Мембранные: Что такое мембрана и ее виды в современной спортивной одежде

Разное

Содержание

Что такое мембрана и ее виды в современной спортивной одежде

Использование мембранных материалов в одежде в наше время становится все более обычным и понятным явлением. Благодаря мембранной одежде наше тело хорошо защищено от внешних погодных воздействий в виде дождя, снега, ветра, и в то же время, позволяет телу «дышать», сохраняя тепло и необходимый микроклимат. Соответственно, самая основная задача мембраны – это отводить испарения наружу от второго утепляющего слоя одежды и не проводить влагу снаружи. Сейчас на рынке представлено большое количество компаний, специализирующихся на производстве мембран, наиболее известна и популярна компания Gore и ее мембрана Gore-Tex. Есть и компании – производители одежды, которые выпускают свои собственные разработки мембран. Например, итальянский бренд Salewa производит мембрану PowerTex, которая работает по тому же принципу, что и GoreTex. В производстве собственных мембран есть несомненный плюс – одежда с такой мембраной значительно дешевле при практически таком же качестве.

По типу нанесения, мембраны делятся на три вида:

  • двухслойная мембрана – это мембрана, нанесенная специальным образом на материал с изнаночной стороны и защищённая от истирания подкладкой.
  • трехслойная мембрана — это мембрана, нанесенная на изнаночную сторону материала, и закрыта дополнительным защитным материалом. Все три слоя прочно спечены между собой и, как правило, это самый надежный, но в тоже время самый дорогой способ нанесения мембраны.
  • двух-с-половиной-слойная мембрана — один из самых дорогих вариантов на рынке. Благодаря прочному внедрению мембраны на материал, изделия с ней необычайно легкие и прочные.

Микропористые или беспоровые?

Условно мембраны принято разделять на два семейства – микропористые и беспоровые. Сама по себе мембрана представляет либо тончайшую пленку, которая приварена или приклеена по особой технологии к ткани, либо напыление, нанесенное особым образом на материал.

Микропористые

Самое популярное и известное семейство мембран – микропористые. И флагманом здесь конечно является компания «W. L. Gore & Associates » с мембранами GoreTex. Принцип действия микропористых мембран основан на том, что мембрана содержит несколько миллионов пор на 1 кв.см., каждая из которых в десятки тысяч раз меньше, чем капля воды, но в сотни раз больше, чем молекула пара. Таким образом, испарения от тела свободно проходят через мембрану, а дождь задерживается снаружи. Для того, чтобы определить, насколько хорошо работает мембрана, существует два основных параметра: водонепроницаемость (водостойкость) и «дышимость» (проницаемость водяных паров).

Водонепроницаемость – показатель того, насколько мембрана способна задерживать влагу извне. Этот показатель указывается в миллиметрах водяного столба – чем выше цифры этого показателя, тем больше преграду для влаги мембрана образует. Обычно достаточно мембран с показателем 10/15 мм водяного столба. Так, к примеру, дождь средней силы создает давление равное приблизительно 7-8 м водяного столба, сильный 10-11 м водяного столба.

«Дышимость» – (паропроницаемость) измеряется в показателях количества пара, которое способна пропустить мембрана с квадратного метра в течении 24 часов. Обозначается как г/м2, g/m2. Так же, как и в показателе водонепроницаемости – чем выше числовой показатель, тем лучше дышащие свойства мембраны. Ориентировочно, необходимые показатели для занятия активными видами спорта с высокой физической активностью –

от 20 000 и выше г/м2, для города подойдут мембраны с показателями в районе 5 000 — 7 000 г/м2.

Самая сложная задача, с которой сталкиваются все производители мембран – это произвести мембрану с наилучшим соотношением водостойкости и отведения тепла от тела. Этого нелегко добиться, так как, чтобы выходило большее количество пара нужно делать больше поры мембраны, что в свою очередь дает больше возможности для проникания воды.

Беспоровые

Семейство беспоровых мембран гораздо малочисленней, чем микропористые мембраны, и здесь самой известной и проверенной временем является мембрана

SympaTex. Общий принцип работы беспоровых мембран основан на принципе диффузии молекул. В упрощенном варианте структуру работы мембраны можно представить следующим образом: внутренний слой мембраны состоит из гидрофильных волокон, которые притягивают молекулы водяного пара и транспортируют их наружу; а внешний слой состоит из гидрофобных волокон, которые отталкивают воду. Процесс работы мембраны запускается при создании разницы давления внутри и снаружи, из-за этой особенности такой вид мембран по-другому еще называют «умные мембраны». Чем интенсивнее у вас физическая нагрузка, тем интенсивнее начинает мембрана работать.

Возникает закономерный вопрос – какие мембраны лучше: микропористые или беспоровые? Как обычно, однозначного ответа нет.

У каждой мембраны есть свои плюсы и минусы. Микропористые мембраны не отличаются особой долговечностью даже при правильном уходе. Несмотря на довольно высокую цену, именно этот вид мембран показывает наилучшее соотношение дыхания и водостойкости. Плюс вещи с этой мембраной очень легкие и прочные. Так же, благодаря высоким водоотталкивающим свойствам вещи надежно защищают не только от осадков, но и от промокания при попадании непосредственно в воду. Беспоровые мембраны очень прочные из-за своей структуры. Основная особенность – это сохранение своих характеристик даже при сильном растяжении, что особенно актуально для зон с повышенной нагрузкой – плечи, колени и так далее. Эти мембраны немного проще в уходе, благодаря отсутствию пор, но в то же время, эта особенность влияет отрицательно на дышащие свойства изделия- как правило показатели дыхания этих мембран ниже.

Не стоит забывать, что никакая прекрасная мембрана не сработает, если у вас

не правильно подобраны нижние слои одежды. А именно, под мембранной одеждой должен быть надет второй утепляющий слой из флиса и первый влагоотводящий слой – термобелье. Так же, важно отметить, что, выбирая себе одежду с мембраной, стоит учитывать, как вы собираетесь ее использовать, и подбирать тип мембраны под ту активность, или вид спорта, которым вы собираетесь заниматься. Не старайтесь приобрести экипировку для использования ее, как универсальную экипировку для всего.

Все вещи с мембраной требуют особого ухода, поэтому:

  • обязательно читайте информацию на ярлычке и следуйте указаниям
  • перед стиркой застегните все молнии и пуговицы
  • сушите при комнатной температуре, ни в коем случае не сушите на батарее и прочих сильных источниках тепла
  • сушить лучше в расправленном, горизонтальном состоянии
  • при стрике лучше использовать не обычный порошок, а специальные средства, которые менее агрессивно влияют на ткань и изготовлены на водной основе, что позволяет глубоко проникать в изделие и лучше отстирывать.

Следуя этим нехитрым правилам, вы сможете существенно продлить жизнь мембраны и сохранить ее технические свойства, что позволит вам получать удовольствие от занятий любимыми видами спорта с чувством комфорта и защищенности.

Сергей Пехтерев (с)

Поделиться статьей:

Что такое мембранные ткани и зачем они нужны?

Мембранные ткани уже который год применяются в производстве разного рода одежды, в том числе и повседневной. Они отлично зарекомендовали как лучший материал-основа для пошива экипировки спортсменов, туристов, охотников и рыболовов, которым так важны комфорт, мобильность и практичность. Что же такое мембрана, как она устроена и в чем же секрет ее особых свойств?


Мембрана представляет собой уникальный материал, ключевой особенностью которого – это односторонняя пропускная способность. Такая инновационная ткань выталкивает пот, отводя излишек влаги на поверхность. При этом материал не промокает от осадков, не препятствует кожному «дыханию», а также отлично удерживает тепло внутри, тем самым согревая тело. По конструкции мембранные материалы принято делить на: 2-, 3- и, так называемые «2,5-слойные».  

  • Двухслойная мембранная ткань

Представляет собой наружный слой ткани, к которой изнутри присоединена мембрана. Данный материал оснащается подкладкой, обеспечивающей соответствующую защиту ткани от всякого рода повреждений и засорения/

  • Трехслойная мембранная ткань

Это материал состоит из двухслойной ткани, а его изнанка дополнительно покрывается внутренним защитным слоем из тонкого трикотажа в виде мелкой сетки. Такая особенность позволяет защищать мембрану, как от повреждений, так и от загрязнения. В трехслойных изделиях, обычно, не используется подкладка.

  • 2,5- слойная мембранная ткань

Этот инновационный материал включает два слоя мембранной ткани, а изнутри он покрыт специальным третьим слоем.

Его задача обеспечить должную защиту от негативных влияний осадков и ветра.
По строению мембранные ткани бывают: беспоровые, поровые и комбинированные.


Беспоровые мембранные ткани.


Как уже понятно из названия, в таком типе ткани отсутствуют поры. Материал функционирует по принципу осмоса, когда испарившая влага, идущая от тела, при наличии отличия парциальных давлений паров, тут же выталкиваются наружу. Данный материал характеризуется долгим сроком службы, легкостью в уходе и эксплуатации. Кроме того, он хорошо показывает себя в различных температурных диапазонах. Уникальные беспоровые мембранные ткани во многом превосходят поровые, в частности по своим дышащим свойствам.


Поровые мембранные ткани.


Данный материал имеет структуру открытых пор микроскопического размера, которые являются недоступными для влаги, поступающей извне, но эффективно выталкивающие молекулы пара, образующиеся в результате потения. Изделия, сшитые из поровой мембранной ткани, характеризуются водонепроницаемостью, при этом они «дышат», не позволяя организму потеть и из-за этого замерзать.

Еще одним преимуществом такого материала является эффективная защита от влаги даже при небольшой разнице парциальных давлений пара.


Комбинированные мембранные ткани.

Являются самыми высокотехнологичными и недешевыми тканями, которые имеют много общего с другими видами мембран, но при этом отличаются большей прочностью и износостойкостью. Весь секрет этого материала заключается в сочетании двух слоев мембранных тканей: порового и беспорового. Первый находится с внутренней стороны, а второй – полиуретановый, покрывает ее. Таким образом, комбинированная ткань объединяет в себе свойства этих двух мембран, что делает ее особенно практичной. Изготовленные из нее изделия отличаются невероятной прочностью и абсолютной непромокаемостью, а также способностью дышать.


Пропитки.


Любые мембранные материалы необходимо периодически пропитывать специальными средствами, которые предназначены для восстановления и сохранения водоотталкивающих качеств изделия. Делать это рекомендуется сразу после стирки, когда вещь еще мокрая. Существуют 2 вида пропиток. Первый тип растворяют в воде, а затем туда погружают целиком обрабатываемое изделие, а второй – наносят на поверхность одежды посредством распыления или губок. При окунании вещи в воду с растворенным в ней средством она полностью пропитывается без пропусков, чего нельзя добиться с аэрозолями.


Как следует одеваться под мембранную одежду?


Чтобы мембранная одежда максимально эффективно согревала и защищала от разного рода негативных факторов, кроме нее следует использовать еще 3 слоя одежды. Первый – это белье, которое надевается на голое тело. Желательно, чтобы это было термобелье или облегающее изделие из смесовых тканей, способствующее надежному сохранению тепла и отводу избыточной влаги. Второй слой – утеплитель из флиса, в задачи которого входит согревать и проводить сквозь себя влагу наружу к третьему слою, не задерживая ее в себе. Третий слой – это сама мембранная одежда, которая благодаря высокотехнологичным свойствам ткани надежно защитит от осадков, порывов ветра и при этом выведет наружу влагу, вырабатываемую телом и отведенную внутренними слоями.

Что такое мембранные ткани?

Этот вопрос хоть раз задавал себе каждый, кто сталкивался с необходимостью защиты от неблагоприятных погодных условий (сильного дождя, ветра и снега) во время длительного пребывания на открытом воздухе. Для туризма, путешествий и активного отдыха на природе очень важно ощущение комфорта в любую погоду при высоких физических нагрузках. Не все текстильные материалы способны решить проблему хорошего отведения испарений тела и одновременной защиты от внешней влаги. Мембранные материалы способны решить эту проблему.

