Биологические мембраны

Строение мембран

Все биологические мембраны имеют общие структурные особенности и свойства. В настоящее время общепринята жидкостно-мозаичная модель строения мембраны. Основу мембраны составляет липидный бислой, образованный в основном фосфолипидами. Фосфолипиды — триглицериды, у которых один остаток жирной кислоты замещен на остаток фосфорной кислоты; участок молекулы, в котором находится остаток фосфорной кислоты, называют гидрофильной головкой, участки, в которых находятся остатки жирных кислот — гидрофобными хвостами. В мембране фосфолипиды располагаются строго упорядоченно: гидрофобные хвосты молекул обращены друг к другу, а гидрофильные головки — наружу, к воде.

Помимо липидов в состав мембраны входят белки (в среднем ≈ 60%). Они определяют большинство специфических функций мембраны (транспорт определенных молекул, катализ реакций, получение и преобразование сигналов из окружающей среды и др.). Различают: 1) периферические белки (расположены на наружной или внутренней поверхности липидного бислоя), 2) полуинтегральные белки (погружены в липидный бислой на различную глубину), 3) интегральные, или трансмембранные, белки (пронизывают мембрану насквозь, контактируя при этом и с наружной, и с внутренней средой клетки). Интегральные белки в ряде случаев называют каналообразующими, или канальными, так как их можно рассматривать как гидрофильные каналы, по которым в клетку проходят полярные молекулы (липидный компонент мембраны их бы не пропустил).

Строение мембраны: А — гидрофильная головка фосфолипида; В — гидрофобные хвостики фосфолипида; 1 — гидрофобные участки белков Е и F; 2 — гидрофильные участки белка F; 3 — разветвленная олигосахаридная цепь, присоединенная к липиду в молекуле гликолипида (гликолипиды встречаются реже, чем гликопротеины); 4 — разветвленная олигосахаридная цепь, присоединенная к белку в молекуле гликопротеина; 5 — гидрофильный канал (функционирует как пора, через которую могут проходить ионы и некоторые полярные молекулы).

В состав мембраны могут входить углеводы (до 10%). Углеводный компонент мембран представлен олигосахаридными или полисахаридными цепями, связанными с молекулами белков (гликопротеины) или липидов (гликолипиды). В основном углеводы располагаются на наружной поверхности мембраны. Углеводы обеспечивают рецепторные функции мембраны. В животных клетках гликопротеины образуют надмембранный комплекс — гликокаликс, имеющий толщину несколько десятков нанометров. В нем располагаются многие рецепторы клетки, с его помощью происходит адгезия клеток.

Молекулы белков, углеводов и липидов подвижны, способны перемещаться в плоскости мембраны. Толщина плазматической мембраны — примерно 7,5 нм.

Характеристика мембранных белков

По
выполняемым функциям белки в составе
мембран делятся на 

1. структурные;

2. каталитические;

3. рецепторные;

4. транспортные.

Количество
белков в мембранах могут существенно
отличаться. Например, в миелиновой
мембране, предназначенной для изоляции
нервных волокон, белки составляют только
25% массы мембраны, а в мембранах
митохондрий, связанных с процессами
окислительного фосфорилирования, на
долю белков приходится около 75% массы.
В плазматической мембране доля белков
и липидов примерно одинаковы.

Углеводы
в составе мембран не представлены
самостоятельными соединениями, а
обнаруживаются только в соединении с
белками (гликопротеины) или липидами
(гликолипиды). Длина углеводных цепей
колеблется от двух до восемнадцати
остатков моносахаридов. Большая часть
углеводов расположена на наружной
поверхности плазматической мембраны.
Функции углеводов в биомембранах –
контроль за межклеточными взаимодействиями,
поддержание иммунного статуса, рецепция,
обеспечение стабильности белковых
молекул в мембране.

Функции плазматической мембраны

Белки плазматической мембраны выполняют различные функции, а это предопределяет соответствующие функции плазмалеммы: барьерную, транспортную, контактную, рецепторную и ферментативную.

Строение мембраны практически исключает диффузию через нее полярных молекул, в частности ионов. Поэтому плазматическая мембрана выполняет барьерную функцию. Однако через мембрану должна осуществляться транспортировка веществ как внутрь клетки, так и наружу. Это необходимо для снабжения клетки питательными веществами и выведения продуктов обмена.

