Мембрана как биологическая и техническая структура¶
Мембрана — тонкая перегородка или плёнка, разделяющая две среды и избирательно пропускающая через себя вещества, энергию или сигналы. В зависимости от контекста термин обозначает либо биологическую клеточную структуру, либо техническое изделие (полупроницаемый барьер в фильтрах, насосах, строительных конструкциях). Общее свойство всех мембран — селективность: они разделяют, но не изолируют полностью, обеспечивая контролируемый перенос.
¶Биологические мембраны
¶Клеточная мембрана
Плазматическая мембрана (цитолемма) — обязательный компонент любой клетки. Её основа — липидный бислой: два слоя фосфолипидов, гидрофобные «хвосты» которых обращены внутрь, а гидрофильные «головы» — наружу. В бислой погружены белки, выполняющие транспортную, рецепторную и ферментативную функции. Толщина мембраны — около 7–10 нм.
Модель строения, предложенная в 1972 году Сингером и Николсоном, называется жидкостно-мозаичной: мембрана рассматривается как подвижная двумерная жидкость, в которой белки «плавают» подобно островам.
Основные функции клеточной мембраны:
- барьерная — отделяет цитоплазму от внешней среды;
- транспортная — пассивный и активный перенос веществ;
- рецепторная — восприятие сигналов (гормонов, нейромедиаторов);
- межклеточное узнавание и адгезия;
- участие в генерации нервного импульса.
¶Внутренние мембраны органелл
Мембраны образуют внутренние компартменты клетки: эндоплазматическую сеть, аппарат Гольджи, митохондрии, лизосомы, хлоропласты. Мембраны митохондрий содержат цепи переноса электронов, обеспечивающие синтез АТФ. Внутренняя мембрана хлоропластов (тилакоид) несёт фотосинтетические пигменты.
¶Транспорт через мембрану
| Тип транспорта | Затраты энергии | Пример |
|---|---|---|
| Простая диффузия | Нет | Кислород, углекислый газ |
| Облегчённая диффузия | Нет | Глюкоза через белки-переносчики |
| Активный транспорт | АТФ | Натрий-калиевый насос |
| Эндоцитоз и экзоцитоз | АТФ | Поглощение частиц, секреция |
¶Технические мембраны
В технике мембрана — гибкая перегородка или пористая плёнка, разделяющая среды и управляющая потоками.
¶Мембранные технологии
- Обратный осмос — продавливание воды через полупроницаемую мембрану под давлением; применяется для опреснения и водоподготовки.
- Ультрафильтрация и микрофильтрация — разделение смесей по размеру частиц.
- Электродиализ — перенос ионов через ионообменные мембраны под действием тока.
- Газоразделительные мембраны — выделение компонентов газовых смесей.
Материалы мембран: полимеры (полиамид, полисульфон, политетрафторэтилен), керамика, металлы.
¶Мембраны в машинах и конструкциях
В насосах, компрессорах и регуляторах давления мембрана (диафрагма) передаёт усилие или герметизирует рабочую камеру, исключая контакт среды с механизмом. В строительстве мембраны (гидроизоляционные, пароизоляционные, кровельные) защищают конструкции от влаги и ветра. В акустике мембраной называют колеблющуюся поверхность громкоговорителя или микрофона, преобразующую электрический сигнал в звук и обратно.
¶История изучения
Понятие клеточной мембраны сформировалось в XIX веке. В 1855 году швейцарский ботаник Карл Негели предположил наличие у клетки оболочки, регулирующей проникновение веществ. В 1899 году Эрнест Овертон, изучая проницаемость, установил, что через мембрану легче проходят жирорастворимые вещества, — это указало на липидную природу барьера. В 1925 году Гортер и Грендел, измерив площадь липидов из мембран эритроцитов, показали, что их хватает на два слоя. В 1935 году Даниэли и Давсон предложили белково-липидную модель, а в 1972 году появилась жидкостно-мозаичная модель, ставшая общепринятой.
В России исследования мембран велись в институтах Академии наук и на биологических факультетах университетов; значительный вклад внесли работы по биоэнергетике и мембранному транспорту.
¶Значение
Биологические мембраны лежат в основе жизни: без избирательного барьера невозможно поддержание гомеостаза, обмен веществ и передача сигналов. Нарушения мембранного транспорта связаны с рядом наследственных заболеваний (муковисцидоз, некоторые формы анемии). Технические мембраны обеспечивают опреснение воды, очистку сточных вод, разделение газов и работу множества приборов. Мембранные технологии относятся к числу наиболее быстро развивающихся направлений химической и экологической инженерии.
¶Интересные факты
- Общая площадь мембран в клетке человека может превышать площадь её поверхности в десятки раз за счёт внутренних органелл.
- Натрий-калиевый насос расходует значительную долю энергии клетки в состоянии покоя.
- Мембраны современных обратноосмотических установок задерживают до 99 % растворённых солей.
Источники: учебники по цитологии и биохимии, материалы по мембранным технологиям, энциклопедические издания по биологии и технике.