Проницаемость мембран. Теории поступ

Мембранные методы очистки основаны на различной проницаемости мембран для компонентов очищаемой газовой смеси.[ ...]

Селективную проницаемость мембран в процессе ультрафильтрации объясняет чисто ситовой механизм разделения - частицы примесей, имеющие больший размер, чем размеры пор мембраны, через мембрану не проходят, через нее профильтровывается только вода.[ ...]

Селективность и проницаемость мембран должны рассматриваться во взаимосвязи с затратами на получение воздуха, обогащенного кислородом. Расходы на разделение воздуха зависят от проницаемости, селективности, геометрических параметров мембран, производительности модуля, стоимости электроэнергии и других факторов. Стоимость обогащенного кислородом воздуха оценивается по отношению к эквивалентно чистому кислороду, определяемому как количество чистого кислорода, необходимого для смешения с воздухом (21% кислорода) при получении того же количества и процентного содержания кислорода, которое получается в рассматриваемом газоразделительном процессе.[ ...]

Ультрафильтрация - мембранный процесс разделения растворов, осмотическое давление которых мало. Этот метод используется при отделении сравнительно высокомолекулярных веществ, взвешенных частиц, коллоидов. Ультрафильтрация по сравнению с обратным осмосом - более высокопроизводительный процесс, так как высокая проницаемость мембран достигается при давлении 0,2-1 МПа.[ ...]

Промывка твердых отходов 434, 425 Проницаемость мембран 273 Процеживание 197 сл.[ ...]

Ионы кальция оказывают большое влияние на мембранные структуры. На необходимость ионов Са2+ для стабилизации мембран указывалось достаточно давно. Было показано, что для образования поверхностной мембраны на эндоплазматической капле, изолированной из интерно-дальных клеток харовых водорослей, необходимо присутствие в окружающем растворе ионов Са2+. Присутствие Са2+ в концентрации 10 4 М способствовало образованию поверхностной мембраны на капле, хотя и недостаточно прочной; более прочная мембрана образовывалась при концентрации 10"3 М и особенно 10 2 М. При удалении ионов кальция (например, при обработке хелатами или при отсутствии Са2+ в среде) отмечается ослизнение корневых волосков, а также повышается проницаемость мембран к другим веществам. Ионы Са2+ изменяют и электрические свойства как искусственных, так и естественных мембран, умень-шая плотность заряда на мембранной поверхности. Недостаток Са приводит к возрастанию вакуолизации, изменению хромосом, разрыву мембран ЭПР и других внутриклеточных компартментов.[ ...]

С ростом концентрации разделяемого раствора проницаемость мембран уменьшается, с ростом давления - увеличивается. После процесса очистки получается фильтрат, обедненный на 90-99,5 °/о исходными соединениями, и концентрат, направляемый на дальнейшую переработку.[ ...]

Реакция на ацетилхолин и биогенные амины состоит в изменении проницаемости мембран к ионам и/или индукции синтеза вторичных посредников. Присутствие в растительной клетке и ее органеллах цАМФ, цГМФ, Са2+, а также ферментов синтеза и катаболизма подтверждает возможность локальной медиации.[ ...]

Так, под действием СВЧ ЭМИ (2,45 ГГц) обнаружено увеличение катионной проницаемости мембран эритроцитов при комнатной температуре, в то время как в отсутствие СВЧ ЭМИ подобный эффект наблюдается только при температуре 37 °С.[ ...]

Фонды метаболитов не равномерно распределены по клетке, а разделены мембранами и локализованы в отдельных отсеках (камерах, компартментах). Компартменты метаболических фондов клетки связаны между собой транспортными потоками. В соответствии с избирательной проницаемостью мембран происходит пространственное перераспределение интермедиатов и продуктов обмена. Например, в клетке запас АТФ поддерживается за счет "горизонтальных" связей процессов фотосинтетического и окислительного фосфоршшрования.[ ...]

Концентрация раствора. С ростом концентрации разделяемого раствора проницаемость мембран уменьшается вследствие увеличения осмотического давления растворителя и влияния концентрационной поляризации. При значении критерия Рейнольдса 2000-3000 концентрационная поляризация практически отсутствует, однако турбулизация раствора связана с его многократной рециркуляцией, т. е. с затратами энергии, и приводит к накоплению взвешенг ных частиц в растворе и появлению биологических обрастаний.[ ...]

Понижение температуры воды, ведущее к охлаждению рыб, ведет и к увеличению проницаемости мембран, которые теряют способность поддерживать ионные градиенты. При этом нарушается сопряженность ферментативных реакций, перестают работать ионные насосы, нарушается работа центральной и периферической нервной системы, угнетается работа кардиореспираторного аппарата, что в конечном счете может привести к развитию гипоксии. При перегреве или охлаждении рыб, возникающих в результате резкого изменения температуры в ограниченное время, определенная роль принадлежит осмотическим стрессам вследствие нарушения способности организма поддерживать определенную концентрацию ионов и белков в крови . Так, например, снижение температуры с 25 до 11°С вызывает у тиляпии, содержавшейся в пресной воде, развитие коматозного состояния, сопровождающегося снижением концентрации ионов натрия и хлора и общего белка крови . По мнению авторов, гибель рыб наступает из-за развития осморегуляторного коллапса и угнетения функции почёк. Косвенным подтверждением этого предположения может служить предотвращение температурной комы у рыб, содержащихся в разбавленной морской воде, что согласуется с более ранними наблюдениями повышения терморезистентности рыб вследствие добавления в воду ионов натрия, кальция и магния . Следует, однако, иметь в виду, что причины гибели рыб при повышенных или пониженных температурах различны и зависят от продолжительности и интенсивности температурного воздействия.[ ...]

Величина pH. Изменение первоначального значения pH обычно приводит к понижению проницаемости мембран . Влияние pH на селективность мембран невелико. Летучие кислоты плохо задерживаются мембранами, поэтому предварительная нейтрализация летучих кислот повышает селективность процесса разделения.[ ...]

При высоких концентрациях солей в трехкамерном электродиализаторе с инертными мембранами максимальный выход по току не превышает 20%.[ ...]

Получены положительные результаты очистки сточных вод от ОП-7 обратным осмосом при давлении 5 МПа. Проницаемость мембран составляла 5-20,8 л/(м2-ч) при концентрации ОП-7 в фильтрате 1-18 мг/л .[ ...]

ПАВ (алкилсульфаты) стимулируют размножение бактерий в наибольшей степени. Кроме того, ПАВ, изменяя проницаемость мембран живых клеток (С. С. Строев, 1965 и др.), возможно, способствуют лучшей усвояемости микробами пищевых веществ, содержащихся в воде.[ ...]

Природа растворенного вещества оказывает определенное влияние на селективность и в меньшей степени на проницаемость мембран. Это влияние заключается в том, что неорганические вещества задерживаются мембранами лучше, чем органические с той же молекулярной массой; среди родственных соединений, например, гомологов, лучше задерживаются вещества с большей молекулярной массой; вещества, образующие связи с мембраной, например, водородную, задерживаются мембраной тем лучше, чем менее прочна эта связь; селективность задержания высокомолекулярных соединений ультрафильтрацией тем больше, чем больше молекулярная масса растворенного вещества.[ ...]