По строению мембраны ткани делятся по принципу, какая мембрана используется: беспоровая, поровая и комбинированная.

Беспоровые мембраны однородны и не содержат пор. В них влагозащита и пароотведение происходят благодаря разной функциональности поверхностей: внешний (гидрофобный) слой мембраны отталкивает влагу из окружающей среды, а внутренний (гидрофильный) впитывает испарения тела и транспортирует их наружу. Они долговечны, не требуют бережного ухода, исправно работают в широком диапазоне температур.

Поровые мембраны – это мембраны, которые работают по следующему принципу: мембрана (плёнка) содержит мельчайшие отверстия (поры), диаметр которых меньше диаметра капли воды, но больше размера молекулы водяного пара. Таким образом, капли воды не могут проникнуть сквозь неё внутрь, а испарения от тела в виде водяного свободно выходит наружу за счёт разницы парциального давления на внешней и внутренней поверхности ткани.

В чем преимущество поровых мембран? Они «быстро» начинают дышать, т. е. выводят испарения, как только человек начинает потеть (при условии, что есть разница в парциальных давлениях водяного пара внутри и снаружи куртки, т. е., когда есть движущая сила). В чем недостатки? Эта мембрана достаточно быстро теряет свои свойства. По мере засорения пор снижаются пароотводящие свойства ткани. Поэтому, рекомендуется специальный уход за изделием из мембранной ткани.

Комбинирование мембраны – это когда ткань верха покрыта с внутренней стороны поровой мембраной, а поверх поровой мембраны имеется еще тонкое покрытие (т.е. беспоровая полиуретановая мембранная пленка). Эта ткань имеет все преимущества поровых и беспоровых мембран, избегая недостатков. Но, это очень дорогой материал, поэтому немногие фирмы используют данную мембрану в своих изделиях…

По конструкции мембранные ткани делятся на: двухслойные, трехслойные и 2,5-слойные.

Двухслойная ткань – это ткань верха, к которой с изнаночной стороны нанесена (специальным образом) мембрана. Данная ткань в изделиях всегда используется с подкладкой, т.к. подкладка обеспечивает должную защиту мембране от засорения и механического повреждения.

Трехслойная ткань выглядит как ткань с мелкой сеткой с изнанки, то есть к двухслойной ткани дополнительно ламинируется внутренний защитный слой из тонкого трикотажа. Защитный слой обеспечивает защиту мембраны, как от механических повреждений, так и от засорения. А, что самое главное, в трехслойных изделиях, использование подкладки отпадает.

2,5-слойная мембранная ткань – ткань с тончайшим защитным напылением, которое защищает мембрану от повреждений.

Существуют два важных параметра, по которым можно оценивать свойства мембранных тканей, — это водонепроницаемость и дышащие свойства тканей.

Водонепроницаемость – это давление водяного столба, которое может выдержать данная ткань (измеряется в миллиметрах водного столба).

Паропроницаемость (дышащие свойства) зависят от количества пара, которое пропускает ткань за определённый период времени.

Воздухопроницаемость — измеряется в куб.дм. и означает способность материалов пропускать воздух через 1 кв.м в секунду путем фильтрации через поры.

Для обеспечения дополнительной защиты от внешней влаги ткань обрабатывают специальным покрытием, не позволяющим воде проходить через верхний слой ткани. Однако, такое покрытие не долговечно, со временем исчезает. Поэтому, после стирки изделия из мембранных тканей рекомендуется обрабатывать специальными средствами с водоотталкивающими свойствами.

Характеристики используемых материалов:

  1. Алова с мембранным покрытием – трикотажный материал с бархатистой поверхностью
    Плотность: 280 г/м2
    Состав: 100 % ПЭ
    Водонепроницаемость: 8000 мм (ткань выдерживает сильный дождь).
    Воздухопроницаемость: 1,5 дм3/м2*сек
    Паропроницаемость: 1000 г/м2/24 часа

  2. Твил с мембранным покрытием
    Плотность: 190 г/м2
    Состав: 100 % ПЭ
    Водонепроницаемость: 8000 мм (ткань выдерживает сильный дождь).
    Воздухопроницаемость: 8,0 дм3/м2*сек
    Паропроницаемость: 5000 г/м2/24 часа

Мембранные технологии очистки воды

Проблема чистой воды остро стоит в самых разных регионах нашей страны. Загрязнение почвенных вод и открытых водоемов промышленными и бытовыми стоками, а также остатками минеральных удобрений не позволяет употреблять воду без предварительной очистки. Одним из наиболее передовых методов фильтрации воды считается её мембранная очистка.

Что такое мембранная очистка воды и где она применяется

Как следует из названия, мембранная очистка воды — это фильтрация воды при помощи мембраны. Загрязненная жидкость пропускается через особую пленку (полупроницаемую мембрану), в которой сделано множество мельчайших пор. Они настолько миниатюрные, что не видны невооруженным взглядом. После очистки все примеси остаются снаружи, а дальше проходит только чистая вода. Эта технология используется при фильтрации воды от механических и органических примесей, бактерий и вирусов, при разделении растворов, умягчении воды, очистке стоков и выработке стерильных жидкостей.

Качество мембранной водоподготовки напрямую зависит от материала, из которого изготовлена мембрана. Это может быть:

  • полимер природного происхождения;
  • полимер синтетический;
  • материалы из керамики;
  • материалы биологического свойства;
  • материалы композиционные;
  • силикатные стекла.

Что такое баромембранные технологии и где они применяются

Баромембранные процессы — это подраздел мембранной очистки воды. Основным отличием является то, что в баромембранном методе очистка происходит на фоне внешнего давления. В баромембранной установке очищаемая жидкость продавливается через полупроницаемую мембрану при температуре от 5 до 30 градусов. К методам баромембранной очистки относят:

  1. обратный осмос;
  2. микрофильтрацию;
  3. ультрафильтрацию;
  4. нанофильтрацию.

Под воздействием внешнего давления только молекулы воды и некоторых солей проходят через мембрану, в то время как другие вещества задерживаются в фильтруемом растворе. Чем чище необходимо получить жидкость, тем меньше должны быть микропоры в мембране и, соответственно, выше наружное давление. Процесс баромембранного разделения используется в промышленной сфере (химическая промышленность, пищевая и фармацевтическая), в теплоэнергетике при водоподготовке теплоносителя, при очистке различных стоков, а также фильтрации питьевой воды.

Мембранные методы в очистке воды

Рассмотрим основные способы мембранной фильтрации воды:

  1. Установка мембранной очистки воды на основе обратного осмоса. Этот метод мембранной фильтрации воды разделяет растворы без изменения агрегатного состояния воды. Учитывая то, что размер пор в мембране не превышает размера молекулы воды, через фильтр проходит только вода и соли, ионы которых меньше отверстия диаметром менее 0,0001 мкм, а растворенные примеси задерживаются. Способ обратного осмоса, мембранного обессоливания воды, позволяет отфильтровывать практически все загрязнения: и органические, и неорганические.
  2. Нанофильтрация как еще один мембранный способ очистки воды. Мембранная установка водоподготовки отфильтровывает более крупные частицы нежели обратный осмос. Их размер измеряется нанометрами, поэтому у метода такое название. В микрометрах размер пор составляет от 0,0001 до 0,001 мкм. После нанофильтрации улучшается цвет воды и уменьшается концентрация солей. Он оптимально подходит для очистки поверхностных вод. Фильтрация проходит под давлением от 3 до 20 бар.
  3. Ультрафильтрация. Следующий мембранный метод обессоливания воды по величине задерживаемых частиц после нанофильтрации. Тысячи капилляров фильтрующего модуля установки ультрафильтрации имеют внутренний размер от 0,001 до 0,01 мкм. Обычно они изготавливаются из полиэфирсульфона, материала со специальными добавками, который устойчив к органическому осадку. Ультрафильтрация проходит под давлением от 1,5 до 7 бар.
  4. Микрофильтрация — еще одна мембранная установка для воды. Этот мембранный метод очистки воды сопоставим с ультрафильтрацией по принципу действия, но есть и отличие. Оно заключается в том, что мембрана при ультрафильтрации имеет ассиметричное строение, а при микрофильтрации — все определяет её толщина. В этом способе очистки размер пор составляет от 0,01 до 1,0 мкм. Это позволяет отфильтровывать мелкие взвешенные частицы, цисты простейших микроорганизмов, большие бактерии, коллоиды, эмульсии и водоросли. Процесс фильтрации идет под внешним давлением менее 2 бар.
  5. Диализ относится к промышленной мембранной очистке воды. Метод основан на факте прохождения разными веществами с неодинаковой скоростью через мембрану фильтра (осмос и диффузия). Это простая и дешевая, но очень медленная мембранная технология в водоподготовке (сутки и более). Ускоряют его увеличением площади мембраны и повышением температуры. Применяют в промышленном производстве искусственных волокон и при изготовлении лекарств.
  6. Электродиализ — также система мембранной водоподготовки. Электродиализ — это усовершенствованный метод диализа. Устройство (диализатор) дополнительно оснащается камерой с электродами. Постоянный ток сокращает время фильтрации до часов и даже минут. Это происходит за счёт направленного электрическим полем движения ионов. Кроме очистки воды, этот метод мембранного разделения для водоподготовки, используется в фармацевтике, медицине, биохимической и пищевой промышленности.
  7. Электродеионизация еще одна мембранная технология по очистке воды. Это — один из самых недорогих способов полной деминерализации воды. Для этого используются ионообменные смолы и ионоселективные мембраны при участии постоянного электротока. Работает электродеионизация за счёт разности потенциалов постоянного напряжения, которое есть по обе стороны мембраны, заполненной ионообменной смолой. Получаемая вода считается деионизованной. Способ мембранной деминерализации воды используется в станциях водоподготовки в теплоэнергетике, в фармацевтике, при изготовлении полупроводников и пр.

Обратный осмос и мембранная очистка воды

Рассмотрим подробнее самый оптимальный мембранный метод очистки воды — обратный осмос. Он заключается в фильтрации воды под давлением, которое превышает осмотическое, через полупроницаемую мембрану. Давление необходимо для преодоления явления осмоса, при котором система уравновешивается, и вода перестает фильтроваться, так как концентрация загрязняющих веществ выравнивается. Под внешним давлением из раствора через мембрану будет проходить только чистая вода, а соли и другие примеси — нет. К преимущества мембранной очистки воды с помощью обратного осмоса можно отнести высокую степень удаления солей, различную производительность, низкие энергозатраты.

Очистка воды на мембранных установках промышленного осмоса

Чистая вода высокого качества необходима многим предприятиям. Это медицина и производство электронных компонентов, пищевая и химическая отрасли. Промышленные установки обратного осмоса решают эту задачу. Они выдают практически полностью деминерализованную воду, задерживая до 99% всех загрязнителей. Мембрана, пропускающая молекулы воды, удаляет из раствора ионы тяжелых металлов, сульфаты, хлориды и другие неорганические вещества. При этом затраты на получение чистой воды гораздо ниже чем, при её дистилляции.

Мембранная очистка воды бытовым осмосом

Бытовые установки обратного осмоса особенно необходимы владельцам коттеджей, в которых отсутствует централизованное водоснабжение. Мембранная подготовка питьевой воды позволяет удалить из воды тяжелые металлы, соли, пестициды, вирусы и т.д. Получение воды из скважины или из колодца не гарантирует её высокого качества, поэтому в целях сохранения здоровья, воду нужно очищать. Обычно системы обратного осмоса работают при давлении от 15 до 70 бар. Сегодня созданы высокоэкономичные установки обратного осмоса, работающие при низком напоре до 2 бар. Они отлично подходят для мембранной фильтрации воды в быту.

Мембранный опреснитель морской воды

Обессоливание или опреснение — одна из наиболее часто используемых функций систем обратного осмоса. При очистке морской воды рекомендуется использовать максимальное давление системы (до 150 бар). Однако, если на выходе необходимо получить питьевую воду, которая не должна быть полностью обессолена, применяют мембраны со сниженной селективностью в условиях низконапорного обратного осмоса. Мембранное опреснение воды набирает популярность в южных регионах нашей страны.