Различают два типа транспортировки веществ: движение веществ, при котором не расходуется энергия АТФ, называется пассивным; движение, связанное с затратами энергии, называется активным. Самым простым вариантом пассивной транспортировки является простая диффузия (с места с большей концентрацией вещества в места с меньшей ее концентрацией). Таким образом сквозь мембрану проникают прежде всего неполярные молекулы

Так, из неорганических веществ через мембраны хорошо диффундируют кислород и углекислый газ — это имеет важное значение для клеточного дыхания, из органических веществ — стероидные вещества

Транспортировка через мембрану полярных веществ обеспечивают белковые молекулы-переносчики. Этот тип транспортировки играет важную роль в процессе возбудимости нервных и мышечных клеток и подобным процессам. Молекулы-переносчики необходимы для попадания в клетку глюкозы. Пассивное движение веществ с помощью молекул переносчиков называется облегченной диффузией, как она работает показано на рисунке:

Принцип работы внутреннего белка, транспортирующего глюкозу

Иногда необходимо транспортировать вещество с места с меньшей его концентрацией в места, где его концентрация больше. Этот процесс требует затрат энергии, а потому является активным. Примером может быть калий-натриевый насос (Na+К+ — насос):

Принцип работы калий-натриевого насоса

Он обеспечивает выход из клетки ионов натрия и поступления в нее из внеклеточного пространства ионов калия. Работа этого насоса обеспечивает нормальное функционирования клеток, поддерживая на определенном уровне концентрации ионов Na+ и K+ внутри и снаружи мембраны.

Особым типом активного транспорта является цитоз — перемещение веществ в составе мембранных пузырьков. Процесс вывода веществ из клетки в результате слияния везикул с плазматической мембраной называется экзоцитозом. Таким образом из клеток высвобождаются синтезированные в них ферменты, гормоны, медиаторы и др.

Процесс активного поступления твердых и жидких веществ из внешней среды внутрь клетки называется эндоцитозом. Различают пиноцитоз — поглощение жидкостей и фагоцитоз — поглощение вместе с жидкими веществами твердых частиц. Фагоцитоз играет важную роль в поглощении клетками иммунной системы чужеродных клеток и бактерий, а также в питании одноклеточных организмов.

Схемы процессов экзоцитоза (а) и эндоцитоза (б)

У многоклеточных организмов клетки связаны между собой. Такая связь обеспечивают белки, которые как бы «сшивают» две мембраны, формируя межклеточные контакты.

Рецепторная функция заключается в способности реагировать на химические вещества, изменяя при этом функционирование клеток. Источниками таких биологически активных веществ могут быть как другие клетки (гормоны, нейромедиаторы и т.д.), так и окружающая среда (питательные вещества, яды и т.п.). Первым звеном реагирования на наличие химических веществ является рецепторные белки, встроенные в плазмалемму и способные избирательно связываться с другими веществами.

Некоторые белки, встроенные в клеточную мембрану, играют роль ферментов. В частности, они обеспечивают мембранное (пристеночное) пищеварение в кишечнике человека. В прокариотических клетках мембранные белки участвуют в процессах фотосинтеза, запасании энергии путем синтеза АТФ и др.

Строение биологической мембраны.

Изучение
морфобиохимической организации
биологической мембраны началось еще в
первой половине ХХ в. на обьектах, очень
удобных для этой цели, — так называемых
«тенях» эритроцитов.

По
мере накопления данных в 1935 г. Даниели
и Даусон предложили первую, так называемую
«бутербродную» модель организации
мембраны

Суть
теории заключалась в том, что основу
мембраны составляет двойной слой
липидных молекул, обращенных друг к
другу гидрофобными участками, а внешняя
и внутренняя поверхности билипидного
слоя, образованные гидрофильными
участками молекул, покрыты сплошными
слоями белка. Эта умозрительная модель
получила морфологическое подтверждение
в первых ультраструктурных исследованиях.

Однако
в дальнейших цитофизиологических
исследованиях было получено большое
количество фактов, трудно обьяснимых
с позиции этой модели. В частности,
анализ проблемы трансмембранного
транспорта показал, что мембрана,
по-видимому, гораздо лабильнее и
динамичнее, чем это следует из
«бутербродной» модели, и весьма веским
аргументом против трехслойной модели
была термодинамическая неустойчивость
такого рода системы . Ведь гидрофильные
компоненты липидного слоя оказываются
изолированными от водной фазы сплошным
слоем гидрофильных белковых молекул.
Такая система требует для поддержки
своей структуры значительных затрат
энергии.

В
связи с этим стало распространяться
представление о том, что при построении
сложной белково-липидной системы мембран
в живой природе должен быть использован
более выгодный термодинамический
принцип, а именно принцип
гидрофобно-гидрофильных взаимодействий.
Исходя из этого принципа, было предложено
множество моделей биологической
мембраны. Наиболее универсальной
оказалась так называемая жидкостно-мозаическая
модель,
которой и пользуются в настоящее время.