Мембраны из ацетата целлюлозы могут работать в интервале pH 4,5-7, а из химически стойких полимеров - при pH 1 -14. Проницаемость мембран выбирается такой, чтобы обеспечивать проход воды, растворимых солей и задерживать масла. Размер пор в мембранах обычно составляет в пределах 2,5-10 нм. Установка оборудована вспомогательными трубопроводами для промывки мембран фильтратом или деминерализованной водой, снабжена контрольно-измерительными приборами и автоматическими устройствами.[ ...]

При значительном снижении внутриклеточной разности потенциалов до определенного порогового уровня наблюдается резкое изменение проницаемости мембран и обращение (реверсия) ионных потоков. Ионы кальция из наружной среды, окружающей клетку, поступают в нее, а ионы хлора и ионы калия выходят из клетки в омывающий раствор.[ ...]

Толерантность связана с внутренними факторами и включает такие метаболические процессы, как селективное поглощение ионов, пониженная проницаемость мембран, иммобилизация ионов в отдельных частях растений, удаление ионов из метаболических процессов с помощью образования запаса в нерастворимых формах в различных органах, адаптацию к замещению физиологического элемента токсичным в энзиме, удаление ионов из растений при вымывании через листья, соковыделении, сбрасывании листьев, выделении через корни. Толерантные растения могут стимулироваться при повышенных концентрациях металлов, что свидетельствует об их физиологической потребности в избытке. Отдельные виды растений способны-накапливать значительное количество тяжелых металлов без видимых признаков угнетения. Другие растения не имеют такой способности (см. табл.[ ...]

Давление является одним из основных факторов, определяющих производительность установок обратного осмоса. Производительность мембран увеличивается с повышением избыточного давления. Однако, начиная с некоторого давления, проницаемость мембран снижается вследствие уплотнения полимерного материала мембраны.[ ...]

Установлено также, что низкие ([ ...]

Поскольку полисахариды гемицеллюлоз имеют среднечисловой молекулярный вес не выше 30 000, применение обычной осмометрии затруднено вследствие проницаемости мембран для низкомолекулярных фракций. Предложенный Хиллом метод осмометрии в паровой фазе имеет ряд преимуществ перед другими методами. Этот метод основан на измерении разности давления паров раствора и растворителя и заключается в следующем . Каплю раствора и каплю растворителя помещают на два спая термопары и выдерживают в атмосфере, насыщенной парами чистого растворителя. Вследствие пониженного давления пара раствора часть пара сконденсируется на капле раствора, повышая температуру капли и термопары. Возникающая электродвижущая сила измеряется гальванометром. Верхний предел измеряемой величины молекулярного веса около 20 000, точность измерения 1 %.[ ...]

Наконец, мембраны эндоплазматического ретикулума - это те поверхности, по которым распространяются биотоки, являющиеся сигналами, меняющими избирательную проницаемость мембран и тем самым активность ферментов. Благодаря этому одни химические реакции пускаются в ход, другие тормозятся - обмен веществ подчиняется регуляции и протекает координированно.[ ...]

Нлазмалемма регулирует вход веществ в клетку и выход их из нее, обеспечивает избирательное проникновение веществ в клетку и из клетки. Скорость проннкновепия сквозь мембрану разных веществ различна. Хорошо проникают через нее вода и газообразные вещества. Легко проникают также жирорастворимые вещества,- вероятно, благодаря тому, что она имеет липидный слой. Предполагается, что липидный слой мембраны пронизан порами. Это позволяет проникать сквозь мембрану веществам, нерастворимым в жирах. Поры несут электрический заряд, поэтому проникновение через них ионов не вполне свободно. При некоторых условиях заряд пор меняется, и этим регулируется проницаемость мембран для ионов. Однако мембрана неодинаково проницаема и для разных ионов с одинаковым зарядом, и для разпых незаряжепных молекул близких размеров. В этом проявляется важнейшее свойство мембраны - избирательность ее проницаемости: для одних молекул и ионов она про-пицаема лучше, для других хуже.[ ...]

В настоящее время общепризнанным является механизм действия медиаторов в животных и растительных клетках, который основывается на регуляции ионных потоков. Изменения мембранных потенциалов обусловлены сдвигами ионной проницаемости мембран путем открытия или закрытия ионных каналов. С этим явлением и связаны механизмы возникновения и распространения ПД в животных и растительных клетках. В животных клетках - это №7К+-каналы, контролируемые ацетил-холином, и Са2+-каналы, чаще зависимые от биогенных аминов. В растительных клетках возникновение и распространение ПД связывается с кальциевыми, калиевыми и хлорными каналами.[ ...]

С большей воспроизводимостью и устойчивостью стабильный поток газов и паров может быть получен способами, основанными на диффузии газов или паров жидкости через капилляр (рис. 10) или проницаемую мембрану (рис. 11) в поток газа-разбавителя. В таких методах наблюдается равновесие между газовой фазой и адсорбирующими поверхностями аппаратуры, что обеспечивает стабильность микропотока.[ ...]

Увеличение температуры приводит к уменьшению вязкости и плотности раствора и одновременно к возрастанию его осмотического давления. Уменьшение вязкости и плотности раствора усиливает проницаемость мембран, а увеличение осмотического давления снижает движущую силу процесса и уменьшает проницаемость.[ ...]

В любой живой системе существует РЭП, и было бы удивительно, если бы не было. Это означало бы абсолютное равенство концентраций электролита во всех клетках, органах, наружных растворах либо полное совпадение величин проницаемости мембран ко всем катионам и анионам.[ ...]

В опыте 6, аналогичном опыту 1, определяли количество выделившегося калия и воднорастворимого органического вещества при разных концентрациях атразина. Судя по полученным результатам, можно сказать, что атразин не увеличивает проницаемость мембран для низкомолекулярных органических веществ и увеличивает для калия. Этот эффект был пропорционален концентрации атразина.[ ...]

При обследовании лиц, подвергавшихся во время работы действию радиации малого уровня (например, радиологи и техники, работающие с рентгеновским излучением, дозы которого измерялись индивидуальными дозиметрами) с помощью метода меченых атомов , проводились анализы крови на проницаемость мембран эритроцитов при прохождении одновалентных катионов. Было обнаружено, что проницаемость мембран эритроцитов у лиц, подвергавшихся облучению, значительно выше, чем у тех, кто не облучался. Кроме того, график зависимости позволил установить быстрое возрастание проницаемости при малом облучении; при больших дозах кривая становится пологой, аналогично наблюдению Стокке при изучении животных (см. рис. Х1У-3). Эти данные согласуются с результатами, полученными Петкау .[ ...]

При обессоливании минерализованных сточных вод гиперфильтрацией через полупроницаемые мембраны основные параметры - концентрацию растворенных веществ в концентрате и фильтрате необходимо определять на единицу ширины мембраны при заданной ее длине, разделяющей способности, коэффициенте проницаемости мембран, давлении, расходах исходной воды, фильтрата и концентрата.[ ...]

Возможность подобной адаптации обусловлена зависимостью термодинамических, .химических, кинетических констант от температуры. Эта зависимость, в общем, определяет направление и скорость химических реакций, конформационных переходов биологических маодомолекул,фазовых переходов липидов, изменение проницаемости мембран и других процессов, функционирование которых обеспечивает жизнедеятельность организмов при повышенной температуре.[ ...]

Все это пока лишь первые шаги в области применения омагниченной воды в медицине. Однако уже имеющиеся сведения свидетельствуют о перспективности применения омагничивания водных систем в этой области. Ряд медицинских проявлений возможно (гипотетически) связан с тем, что омагничивание водных систем повышает проницаемость мембран.[ ...]