Мембранная установка для очистки воды от фирмы Диасел

Традиционные технологии очистки воды постепенно вытесняются новыми методами фильтрации, которые более экономичны, компактны и просты в эксплуатации. Из них очень эффективными считаются мембранные процессы очистки воды. В зависимости от поставленных целей, среди мембранных технологий водоподготовки легко подобрать необходимый метод, учитывая их широкий перечень: от электродеионизации до обратного осмоса. Последний по праву называется одним из самых оптимальных по сочетанию качества воды и затрачиваемым на это ресурсам. Приобрести мембранные системы очистки воды для дома или предприятия вы можете у нас. Оставьте заявку на нашем сайте, по телефону 8-499-391-39-59 или почте [email protected]

Мембранные установки PRISM

Специалисты отдела мембранных систем PRISM компании Air Products могут найти решение для любой сферы применения мембранных систем (Отделяете ли вы воздух из потока азота высокой чистоты или преобразуете биогаз в пригодный для использования метан(определить, соответствует ли существующая коммерческая мембрана требованиям вашего применения или можно ли предоставить специальный проект.

Преимущества мембран PRISM

• Решения, испытанные на практике для разнообразных применений
• Значительная экономия по сравнению с другими технологиями
• Легко расширяемые системы
• Легкие и компактные конструкции
• Минимальное техническое обслуживание мембран и систем
• Нет движущихся деталей
• Удобно для удаленного размещения
Наименование продукта Описание/преимущества Материалы для загрузки

Азотные мембранные сепараторы

В мембранных сепараторах PRISM компании Air Products молекулы азота отделяются от воздуха посредством выборочного просачивания. В конечном итоге получается сухой поток азота, готовый к промышленному применению.

Веб-сайт азотных мембранных сепараторов 

 
Краткое описание

Мембранные сепараторы для осушения воздуха

Мембранные сепараторы для осушения воздуха удаляют водяной пар из потоков газов. Можно выбрать из трех линеек продукции для осушения и более чем из десяти размеров. 

Веб-сайт осушки воздуха 

Краткое описание
Краткое описание
Видео

Улучшение биогаза

Мембраны Air Products PRISM PB используются для выделения ценного метана из диоксида углерода и других элементов смеси биогаза. Конечный поток метана можно направить в газопровод или использовать в качестве топлива автомобилей на СПГ.  

Веб-сайт улучшения биогаза 

Краткое описание
Краткое описание

Азотные мембраны

Мембранные сепараторы PRISM применяются для выделения азота высокой чистоты из газовых потоков на заводах по производству аммиака, нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводах.

Инженерные мембранные системы Air Products

Обогащенный кислородом воздух (OEA или NITROX)

В мембранных сепараторах PRISM молекулы кислорода выделяются из сжатого воздуха посредством выборочного просачивания. В результате получается обогащенный кислородом поток воздуха низкого давления с содержанием кислорода около 25–50 %. К распространенным применениям OEA относятся подводное ныряние, обогащение воздуха для высотного использования, а также другое промышленное применение.

 

OBIGGS 

Мембранные сепараторы PRISM используются в инертных авиационных топливных баках как часть бортовых систем генерирования инертного газа (OBIGGS).

Мембранные насосы Tapflo — официальный сайт

Обзор

Мембранные насосы Tapflo

Мембранные насосы Tapflo с пневматическим приводом являются одними из наиболее универсальных насосов, существующих на рынке в настоящее время. Их можно применять во многих отраслях промышленности для перекачивания широкого спектра жидкостей. Мембранные насосы Тапфло имеют простую, компактную и надежную конструкцию и отвечают всем требованиям, предъявляемым к промышленному насосному оборудованию на территории РФ.

Мембранные насосы Тапфло с пневматическим приводом обладают рядом преимуществ по сравнению с другими типами насосов:
  • Компактные размеры и небольшая масса. Насосы Тапфло легко переносить и удобно применять для разгрузки бочек или контейнеров. 
  • Насос можно использовать для перекачки различных типов жидкостей, однако при этом важно соблюдать совместимость жидкостей с материалами проточной части насоса. 
  • Для привода насоса применяется сжатый воздух с давлением  2-8 бар. Отсутствие электрических частей в насосе позволяет использовать его для работы с горючими жидкостями и во взрывоопасных зонах. 
  • Герметичная конструкция и отсутствие сальниковых уплотнений. 
  • Возможность регулировать производительность насоса, изменяя расход подаваемого к нему сжатого воздуха или дросселируя поток жидкости на выходе насоса.

Компания Tapflo предлагает купить мембранные насосы на достаточно выгодных условиях. Вся продукция Tapflo поставляется напрямую от производителя, без наценок. Следовательно, цена мембранных насосов будет значительно ниже, чем у других компаний. Кроме того, приобретая продукцию Tapflo, вы получаете гарантию качества. Все изделия имеют долгий срок службы и не требуют ремонта в процессе использования.

Принцип работы мембранных насосов с пневматическим приводом

Мембранный насос Tapflo приводится в действие сжатым воздухом.  Две мембраны, соединенные штоком, перемещаются из стороны в сторону  под воздействием переменного давления воздуха в воздушных камерах позади мембран за счет циклической работы автоматической системы распределения воздуха. 

Описание циклов работы

Всасывание (1)

Первая мембрана создает разрежение в мембранной камере, когда она движется от боковины корпуса насоса. Разрежение обеспечивает приток жидкости в камеру через клапан на всасывании.

Нагнетание (2)

Вторая мембрана одновременно передает давление сжатого воздуха жидкости в другой камере корпуса насоса, вытесняя ее через клапан на нагнетании в нагнетательный патрубок. Во время каждого цикла давление воздуха за нагнетающей мембраной равно давлению в полости нагнетания со стороны жидкости, и это позволяет насосу длительное время работать при закрытой линии нагнетания без отрицательных последствий для конструкции  насоса и уменьшения срока службы мембран.

Основные компоненты мембранных насосов Tapflo 

Три основных компонента, обеспечивающих работу насоса Tapflo.

Мембрана с долгим сроком службы

Две мембраны обеспечивают перекачивание жидкости насосом. Характерной особенностью мембран насосов Тапфло является многослойная конструкция типа «сэндвич», идеальная для работы в тяжелых промышленных условиях.

Основное преимущество мембран такой конструкции заключается в том, что не требуются внешние пластины или шайбы для соединения слоев мембраны между собой, а также для соединения мембран с штоком.  Это позволяет избежать  протечек  через мембрану и обеспечивает герметичность при перекачивании жидкости.

Внешний слой мембраны, который находится в контакте с перекачиваемой жидкостью изготавливается из: PTFE, EPDM,  белого EPDM (для пищевой промышленности), NBR (нитрил) и FKM (витон, только для некоторых моделей).

Экологичный бессмазочный  воздушный распределительный механизм.

Приводным устройством насоса является воздушный распределительный механизм, который обеспечивает переменную цикличную подачу сжатого воздуха в корпусе насоса на мембраны. Благодаря специальной запатентованной конструкции этот воздушный механизм является деталью, не требующей специального технического обслуживания. 

Воздушный механизм не требует смазки и ремонта.  Это решение позволяет избежать дополнительных затрат на смазочные материалы и защищает окружающую среду. Этот высокоточный воздушный распределитель имеет всего лишь две движущиеся детали. Устройство спроектировано таким образом, что может начать работу из любого положения, в котором было остановлено и никогда не останавливается в мертвой точке. Материал воздушного механизма — латунь или нержавеющая сталь. По требованию Клиента он может быть изготовлен из AISI 316L.

Шариковые обратные клапаны

Насосы Tapflo имеют четыре обратных клапана, обеспечивающих движение жидкости в нужном направлении. Эти клапаны имеют самую простую и надежную конструкцию в виде шариков со стопором. Характерной чертой всех клапанов является высокая герметичность и ремонтопригодность. При необходимости их легко очищать и менять. Материал изготовления — EPDM, NBR (нитрил), PTFE, AISI 316, полиуретан, керамика.

Мембрана с рабочим слоем из  PTFE в разрезе

  1. Армирующая ткань 
  2. Металлический сердечник 
  3. Слой EPDM 
  4. Слой PTFE

Системы и установки мембранной фильтрации

Проблема загрязнения воды является актуальной на протяжении последних нескольких лет. Например, загрязнение поверхностных водоемов промышленными стоками не позволяет использовать ее в качестве питьевой без специальной обработки. Одним из распространенных и эффективных на сегодняшний день способов получения чистой воды являются баромембранные методы.

Баромембранные (мембранные) методы очистки представляет собой очистку воды с использованием мембран, которые представляют собой полупроницаемые перегородки под действием перепада давления. Исходный водный раствор поступающий в систему мембраной фильтрации разделяется на 2 потока: пермеат и концентрат. В процессе фильтрации мембрана задерживает содержащиеся в исходном растворе примеси, которые остаются в концентрате, а очищенная вода, прошедшая через мембрану, представляет собой пермеат. Системы мембранной фильтрации применяется для очистки воды от механических примесей и органических веществ, для очистки сточных вод, для умягчения и обеззараживания воды и для получения сверхчистой воды.

К мембранным методам очистки воды относятся:

  • Обратный осмос;
  • Нанофильтрация;
  • Ультрафильтрация;
  • Микрофильтрация;
  • Мембранная дегазация;
  • Электродеионизация;

Под действием перепада давления вода с некоторыми ионами солей проникают сквозь мембрану, в то время как другие — задерживаются и остаются в исходном растворе. Исходя из компонентного состава водного раствора, необходимо использовать разные системы мембранной очистки.

Основные методы мембранной фильтрации воды

Рассмотрим существующие мембранные методы очистки.

Обратный осмос — это метод мембранной очистки обычно применяется для обессоливания воды, получения дистиллированной воды или даже еще лучше. Процесс выглядит следующим образом: раствор (исходная вода) проходит под давлением через специальную полимерную мембрану, которая может задерживать 98-99,7% минеральных солей. Процесс происходит без изменения агрегатного состояния воды. Обратный осмос позволяет задерживать частицы больше 0,0001 мкм. Очистка на системах обратного осмоса происходит при высоком перепаде давления 8-20 атм.

Нанофильтрация — тоже является мембранным методом очистки, применяется для частичного обессоливания воды в основном задача снизить Жесткость воды и при этом не получить дистиллированную воду. В отличие от обратного осмоса, может задерживать частицы размером от 0,0001 до 0,001 мкм. Также применяется полимерная мембрана, которая задерживает 80-96% минеральных солей. Процесс проходит при давлении 4-8 атм.

Ультрафильтрация — процесс мембранной фильтрации, при котором задерживающая способность мембраны определяется молекулярной массой растворенных частиц. Процесс осуществляется при сравнительно невысоком перепаде давления, по сравнению с обратным осмосом и нанофильтрацией. Мембраны задерживают загрязнения с размером от 0,1 до 0,01 мкм. Рабочее давление 1 — 4 атм.

Микрофильтрация — также является методом мембранной очистки. В этом методе очистки используются мембраны, размер пор которых составляет от 0,20 до 1,0 мкм. Данный размер пор позволяет задерживать мелкие взвешенные частицы, коллоиды, эмульсии, простейших микроорганизмов, бактерии и водоросли. Процесс очистки осуществляется при невысоком перепаде давления 0,3-2,0 атм.

Электродеионизация — технология очистки воды, сочетающая в себе мембранный метод и ионообменный одновременно. Применение систем электродеионизации позволяет получать сверхчистую деминерализованную воду 10-18 МОм. Для этого используются ионообменные смолы и ионоселективные мембраны с применением постоянного электрического тока. Процесс электродеионизации осуществляется за счёт разности потенциалов постоянного напряжения, которое присутствует по обе стороны мембраны, заполненной ионообменной смолой. Рабочее давление 2 — 4 атм.

