Введение

Мембрана, которая позволяет определенным молекулам или ионам проходить через нее путем диффузии. Полупроницаемая мембрана – это тип биологической или синтетической полимерной мембраны, которая позволяет определенным молекулам или ионам проходить через нее путем осмоса. Скорость прохождения зависит от давления, концентрации и температуры молекул или растворенных веществ с обеих сторон, а также от проницаемости мембраны для каждого растворенного вещества. В зависимости от мембраны и растворенного вещества, проницаемость может зависеть от размера растворенного вещества, его растворимости, свойств или химической природы. То, как мембрана сконструирована для избирательной проницаемости, определяет скорость и степень проницаемости. Многие природные и синтетические материалы, даже достаточно толстые, также являются полупроницаемыми. Примером может служить тонкая пленка внутри яйца. Биологические мембраны обладают селективной проницаемостью, при этом прохождение молекул контролируется облегченной диффузией, пассивным транспортом или активным транспортом, регулируемым белками, встроенными в мембрану.

Двухслойный фосфолипид

Двухслойный фосфолипид является примером биологической полупроницаемой мембраны. Он состоит из двух параллельных, обращенных друг к другу слоев равномерно расположенных фосфолипидов. Каждый фосфолипид состоит из одной фосфатной головки и двух жирнокислотных хвостов. Двухслойный фосфолипид наиболее проницаем для небольших, незаряженных молекул. Белковые каналы встроены в или проходят сквозь фосфолипиды, и эта модель в целом известна как модель жидкостной мозаики. Аквапорины – это белковые каналы, проницаемые для воды.

Сотовая связь

Информация также может проникать через плазматическую мембрану, когда сигнальные молекулы связываются с рецепторами в клеточной мембране. Связывание сигнальных молекул с рецепторами изменяет структуру этих белков. Изменение структуры белка инициирует сигнальный каскад.

Осмотический стресс

Поскольку липидный бислой является полупроницаемым, он подвержен осмотическому давлению. Когда концентрация растворенных веществ вокруг клетки изменяется, осмотическое давление вызывает приток или отток воды в клетку, стремясь к равновесию. Этот осмотический стресс угнетает клеточные функции, зависящие от активности воды внутри клетки, такие как функционирование ДНК и белковых систем, а также правильная сборка плазматической мембраны. Это может привести к осмотическому шоку и гибели клетки. Осморегуляция – это способ, которым клетки противодействуют осмотическому стрессу, и включает осмосенсорные транспортеры в мембране, позволяющие ионам калия (K⁺ – положительно заряженный ион, или катион) и другим молекулам перемещаться через мембрану. Другие искусственные мембраны используются в доставке лекарств, диализе и биосепарациях.

Обратная осмоса

Массовый поток воды через селективно проницаемую мембрану вследствие разности осмотического давления называется осмосом. Этот процесс позволяет пропускать только определенные частицы, включая воду, и задерживает растворенные вещества, такие как соль и другие загрязнители. В процессе обратного осмоса вода очищается путем подачи высокого давления к раствору, что проталкивает воду через тонкопленочную композитную мембрану (TFC или TFM). Это полупроницаемые мембраны, которые в основном производятся для использования в системах очистки воды или опреснения. Они также находят применение в химических процессах, например, в батареях и топливных элементах. По сути, материал TFC представляет собой молекулярное сито, сформированное в виде пленки из двух или более слоев. Сидни Лоуб и Шриниваса Суриараджан изобрели первую практичную синтетическую полупроницаемую мембрану. Мембраны, используемые в обратном осмосе, как правило, изготавливаются из полиамида, который выбирают главным образом из-за его высокой проницаемости для воды и относительной непроницаемости для различных растворенных примесей, включая ионы соли и другие мелкие молекулы, которые не могут быть отфильтрованы.

Трубки для диализа

Диализные трубки используются при гемодиализе для очистки крови при почечной недостаточности. В трубках используется полупроницаемая мембрана для удаления продуктов обмена веществ перед возвращением очищенной крови пациенту. Различия в полупроницаемой мембране, такие как размер пор, влияют на скорость и состав удаляемых молекул. Традиционно применялись целлюлозные мембраны, но они могли вызывать воспалительные реакции у пациентов. Были разработаны синтетические мембраны, которые обладают большей биосовместимостью и реже вызывают воспалительные реакции. Однако, несмотря на повышенную биосовместимость, использование синтетических мембран не привело к снижению смертности.

Другие виды

Другие типы полупроницаемых мембран включают катионообменные мембраны (CEM), анионообменные мембраны (AEM), щелочноанионообменные мембраны (AAEM) и протоннообменные мембраны (PEM).