Установлено, что полимерные пленки, выпускаемые промышленностью для ультрафильтрации, ионного обмена , а также мембраны из коллодия, желатины, целлюлозы и других материалов , имеют хорошую селективность, но малую проницаемость (0,4 л/м ч при давлении 40 am). Мембраны, приготовляемые по специальной прописи из смеси ацетатцеллюлозы, ацетона, воды, перхлората магния и соляной кислоты (соответственно 22,2; 66,7; 10,0; 1,1 и 0,1 весовых процента), позволяют опреснять воду с 5,25 до 0,05% NaCl и имеют проницаемость 8,5-18,7 л!м2 ■ ч при рабочем давлении 100-140 am , срок их службы не менее 6 месяцев . Электронно-микроскопические исследования этих мембран , так как, по предварительным расчетам 1192], обратный осмос может стать конкурентноспособным с другими способами опреснения воды при повышении проницаемости мембран до 5 м31мг в сутки.[ ...]

Потенциал покоя клеточной стенки. Клеточная стенка (оболочка) имеет отрицательный поверхностный заряд. Наличие этого заряда придает клеточной стенке отчетливо выраженные катионообменные свойства. Клеточная стенка характеризуется преимущественной избирательностью к ионам Са2+, который играет важную роль в регуляции проницаемости мембран по отношению к ионам К и №+.[ ...]

Таким образом, отмеченные эффекты указывают на то, что в культуральной жидкости микромицета Fusarium oxysporum помимо фузариевой кислоты содержатся и иные компоненты, обладающие высокой биологической активностью. Оценку степени патогенности различных изолятов фитопатогенных грибов можно производить на основе определения изменения проницаемости мембран растительных клеток к аммиаку.[ ...]

В результате снижается или прекращается новообразование АТФ, что ведет к подавлению процессов, зависящих от энергии дыхания. Нарушается также структура и избирательная проницаемость мембран, для поддержания которой необходима затрата энергии дыхания. Эти изменения приводят к снижению способности клеток поглощать и удерживать воду.[ ...]

С другой стороны, стабилизация пространственной структуры белка и других биополимеров осуществляется в значительной мере за счет взаимодействия: биополимер - вода. Основой функционирования живых систем считается водно-белково-нуклеиновый комплекс, поскольку только при наличии этих трех составляющих возможна нормальная жизнедеятельность мембран. Избирательная проницаемость мембран зависит от состояния воды. Экстраполируя кластерную модель воды на биологические системы, можно показать, что при разрушении кластера на определенны участках мембраны открывается путь для предпочтительного транспорта. Бесструктурная вода, например, препятствует повеДе нию протонов вблизи мембраны, тогда как по структурированно му каркасу протоны распространяются быстро.[ ...]

Описана схема непрерывного анализа газа с использованием ионоселективного электрода, которая может быть применена для определения содержания в газах НгЗ, НСЫ и НР. В обзоре работ НБС США среди других методов аттестации эталонных газов (смесей) указан также метод аттестации с помощью ионоселективных электродов для газов НСИ и НР. Из всех конструкций ионоселективных электродов обычно используют следующую: ионоселективная мембрана разделяет два раствора - внутренний и внешний (исследуемый). Для электрического контакта во внутренний раствор помещен вспомогательный электрод, обратимый к ионам внутреннего раствора, активность которых постоянна, вследствие чего постоянен и потенциал. На внутренней и внешней поверхностях мембраны возникает разность потенциалов, зависящая от разности активности ионов во внешнем и внутреннем растворах. Теория возникновения мембранного потенциала изложена в работе . В основном возникновение потенциала объясняется проницаемостью мембран либо только для катионов (катионоселективные), либо только для анионов (анионоселективные).

Бимолекулярный слой фосфолипидов составляет основу любой клеточной мембраны. Непрерывность его определяет барьерные и механические свойства клетки. В процессе жизнедеятельности непрерывность бислоя может нарушаться с образованием структурных дефектов типа сквозных гидрофильных пор. Вполне естественно ожидать при этом. Изменяются при этом все функции клеточной мембраны, включая проницаемость и стабильность.

Фосфолипиды, составляющие основу клеточных мембран, относятся к жидким кристаллам. Как в любом реальном кристалле, в пленке из фосфолипидов могут быть дефекты, в месте которых и развиваются основные события структурных перестроек. Виды дефектов многообразны, но и наиболее естественным для бислоя является дефект типа сквозной гидрофильной поры.

В липидной бимолекулярной пленке клеточной мембраны поры появляются, если исключить чисто механические повреждения, в результате тепловых флуктуации поверхности бислоя, электрического пробоя, замораживания пленки, действия поверхностно-активных веществ, осмотического давления, перекисного окисления липидов и др. Один из наиболее типичных и хорошо изученных примеров дестабилизации биологических мембран - гемолиз эритроцитов. Это явление включает на начальном этапе набухание клеток в гипотонической среде в результате действия сил осмотического давления. Во время набухания клетки мембрана растягивается, что обусловливает рост мембранного натяжения. При определенном пороговом уровне натяжения появляются гидрофильные липидные поры. Размеры пор достаточны для выхода молекул гемоглобина и низкомолекулярных веществ. Выход веществ сопровождается в свою очередь снижением разности осмотического давления, при этом натяжение мембраны уменьшается и поры залечиваются. Белки цитоскелета позволяют эритроциту сохранить форму, при этом образуется так называемая тень эритроцита. Тень сохраняет осмотическую активность и таким образом процесс дестабилизации приобретает циклический характер. Полного механического разрушения клетки подобного мыльному пузырю в этом случае не происходит. В отсутствие цитоскелета или его недостаточного развития механическая прочность клетки целиком определяется судьбой липидных пор. Если пора имеет размер меньше критического, то она залечивается. В противном случае неограниченный рост поры приводит к разрушению мембраны.

Модель критической поры. Рассмотрим модель липидной поры (рис. 15). Будем считать, что боковая поверхность поры имеет форму кругового цилиндра. Более того, предположим, что боковая поверхность цилиндра изогнута и имеет радиус кривизны h/2. Радиус поры равен r. Как видно, липидный бислой в целом является плоским, а пора имеет два радиуса кривизны h/2 и r. Искривление поверхности на границе раздела липид-вода сопровождается появлением добавочного давления, называемого лапласовым и равного

P = 2s 1 /r

где s 1 - межфазное натяжение внутри поры, r- радиус кривизны.

Рис.15. Строение гидрофильной липидной поры: h -толщина липидного бислоя; h/2 - радиус кривизны стенки; r - радиус поры.

В рассматриваемой модели таких радиусов два (h/2 и r) и, следовательно, два давления. Одно из них Р (h/2) способствует расширению, а другое Р (r) - сжатию поры. Дальнейшая судьба поры зависит от соотношения этих двух давлений. Если Р (h/2) > Р (r), пора будет расширяться, а если Р (h/2) меньше Р (r), то пора будет затекать.

Рассмотрим энергетику поры. Как установлено выше, на границе поры действуют две противоположные силы, одна из которых - краевое линейное натяжение периметра поры - способствует росту поры, а вторая сила - поверхностное натяжение бислоя - вызывает сжатие поры. Краевая энергия поры пропорциональна первой степени радиуса и увеличивает суммарную энергию, энергия поверхностного натяжения пропорциональна квадрату радиуса и снижает суммарную энергию. В результате суммарная энергия Е (r) равна

E(r) = 2pr 2 s

где первый член определяется энергией кромки поры с линейным натяжением g, а второй - энергией поверхностного натяжения s.