Мембранная дегазация — процесс, при котором происходит глубокое удаление растворенных газов из водных растворов. Удаление газов осуществляется за счет мембраны, сделанной из гидрофобного материала, при прохождении через которую растворенные газы поглощаются мембраной, а жидкость остается за её пределами. Промышленно развиты мембраны для удаления Углекислого газа (СО2) и Кислорода (О2) из воды.

Альтернативы мембран в мирах без кислорода: создание азотосомы

Реферат

Двухслойная липидная мембрана, которая является основой жизни на Земле, нежизнеспособна вне биологии, основанной на жидкой воде. Этот факт побудил астрономов, которые ищут условия, подходящие для жизни, искать экзопланеты в «обитаемой зоне», узкой полосе, в которой может существовать жидкая вода. Однако могут ли клеточные мембраны быть созданы и функционировать при температурах намного ниже тех, при которых вода является жидкостью? Мы делаем шаг к ответу на этот вопрос, предлагая новый тип мембраны, состоящей из небольших органических соединений азота, способных образовываться и функционировать в жидком метане при криогенных температурах.Используя молекулярное моделирование, мы демонстрируем, что эти мембраны в криогенном растворителе обладают эластичностью, равной эластичности липидных бислоев в воде при комнатной температуре. В качестве доказательства концепции мы также демонстрируем, что стабильные криогенные мембраны могут возникать из соединений, наблюдаемых в атмосфере спутника Сатурна, Титана, известного наличием морей жидкого метана на его поверхности.

Ключевые слова
  • Титан
  • абиогенез
  • экзобиология
  • липосома
  • физическая химия
  • квантовая химия
  • вычислительная химия
  • молекулярная динамика

ВВЕДЕНИЕ

Исследования протобиологии и образования клеток на Земле в основном сосредоточены на нуклеиновых кислотах; действительно, обычно считается, что рибонуклеиновые кислоты были предшественниками земной жизни (гипотеза «мира РНК») ( 1 ). Однако недавние исследования показали, что катализ РНК зависит от установления высоких локальных концентраций, а это означает, что компартментализация, вероятно, была такой же или более ранней фазой, чем РНК ( 2 ). Это подтверждает гипотезу «липидного мира», в которой липидные мембраны сыграли важную роль как очень ранний эволюционный шаг в создании жизни на Земле ( 3 ). Было обнаружено, что липидные бислои без дополнительных клеточных механизмов растут, делятся, способствуют реакциям полимеризации и даже синтезируют РНК из ферментов полимеразы ( 4 6 ).

Мембраны земных клеток состоят из бислоя фосфолипидов: поверхностно-активных веществ, состоящих из неполярных липидных цепей и насыщенных кислородом полярных головок. Полярные головки образуют поверхности, совместимые с водой, позволяя мембране разделять водный мир снаружи и водную жизнь внутри. Липидные хвосты фосфолипидов объединяются силами Ван-дер-Ваальса, таким образом стабилизируя мембрану. Везикула, состоящая из такой мембраны, называется липосомой.

Роль самоорганизующихся поверхностно-активных веществ в эволюционной биологии на Земле поднимает вопрос о том, могут ли неводные условия поддерживать какую-либо аналогичную структуру.Экспериментальные исследования были выполнены для создания пузырьков в неполярных растворителях. Это включало рассмотрение неионных простых эфиров ( 7 ), сложных эфиров ( 8 ), поверхностно-активных веществ ( 9 ) и инвертированных фосфолипидов ( 10 ). Обратные фосфолипидные мембраны даже рассматривались как биологические возможности в жидком метане ( 7 16 ).

Жидкий метан представляет особый интерес, потому что это единственная жидкость, кроме воды, которая образует моря на поверхности планетарного тела в нашей солнечной системе.Это тело — спутник Сатурна, Титан ( 11 , 12 ). Неизвестно, может ли Титан поддерживать любую форму клеточной мембраны. Однако мы действительно наблюдаем, что на поверхности Титана происходит неизвестный процесс, который потребляет водород, ацетилен и этан, которые постоянно стекают из атмосферы, но не накапливаются ( 13 15 ). Это делает жидкий метан очень интересным растворителем для использования в качестве альтернативы клеточной мембране.

Однако фосфолипидные мембраны, которые настолько прочны и эластичны в воде, не работают так хорошо в жидком метане.Неполярные хвосты фосфолипидов, казалось бы, совместимы с неполярным жидким метаном, а полярные головы — друг с другом; Означает ли это, что мембрана, обратная той, которая образовалась в воде, могла существовать в метане? К сожалению нет; эта гипотеза фосфолипидов не учитывает тот факт, что хвосты фосфолипидов представляют собой длинноцепочечные углеводороды, которые будут жесткими при криогенных температурах. Кроме того, атомы фосфолипидного головного компонента, кислорода и фосфора, недоступны ни в какой форме в метановых морях Титана и, вероятно, ни в какой подобной среде жидкого метана.Следовательно, липосомы с обращенной фазой не являются жизнеспособным вариантом. Однако идея использования полярности для предотвращения растворения верна, если существуют какие-либо подходящие материалы.

В качестве доказательства концепции образования пузырьков в среде, богатой метаном, мы начали поиск полярных материалов, используя те, которые образуются естественным образом, когда ультрафиолетовый свет взаимодействует с атмосферой, содержащей метан и азот ( 12 ). Из спектроскопических наблюдений орбитального аппарата «Кассини» мы знаем наиболее распространенные полярные соединения в верхней части метано-азотной атмосферы Титана, как показано в Таблице 1 [( 12 ), стр.167]. Ниже в атмосфере все эти виды конденсируются в аэрозоли, препятствуя дальнейшим наблюдениям с помощью Кассини. Лабораторные эксперименты по воспроизведению атмосферы метана и азота обычно дают смолистые остатки молекул, называемые толинами ( 17 ). Было обнаружено, что эти толины состоят из углеводородов, нитрилов и аминов ( 17 ). Поэтому мы также включили в наше исследование первичные нитрилы и амины длиной пропил-гексил, хотя содержание толинов относительно наблюдаемых Кассини видов остается неопределенным.

Таблица 1 Полярные соединения азота, обнаруженные на Титане, и их содержание в верхних слоях атмосферы, измеренное Кассини [( 12 ), стр. 167].

Учитывая проблемы экспериментальных исследований при криогенных температурах, мы приняли подход молекулярного моделирования для отбора наиболее многообещающих кандидатов для самосборки в структуру, напоминающую мембрану. Мы рассматривали только короткие лиганды, учитывая тот факт, что более длинные лиганды не дают преимуществ при таких низких температурах. Все наши молекулы-кандидаты намного короче типичных фосфолипидов, которые включают углеродные цепи длиной от 15 до 20 атомов.Жидкий метан достаточно холоден, чтобы затвердеть практически любое вещество: четырехчленная углеродная цепь, например бутан, намного ниже точки замерзания, равной 133 К в жидком метане. При таких температурах может показаться почти невозможным формирование гибкой органической мембраны, не говоря уже о гибкости, подобной гибкости липидного бислоя. Однако низкая температура также позволяет небольшим молекулам агрегироваться иначе, чем при 300 К. Наша обычная интуиция должна быть приспособлена к более холодному миру.

Мы предположили, что мембраны жидкого метана будут полагаться на полярность азотсодержащих групп («азото»), чтобы удерживать их вместе, точно так же, как земные липосомы полагаются на неполярность алкильных групп. Поэтому мы назвали эти структуры «азотосомами». Сравнение липосом и предлагаемых структур азотосом показано на рис. 1.

рисунок 1 Липосомы и азотосомы.

( A ) Липосома в полярном растворителе.Полярные головы скреплены неполярными липидными хвостами. ( B ) Азотосома в неполярном растворителе. Неполярные хвосты подпирают головы, богатые полярным азотом.

Ключевые физические требования к мембране заключаются в том, чтобы она была гибкой и стабильной. Наиболее распространенной мерой гибкости клеточной мембраны является модуль расширения площади K a (также известный как модуль расширения, растяжения или площади сжатия) ( 18 , 19 ). Модуль расширения площади мембран наземных клеток при комнатной температуре равен 0.От 24 до 0,50 Дж / м 2 ( 18 , 19 ). Как мы покажем, некоторые из наших кандидатов в азотосомы лежат в этом диапазоне. Наиболее распространенной мерой стабильности является шкала энергии разложения или времени стабильности ( 20 ). В целом липидные бислои на Земле метастабильны ( 21 ). Мы покажем, что некоторые из наших кандидатов в азотосомы имеют высокую энергию разложения по сравнению с криогенной средой, что приводит к очень длительным временным масштабам стабильности.

Синтез азотосом для экспериментального исследования будет сложным проектом, сродни первому синтезу липосом и дополнительным трудностям в криогенных условиях.Однако молекулы, из которых состоят азотосомы, похожи на молекулы, которые обычно изучаются на Земле, что делает свойства азотосом доступными с помощью стандартного молекулярного моделирования. Молекулярная динамика (МД) десятилетиями использовалась для моделирования двухслойных мембран ( 20 , 22 24 ) и полимерных везикул (полимерсомы) ( 25 ). Было обнаружено, что значения K, , и , рассчитанные методом MD, хорошо согласуются с экспериментами ( 18 ), что подтверждает использование нами метода для этих новых мембран.

Чтобы представить молекулярные силы в наших моделированиях, мы использовали Оптимизированные потенциалы для моделирования жидкостей (OPLS), которые являются хорошо известными и эффективными моделями для жидких углеводородов, малых органических молекул ( 26 , 27 ) и полимерсом ( 25 ). Мы подтвердили модели OPLS для наших молекул, подтвердив структуры, генерируемые OPLS, и парные энергии связи по сравнению с квантово-механическими расчетами ( 27 ), как описано в разделе «Материалы и методы».Только молекулы, которые OPLS точно моделировали с точки зрения длин связей, углов и энергий связи, были переданы для изучения в качестве кандидатов на азотосомы.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Ошибки в моделях OPLS для длин связей, валентных углов и двугранных (торсионных) углов для тестируемых нами соединений представлены в таблице 2. Расчеты для трех наиболее высоконенасыщенных соединений — цианоацетилена, цианоаллена и 2,4-пентадииннитрила. — не рассматривались далее, потому что их модели OPLS показали ошибки в средней длине облигаций более 0.04 Å, что мы сочли недопустимо большим. Поскольку эти виды крайне ненасыщены, они с наименьшей вероятностью будут стабильными, когда они покинут верхние слои атмосферы, поэтому их непригодность для моделирования OPLS вряд ли будет иметь здесь значение. Для остальных соединений средняя разница между структурами OPLS и ab initio для длин связей составляла 0,008 Å, 0,6 ° в углах и 0,3 ° в диэдрах (если они есть).

Таблица 2 Ошибка в структурах, оптимизированных для OPLS.

Средняя разница для каждого вида между его структурой OPLS и структурой, полученной в результате оптимизации ab initio с моделью самосогласованного реакционного поля (SCRF) Онзагера для неявного растворителя.

Ab initio энергии связи были получены в вакууме и в неявном растворителе. Разница между этими энергиями составляла от 0,1 до 1,3 ккал / моль для всех исследуемых веществ, в среднем 0,6 ккал / моль. Разница между энергиями связи OPLS и ab initio составляла от 0,2 до 0,9 ккал / моль, в среднем составляя 0,6 ккал / моль. В общем, значения энергии связи, генерируемой OPLS для данного вида, находятся между значениями ab initio с растворителем и без него, что поддерживает использование моделей OPLS.Можно ожидать, что энергии парной связи OPLS будут находиться между энергиями ab initio в вакууме и ab initio в растворителе, поскольку парные расчеты OPLS «подобны растворителям» из-за неполяризуемости модели OPLS. Это заставляет модель OPLS испытывать частичный эффект растворителя, даже когда присутствует только пара молекул. Особняком среди изученных нами молекул был HCN, у которого энергия связи OPLS была на 1,8 ккал / моль выше значения энергии связи, предсказанного ab initio представлением с неявным растворителем, что указывает на неточность модели OPLS для HCN.