Что такое супердиффузионные мембраны

Диффузионная мембрана – это специальный материал, имеющий двух-, трех- или даже четырехслойную структуру, основу которого составляет нетканый холст. Диффузионные мембраны применяют для защиты утепляющего слоя от проникновения в его толщу испарений. Также, диффузионные мембраны являются превосходной защитой от воды и ветра. При создании крыши, в полном объеме соответствующей всем современным требованиям, каждый застройщик обязательно столкнется с таким понятием, как «кровельный пирог». Для того чтобы крыша выполняла все возложенные на нее функции в течение всего срока эксплуатации, кроме основного кровельного покрытия, необходимо использовать некоторые дополнительные материалы, к числу которых относятся супердиффузионные мембраны. Супердиффузионные мембраны можно использовать при создании кровельного пирога в любой климатической зоне нашей страны. Роль этого дополнительного слоя чрезвычайно важна, так именно его присутствие позволяет снизить силу неблагоприятных воздействий, вызванных экстремальными погодными условиями, а также нивелировать недочеты и ошибки, возникшие в ходе неправильного монтажа кровли. 

Кровельная мембрана: определение и типология

Немного статистики. На территории Российской Федерации мембрана в качестве кровельного материала используется не так уж и давно. Удельный вес мембранных кровель из общего числа мягких перекрытий крыш составляет всего 1,5 %. Более широкое распространение в России получили битумные и мастичные кровли. А вот в Западной Европе на долю мембранных кровель приходится 87 %. Разница ощутимая.

Как правило, мембрана в роли основного материала при перекрытии крыши идеально подходит для плоских кровель. Для имеющих большой уклон она подходит в меньшей степени.

Объемы производства и реализации мембранных кровель на отечественном рынке имеют положительную тенденцию роста. Почему? Причины более чем ясны:

• Срок эксплуатации составляет около 60 лет. Представьте себе, только гарантийный срок использования, который устанавливается производителем, достигает 20 лет.
• Легкость в монтаже. Для сравнения: установка битумной кровли занимает в 1,5 раза больше времени, нежели монтаж мембранного перекрытия.
• Простота в обслуживании и проведении ремонтных работ.

Толщина кровельных мембран может составлять 0,8-2 мм, а средний показатель веса одного метра квадратного равен 1,3 кг.

Свойства кровельных мембран:

• эластичность;
• прочность;
• устойчивость к воздействию ультрафиолетовых лучей и иных сред-агрессоров;
• морозоустойчивость;
• огнеупорность.

Мембрана кровельная бывает трех типов. Главный классификационный признак – вид полимерного материала, составляющего основание полотна. Итак, кровельные мембраны бывают:

• ЭПДМ. Мембраны, принадлежащие группе ЭПДМ, изготовлены на основе полимеризированного этилен-пропилен-диен-мономера, а проще говоря, синтетического каучука. Преимущества: высокая прочность, эластичность, водонепроницаемость, экологичность, низкая стоимость. Недостатки: клеевая технология соединения полотен посредством использования специальной ленты, низкие показатели прочности соединений. Сфера применения: используется как гидроизоляционный материал для туннельных перекрытий, водных источников, хранилищ отходов, искусственных и природных водоемов и т. д.
• ПВХ-мембраны. Это оболочки, при производстве которых в качестве основного материала используется поливинилхлорид. Преимущества: устойчивость к ультрафиолету, огнеупорность, обширная цветовая гамма мембранных полотен. Недостатки: низкие показатели устойчивости к битумным материалам, маслам, растворителям; выделяет в атмосферу вредные вещества; цвет полотна со временем тускнеет.
• ТПО. Изготавливаются из термопластичных олефинов. Могут быть армированными и неармированными. Первые оснащаются сеткой из полиэстера или стекловолоконной тканью. Преимущества: экологичность, долговечность, высокая эластичность, температуростойкость (как при высоких, так и при низких температурах), сварные соединения швов полотен. Недостатки: высокая ценовая категория, отсутствие производителей на отечественном рынке.

Мембранная ткань

Текстильной промышленности мембранная ткань известна давно. Из такого материала изготавливается обувь и одежда: взрослая и детская. Мембрана – основа мембранной ткани, представленная в виде тонкой полимерной пленки и обладающая такими характеристиками, как водонепроницаемость и паропроницаемость. Для производства данного материала эту пленку покрывают наружным и внутренним защитными слоями. Строение их определяет сама мембрана. Делается это с целью сохранения всех полезных свойств даже в случае повреждения. Иными словами, мембранная одежда не промокает при воздействии осадков в виде снега или дождя, но в то же время отлично пропускает пар от тела во внешнюю среду. Такая пропускная способность позволяет коже дышать.