С учетом неустойчивости равновесия можно утверждать, что появление пор с r>r* (r*=g/s) пора будет затекать и стабильность мембраны сохранится. Таков критерий стабильности липидной бислойной мембраны.

Электрический пробой мембраны. Биологические мембраны находятся под действием электрического поля большой напряженности, создаваемого диффузией ионов через мембрану и электрогенными ионными насосами. Разность потенциалов между цитоплазмой и внеклеточной средой достигает порядка 0,1 В, толщина мембраны не превышает 10 нм, значит напряженность поля равна 10 7 В/м. Мембрана является более совершенным электрическим изолятором, чем многие жидкие изоляторы, применяемые в технике. Мембранный потенциал в живой клетке может достигать 0,2 В (пресноводные водоросли, бактерии, энергизированные митохондрии). В возбудимых нервных и мышечных клетках происходит кратковременная реполяризация мембраны с ростом амплитуды потенциала. Однако пробой клеточной мембраны собственным мембранным потенциалом маловероятен. В то же время рост мембранного потенциала в результате воздействия внешним электрическим полем может достигать величины, превышающей пороговую для электрического пробоя. При этом появляются структурные дефекты типа сквозных липидных пор. Разработанная методика электрического пробоя клеточных мембран получила название электропорации и широко применяется в биотехнологии.

В физике под электрическим пробоем понимают резкое увеличение силы электрического тока в первоначально слабопроводящей среде. В живой клетке такой средой служит бимолекулярный слой липида. Для липидного бислоя в жидкокристаллическом состоянии величина мембранного потенциала не может быть меньше 0,23 В. Стабильность бислойных мембран определяется вероятностью появления пор критического радиуса. Очевидно, что любой фактор, снижающий высоту энергетического барьера, будет увеличивать эту вероятность. К таким факторам следует отнести сни­ение краевой энергии поры у, рост поверхностного натяжения и рост мембранного потенциала. Электрический пробой сопровождается появлением широкого спектра липидных пор различного радиуса, включая радиусы ионоселективных белковых каналов. В настоящее время метод воздействия внешним электрическим полем является одним из основных в современной биотехнологии. Известно его применение с целью увеличения пористости мембран (электропорация), введения ДНК (электротрансфекция), освобождение клеток от крупных молекул (электропермеабилизация), слияния клеток (электрослияние).

Температурный фазовый переход мембранных липидов. Замораживание липидного бислоя в результате фазового перехода из жидкокристаллического состояния в гель сопровождается появлением липидных пор. Очевидно, что, как и в случае с электрическим пробоем, судьбу мембраны будет определять соотношение радиусов образовавшихся пор и критических пор для данного состояния бислоя.

Критический радиус поры в гель-состоянии значительно меньше по сравнению с жидкокристаллическим состоянием и по абсолютной величине не превышает 2 нм. Сохранение длительной устойчивости липидного бислоя в гель-состоянии свидетельствует о том, что существующие поры и поры, возникающие при фазовом переходе, имеют размеры меньше 2 нм. Замораживание мембранных липидов в ходе фазового перехода, эквивалентно электрическому пробою мембраны внешним электрическим полем напряжением 0,5 В. Любое воздействие механической, физической или химической природы, затрагивающее поверхностное натяжение липидного бислоя, является фактором риска в стабилизации порсодержащих мембран. Развитие такого подхода позволяет получить количественный ответ на важный для биологии о вероятности разрушения или залечивания мембран при типичных стрессовых состояниях живой клетки.

Критический радиус пор в мембранах, находящихся в жидкокристаллическом состоянии при отсутствии внешних воздействий, достигает 9 нм. Эта величина настолько значительна, что вероятность механического разрыва клеточных мембран в физиологических условиях очень мала. Разрыв мембраны, находящейся в таком состоянии, возможен лишь тогда, когда пора приобретает размеры, соизмеримые с толщиной мембраны. Опыт показывает, что полное разрушение липидного бислоя возможно лишь при грубых механических манипуляциях или необратимом электрическом пробое липидов (жкс), гель-состоянии (гель), при электрическом пробое (эп), при сочетании гель-состояния с электрическим пробоем (гель+эп).

Размеры критических пор для липидного бислоя в жидкокристаллическом состоянии (9нм) значительно превышают размеры реальных пор. Мембраны в различных стрессовых состояниях обладают значительным запасом прочности, действие электрического пробоя и замораживания бислоя, аддитивно. Такой результат можно ожидать, следовательно, и при других сочетаниях физических и химических воздействий. Стрессовое воздействие таким образом, независимо от его физико-химической природы, может быть количественно оценено и его результат предсказан в рамках рассматриваемой модели. Модель формирования пор при фазовом переходе. Независимая оценка размера пор может быть получена путем исследования предложенной В.Ф. Антоновым и сотрудниками модели формирования пор. При фазовом переходе из жидкокристаллиеского состояния в гель по данным рентгеноструктурного анализа, происходит изменение толщины бислоя и площади на молекулу липида. Учитывая кооперативность фазового перехода, можно предположить, что молекулы в доменах, перешедших в гель-фазу, и остающихся в жидкокристаллическом состоянии, будут находиться в разных условиях. Относительно равновесного состояния молекулы в домене гель-фазы будут растянуты, а в жидкокристаллическом состоянии - сжаты. Появится упругое напряжение, которое приведет к нарушению структуры бислоя.

Липидные поры и проницаемость мембран. С точки зрения проницаемости липидные поры принципиально отличаются от белковых каналов своим происхождением и исключительной динамичностью. В то время как белковые каналы имеют строго определенные размеры, сохраняющиеся в течение всей жизни клетки, размеры лилидных пор в процессе затекания варьируют в широких пределах. Однако эта изменчивость; имеет предел. Если радиус поры меньше критического, то пора в процессе затекания должна пройти все промежуточные радиусы и достигнуть минимального размера. Вопрос о возможности полного затекания липидных пор остается открытым. Предполагается, что полному затягиванию поры препятствуют мощные силы гидратации, проявляющиеся при сближении стенок гидрофильных пор. Лшшдные поры в отличие от белковых ионных каналов не обладают выраженной избирательностью, что коррелирует с их сравнительно большими исходными размерами. Ясно, однако, что в процессе затекания липидные поры могут достигать сколь угодно малых размеров, в том числе сравнимых с размерами белковых ионных каналов, что может приводить к перераспределению ионных токов в мембране, например, при возбуждении. Известно далее, что после выключения стрессового воздействия бислойная липидная мембрана может вернуться в состояние с низкой проводимостью, что подразуевает достижение порами размера, недостаточного для прохождения гидратированных ионов. Таким образом, гидрофильные липидные поры универсальны в том отношении, что могут быть использованы клеткой для транспорта высокомолекулярных веществ, ионов и молекул воды.