Однако, как мы покажем позже, HCN не самособирается в азотосому из-за своего небольшого размера. Таким образом, его чрезмерная энергия связи не будет иметь значения, потому что в дальнейшем он не будет рассматриваться из-за отсутствия самосборки. Энергии связи, найденные тремя методами (расчет OPLS и ab initio для системы в вакууме и растворителе), представлены в таблице 3.

Таблица 3 Парные энергии связи.

OPLS и расчеты ab initio дали аналогичные результаты.

Каждая азотосома начинает моделирование как сетку молекул, а затем самособирается в свою предпочтительную структуру.Виды, которые OPLS не мог точно представить, были исключены из рассмотрения, как и HCN, который не образовывал упорядоченный слой, и гексан, который образовывал твердое тело. Модули расширения площади оставшихся азотосом, а также простого бислоя гексана без функциональной головки показаны в таблице 4. Учитывая точность энергий связывания OPLS, мы ожидаем, что эти значения составляют K a и ∆ E с точностью до 20%.

Таблица 4 Гибкость K нитрильных и аминных азотосом и энергия активации Δ E для удаления молекулы из каждой азотосомы.

Все наши азотосомы обладают гибкостью, аналогичной гибкости известных мембран наземных клеток: от 0,13 до 0,55 Дж / м 2 для азотосом по сравнению с 0,24 до 0,50 Дж / м 2 для наземных липосом. Что касается тепловых колебаний, азотосомы будут казаться более жесткими, чем земные липосомы, потому что тепловые колебания на Титане меньше, чем на Земле. Однако в отношении механического стресса криогенные азотосомы и липосомы при комнатной температуре будут реагировать на удивление одинаково.

Поучительно сравнение гексана и гексаннитрила. Обычный гексан образует слой в восемь раз более жесткий, чем гексаннитрил. Кроме того, бислой гексана является хрупким, как показано на рис. 2. После небольшого растяжения кажется, что он трескается. Напротив, слой гексаннитрила равномерно растягивается на всем протяжении. Единственное различие между этими двумя соединениями состоит в том, что гексаннитрил имеет полярный азотный напор.

Рис. 2 Растяжение азотосомы гексаннитрила и бислоя гексана.

Наклон линейной посадки пропорционален модулю площади K a .

Ключевое различие между чистым углеводородным слоем и азотосомой заключается в структуре, обусловленной полярным азотным напором. Мы считаем, что именно эта структура позволяет криогенным азотосомам обладать гибкостью липидного бислоя при комнатной температуре.

Энергетические барьеры диссоциации для каждой азотосомы также приведены в таблице 4. Ацетонитрил, бутаннитрил, гексаннитрил, аминопропан и аминобутан имеют значения Δ E значительно ниже 8 ккал / моль, что указывает на нестабильные азотосомы.Азотосомы пропаннитрила, пентаннитрила, аминопентана и аминогексана имеют энергетический барьер, близкий к 8 ккал / моль. Их следует рассматривать в качестве возможных кандидатов, потому что их значения находятся в пределах 20% неопределенности, которая, как мы считаем, здесь уместна. Азотосомы акрилонитрила демонстрируют высокие барьеры разложения (17 ккал / моль), которые достаточны для обеспечения их стабильности в течение длительного времени.

Геометрия молекулы акрилонитрила, по-видимому, благоприятствует азотосомам и препятствует другим состояниям (рис.3). Это согласуется с тем фактом, что акрилонитрил, как экспериментально известно, имеет несколько неупорядоченную твердую фазу ( 28 ). Как и все азотосомы, изученные здесь, азотосомы акрилонитрила симметричны относительно плоскости мембраны, что означает, что, как и липидный бислой, они должны быть способны образовывать везикулы разных размеров.

Рис. 3 Состояния акрилонитрила.

( A ) Азотосома. Взаимосвязанные атомы азота и водорода укрепляют структуру.( B ) Твердый. Соседние атомы азота создают неблагоприятное отталкивание. ( C ) Мицеллы. Соседние атомы азота делают это крайне неблагоприятным. ( D ) Азотосомная везикула диаметром 90 Å, размером с небольшую вирусную частицу.

Расчет свободных энергий, необходимых для определения K a , также позволил нам получить полную свободную энергию разложения для каждой азотосомы. Эти значения показаны в Таблице 5. Все эти свободные энергии положительны, что указывает на то, что состояние азотосомы предпочтительнее растворенного состояния.Эти значения свободной энергии зависят от концентрации, поскольку Δ G растворение всегда отрицательно при бесконечном разбавлении. Концентрация, создаваемая растворением одной молекулы азотосомы в каждой коробке, составляет около 0,1%, что выше, чем мы могли ожидать в морях Титана. Однако реальные концентрации в настоящее время неизвестны, поэтому они могут быть или не быть достаточно высокими, чтобы сделать азотосомы термодинамически стабильными. В Δ G нет тенденции в отношении количества атомов углерода в цепи.Δ G , по-видимому, определяется тем, как молекулы подходят друг другу, а не каким-либо простым свойством самих молекул.

Таблица 5 Свободная энергия Гиббса разложения.

Чистая механическая работа, необходимая для удаления молекулы с мембраны, с погрешностью 20%. Эти значения зависят от концентрации.

ОБСУЖДЕНИЕ

Мы предполагаем, что в холодном мире без кислорода пузырьки, необходимые для компартментализации, ключевого требования для жизни, будут сильно отличаться от пузырьков, обнаруженных на Земле.Вместо длинноцепочечных неполярных молекул, образующих прототип земной мембраны в водном растворе, мы находим мембраны, которые образуются в жидком метане при криогенных температурах, благодаря притяжению между полярными головками короткоцепочечных молекул, богатых азотом. Мы назвали такую ​​мембрану азотосомой. Мы обнаружили, что гибкость таких мембран примерно такая же, как у мембран, образованных в водных растворах. Несмотря на огромную разницу в температурах между криогенными азотосомами и земными липосомами при комнатной температуре, которые делают практически любую молекулярную структуру жесткой, они демонстрируют удивительно и захватывающе похожие реакции на механическое воздействие.

На основании наших критериев термодинамической стабильности или, по крайней мере, метастабильности, азотосома кажется реализуемой криогенной мембраной. Исходя из всех известных молекулярных компонентов в атмосфере такого мира, Титана, мы смогли выбрать пару молекул-кандидатов, которые были способны проявлять свойства, которые кажутся важными для образования пузырьков. Например, азотосома акрилонитрила имеет хорошую термодинамическую стабильность, высокий энергетический барьер для разложения и модуль расширения площади, аналогичный таковому у фосфолипидных клеточных мембран в богатых кислородом растворах. Акрилонитрил существует в атмосфере Титана в концентрации 10 частей на миллион и, вероятно, может образоваться на любом небесном теле с азотно-метановой атмосферой.

Наличие молекул, способных образовывать клеточные мембраны, само по себе не показывает, что жизнь возможна. Тем не менее, он направляет наши поиски на экзотические метаболические и репродуктивные химические процессы, которые были бы аналогичным образом совместимы в криогенных условиях. По мере того, как наше понимание условий, которые могут способствовать развитию внеземной жизни, расширяется, увеличивается и наша вероятность найти ее, возможно, в зоне обитания жидкого метана.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Первым свойством азотосом, которое мы исследовали, была их гибкость, измеренная по модулю расширения площади K a . Одной из процедур, которая использовалась для расчета этого свойства, является моделирование спонтанного колебания площади мембраны в течение длительного прогона MD ( 18 ). Однако этот метод основан на случайной выборке редких событий и, следовательно, имеет проблемы с точностью, завышая оценку K a в ≥2 раз ( 18 ).Вместо этого мы сделали мембрану заданным отступом и рассчитали модуль расширения площади, исходя из сопротивления растяжению ( 18 ). Это напрямую сопоставимо с методом наноиндентирования, который используется для экспериментального нахождения K a , и сравнение такого моделирования и экспериментов с наземными липосомами показало, что они дают эквивалентные результаты ( 18 ).

Вторым критерием, который мы использовали для оценки азотосом, была их стабильность.Одна процедура, которая была использована для изучения стабильности липосом, заключается в моделировании мембраны в течение длительного периода МД и наблюдении, диссоциирует ли она спонтанно ( 20 ). К сожалению, ожидание диссоциации эффективно только для самых слабых мембран, поскольку МД обычно охватывает только наносекунды моделируемого времени. Превосходная процедура — найти временной масштаб диссоциации по энергии активации ( 29 ). По закону Аррениуса скорость процесса с энергией активации Δ E пропорциональна exp (−Δ E / k B T ), где k B — постоянная Больцмана. а T — абсолютная температура ( 29 ).Если известен временной масштаб процесса без энергетического барьера, t 0 , то временной масштаб процесса с барьером определяется как t = t 0 exp (Δ E / к B T ).

Зависимость шкалы времени от Δ E является экспоненциальной, поэтому неопределенность шкалы времени будет больше, чем лежащая в основе неопределенность энергетического барьера. К счастью, нам нужен только порядок величины шкалы времени.Для перемещения молекулы на 1 Å при 94 К без энергетического барьера требуется порядка t 0 = 1 пс. Если, например, требуется энергия активации 8 ккал / моль, это дает масштаб времени 1 пс × exp (8 ккал / моль / k B T ) = 235 000 с (три земных дня). В отсутствие ошибки модели этот временной масштаб является достаточно длинным, чтобы можно было предположить, что азотосома достаточно стабильна, если ее энергетический барьер разложения превышает 8 ккал / моль.С погрешностью 20%, соответствующей погрешности между OPLS и ab initio энергиями связывания компонентов азотосом, более консервативным ограничением будет использование барьера в 10 ккал / моль, что соответствует времени разложения более 100 земных лет. .

Проверка силового поля OPLS

Мы подтвердили точность модели OPLS для наших молекул с помощью квантово-механических расчетов. Мы использовали программу квантовой механики Gaussian 09 с алгоритмом оптимизации Берни ( 30 ), используя уровень теории M062X / aug-cc-pVDZ и неявный углеводородный растворитель ( 31 ). Чтобы вычислить энергии связи, мы сравнили энергию оптимизированной свободно плавающей молекулы с энергией оптимизированной пары молекул. Для квантовой энергии связи мы исправили ошибку суперпозиции базисного набора по мере необходимости ( 32 ). Мы подтвердили структуры OPLS и парные энергии связи каждой из изученных здесь молекул в сравнении с этими квантово-механическими расчетами, и мы исключили любые модели OPLS, которые имели ошибки в расстояниях связи более 0,04 Å, в валентных углах (1 °), в двугранных углов (2 °) и энергий связи (1 ккал / моль).Двугранные, которые являются свободными роторами (например, вращение вокруг связи алканов C-C), не были включены в средние ошибки, поскольку их углы не вносят значительного вклада в энергию. Эти данные перечислены в результатах. Мы выполнили эти тесты с использованием ab initio расчетов с вычислительно точным, но особенно точным уровнем теории M062X / aug-cc-pVDZ ( 33 ). Этот «миннесотский функционал», как известно, дает точные парные энергии связи для ван-дер-ваальсовых и полярных систем ( 34 ).

После подтверждения достоверности структур, созданных OPLS, с помощью моделирования ab initio, аналогичным образом были подтверждены и энергии связи. Для сравнения были созданы два набора энергий связи, генерируемых ab initio, один в вакууме и один в неявном растворителе. Энергии на основе растворителей ближе к экспериментальным условиям, тогда как энергии в вакууме использовались, по существу, в качестве границ погрешности. Модели OPLS с ошибками энергии связи в растворителе более 1 ккал / моль были исключены.

Метод MD для гибкости мембраны

Чтобы найти гибкость и энергетические барьеры наших кандидатов в азотосомы, нам необходимо вычислить все возможные пути, по которым молекула может покинуть свою азотосому, а затем просуммировать соответствующие свойства этих маршрутов в соответствии с вероятностью их появления. Свойства, которые мы выбрали в качестве релевантных здесь, — это потенциальная энергия и сила, действующая на тестовую молекулу в направлении мембраны. Чтобы подготовить все эти возможные маршруты, мы начали с репрезентативного участка мембраны, сетки молекул размером 6 × 6 x y для каждого вида-кандидата.

