной защитной оболочкой – мембраной, играющей очень важную роль в жизнедеятельности клетки, причем функции клеточной мембраны не ограничиваются только лишь защитой клетки, а представляют собой сложнейший механизм, участвующий в размножении, питании, регенерации клетки.

Определение

Само слово «мембрана» с латыни переводится как «пленка», хотя мембрана представляет собой не просто своего роду пленку, в которую обернута клетка, а совокупность двух пленок, соединенных между собой и обладающих различными свойствами. На самом деле клеточная мембрана это трехслойная липопротеиновая (жиро-белковая) оболочка, отделяющая каждую клетку от соседних клеток и окружающей среды, и осуществляющая управляемый обмен между клетками и окружающей средой, так звучит академическое определение того что, представляет собой клеточная мембрана.

Значение мембраны просто огромно, ведь она не просто отделяет одну клетку от другой, но и обеспечивает взаимодействие клетки, как с другими клетками, так и окружающей средой.

История исследования

Важный вклад в исследование клеточной мембраны был сделан двумя немецкими учеными Гортером и Гренделем в далеком 1925 году. Именно тогда им удалось провести сложный биологический эксперимент над красными кровяными тельцами – эритроцитами, в ходе которых ученые получили так званые «тени», пустые оболочки эритроцитов, которые сложили в одну стопку и измерили площадь поверхности, а также вычислили количество липидов в них. На основании полученного количества липидов ученые пришли к выводу, что их как раз хватаем на двойной слой клеточной мембраны.

В 1935 году еще одна пара исследователей клеточной мембраны, на этот раз американцы Даниэль и Доусон после целой серии долгих экспериментов установили содержание белка в клеточной мембране. Иначе никак нельзя было объяснить, почему мембрана обладает таким высоким показателем поверхностного натяжения. Ученые остроумно представили модель клеточной мембраны в виде сэндвича, в котором роль хлеба играют однородные липидо-белковые слои, а между ними вместо масла – пустота.

В 1950 году с появлением электронного микроскопа теорию Даниэля и Доусона удалось подтвердить уже практическими наблюдениями – на микрофотографиях клеточной мембраны были отчетливо видны слои из липидных и белковых головок и также пустое пространство между ними.

В 1960 году американский биолог Дж. Робертсон разработал теорию о трехслойном строении клеточных мембран, которая долгое время считалась единственной верной, но с дальнейшим развитием науки, стали появляться сомнения в ее непогрешимости. Так, например, с точки зрения термодинамики клеткам было бы сложно и трудозатратно транспортировать необходимые полезные вещества через весь «сэндвич»

И только в 1972 году американские биологи С. Сингер и Г. Николсон смогли объяснить нестыковки теории Робертсона с помощью новой жидкостно-мозаичной модели клеточной мембраны. В частности они установили что клеточная мембрана не однородна по своему составу, более того – ассиметрична и наполнена жидкостью. К тому же клетки пребывают в постоянном движении. А пресловутые белки, которые входят в состав клеточной мембраны имеют разные строения и функции.

Рисунок клеточной мембраны.

Свойства и функции

Теперь давайте разберем, какие функции выполняет клеточная мембрана:

Барьерная функция клеточной мембраны – мембрана как самый настоящий пограничник, стоит на страже границ клетки, задерживая, не пропуская вредные или попросту неподходящие молекулы

Транспортная функция клеточной мембраны – мембрана является не только пограничником у ворот клетки, но и своеобразным таможенным пропускным пунктом, через нее постоянно проходит обмен полезными веществами с другими клетками и окружающей средой.

Матричная функция – именно клеточная мембрана определяет расположение органоидов клетки относительно друг друга, регулирует взаимодействие между ними.

Механическая функция – отвечает за ограничение одной клетки от другой и параллельно за правильно соединение клеток друг с другом, за формирование их в однородную ткань.

Защитная функция клеточной мембраны является основой для построения защитного щита клетки. В природе примером этой функции может быть твердая древесина, плотная кожура, защитный панцирь у черепахи, все это благодаря защитной функции мембраны.

Энергетическая функция – фотосинтез и клеточное дыхание были бы невозможны без участия белка, содержащегося в клеточной мембране. Именно через белковые каналы происходит важный клеточный энергообмен, в этом заключаются самые главные функции белка в клеточной мембране.

Рецепторная функция – и опять возвращаемся к белкам мембраны, помимо собственно энергообмена они обладают еще одной очень важной функцией – они служат рецепторами клеточной мембраны, благодаря которым клетка получает сигнал от гормонов и нейромедиаторов. Все это необходимо для нормального течения гормональных процессов и проведения нервного импульса.

Ферментативная функция – еще одна важная функция, осуществляемая некоторыми белками клетки. Например, благодаря этой функции в эпителии кишечника происходит синтез пищеварительных ферментов.

Также помимо всего этого через клеточную мембрану осуществляется клеточный обмен, который может проходить тремя разными реакциями:

Фагоцитоз – это клеточный обмен, при котором встроенные в мембрану клетки-фагоциты захватывают и переваривают различные питательные вещества.
Пиноцитоз – представляет собой процесс захвата мембраной клетки, соприкасающиеся с ней молекулы жидкости. Для этого на поверхности мембраны образуются специальные усики, которые как будто окружают каплю жидкости, образуя пузырек, которые впоследствии «проглатывается» мембраной.
Экзоцитоз – представляет собой обратный процесс, когда клетка через мембрану выделяет секреторную функциональную жидкость на поверхность.

Строение

В клеточной мембране имеются липиды трех классов:

фосфолипиды (представляются собой комбинацию жиров и фосфора),
гликолипиды (представляют собой комбинацию жиров и углеводов),
холестерол.

Фосфолипиды и гликолипиды в свою очередь состоят из гидрофильной головки, в которую отходят два длинных гидрофобных хвостика. Холестерол же занимает пространство между этими хвостиками, не давая им изгибаться, все это в некоторых случаях делает мембрану определенных клеток весьма жесткой. Помимо всего этого молекулы холестерола упорядочивают структуру клеточной мембраны.

Но как бы там ни было, а самой важной частью строения клеточной мембраны является белок, точнее разные белки, играющие различные важные роли. Несмотря на разнообразие белков содержащихся в мембране есть нечто, что их объединяет – вокруг всех белков мембраны расположены аннулярные липиды. Аннулярные липиды – это особые структурированные жиры, которые служат своеобразной защитной оболочкой для белков, без которой они бы попросту не работали.

Структура клеточной мембраны имеет три слоя: основу клеточной мембраны составляет однородный жидкий билипидный слой. Белки же покрывают его с обеих сторон наподобие мозаики. Именно белки помимо описанных выше функций также играют роль своеобразных каналов, по которым сквозь мембрану проходят вещества, неспособные проникнуть через жидкий слой мембраны. К таким относятся, например, ионы калия и натрия, для их проникновения через мембрану природой предусмотрены специальные ионные каналы клеточных мембран. Иными словами белки обеспечивают проницаемость клеточных мембран.

Если смотреть на клеточную мембрану через микроскоп, мы увидим слой липидов, образованный маленькими шарообразными молекулами по которому плавают словно по морю белки. Теперь вы знаете, какие вещества входят в состав клеточной мембраны.

Видео

И в завершение образовательное видео о клеточной мембране.

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail. com или в Фейсбук, с уважением автор.