Исследования проницаемости липидных пор развиваются в настоящее время в двух направлениях: в первом исследуются максимально большие поры, во втором, наоборот, - липидные поры минимального радиуса. В первом случае речь идет об электро-трансфекции - способе введения в живые клетки или липосомы молекул ДНК с целью переноса и внутриклеточного введения чужеродного генетического материала. Оказалось, что внешнее электрическое поле высокой напряженности способствует проникновению гигантской молекулы ДНК внутрь мембранной частицы. Максимальный размер критической поры соответствует жидкокристаллическому состоянию бислоя липидов в отсутствие внешнего электрического поля и равен 9 нм. Наложение внешнего электрического поля напряженностью 100 кВ/м понижает критический радиус поры до 1 нм за время 0,2 с. Поскольку при этом мембраны сохраняются, то размер липидных пор в них не превышает этого нижнего предела. Парадокс состоит в том, что эффективный диаметр статистического клубка ДНК, которая должна лопасть внутрь частицы, достигает 2000 нм. Поэтому молекула ДНК должна проникать через мембрану в виде расплетенной одиночной нити. Известно, что конец нити имеет диаметр 2 нм и таким образом только-только может войти в пору. Однако свободная диффузия нити ДНК в поре при этом вряд ли возможна. К сожалению, механизм этого явления до конца не ясен. Предполагается, в частности, что молекула ДНК способна расширить пору и таким образом проскользнуть через мембрану. Проникновению ДНК могут способствовать дополнительные силы электрофореза и электроосмоса с учетом суммарного отрицательного заряда молекулы ДНК. Не исключено, что поры с фиксированными в них концами молекулы ДНК играют роль якоря, удерживающего молекулу в определенном месте у поверхности мембраны везикулы, а сам процесс переноса является разновидностью пиноцитоза. Исследование этого интересного с точки зрения проницаемости явления продолжается,

Второе направление исследования проницаемости мембран с участием липидных пор связано с трансмембранным переносом молекул и ионов воды. Известное в биологии явление высокой водной проницаемости клеточных мембран полностью воспроизводится на искусственных липидных бислоях, что подразумевает участие в этом процессе гидрофильных липидных пор.

Основной вывод состоит в том, что стабильность липидного бислоя и клеточной мембраны, лишенной белкового каркаса, определяется липидными порами. Эти поры образуются в местах дефектов жидкокристаллической структуры липидного бислоя. Липидные поры возникают в результате тепловых флуктуации поверхности бислоя, а также могут рождаться при мембранном стрессе, сопровождающем фазовый переход мембранных липидов, при электрическом пробое и осмотическом лизисе. Судьба мембраны в этих случаях будет зависеть вероятностным образом от того, будет ли липидная пора превышать некоторый критический размер или нет. В первом случае мембрана порвется, во втором случае ее структура сохранится. При сохранении стабильности мембран поры залечиваются, пробегая при этом все промежуточные значения радиусов. Минимальные радиусы липидных пор могут стать сравнимыми с размерами избирательных белковых каналов, регулирующих в норме ионную проницаемость клеточных мембран. На последних этапах затекания липидные поры могут превращаться в водные поры, доступные только для молекул и ионов воды.

Живые клетки, как и организм в целом - открытая система с постоянным обменом вещества и энергии. В процессе этого обмена происходит проникновение веществ в клетке и из клетки.

С образованием в клетках электрических потенциалов, нарушение клеточной проницаемость приводит к патологическим изменениям, лечебное действие врача с назначением препарата связано с проникновением этих веществ в клетку и воздействие на ее функциональные свойства.

Задачи

1. Изучение механизма проникновения веществ через мембрану
2. Определение распределения веществ между внутриклеточной и внеклеточной средой.

Методы изучения проницаемости

1. Объемный метод. Основан на явлении осмоса. Определение массы клеток до и после помещения их в гипертонический раствор изучаемого вещества. Вещество проникает в клетку и увеличивается объем(из-за воды). Метод центрифугирования - определение эритроцитарной массы с помощью него. При фотометрии изменяется показатель проникновения веществ в клетку.
2. Индикаторный метод. Он сводится к определению прижизненной окраски. Качественный метод, т.к. поступление вещества определяется по изменению окраски индикатора, который предварительно вводится в клетку. Используется для кислот и щелочей. Метод колориметрии может дать не только качественную, но и количественную оценку. Недостаток - малые концентрации плохо улавливаются, а большие - губительны для клетки.
3. Химический метод - исследует качественное и количественное определение веществ в клетках и окружающей среде.
4. Изотопный метод изучения проницаемости. Он позволяет изучить потоки любых веществ поступающих как в клетку, так и из нее. Метод позволяет работать на живых объектах и использовать малые концентрации изучаемых веществ. Позволяет изучать проникновение не только чужеродных веществ, но и веществ - компонентов данной клетки.
5. Метод измерения электропроводности. Применяется для измерения ионов. По изменению низкочастотного тока позволяет судить о проницаемости.

Физические факторы, обусловливающие пассивное проникновение веществ через мембрану.

1. Концентрационный(химический) градиент
2. Электрохимический градиент
3. Электростатический градиент(для процессов фильтрации)
4. Осмотический градиент
5. Градиент растворимости на границе двух несмешивающихся фаз, например липидной и водной

Они обеспечивают пассивное движение веществ.

Активная проницаемость, идет с затратами энергии, перенос осуществляется против градиента концентрации.

Основным видом пассивного транспорта будет являться диффузия - простая(через поры в липидном бислое, через белковую пору, либо через поры в липидном бислое) и облегченная с (фиксированным или подвижным переносчиком). К пассивному транспорту относится осмос и фильтрация - перемещения вещества и растворителя.

Диффузия является основным путем переноса веществ. Диффузия - самопроизвольный процесс проникновения веществ из области большей в область с меньшей концентрацией в результате теплового хаотического движения атомов и молекул. Кинетическая энергия - mV2 / 2.

Если частица имеет заряд включается еще электрохимический градиент.

Уравнение Нернста-Планка

Jm = URT dC/dx - UCZF dф/dx

U - подвижность частиц

С - концентрация

R - газовая постоянная

T- температура

Z - заряд иона

F - число Фарадея

Dx - толщина мембраны

dC/dx - градиент концентрации

dф/dx - градиент электрохимического потенциала

Закон Фика

Jm = -D dC/dx Jm = P(C1-C2)

Если нет заряда.

P - коэффициент проницаемости мембраны

K - коэффициент распределения

Вещества в процессе диффузии проходят через поры мембраны - водорастворимые, полярные соединения и электролиты. Органические вещества проходят за счет растворения в липидах. Зависимость растворения веществ в липидах исследовалось Овертоном. Он показал если есть карбоксильные, гидроксильные и аминогруппы, то это ухудшает проникновение через мембрану. Присутствие же метиловых, этиловых и фенильных групп наоборот облегчает проникновение веществ в клетку. Они не полярные и это увеличивает растворения этих веществ в липидах.

Коэффициент распределения показывает отношение растворимости веществ в жирах к растворимости этих веществ в воде. Чем выше этот коэффициент, тем легче проникают вещества в клетку, вне зависимости от размеров молекулы. Если вещества имеют одинаковый коэффициент распределения, то более мелкие молекулы будут проникать легче чем крупные.

Водорасстворимые вещества проходят через поры мембран. Для того чтобы пройти через пору, вещество должно преодолеть определенные силы, которые препятствуют этому. Вещество должно освободится от водной или сольватной оболочки, раздвинуть поверхностный молекулярный слой на границе клетки и омывающего раствора, преодолеть взаимодействие своих полярных групп и полярных групп поры мембран, преодолеть энергетический барьер, создаваемый на поверхности цитоплазмы ионами и коллоидами.

Проницаемость ионов через мембрану .

Она зависит от следующих факторов.