Затем этот кусок мембраны периодически расширяли, чтобы имитировать двумерную мембрану произвольной длины. Окружающее пространство было заполнено растворителем метаном. Краевые молекулы (те, для которых x = 0 или y = 0) удерживались фиксированными в направлении z , чтобы удерживать мембрану на месте. Мембране давали возможность уравновеситься, чтобы она самостоятельно собралась в желаемую структуру, как показано на рис. 4.

Рис. 4 Положения азотных головок в выбранных азотосомах.

( A ) Начальная сетка. ( B ) Аминопентан (аморфный). ( C ) Пентаннитрил (гексагональный). ( D ) Акрилонитрил (гексагональная плотная упаковка).

Затем тестовая молекула (в местоположении x , y = 3,3) постепенно удалялась в направлении z . При каждом приращении тестовой молекуле позволяли свободно перемещаться в направлениях [ x , y ]. В направлении z он был слабо ограничен гармоническим потенциалом, что позволяло ему отбирать близлежащие местоположения z , но не покидать окрестности.Эта процедура, известная как «зонтичная выборка», позволяет осуществлять выборку всех возможных конфигураций, а также обеспечивает оценку того, была ли выборка адекватной — мы можем просто проверить, достаточно ли у нас выборок из каждого небольшого приращения в направлении z . Схема этого процесса представлена ​​на рис. 5.

Рис. 5 Зонтичный отбор образцов процесса разложения азотосом.

Тестовая молекула постепенно отводится от мембраны в направлении z .

Эта процедура необходима из-за высоких барьеров азотосом к разложению. Если бы барьеры для разложения были низкими, система, естественно, произвела бы выборку разложенных состояний в течение смоделированного времени. Зонтичная выборка вынуждает моделирование достичь этих состояний, даже если для их возникновения потребуется очень много времени из-за собственных флуктуаций.

На каждом из миллионов шагов МД оценивалась функция потенциальной энергии и вычислялась сила, необходимая для удержания тестовой молекулы от мембраны.В результате были получены профили силы и потенциальной энергии в зависимости от расстояния до мембраны, которые приводятся отдельно в дополнительных материалах. Профили силы были интегрированы по расстоянию, чтобы получить профили свободной энергии, как показано на рис. 6. Изменение площади было рассчитано путем измерения отклонения атома азота с выемкой в ​​центре листа и определения площади образованной прямоугольной пирамиды. между ним и удерживаемым атомом азота по углам листа.Эта процедура оказалась очень устойчивой к изменениям общего размера листа. Отклонение зазубренного атома измерялось относительно равновесного состояния мембраны, то есть относительно точки минимума свободной энергии.

Рис. 6 Растяжение азотосом.

Наклон аппроксимирующей линии пропорционален модулю площади K a .

Потенциальный энергетический барьер для каждой азотосомы был рассчитан путем обнаружения наибольшего разового непрерывного увеличения потенциальной энергии во время разложения каждой азотосомы.Концепция определяющего скорость энергетического барьера в стиле Аррениуса основана на непрерывности барьера. Если существует устойчивое промежуточное состояние, при котором система может повторно уравновеситься, то это не один барьер, а два меньших барьера с резким увеличением предполагаемой скорости реакции. Поскольку мы использовали зонтичную выборку с ее детальным обзором энергетических профилей, мы смогли разделить их на очень мелкие участки (0,05 Å) и убедиться, что внутри наших барьеров нет промежуточных состояний.Пример барьера (акрилонитрил) показан на рис. 7.

Рис. 7 Профиль потенциальной энергии разложения акрилонитрила.

Самый большой мгновенный энергетический барьер — это энергия активации разложения азотосомы.

Несколько мелких срезов 0,05 Å, почти все в начале и конце, где не могло произойти перекрытие зонтичного отбора проб, содержали менее 500 образцов. Мы удалили эти участки для рассмотрения как барьеры, потому что (500 образцов) × (2 фс на образец) меньше, чем временной масштаб нашего уравновешивания NPT (1000 фс).Это делает наши расчеты энергетического барьера более консервативными, поскольку частота дискретизации секции обратно пропорциональна ее энергии.

Все прогоны МД были выполнены с использованием крупномасштабного атомно-молекулярного массивно-параллельного симулятора (LAMMPS; распространение в марте 2014 г.) ( 35 ). Стандартные параметры OPLS использовались без изменений из наборов данных Jorgensen 2008 ( 36 ). Были соблюдены типичные передовые методы моделирования мембран с помощью МД. Например, ансамбль постоянной температуры и постоянного давления (NPT) был применен с использованием термостата Носа-Гувера и баростата, причем баростат был анизотропным ( 37 ). Анизотропный баростат позволяет мембране свободно изменять или терять свою структуру, повышая реалистичность моделирования ( 20 ). Температура была установлена ​​на 94 К, а давление на 1,45 атм, аналогично условиям на поверхности Титана ( 17 ). Использовалось интегрирование Верле с шагом по времени 2 фс ( 37 ). Алгоритм «частица-частица-сетка» использовался для добавления дальнодействующих кулоновских взаимодействий, которые важны при моделировании мембран ( 38 ).Короткодействующие силы, кулоновские взаимодействия и силы Леннарда-Джонса вычислялись попарно с радиусом отсечки 8 Å ( 38 ). Каждая мембрана была инициализирована как плоская плоскость x y с периодическими граничными условиями в x , y и z , как показано на рис. 3. Первоначальный размер ячейки моделирования составлял 21 × 21 × 42 Å. Положение тестируемой молекулы изменяли с шагом 0,2 Å, начиная с 2 Å ниже ее начального положения в мембране и заканчивая на 10 Å выше, что дает 60 имитаций для каждого тестируемого вида. Затем сбор данных выполнялся в течение 1 нс на каждом приращении. Направление z на каждую молекулу оказывалось на ее концевой атом азота или, в неполярной молекуле, на ее концевой атом углерода. Это позволяло каждой молекуле вращаться, если она испытывала асимметричную силу, давая ей доступ к максимальному количеству степеней свободы. Ограничения на краевые молекулы были абсолютными ( z сил были установлены равными нулю), тогда как ограничение на тестовую молекулу было наложено как гармоническая сила с жесткостью пружины 10 ккал / моль-Å.Это умеренное ограничение позволило исследуемой молекуле покрыть диапазон 0,2 Å и перекрыться с диапазонами других моделей, обеспечивая непрерывный анализ свойств системы.

Исправление (25 марта 2015 г.): Обновлен раздел благодарностей.

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями некоммерческой лицензии Creative Commons Attribution, которая разрешает использование, распространение и воспроизведение на любом носителе, при условии, что конечное использование не преследует коммерческих целей и при условии, что оригинальная работа правильно процитировано.

ССЫЛКИ И УКАЗАНИЯ

  1. g E. Lellouch, TE Cravens, Titan: Interior, Surface, Atmosphere, and Space Environment (Cambridge University Press, Кембридж, Великобритания, 2014), т. 14.

  2. W.Йоргенсен, Всеатомные параметры OPLS для органических молекул, ионов, пептидов и нуклеиновых кислот (Йельский университет, Нью-Хейвен, Коннектикут, 2009).

Благодарности: Мы благодарим нескольких коллег из Корнельского факультета: Ф. Эскобедо, С. Даниэля и Н. Хейрстон за чтение этой рукописи и за их полезные предложения и исправления. Мы благодарим Дэвида Ашера за предложение термина азотосома, а также его и Дэвида Шеллоуэя за обсуждения, которые привели к концепции азотсодержащих обратных везикул и мицелл. Финансирование: Мы благодарны Фонду Темплтона за финансовую поддержку. Вклад авторов: J.S. выполнил моделирование MD и написал черновики статьи, J.L. предоставил консультации по среде Титана и направил моделирование, чтобы оно соответствовало ей, а P.C. предоставил консультации по моделированию MD и руководил моделированием и написанием статьи. Конкурирующие интересы: Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов. Доступность данных и материалов: Данные, представленные в этом документе, и пользовательский код, использованный для их создания, находятся в репозитории https://github.com/jminuse/azotosome-paper.
  • Авторские права © 2015, Авторы

Определение мембраны Merriam-Webster

мем · брана | \ ˈMem-brān \

1 : тонкий мягкий гибкий лист или слой, особенно животного или растительного происхождения.

2 : кусок пергамента, составляющий часть рулона.

Biology4Kids.

com: Структура клетки: клеточная мембрана

Согласно теории клеток , клетки являются основной единицей организации в биологии. Независимо от того, являетесь ли вы отдельной клеткой или синим китом с триллионами клеток, вы все равно состоите из клеток. Все клетки содержатся в клеточной мембране , которая удерживает части внутри. Когда вы думаете о мембране, представьте, что она похожа на большой пластиковый пакет с крошечными отверстиями. Этот мешок удерживает все части клеток и жидкости внутри клетки и хранит любые неприятные вещи вне клетки.Отверстия предназначены для того, чтобы некоторые предметы могли входить и выходить из камеры. Клеточная мембрана не является твердой структурой. Он состоит из миллионов более мелких молекул, образующих гибкий и пористый контейнер. Белки и фосфолипиды составляют большую часть мембранной структуры. Фосфолипиды составляют основную сумку. Белки находятся вокруг отверстий и помогают перемещать молекулы внутрь и из клетки. Есть также белки, прикрепленные к внутренней и внешней поверхности мембраны.

Ученые используют модель жидкой мозаики для описания организации фосфолипидов и белков. Модель показывает, что молекулы фосфолипидов имеют форму головы и хвоста. Головная часть молекулы любит воду ( гидрофильный ), а хвост — нет ( гидрофобный ). Поскольку хвосты не допускают попадания воды, они имеют тенденцию прилипать друг к другу и позволяют головам быть обращенными к водянистым ( водным, ) участкам внутри и снаружи клетки. Две поверхности молекул создают липидный бислой .

А как насчет мембранных белков? Ученые показали, что многие белки плавают в липидном бислое. Некоторые прикреплены навсегда, а другие — только временно. Некоторые из них прикрепляются только к внутреннему или внешнему слою мембраны, в то время как трансмембранные белки проходят через всю структуру. Трансмембранные белки, которые пересекают бислой, очень важны для активного транспорта ионов и небольших молекул. Узнав больше об органеллах клетки, вы обнаружите, что все они имеют мембрану.Мембраны органелл не имеют того же химического состава, что и клеточная мембрана. У них разные липиды и белки, которые делают их уникальными. Мембрана, окружающая лизосому, отличается от мембраны вокруг эндоплазматической сети.

Некоторые органеллы имеют две мембраны. Митохондрия имеет внешнюю и внутреннюю мембраны. Наружная мембрана содержит части митохондрий. Внутренняя мембрана содержит пищеварительные ферменты, расщепляющие пищу. Хотя мы все время говорим о мембранах, вы должны помнить, что все они используют базовую двухслойную структуру фосфолипидов, но вы найдете множество вариаций во всей клетке.

Паспорт иммунной системы (видео Пенсильванского университета)



Полезные ссылки

Encyclopedia.com:
http://www.encyclopedia.com/topic/Plasma_Membrane.aspx
Википедия:
http://en. wikipedia.org/wiki/Cell_membrane
Encyclopdia Britannica
http://www.britannica.com/EBchecked/topic/101396/cell/37365/The-cell-membrane?anchor=ref313686

Функция и структура клеточной мембраны

Клеточная мембрана (плазматическая мембрана) — это тонкая полупроницаемая мембрана, которая окружает цитоплазму клетки.Его функция заключается в защите целостности внутренней части клетки, позволяя одним веществам проникать в клетку, не допуская попадания других веществ. Он также служит основой для прикрепления цитоскелета у одних организмов и клеточной стенки у других. Таким образом, клеточная мембрана также помогает поддерживать клетку и помогает поддерживать ее форму.