Учитывая все вышесказанное, можно сделать вывод о том, что из подобной ткани изготавливается идеальная одежда зимняя. Мембрана, находящаяся в основе ткани, при этом может быть:

• с порами;
• без пор;
• комбинированная.

В составе мембран, имеющих множество микропор, числится тефлон. Размеры таких пор не достигают габаритов даже капли воды, но больше водной молекулы, что свидетельствует о водонепроницаемости и способности выводить пот.

Мембраны, которые не имеют пор, как правило, произведены из полиуретана. Их внутренний слой концентрирует в себе все потожировые выделения тела человека и выталкивает их наружу.

Строение мембраны комбинированной подразумевает наличие двух слоев: пористого и гладкого. Такая ткань обладает высокими качественными характеристиками и прослужит долгие годы.

Благодаря этим достоинствам одежда и обувь, изготовленные из мембранных тканей и предназначенные для носки в зимнюю пору года, прочные, но легкие, превосходно защищают от мороза, влаги, пыли. Они просто незаменимы для множества активных видов зимнего отдыха, альпинизма.

Что такое мембрана?

Мембраны – это защитный элемент, который является неотъемлемой составляющей клетки любого живого организма.

Структурной и функциональной единицей всех живых организмов на планете является клетка. Жизнедеятельность ее неразрывно связана с окружающей средой, с которой она обменивается энергией, информацией, веществом. Так, питательная энергия, необходимая для функционирования клетки, поступает извне и тратится на осуществление ею различных функций.

Структура простейшей единицы строения живого организма: мембрана клетки, ядро, органеллы, разнообразные включения. Она окружена мембраной, внутри которой располагается ядро и все органеллы. Это митохондрии, лизосомы, рибосомы, аппарат Гольджи, эндоплазматический ретикулум. Каждый структурный элемент имеет свою мембрану.

Структурно-химическая характеристика биологических мембран.

Все
биологические мембраны клетки представляют
собой тонкие (6-10 нм) пласты липопротеидной
природы. Основными химическими
компонентами клеточных мембран являются
липиды (около 40%) и белки (около 60%); кроме
того, во многих мембранах обнаружены
углеводы (5-10%).

Липиды
составляют большую группу органических
веществ, обладающих плохой растворимостью
в воде (гидрофобность) и хорошей
растворимостью в органических
растворителях и жирах (липофильность).
Основными представителями липидов,
которые входят в состав клеточных
мембран являются фосфолипиды
(глицерофосфаты), сфинголипиды и из
стероидных липидов — холестерин.

Характерным
для липидов мембран является разделение
их молекулы на две функционально
различные части:

1)
гидрофобная
— неполярная, не несущая заряд, которая
состоит из жирных кислот (хвосты);

2)
гидрофильная
— полярная, несущая заряд (головки).

Мембранные
белки также характеризуются тем, что
их молекула в большинстве случаев
состоит из двух частей:

1)
полярной
— богатой аминокислотами, несущими
заряд;

2)
неполярной
— содержащей нейтральные аминокислоты
(глицин, аланин, валин и лейцин).

По
расположению в липидных слоях мембраны
молекулы белка делятся на: 1) интегральные
— это те же неполярные белки, участки
которых погружены в липидную часть
мембраны;

2)
полуинтегральные
— белки частично встроенные в мембрану.

1. примембранные
   (периферические, адсорбированные) —
   белки, не встроенные в мембрану.

По
биологической роли белки мембран
подразделяются на:

1)
белки — ферменты;

2)
белки — переносчики;

3)
рецепторные белки;

4)
структурные белки.

Углеводы
входят в состав мембраны не в свободном
состоянии, а в комплексе с белками
(гликопротеиды) или с липидами
(гликолипиды). Их количество в мембране
как правило очень незначительно.

Мембрана профилированная: характеристика, функции и преимущества

Профилированные мембраны – это инновация на строительном рынке. Такая мембрана эксплуатируется в качестве гидроизоляционного материала.

Вещество, используемое при изготовлении, – полиэтилен. Последний бывает двух типов: полиэтилен высокого давления (ПВД) и полиэтилен низкого давления (ПНД).

Профилированная мембрана из полиэтилена высокого давления имеет особую поверхность – пустотелые пупырышки. Высота этих образований может колебаться от 7 до 20 мм. Внутренняя поверхность мембраны ровная. Это дает возможность беспроблемного сгибания стройматериала.