1. Размер кристаллического радиуса
2. Размер гидратной оболочки и ее прочности
3. От валентности иона, которая определяется величиной заряда
4. От фазовых переходов мембраны из жидкокристаллического состояния в гель и обратно. Радиус гидратирвоанного иона будет определяться кристаллическим радиусом и наличием одной или нескольких гидратных оболочек. Водная оболочка у анионов на 18% компактнее чем у катионов. Анионы лучше проходят через мембрану. При прохождении через пору ион сохраняет одну гидратную оболочку, а остальные замещаются стенками поры. Легче это происходит, если меньше энергия гидратации.

На проникновение в клетку будет влиять заряд, т.к. происходит взаимодейтсвие с порой. Одновалентные ионы лучше чем 2х и чем 3х. Натрий, калий лучше, кальций, магний - лучше, совсем плохо - железо.

Состояние мембраны. Поры жидкого кристалла и геля. Кристалл(занимает большую плотность, за счет раздвижения жирных хвостов - 0,58 и 3,9). Гель - жирные хвосты параллельно расположены и площадь уменьшается до 0,48, но увеличивается толщина увеличивается до 4,7. Транс конфигурация - вытянуты и отклонения хвостов в Гош-транс-гош конфигурации.

В жидкокрситалическом состоянии в мембране есть микрополости - kink петля. эти микрополости захватываются ионы, вода и они могут перемещаться вдоль мембраны и мембрана осуществляет перенос.

Процесс диффузии может облегчаться за счет наличия переносчиков. Особенность облегченной диффузии, также как по градиенту концентрации, только быстрее. Обладает свойством транспортного максимума - нарастания скорости проницаемости вещества зависит от свободных переносчиков, но когда все переносчики заняты, скорость уменьшается. Увеличение скорости облегченной диффузии идет до определенного момента. Возможна конкуренция переносимых веществ, когда к переносчику присоединяются разные вещества.

Процесс фильтрации - видение раствора через пору в мембране под действием градиента давления.

Подчиняется уравеннию Пуазейля

dV/dt = пи R4(p1-p2) / 8lή

dV/dt=(p1-p2)/ w W=8lή/пи R4

r4 - радиус поры

l- длина поры

ή - вязкость жидкости

V - объем фильтрованной жидкости

W - гидлравлическое сопротивление

В капиллярах клубочков почек - булки не могут пройти через фильтр, они остаются в плазме и создают осмотическое давлении. Фильтрованная жидкость - создает гидростатическое давление, препядствующее фильтрации.

Большое значение в организме имеет осмос. Вода по законам осмоса из раствора с меньшей концентрацией веществ в раствор с большей концентрацией. Осмос - это диффузия молекул воды. Идее по градиенту осмотического давления (пи)

Пи=iRCT i-изотонический коэффициент диссоциации молекул.

Осмоляльность. Осмоль.

При определении концентрации раствора в показателях чатсиц вместо гарммов - осмоль.

Один осмоль является 1 грамм-молекулой растворенного вещества.

Раствор, который содержит 1 / 1000 осмоля на 1 кг воды, имеет осмоляльность 1 милиосмоль(мосм) на 1 кг. Нормальная осмоляльность внеклеточной и внутриклеточной жидкости равна примерно 300 мосм на 1 кг

Осмолярность

В связи со сложностью измерения воды в растворе в килограммах, что необходимо для определения осмоляльности, вместо этого использую осмолярность - концентрацию выражаемую числом осмолей на 1 л раствора, а не на 1 кг.

Различия в покащателях осмоляльности и осмолярности составляют менее 1%

Проницаемость мембран для воды

1. Осмотический градиент
2. Гидрсотатический градиент
3. Электрический градиент
4. Онкотическое давление белков. Обеспечивает аномальный осмос.

Неодинаковая скорость проникновения катионов и анионов создает диффузионную разность потенциалов. Эта разность потенциалов может влиять на проникновение воды. Аномальный осмос может быть положительным и отрицательным. При положительном осмосе - вода движется по осмотическому градиенту, но с дополнительным ускорением, а при отрицательном аномальном осмосе вода переносится против осмотического градиента, но по градиенту электрической разности потенциала.

Теории транспорта воды

Теория Вант-Гофа - проникновение воды через поры тепловым движением ее молекул.

Проникновение воды в виде пары.

Мембраны хорошо проницаемы для газов независимо от их природы. Газы не имеют заряд. Газы могут растворяться в липидах.

Проницаемость для кислот и щелочей зависит от степени их диссоциации. Проницаемость алкалоидов тоже. Не диссоциируемые - хорошо проходят через мембрану, т.к. растворяются в липидах, а диссоциируемые не могут пройти через поры мембран из за большой величины.

Активный транспорт - связан с затратой энергии, и против градиента.

Первично активный и вторично активный транспорт.

Первично активный транспорт - насосные механизмы для переноса ионов мембран.

Фермент может находитcя в 2х конформационных состояниях - E1/E2. Может присоединится к альфа суб единице в состоянии Е1 три единицы. Происходит распад АТФ до АДФ и неорганического фосфата. Фосфатная группа переносится на аспарагин в 376 положении. Белок при фосфолилировании осуществляет поворот и три иона изнутри оказываются снаружи. Альфа суб единица после поворота приобретает сродство к калию. И захватывает 2 иона калия. Алее дефосфолилирование и новое конформационное изменение переход в Е2 и 2 калия возвращается внутрь.

Этот транспорт поддерживает нормальное распределение натрия и калия во внутриклеточной и вне жидкости. Также +заряд на наружной поверхности мембраны. С выносом 3х ионов натрия из клетки удаляется вода, т.е. поддерживается водный баланс клетки.

Вторчино активный транспорт используется для переноса органических соединений, необходимых для клетки и этот вторично активный транспорт осуществляется с помощью переносчиков = 2 натрий + глюкоза(например). Движется в клетке по градиенту натрия в клетку. Здесь энергия не расходуется, но глюкоза из клетки должна уйти в кровь - путем простой диффузии, а натрий из клетки удаляется натрий-калий АТФазой. Это нужно для поддержания концентрационного градиента.

Активные процессы транспорта вещества связаны также с эндоцитозом - фагоцито - перенос плотных частиц и пиноцитоз - если переносятся жидкости. Этот процесс может быть специфическим и не. Специфический - если мембрана сама отбирает с помощью специальных рецепторных белком мембраны. Мембрана образует складку, которая смыкается и переходит в пузырек, он создает первичную эндосому, в которую включены вещество, белок. Из первичной эндосомы удаляется белок(клатрин) и первичная эндосома переходит во вторичную эндосому, и она сливается с лизосомой.

Гормоны, которые не могут проходить через мембрану, взаимодействуют с рецепторами. А др. часть гормонов, растворимых в жирах, проникает внутрь клетки и взаимодействуют с цитозольными рецепторами.

А. Терминология. В настоящее время различные авторы по-разному трактуют термины «проницаемость» и «проводимость». Под проницаемостью клеточной мембраны мы понимаем ее спо­собность пропускать воду и частицы - заряженные (ионы) и неза­ряженные согласно законам диффузии и фильтрации. Проницае­мость клеточной мембраны определяется следующими факторами: 1) наличием в составе мембраны различных ионных каналов -управляемых (с воротным механизмом) и неуправляемых (каналы утечки); 2) размерами каналов и размерами частиц; 3) растворимо­стью частиц в мембране (клеточная мембрана проницаема для рас­творимых в ней липидов и непроницаема для пептидов).

Термин «проводимость» следует использовать только приме­нительно к заряженным частицам. Следовательно, под проводи­мостью мы понимаем способность заряженных частиц (ионов) проходить через клеточную мембрану согласно электрохимиче­скому градиенту (совокупность электрического и концентрацион­ного градиентов).