Ключевые выводы

  • Клеточная мембрана — это многогранная мембрана, которая окружает цитоплазму клетки. Он защищает целостность клетки, а также поддерживает клетку и помогает поддерживать форму клетки.
  • Белки и липиды являются основными компонентами клеточной мембраны. Точная смесь или соотношение белков и липидов может варьироваться в зависимости от функции конкретной клетки.
  • Фосфолипиды — важные компоненты клеточных мембран. Они спонтанно образуют липидный бислой, который является полупроницаемым, так что только определенные вещества могут диффундировать через мембрану внутрь клетки.
  • Подобно клеточной мембране, некоторые клеточные органеллы окружены мембранами.Ядро и митохондрии — два примера.

Другая функция мембраны — регулировать рост клеток за счет баланса эндоцитоза и экзоцитоза. При эндоцитозе липиды и белки удаляются из клеточной мембраны по мере интернализации веществ. При экзоцитозе везикулы, содержащие липиды и белки, сливаются с клеточной мембраной, увеличивая размер клетки. Клетки животных, клетки растений, прокариотические клетки и клетки грибов имеют плазматические мембраны. Внутренние органеллы также покрыты мембранами.

Липиды клеточной мембраны

Вид фосфолипидов под микроскопом.

Stocktrek Images / Getty Images

Фосфолипиды являются основным компонентом клеточных мембран. Фосфолипиды образуют липидный бислой, в котором их гидрофильные (привлекаемые водой) области головы спонтанно располагаются так, чтобы быть обращенными к водному цитозолю и внеклеточной жидкости, в то время как их гидрофобные (отталкиваемые водой) участки хвоста обращены в сторону от цитозоля и внеклеточной жидкости. Липидный бислой является полупроницаемым, что позволяет только определенным молекулам диффундировать через мембрану.

Холестерин — еще один липидный компонент мембран клеток животных. Молекулы холестерина селективно распределены между фосфолипидами мембран. Это помогает удерживать клеточные мембраны от жесткости, предотвращая слишком плотную упаковку фосфолипидов. Холестерин не содержится в мембранах растительных клеток.

Гликолипиды расположены на поверхности клеточных мембран и имеют присоединенную к ним углеводную сахарную цепь. Они помогают клетке распознавать другие клетки тела.

Белки клеточной мембраны

Липопротеины и PCSK9 связываются с рецепторами.

МАУРИЦИО ДЕ АНДЖЕЛИС / НАУЧНАЯ ФОТОБИБЛИОТЕКА / Getty Images

Клеточная мембрана содержит два типа связанных белков. Белки периферической мембраны находятся вне мембраны и связаны с ней посредством взаимодействия с другими белками. Интегральные мембранные белки вставляются в мембрану и в большинстве своем проходят через мембрану. Части этих трансмембранных белков открыты с обеих сторон мембраны.Белки клеточной мембраны выполняют ряд различных функций.

Структурные белки помогают придавать клеткам поддержку и форму.

Белки рецептора клеточной мембраны помогают клеткам общаться с внешней средой с помощью гормонов, нейротрансмиттеров и других сигнальных молекул.

Транспортные белки , такие как глобулярные белки, переносят молекулы через клеточные мембраны посредством облегченной диффузии.

Гликопротеины имеют прикрепленную к ним углеводную цепь.Они встроены в клеточную мембрану и помогают межклеточной коммуникации и транспорту молекул через мембрану.

Молекулярные выражения Клеточная биология: плазменная мембрана


Плазменная мембрана

Все живые клетки, прокариотические и эукариотические, имеют плазматическую мембрану, которая закрывает их содержимое и служит полупористым барьером для внешней среды. Мембрана действует как граница, удерживая компоненты клетки вместе и препятствуя проникновению других веществ.Однако плазматическая мембрана проницаема для определенных молекул и позволяет питательным веществам и другим важным элементам проникать в клетку, а отходам — ​​покидать клетку. Небольшие молекулы, такие как кислород, углекислый газ и вода, могут свободно проходить через мембрану, но прохождение более крупных молекул, таких как аминокислоты и сахара, тщательно регулируется.

Согласно принятой в настоящее время теории, известной как модель жидкой мозаики , плазматическая мембрана состоит из двойного слоя ( бислой ) липидов, маслянистых веществ, присутствующих во всех клетках (см. Рисунок 1).Большинство липидов в бислое можно более точно описать как фосфолипиды , то есть липиды, которые имеют фосфатную группу на одном конце каждой молекулы. Фосфолипиды обычно являются гидрофильными («водолюбивыми») на их фосфатных концах и гидрофобными («водобоязненными») вдоль их липидных хвостовых областей. В каждом слое плазматической мембраны гидрофобные липидные хвосты ориентированы внутрь, а гидрофильные фосфатные группы выровнены так, что они обращены наружу, либо к водному цитозолю клетки, либо к внешней среде.Фосфолипиды имеют тенденцию к спонтанной агрегации по этому механизму всякий раз, когда они подвергаются воздействию воды.

Внутри фосфолипидного бислоя плазматической мембраны встроено множество разнообразных белков, в то время как другие белки просто прикрепляются к поверхности бислоя. Некоторые из этих белков, в первую очередь те, которые, по крайней мере, частично открыты на внешней стороне мембраны, имеют углеводы, прикрепленные к их внешней поверхности, и поэтому называются гликопротеинами . Расположение белков вдоль плазматической мембраны частично связано с организацией филаментов, составляющих цитоскелет, которые помогают закрепить их на месте. Расположение белков также включает гидрофобные и гидрофильные области, обнаруженные на поверхности белков: гидрофобные области связаны с гидрофобной внутренней частью плазматической мембраны, а гидрофильные области простираются за поверхность мембраны либо во внутреннюю часть клетки, либо во внешнюю. среда.

Белки плазматической мембраны функционируют по-разному. Многие из белков играют роль в селективном транспорте определенных веществ через бислой фосфолипидов, действуя либо как каналы, либо как активные транспортные молекулы. Другие действуют как рецепторы, которые связывают молекулы, обеспечивающие информацию, такие как гормоны, и передают соответствующие сигналы на основе полученной информации внутрь клетки. Мембранные белки также могут проявлять ферментативную активность, катализируя различные реакции, связанные с плазматической мембраной.

С 1970-х годов плазматическую мембрану часто описывают как жидкую мозаику , что отражает открытие, что часто липидные молекулы в бислое могут перемещаться в плоскости мембраны. Однако в зависимости от ряда факторов, включая точный состав бислоя и температуру, плазменные мембраны могут претерпевать фазовых переходов , которые делают их молекулы менее динамичными и создают более гелеобразное или почти твердое состояние.Клетки способны регулировать текучесть своих плазматических мембран в соответствии со своими конкретными потребностями, синтезируя больше определенных типов молекул, например, с особыми типами связей, которые поддерживают их текучесть при более низких температурах. Присутствие холестерина и гликолипидов, которые содержатся в большинстве клеточных мембран, также может влиять на молекулярную динамику и ингибировать фазовые переходы.

У прокариот и растений плазматическая мембрана является внутренним слоем защиты, поскольку жесткая клеточная стенка образует внешнюю границу для их клеток. Стенка клетки имеет поры, которые позволяют материалам входить в клетку и покидать ее, но они не очень избирательны в отношении того, что проходит через нее. Плазматическая мембрана, выстилающая клеточную стенку, обеспечивает окончательный фильтр между внутренней частью клетки и окружающей средой.

Обычно считается, что клетки эукариотических животных произошли от прокариот, утративших свои клеточные стенки. Оставив только гибкую плазматическую мембрану, окружающую их, эти первобытные существа смогли бы увеличиваться в размерах и становиться сложнее.Эукариотические клетки обычно в десять раз больше, чем прокариотические клетки, и имеют мембраны, содержащие внутренние компоненты, органеллы. Как и внешняя плазматическая мембрана, эти мембраны также регулируют поток материалов, позволяя клетке разделять свои химические функции на отдельные внутренние части.

НАЗАД К СТРУКТУРЕ КЛЕТКИ ЖИВОТНЫХ

НАЗАД К СТРУКТУРЕ ЯЧЕЙКИ

Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо.
© 1995-2019, автор — Майкл В. Дэвидсон и Государственный университет Флориды. Все права защищены. Никакие изображения, графика, программное обеспечение, сценарии или апплеты не могут быть воспроизведены или использованы каким-либо образом без разрешения правообладателей. Использование этого веб-сайта означает, что вы соглашаетесь со всеми юридическими положениями и условиями, изложенными владельцами.
Этот веб-сайт обслуживается нашим

Команда разработчиков графики и веб-программирования
в сотрудничестве с оптической микроскопией в Национальной лаборатории сильного магнитного поля
.
Последнее изменение: пятница, 13 ноября 2015 г., 13:18
Счетчик доступа с 1 октября 2000 г .: 1427121
Микроскопы предоставлены:

Что такое мембраны? | Протокол

5.1: Что такое мембраны?

Ключевой характеристикой жизни является способность отделять внешнюю среду от внутреннего пространства. Для этого в клетках появились полупроницаемые мембраны, которые регулируют прохождение биологических молекул.Кроме того, клеточная мембрана определяет форму клетки и взаимодействие с внешней средой. Мембраны эукариотических клеток также служат для разделения внутреннего пространства на органеллы, включая эндомембранные структуры ядра, эндоплазматический ретикулум и аппарат Гольджи.

Мембраны в основном состоят из фосфолипидов, состоящих из гидрофильных головок и двух гидрофобных хвостов. Эти фосфолипиды самоорганизуются в бислои, хвосты которых ориентированы к центру мембраны, а головки — наружу.Такое расположение позволяет полярным молекулам взаимодействовать с головками фосфолипидов как внутри, так и снаружи мембраны, но предотвращает их перемещение через гидрофобное ядро ​​мембраны.

Белки и углеводы способствуют уникальным свойствам клеточной мембраны. Интегральные белки встроены в мембрану, а периферические белки прикреплены либо к внутренней, либо к внешней поверхности мембраны. Трансмембранные белки — это интегральные белки, покрывающие всю клеточную мембрану.Белки трансмембранного рецептора важны для передачи сообщений извне внутрь клетки. При связывании с внеклеточной сигнальной молекулой трансмембранные рецепторы претерпевают конформационные изменения, которые служат внутриклеточным сигналом. Другие белки, такие как ионные каналы, служат для регулирования прохождения больших или полярных молекул через ядро ​​гидрофобной мембраны.

Углеводы связаны либо с липидами, либо с белками на внешней поверхности клеточной мембраны.Уникальные структуры гликопротеинов и гликолипидов, присутствующие на внешней поверхности клетки, позволяют клеткам распознаваться. Иммунные клетки человека способны отличать себя от чужого, распознавая углеводные модификации на поверхности клеток. Вместе белки, углеводы и липиды, присутствующие на мембране, создают функциональную и гибкую границу для клеток.


Рекомендуемая литература

Сыч, Тарас, Ив Мели и Винфрид Ремер. «Самосборка липидов и реорганизация плазматической мембраны, вызванная лектином». Философские труды Королевского общества B: Биологические науки 373, нет. 1747 (2018): 20170117. [Источник]

Тарбелл, Джон М. и Л. М. Кансел. «Гликокаликс и его значение в медицине человека». Журнал внутренней медицины 280, вып. 1 (2016): 97-113. [Источник]

клеточных мембран извне внутрь — Mellon College of Science

Для клетки мембраны разделяют жизнь на части.Клеточная мембрана, которая окружает всю клетку, физически отделяет внутреннюю часть клетки от внеклеточного пространства. Но это не просто перегородка — клеточная мембрана опосредует транспорт ионов, которые регулируют возбуждение нейронов, обеспечивает место стыковки сигнальных молекул, которые позволяют клеткам общаться друг с другом, и содержит молекулы, которые позволяют иммунной системе идентифицировать клетку как » «я», а не «не-я». Внутри сложной внутренней части клетки связанные с мембраной компартменты осуществляют важные биохимические процессы, такие как переработка белка и производство энергии.