Изменение формы отдельных участков мембраны исключено, поскольку давление по всей ее площади распределяется равномерно благодаря наличию все тех же выступов. Геомембрана может использоваться в качестве вентиляционной изоляции. В таком случае обеспечивается свободный тепловой обмен внутри здания.

Преимущества профилированных мембран:

• повышенная прочность;
• теплоустойчивость;
• устойчивость химического и биологического влияния;
• длительный срок эксплуатации (более 50 лет);
• простота в установке и обслуживании;
• доступная стоимость.

Профилированные мембраны бывают трех видов:

• с однослойным полотном;
• с двухслойным полотном = геотекстиль + дренажная мембрана;
• с трехслойным полотном = скользкая поверхность + геотекстиль + дренажная мембрана.

Однослойная профилированная мембрана применяется для защиты основной гидроизоляции, монтажа и демонтажа подготовки бетоном стен с повышенной влажностью. Двухслойную защитную используют во время оснащения пристенного дренажа. Состоящую из трех слоев применяют на грунте, который поддается морозным пучениям, и грунтовой почве, находящейся глубоко.

Предназначение диффузионных мембран

Основное предназначение супердиффузионных мембран для кровли является обеспечение защиты от проникновения внутренней и наружной влаги внутрь теплоизоляционного слоя. Источниками этой влаги могут быть внутренние испарения и атмосферные осадки. Кроме этого, расположенная в кровельном покрытии диффузионная мембрана обеспечивает эффективные условия отвода уже накопившейся в силу тех или иных причин влаги. Супердиффузионную мембрану можно с полной уверенностью назвать одной из важнейших составляющих теплоизоляционного контура, так как она косвенным образом способствует снижению потерь тепловой энергии. Бережливый хозяин собственного дома, знающий толк в экономии, никогда не будет раздумывать о необходимости или отсутствии таковой при принятии решения о покупке и последующей установке диффузионной мембраны. Тем более, что стоимость этого материала на современном рынке строительных материалом можно с уверенностью назвать чисто символической. 

Строение клеточной мембраны

В основе строения клеточной (биологической) мембраны лежит двойной слой липидов (жиров). Формирование такого слоя связано с особенностями их молекул. Липиды не растворяются в воде, а по-своему в ней конденсируются. Одна часть отдельно взятой молекулы липида представляет собой полярную головку (она притягивается водой, т. е. гидрофильна), а другая — пару длинных неполярных хвостов (эта часть молекулы отталкивается от воды, т. е. гидрофобна). Такое строение молекул заставляет их «прятать» хвосты от воды и поворачивать к воде свои полярные головки.

В результате образуется двойной липидный слой, в котором неполярные хвосты находятся внутри (обращены друг к другу), а полярные головки обращены наружу (к внешней среде и цитоплазме). Поверхность такой мембраны гидрофильна, а внутри она гидрофобна.

В клеточных мембранах среди липидов преобладают фосфолипиды (относятся к сложным липидам). Их головки содержат остаток фосфорной кислоты. Кроме фосфолипидов есть гликолипиды (липиды + углеводы) и холестерол (относится к стеролам). Последний придает мембране жесткость, размещаясь в ее толще между хвостами остальных липидов (холестерол полностью гидрофобный).

За счет электростатического взаимодействия, к заряженным головкам липидов присоединяются некоторые молекулы белков, которые становятся поверхностными мембранными белками. Другие белки взаимодействуют с неполярными хвостами, частично погружаются в двойной слой или пронизывают его насквозь.

Таким образом, клеточная мембрана состоит из двойного слоя липидов, поверхностных (периферических), погруженных (полуинтегральных) и пронизывающих (интегральных) белков. Кроме того, некоторые белки и липиды с внешней стороны мембраны связаны с углеводными цепями.

Это жидкостно-мозаичная модель строения мембраны была выдвинута в 70-х годах XX века. До этого предполагалась бутербродная модель строения, согласно которой липидный бислой находится внутри, а с внутренней и наружной стороны мембрана покрыта сплошными слоями поверхностных белков. Однако накопление экспериментальных данных опровергло эту гипотезу.

Толщина мембран у разных клеток составляет около 8 нм. Мембраны (даже разные стороны одной) отличаются между собой по процентному соотношению различных видов липидов, белков, ферментативной активности и др. Какие-то мембраны более жидкие и более проницаемые, другие более плотные.

Разрывы клеточной мембраны легко сливаются из-за физико-химических особенностей липидного бислоя. В плоскости мембраны липиды и белки (если только они не закреплены цитоскелетом) перемещаются.