Как известно, ионы, подобно незаряженным частицам, перехо­дят через мембрану из области с высокой концентрацией в об­ласть с низкой концентрацией. При большом градиенте концен­трации и хорошей проницаемости мембраны, разделяющей соот­ветствующие растворы, проводимость ионов может быть высо­кая, при этом наблюдается односторонний ток ионов. Когда кон­центрация ионов по обе стороны мембраны уравняется, проводи­мость ионов уменьшится, односторонний ток ионов прекратится, хотя проницаемость сохранится прежней - высокой. Кроме того, проводимость иона при неизменной проницаемости мембраны зависит и от заряда иона; одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются, т.е. важную роль в проводимости иона играет его электрический заряд. Возможна ситуация, когда при хорошей проницаемости мембраны проводимость ионов че­рез мембрану оказывается низкой или нулевой, - в случае отсут­ствия движущей силы (концентрационного и /или электрического градиентов).

Таким образом, проводимость иона зависит от его электрохи­мического градиента и от проницаемости мембраны; чем они больше, тем лучше проводимость иона через мембрану. Перемеще­ния ионов в клетку и из клетки согласно концентрационному и электрическому градиентам в состоянии покоя клетки осуществля­ются преимущественно через неуправляемые (без воротного меха­низма) каналы (каналы утечки). Неуправляемые каналы всегда от­крыты, они практически не меняют своей пропускной способности при электрическом воздействии на клеточную мембрану и ее воз­буждении. Неуправляемые каналы подразделяются на ионоселективные каналы (например, калиевые медленные неуправляемые каналы) и иононеселективные каналы. Последние пропускают различные ионы; К+, Ка + , С1".

Б. Роль проницаемости клеточной мембраны и различных ионов в формировании ПП (рис. З.2.).

внутри клетки является отрицательным как абсолютно (в гиалоплазме клетки содержится больше анио­нов, чем катионов), так и относительно наружной поверхности клеточной мембраны.

Калий является главным ионом, обеспечивающим формирова­ние ПП. Об этом свидетельствуют результаты опыта с перфузией внутреннего содержимого гигантского аксона кальмара солевыми растворами. При уменьшении концентрации ионов К + в перфуза-те ПП снижается, при увеличении их концентрации ПП повыша­ется. В состоянии покоя клетки устанавливается динамическое равновесие между числом выходящих из клетки и входящих в клетку ионов К + . Электрический и концентрационный градиенты противодействуют друг другу: согласно концентрационному гра­диенту К + стремится выйти из клетки, отрицательный заряд внут­ри клетки и положительный заряд наружной поверхности клеточ­ной мембраны препятствуют этому. Когда концентрационный и электрический градиенты уравновесятся, число выходящих из клетки ионов К + сравнивается с числом входящих ионов К + в клетку. В этом случае на клеточной мембране устанавливается так называемый равновесный потенциал.

Равновесный потенциал для иона можно рассчитать по формуле Нернста. Концентрация положительно заряженного иона, находя­щегося снаружи, в формуле Нернста записывается в числителе, а иона, находящегося внутри клетки, - в знаменателе. Для отрица­тельно заряженных ионов расположение противоположное.

Вклад Na + и Cl - в создание ПП. Проницаемость клеточной мем­браны в покое для иона N3+ очень низкая, намного ниже, чем для иона К + , тем не менее она имеется, поэтому ионы Ка* согласно концентрационному и электрическому градиентам стремятся и в небольшом количестве проходят внутрь клетки. Это ведет к умень­шению ПП, так как на внешней поверхности клеточной мембраны суммарное число положительно заряженных ионов уменьшается, хотя и незначительно, а часть отрицательных ионов внутри клетки нейтрализуется входящими в клетку положительно заряженными ионами Nа + . Вход иона Na+ внутрь клетки снижает ПП. Влияние СГ на величину ПП противоположно и зависит от проницаемости кле­точной мембраны для ионов СГ. Дело в том, что ион СГ, согласно концентрационному градиенту, стремится и проходит в клетку. Препятствует входу иона СГ в клетку электрический градиент, по­скольку заряд внутри клетки отрицательный, как и заряд СГ. На­ступает равновесие сил концентрационного градиента, способст­вующего входу иона СГ в клетку, и электрического градиента, пре­пятствующего входу иона СГ в клетку. Поэтому внутриклеточная концентрация ионов СГ значительно меньше внеклеточной. При поступлении иона СГ внутрь клетки число отрицательных зарядов вне клетки несколько уменьшается, а внутри клетки увеличивается: ион СГ добавляется к крупным, белковой природы анионам, нахо­дящимся внутри клетки. Эти анионы из-за своих больших размеров не могут пройти через каналы клеточной мембраны наружу клетки - в интерстиций. Таким образом, ион СI - , проникая внутрьклетки, увеличивает ПП. Частично, как и вне клетки, ионы № + и С1" внутри клетки нейтрализуют друг друга. Вследствие этого со­вместное поступление ионов Ка + и С1~ внутрь клетки не сказывается существенно на величине ПП.

В. Определенную роль в формировании ПП играют поверх­ностные заряды самой клеточной мембраны и ионы Са 2+ . На­ружная и внутренняя поверхности клеточной мембраны несут собственные электрические заряды, преимущественно с отрица­тельным знаком. Это полярные молекулы клеточной мембра­ны: гликолипиды, фосфолипиды, гликопротеиды. Фиксиро­ванные наружные отрицательные заряды, нейтрализуя поло­жительные заряды внешней поверхности мембраны, снижают ПП. Фиксированные внутренние отрицательные заряды кле­точной мембраны, напротив, суммируясь с анионами внутри клетки, увеличивают ПП.

Роль ионов Са 2+ в формировании ПП заключается в том, что они взаимодействуют с наружными отрицательными фиксиро­ванными зарядами мембраны клетки и нейтрализуют их, что ве­дет к увеличению и стабилизации ПП.

Таким образом, ПП - это алгебраическая сумма не только всех зарядов ионов вне и внутри клетки, но также алгебраическая сумма отрицательных внешних и внутренних поверхностных за­рядов самой мембраны.

При проведении измерений потенциал окружающей клетку среды принимают равным нулю. Относительно нулевого потен­циала внешней среды потенциал внутренней среды нейрона, как отмечалось, составляет величину порядка -60-80 мВ. Поврежде­ние клетки приводит к повышению проницаемости клеточных мембран, в результате чего различие проницаемости для ионов К + и N3+ уменьшается. ПП при этом снижается. Подобные из­менения встречаются при ишемии ткани. У сильно поврежден­ных клеток ПП может снизиться до уровня донанновского рав­новесия, когда концентрация внутри и вне клетки будет опреде­ляться только избирательной проницаемостью клеточной мембраны в состоянии покоя клетки, что может привести к на­рушению электрической активности нейронов. Однако и в нор­ме происходит перемещение ионов согласно электрохимическо­му градиенту, однако ПП не нарушается.

ВВЕДЕНИЕ

Мембранный транспорт – транспорт веществ сквозь клеточную мембрану в клетку или из клетки, осуществляемый с помощью различных механизмов – простой диффузии, облегченной диффузии и активного транспорта.

Важнейшее свойство биологической мембраны состоит в ее способности пропускать в клетку и из нее различные вещества. Это имеет большое значение для саморегуляции и поддержания постоянного состава клетки. Такая функция клеточной мембраны выполняется благодаря избирательной проницаемости, т.е. способностью пропускать одни вещества и не пропускать другие. Легче всего проходят через липидный бислой неполярные молекулы с малой молекулярной массой (кислород, азот, бензол). Достаточно быстро проникают сквозь липидный бислой такие мелкие полярные молекулы, как углекислый газ, оксид азота, вода, мочевина. С заметной скоростью проходят через липидный бислой этанол и глицерин, а также стероиды и тиреоидные гормоны. Для более крупных полярных молекул (глюкоза, аминокислоты), а также для ионов липидный бислой практически непроницаем, так как его внутрення часть гидрофобна. Так, для воды коэффициент проницаемости (см/с) составляет около 10-2, для глицерина – 10-5, для глюкозы – 10-7, а для одновалентных ионов – меньше 10-10.

Перенос крупных полярных молекул и ионов происходит благодаря белкам-каналам или белкам-переносчикам. Так, в мембранах клеток существуют каналы для ионов натрия, калия и хлора, в мембранах многих клеток – водные каналы аквапорины, а также белки-переносчики для глюкозы, разных групп аминокислот и многих ионов. Активный и пассивный транспорт.

Мембраны формируют структуру клетки и осуществляют ее функции. Нарушение функций клеточной и внутриклеточной мембран лежит в основе необратимого повреждения клеток и, как следствие, развитие тяжелых заболеваний сердечно-сосудистой, нервной, эндокринной системы.

1. Основные факты о строении клеточной мембраны.

К клеточным мембранам относятся плазмолемма, кариолемма, мембраны митохондрий, ЭПС, аппарата Гольджи, лизосом, пероксисом. Общей чертой всех мембран клетки является то, что они представляют собой тонкие (6-10 нм) пласты липопротеиновой природы, (липиды в комплексе с белками). Основными химическими компонентами клеточных мембран являются липиды (40%) и белки (60%); кроме того, во многих мембранах обнаружены углеводы (5-10%).

Плазматическая мембранна окружает каждую клетку, определяет ее размер и обеспечивает сохранение различий между содержимым клетки и внешней средой. Мембрана служит высокоизбирательным фильтром и отвечает за активный транспорт веществ, то есть, поступление в клетку питательных веществ и вывод наружу вредных продуктов жизнедеятельности. Наконец, мембрана ответственна за восприятие внешних сигналов, позволяет клетке реагировать на внешние изменения. Все биологические мембраны представляют собой ансамбли липидных и белковых молекул, удерживаемых вместе с помощью нековалентных взаимодействий.

Основу любой молекулярной мембраны составляют молекулы липидов, образующих бислой. К липидам относится большая группа органических веществ, обладающих плохой растворимостью в воде (гидрофобность) и хорошей растворимостью в органических растворителях и жирах (липофильность). Состав липидов в разных мембранах неодинаков. Например, плазматическая мембрана, в отличие от мембран эндоплазматической сети и митохондрий обогощена холестерином. Характерными представителями липидов, встречающихся в клеточных мембранах, являются фосфолипиды (глицерофосфатиды), сфингомиелины и из стероидных липидов – холестерин.

Особенностью липидов является разделение их молекул на две функционально различные части: гидрофобные неполярные, не несущие зарядов («хвосты»), состоящие из жирных кислот, и гидрофильные, заряженные полярные «головки». Это определяет способность липидов самопроизвольно образовывать двухслойные (билипидные) мембранные структуры толщиной 5-7 нм.

Первые опыты, подтверждающие это, были проведены в 1925 году.

Формирование бислоя является особым свойством молекул липидов и реализуется даже вне клетки. Важнейшие свойства бислоя: способность к самосборке – текучесть – ассиметричность.

2. Общие представления о проницаемости.

Xарактеристика мембран, стенок сосудов и эпителиальных клеток, отражающая способность проводить химические вещества; различают активную (активный транспорт веществ) и пассивную П. (фагоцитоз И пиноцитоз ); пассивная и (в ряде случаев) активная П. (крупных молекул) обеспечиваются мембранными порами, П. для низкомолекулярных веществ (например, ионов) обеспечивается специфическими мембранными структурами с участием молекул-переносчиков.

3. Перенос молекул через мембрану.

Так как внутренняя часть липидного слоя гидрофобна, он представляет собой практически непроницаемый барьер для большинства полярных молекул. Вследствие наличия этого барьера, предотвращается утечка содержимого клеток, однако из-за этого клетка была вынуждена создать специальные механизмы для транспорта растворимых в воде веществ через мембрану. Перенос малых водорастворимых молекул осуществляется при помощи специальных транспортных белков. Это особые трансмембранные белки, каждый из которых отвечает за транспорт определенных молекул или групп родственных молекул.

В клетках существуют также механизмы переноса через мембрану макромолекул (белков) и даже крупных частиц. Процесс поглощения макромолекул клеткой называется эндоцитозом. В общих чертах механизм его протекания таков: локальные участки плазматической мембраны впячиваются и замыкаются, образуя эндоцитозный пузырек, затем поглощенная частица обычно попадает в лизосомы и подвергается деградации.

3.1 Диффузия (лат. diffusio - распространение, растекание, рассеивание) - процесс переноса материи или энергии из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией (против градиента концентрации). Самым известным примером диффузии является перемешивание газов или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: если один конец стержня нагреть или электрически зарядить, распространяется тепло (или соответственно электрический ток) от горячей (заряженной) части к холодной (незаряженной) части. В случае металлического стержня тепловая диффузия развивается быстро, а ток протекает почти мгновенно. Если стержень изготовлен из синтетического материала, тепловая диффузия протекает медленно, а диффузия электрически заряженных частиц - очень медленно. Диффузия молекул протекает в общем ещё медленнее. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным. Ещё медленнее происходит диффузия одного твёрдого вещества в другое. Например, если медь покрыть золотом, то будет происходить диффузия золота в медь, но при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько микрометров только через несколько тысяч лет.

Все виды диффузии подчиняются одинаковым законам. Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного сечения образца, а также разности концентраций, температур или зарядов (в случае относительно небольших величин этих параметров). Так, тепло будет в четыре раза быстрее распространяться через стержень диаметром в два сантиметра, чем через стержень диаметром в один сантиметр. Это тепло будет распространяться быстрее, если перепад температур на одном сантиметре будет 10 °C вместо 5 °C. Скорость диффузии пропорциональна также параметру, характеризующему конкретный материал. В случае тепловой диффузии этот параметр называется теплопроводность, в случае потока электрических зарядов - электропроводность. Количество вещества, которое диффундирует в течение определённого времени, и расстояние, проходимое диффундирующим веществом, пропорциональны квадратному корню времени диффузии.

Диффузия представляет собой процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул. Скорость диффузии в связи с этим пропорциональна средней скорости молекул. В случае газов средняя скорость малых молекул больше, а именно она обратно пропорциональна квадратному корню из массы молекулы и растёт с повышением температуры. Диффузионные процессы в твёрдых телах при высоких температурах часто находят практическое применение. Например, в определённых типах электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) применяется металлический торий, продиффундировавший через металлический вольфрам при 2000 °C.

3.2 Уравнение Фика

В большинстве практических случаев вместо химического потенциала применяется концентрация C. Прямая замена µ на C становится некорректной в случае больших концентраций, так как химический потенциал связан с концентрацией по логарифмическому закону. Если не рассматривать такие случаи, то выше приведённую формулу можно заменить на следующую.