Несмотря на их важность, нам еще многое предстоит узнать о мембранах. Поскольку липиды и белки, образующие мембраны, постоянно перемещаются, перемещаются и перестраиваются, чтобы удовлетворить потребности клетки, изучение мембран чрезвычайно затруднено. Этот динамизм ставит ученых в тупик, потому что традиционные экспериментальные методы, такие как кристаллография, не работают с жидкой мембраной, объясняет профессор физики Матиас Лёше.

«Мембраны по своей природе неупорядочены. Если вы хотите что-то изучать с помощью кристаллографии, вам нужно кристаллизовать это, чтобы изучить с помощью рентгеновских лучей.Итак, вам нужна упорядоченная структура, которая повторяется снова и снова. Это то, что вы не можете сделать с мембранами, поэтому вам необходимо разработать новые методы определения характеристик и новые подходы, как в экспериментальной, так и в теоретической физике и биологии, чтобы изучить эти вопросы ».

Ученые из MCS изобрели и используют набор инструментов для более глубокого изучения молекулярных свойств мембран. Эта работа имеет важное значение для понимания нормального поведения клеток и того, что идет не так при таких заболеваниях, как ВИЧ, болезнь Альцгеймера и нарушениях обработки белков, которые приводят к раку и неврологическим расстройствам.

Пробираясь мимо Cellular Sentinel

Наружная мембрана клетки действует как ворота, предотвращая вторжение злоумышленников в клетку. Но вирусам, как и ВИЧ, удается проникнуть через защитный барьер клетки. Стефани Тристрам-Нэгл, адъюнкт-профессор исследований в области биологической физики, и ее сотрудник Джон Нэгл, профессор физики и биологических наук, недавно сделали важное открытие, которое помогает понять, почему ВИЧ может с такой очевидной легкостью получать доступ к иммунным клеткам. .

Ученым более 20 лет известно, что ВИЧ сливается с иммунными клетками через gp41, белок, расположенный на поверхности вируса. Хотя у ученых есть рентгеновские изображения gp41 до и после его слияния с клеточной мембраной, до сих пор было загадкой, что именно происходит во время слияния.

Тристрам-Нэгл и Нэгл приготовили стопки из тысяч полностью гидратированных липидных бислоев, используя новый метод, разработанный в их лаборатории. Липиды в нижней части стопки прикреплены к твердой подложке, что придает модельной мембране необходимую стабильность для экспериментального изучения, в то время как липидные бислои наверху стопки сохраняют свою естественную текучесть, что является ключевым требованием для любого биологически значимого модельная система.Тристрам-Нэгл засеял искусственные мембраны гибридным пептидом 23 ВИЧ (FP-23), коротким отрезком gp41, который, как известно, играет ключевую роль в слиянии вирусов. Используя метод диффузного рассеяния рентгеновских лучей, который они впервые использовали, Тристрам-Нэгл и Нэгл количественно определили структурные свойства липидных бислоев в присутствии FP-23. Проанализировав данные диффузного рентгеновского излучения, они обнаружили, что FP-23 резко снижает энергию, необходимую для изгиба мембраны, что значительно упрощает слияние вируса с иммунными клетками и их заражение.

«В клетках мембраны все время изгибаются, что требует энергии», — сказал Тристрам-Нэгл. «Мы обнаружили, что энергия, необходимая для изгиба мембраны, значительно уменьшилась — до 13 раз — когда мы добавили FP-23. Это должно помочь частично объяснить, как легко возникает ВИЧ-инфекция».

Новый поворот в вековых дебатах

Выступая в роли привратника, клеточная мембрана регулирует молекулярный трафик в клетку и из нее через специализированные мембранные белки. Ионные каналы, белки, покрывающие клеточную мембрану, являются ярким примером.Регулируя ионы, которые входят и выходят из клетки, ионные каналы являются жизненно важным компонентом в инициировании и распространении электрических импульсов в нервных клетках. Дисфункция самого ионного канала или мембраны, в которой он находится, может привести к множеству неврологических расстройств, включая болезнь Альцгеймера.

В головном мозге людей, страдающих болезнью Альцгеймера, имеются нерастворимые бляшки, содержащие неправильно свернутые пептиды, называемые бета-амилоидом (Aβ). Бляшки Aβ накапливаются между нервными клетками и были вовлечены в заболевание с тех пор, как Алоис Альцгеймер впервые открыл их 100 лет назад.В последние годы ученые предположили, что олигомеры Aβ — агрегаты промежуточного звена Aβ между отдельным пептидом и зрелыми бляшками — каким-то образом взаимодействуют с мембранами нервных клеток, но фактический механизм токсичности клеток остается неясным.

«Мы знаем, что олигомеры Aβ сильно взаимодействуют с мембранами и препятствуют их способности сохранять ионные градиенты между внутренней и внешней частью клетки. Однако остается огромной проблемой определить, действительно ли олигомеры Aβ делают отверстие в мембране, или если они влияют на свойства мембраны настолько, чтобы изменить критические свойства мембранных каналов », — объясняет Лёше.

Используя методы рассеяния нейтронов, Лёше и его коллеги из Национального института стандартов и технологий (NIST) изучают, как Aβ взаимодействует с моделями синтетических мембран, называемыми «привязанными двухслойными липидными мембранами» (tBLM). TBLM состоят из липидного бислоя, который химически связан с твердой подложкой, например с кремниевой пластиной, через полимерные тросы.

«Эти привязанные мембраны очень мощные, потому что они чрезвычайно стабильны. Мы можем манипулировать ими и измерять их в течение длительного времени.»Это необычно для изысканно хрупкого листочка жидкого материала толщиной 5 нанометров», — сказал Лёше.

В сотрудничестве с химиками из Калифорнийского университета в Ирвине команда Лёше инкубировала tBLM с олигомерами Aβ и изучила структурную и функциональную реакцию мембраны в Центре нейтронных исследований NIST в Гейтерсбурге, штат Мэриленд. липидный бислой, который вызывает утечку ионов через мембрану. Но характер утечки мембраны отличается от сигнатуры других мембранных дисфункций, которые группа Лёше подробно изучила.Например, некоторые бактерии выделяют токсин, альфа-гемолизин, который внедряется в мембраны клетки-хозяина, образуя каналы, которые вызывают утечку заполненных водой ионов. По словам Лёше, при сравнении режима работы альфа-гемолизина и Aβ становится ясно, что олигомеры Aβ не просто «пробивают дыры» в мембране.

Группа Лёше теперь расширяет эту работу в сотрудничестве с Маркусом Дезерно, доцентом физики, который разрабатывает компьютерные модели клеточных мембран.

«Вы можете так много сделать с помощью экспериментов, но из-за внутреннего нарушения биологической мембраны невозможно рассмотреть все аспекты атомных деталей или молекулярной динамики.Все это можно сделать на компьютере », — объясняет Дезерно.

Дезерно и его коллеги из Института исследований полимеров Макса Планка в Майнце, Германия, создали компьютерную симуляцию, которая отслеживает поведение искусственной мембраны, состоящей из 50 000 отдельных липидных молекул. Каждая молекула липида просто представлена ​​в виде трех сфер.

«Наша модель крупнозернистая, — поясняет Дезерно. «Вы можете думать об этом как о картине импрессионистов. На расстоянии все выглядит хорошо. Вы можете увидеть кувшинки или балерин. Но вблизи все детали исчезли; вы просто видите цветные пятна. Мы заинтересованы в том, что происходит с кувшинками, а не в цветных пятнах », — говорит он.

С помощью этой крупнозернистой модели Дезерно может фиксировать важные характеристики, такие как изгибы и изгибы мембраны, что позволяет ему задавать вопросы, выходящие за рамки атомарного уровня, но ниже уровня всей клетки. Его модель также универсальна; он может добавить определенные представляющие интерес белки к липидной мембране и наблюдать, как они взаимодействуют.Следующий шаг для Дезерно и Лёше — засеять искусственную мембрану в компьютерной модели Дезерно белками Aβ, чтобы получить больше подсказок о том, как Aβ повреждает мембрану.

Связанный с мембраной

Наружная мембрана клетки — не единственная мембрана, выполняющая важные жизненно важные процессы. Клетки разделяют свои внутренние части на связанные с мембраной органеллы, такие как эндоплазматический ретикулум (ЭР) и аппарат Гольджи, для более эффективного выполнения различных задач, таких как производство белка.

Но мембрана органелл — это гораздо больше, чем просто барьер. Мембраны играют ключевую роль в транспортировке белков от ER к аппарату Гольджи, внутри аппарата Гольджи, а затем от Гольджи к их конечному месту назначения в клетке.

«Многие болезни возникают из-за нарушения в работе мембран, — сказал Адам Линстедт, профессор биологических наук. Исследователи обнаружили, что десятки генетических нарушений человека являются результатом дефектов мембранного обмена, включая несколько нейродегенеративных заболеваний и нарушений развития.

Линстедт вместе с Кристиной Ли, доцентом биологических наук, исследует пути мембранного переноса в Гольджи и ER и многое узнает о структуре органелл на этом пути.

Линштедт идентифицировал группу белков, участвующих в формировании ленты Гольджи, сложной структуры субкомпартментов Гольджи или стопок, связанных между собой канальцами. Стеки и ферменты внутри них функционируют как сборочная линия, обрабатывая тысячи вновь синтезированных белков и липидов, проходящих через Гольджи. Когда вновь синтезированный белок перемещается в стеке, ферменты модифицируют белок, добавляя такие компоненты, как углеводы или фосфаты. К тому времени, когда белок покидает Гольджи, он полностью обработан. Используя метод, называемый интерференцией РНК, Линстедт подавил экспрессию белков Гольджи GM130 и GRASP65 и обнаружил, что стеки Гольджи не соединяются в ленту. В клетках без ленты Линстедт обнаружил, что некоторые из несвязанных стопок имеют более высокие уровни ферментов, а другие — более низкие, в отличие от случаев, когда стопки ориентированы в виде ленты и имеют равное распределение ферментов Гольджи.Согласно Линстедту, единообразные уровни ферментов могут иметь решающее значение, потому что клетки с несвязанной лентой Гольджи имеют недостаточно обработанные белки. Нарушение обработки может привести к серьезным дефектам развития у самых разных организмов, от мышей до людей.

«Никто не знал, для чего нужна лента», — поясняет Линстедт. «Теперь у нас есть одно объяснение — лента важна для уравновешивания концентрации фермента во всей мембранной сети и необходима для правильной обработки белков. «

Гольджи играет важную роль в окончательной обработке белков, но изначально белки собираются в ER, единой непрерывной мембранной сети, которая простирается от ядра до клеточной мембраны. Ли применяет биохимический подход к изучению ER, взламывая открытые клетки и промывая солью, которая удаляет молекулы, электростатически связанные с мембраной ER. После тестирования этих молекул по очереди, чтобы увидеть их влияние на мембрану ER, Ли определил ключевой фактор, участвующий в формировании расширенной сети ER.Фактор, вариант фермента нуклеозиддифосфаткиназы (NDKB), уже был известен своей функцией в клетках, но не был связан с морфологией мембраны. Оказывается, что NDKB связывается непосредственно с кислыми фосфолипидами в мембране ER и может собираться с образованием каркаса, который стабилизирует расширенную мембранную сеть.

«Существует огромный поток мембраны, который начинается в ER и движется к поверхности клетки», — объясняет Линстедт. «Большая часть этого мембранного потока создается везикулами, образующимися из одного отсека и сливающимися со следующим отсеком. Возможно, если мы лучше поймем эти процессы, мы сможем нацелить мембранные пути трафика для борьбы с болезнями ».

По мере того, как ученые MCS используют инструменты биологии, чтобы понять основные функции клеток, и инструменты физики, чтобы выявить физические свойства мембран, они продвигаются на один шаг ближе к пониманию того, как мембраны функционируют при здоровье и болезнях.

«Я верю, что если биологи, физики, инженеры и математики будут ломать голову вместе, мы придем к новым открытиям намного быстрее и с большей уверенностью», — сказал Дезерно.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *