stringtranslate.com

Полупроницаемая мембрана

Схема полупроницаемой мембраны во время гемодиализа , где кровь красная, диализирующая жидкость синяя, а мембрана желтая.

Полупроницаемая мембрана — это тип синтетической или биологической полимерной мембраны , которая позволяет определенным молекулам или ионам проходить через нее путем осмоса . Скорость прохождения зависит от давления , концентрации и температуры молекул или растворенных веществ с обеих сторон, а также от проницаемости мембраны для каждого растворенного вещества. В зависимости от мембраны и растворенного вещества проницаемость может зависеть от размера растворенного вещества, растворимости , свойств или химии. То, как мембрана сконструирована, чтобы быть селективной в своей проницаемости, будет определять скорость и проницаемость. Многие природные и синтетические материалы, которые являются довольно толстыми, также являются полупроницаемыми. Одним из примеров этого является тонкая пленка на внутренней стороне яйца. [1]

Биологические мембраны являются избирательно проницаемыми [2] , при этом прохождение молекул контролируется облегченной диффузией , пассивным транспортом или активным транспортом, регулируемым белками, встроенными в мембрану.

Биологические мембраны

Фосфолипидный бислой

Фосфолипидный бислой является примером биологической полупроницаемой мембраны. Он состоит из двух параллельных, противоположных слоев равномерно расположенных фосфолипидов . Каждый фосфолипид состоит из одной фосфатной головки и двух жирнокислотных хвостов. [3] Плазматическая мембрана , которая окружает все биологические клетки, является примером фосфолипидного бислоя . [2] Плазматическая мембрана очень специфична по своей проницаемости , то есть она тщательно контролирует, какие вещества входят в клетку и выходят из нее. Поскольку они притягиваются к содержанию воды внутри и снаружи клетки (или гидрофильны ), фосфатные головки собираются вдоль внешней и внутренней поверхностей плазматической мембраны, а гидрофобные хвосты представляют собой слой, скрытый внутри мембраны. Молекулы холестерина также находятся по всей плазматической мембране и действуют как буфер текучести мембраны . [3] Фосфолипидный бислой наиболее проницаем для небольших незаряженных растворенных веществ . Белковые каналы встроены в фосфолипиды или проходят через них, [4] и в совокупности эта модель известна как модель жидкой мозаики . Аквапорины представляют собой поры белковых каналов, проницаемые для воды.

Сотовая связь

Информация также может проходить через плазматическую мембрану, когда сигнальные молекулы связываются с рецепторами в клеточной мембране. Сигнальные молекулы связываются с рецепторами, что изменяет структуру этих белков. [5] Изменение структуры белка инициирует каскад сигналов. [5] Сигнализация рецепторов, сопряженных с G-белком, является важным подмножеством таких сигнальных процессов. [6]

Соль снаружи клетки создает осмотическое давление, которое проталкивает воду через фосфолипидный бислой.

Осмотический стресс

Поскольку липидный бислой полупроницаем, он подвержен осмотическому давлению . [7] Когда растворенные вещества вокруг клетки становятся более или менее концентрированными, осмотическое давление заставляет воду течь в клетку или из нее для уравновешивания . [8] Этот осмотический стресс подавляет клеточные функции, которые зависят от активности воды в клетке, такие как функционирование ее ДНК и белковых систем и правильная сборка ее плазматической мембраны. [9] Это может привести к осмотическому шоку и гибели клетки . Осморегуляция — это метод, с помощью которого клетки противодействуют осмотическому стрессу, и включает осмосенсорные транспортеры в мембране, которые позволяют K+ [примечание 1] и другим молекулам проходить через мембрану. [8]

Искусственные мембраны

Искусственные полупроницаемые мембраны широко используются в исследованиях и медицине. Искусственные липидные мембраны можно легко манипулировать и экспериментировать с ними для изучения биологических явлений. [10] Другие искусственные мембраны включают те, которые задействованы в доставке лекарств, диализе и биосепарации. [11]

Обратный осмос

Объемный поток воды через селективно проницаемую мембрану из-за разницы осмотического давления называется осмосом . Это позволяет проходить только определенным частицам, включая воду, и оставлять позади растворенные вещества, включая соль и другие загрязняющие вещества. В процессе обратного осмоса вода очищается путем приложения высокого давления к раствору и, таким образом, проталкивания воды через тонкопленочную композитную мембрану (TFC или TFM). Это полупроницаемые мембраны, изготовленные в основном для использования в системах очистки или опреснения воды . Они также используются в химических приложениях, таких как батареи и топливные элементы. По сути, материал TFC представляет собой молекулярное сито, сконструированное в виде пленки из двух или более слоистых материалов. Сидни Леб и Шриниваса Сурираджан изобрели первую практическую синтетическую полупроницаемую мембрану. [12] Мембраны, используемые в обратном осмосе, как правило, изготавливаются из полиамида , выбранного в первую очередь из-за его проницаемости для воды и относительной непроницаемости для различных растворенных примесей, включая ионы солей и другие небольшие молекулы, которые невозможно отфильтровать.

Регенерация мембран обратного осмоса

Модули мембран обратного осмоса имеют ограниченный жизненный цикл, несколько исследований пытались улучшить производительность процесса и продлить срок службы мембран RO. Однако даже при соответствующей предварительной обработке исходной воды срок службы мембран обычно ограничен пятью-семью годами.

Отработанные модули мембран RO в настоящее время классифицируются во всем мире как инертные твердые отходы и часто выбрасываются на свалки с ограниченным повторным использованием. Оценки показали, что масса ежегодно выбрасываемых во всем мире мембран достигла 12 000 тонн. При нынешних темпах утилизация модулей RO представляет собой значительное и растущее неблагоприятное воздействие на окружающую среду, что приводит к необходимости ограничить прямую утилизацию этих модулей.

Отбракованные мембраны обратного осмоса, полученные в результате операций по опреснению, могут быть переработаны для других процессов, не требующих интенсивных критериев фильтрации опреснения, их можно использовать в приложениях, требующих мембран нанофильтрации (НФ). [13]

Этапы процесса регенерации:

1- Химическая обработка

Химические процедуры, направленные на удаление загрязнений с отработанной мембраны; используются различные химические вещества, такие как:

       - Гидроксид натрия (щелочной)

      - Соляная кислота (кислая)

      - Хелатирующие агенты, такие как лимонная и щавелевая кислоты

Существует три формы воздействия химических веществ на мембраны: простое погружение, рециркуляция чистящего средства или погружение в ультразвуковую ванну.

2 - Окислительная обработка

Он включает воздействие на мембрану растворов окислителей для удаления ее плотного ароматического полиамидного активного слоя и последующего преобразования в пористую мембрану. Используются окислители, такие как гипохлорит натрия NaClO (10–12%) и перманганат калия KMnO₄. [14] Эти агенты удаляют органические и биологические загрязнения с мембран обратного осмоса. Они также дезинфицируют поверхность мембраны, предотвращая рост бактерий и других микроорганизмов.

Гипохлорит натрия является наиболее эффективным окислителем с точки зрения проницаемости и отталкивания солей раствором.

Диализная трубка позволяет выборочно удалять молекулы отходов из крови.

Трубка для диализа

Диализная трубка используется при гемодиализе для очистки крови в случае почечной недостаточности . Трубка использует полупроницаемую мембрану для удаления отходов перед возвратом очищенной крови пациенту. [15] Различия в полупроницаемой мембране, такие как размер пор, изменяют скорость и идентичность удаляемых молекул. Традиционно использовались целлюлозные мембраны, но они могли вызывать воспалительные реакции у пациентов. Были разработаны синтетические мембраны, которые являются более биосовместимыми и приводят к меньшему количеству воспалительных реакций. [16] Однако, несмотря на повышенную биосовместимость, синтетические мембраны не были связаны со снижением смертности. [15]

Другие типы

Другими типами полупроницаемых мембран являются катионообменные мембраны (КОМ), анионообменные мембраны (АОМ), щелочно-анионообменные мембраны (ААОМ) и протонообменные мембраны (ПОМ).

Примечания

  1. ^ K+ — положительно заряженный ион (катион) элемента калия.

Ссылки

  1. ^ "Osmosis Eggs | Center for Nanoscale Science". www.mrsec.psu.edu . Center for Nanoscale Science, Penn State University . Получено 2 июля 2021 г. .
  2. ^ ab Caplan, MJ (2017). «Функциональная организация клетки». В Boron, WF; Boulpaep, EL (ред.). Медицинская физиология (третье изд.). Филадельфия, Пенсильвания: Elsevier. стр. 8–46. ISBN 9781455743773.
  3. ^ ab Boughter, Christopher T.; Monje-Galvan, Viviana; Im, Wonpil; Klauda, ​​Jeffery B. (17 ноября 2016 г.). «Влияние холестерина на структуру и динамику бислоя фосфолипидов». The Journal of Physical Chemistry B . 120 (45): 11761–11772. doi :10.1021/acs.jpcb.6b08574. ISSN  1520-6106. PMID  27771953.
  4. ^ Фридл, Сара. «Роль полупроницаемых мембран в клеточной коммуникации — видео и стенограмма урока». Study.com . Получено 6 апреля 2017 г.
  5. ^ ab Wood, David. "Полупроницаемая мембрана: определение и обзор - видео и стенограмма урока". Study.com . Получено 6 апреля 2017 г. .
  6. ^ Weis, William I.; Kobilka, Brian K. (20 июня 2018 г.). «Молекулярная основа активации рецептора, связанного с G-белком». Annual Review of Biochemistry . 87 (1): 897–919. doi :10.1146/annurev-biochem-060614-033910. PMC 6535337. PMID  29925258 . 
  7. ^ Voet, Donald (2001). Основы биохимии (переиздание). Нью-Йорк: Wiley. стр. 30. ISBN 978-0-471-41759-0.
  8. ^ ab Wood, Janet M. (октябрь 2011 г.). «Бактериальная осморегуляция: парадигма для изучения клеточного гомеостаза». Annual Review of Microbiology . 65 (1): 215–238. doi :10.1146/annurev-micro-090110-102815. ISSN  0066-4227. PMID  21663439.
  9. ^ Rand*, RP; Parsegian, VA; Rau, DC (1 июля 2000 г.). «Внутриклеточное осмотическое действие». Cellular and Molecular Life Sciences . 57 (7): 1018–1032. doi :10.1007/PL00000742. ISSN  1420-9071. PMC 11146847 . PMID  10961342. S2CID  23759859. 
  10. ^ Siontorou, Christina G.; Nikoleli, Georgia-Paraskevi; Nikolelis, Dimitrios P.; Karapetis, Stefanos K. (сентябрь 2017 г.). «Искусственные липидные мембраны: прошлое, настоящее и будущее». Membranes . 7 (3): 38. doi : 10.3390/membranes7030038 . ISSN  2077-0375. PMC 5618123 . PMID  28933723. 
  11. ^ Stamatialis, Dimitrios F.; Papenburg, Bernke J.; Gironés, Miriam; Saiful, Saiful; Bettahalli, Srivatsa NM; Schmitmeier, Stephanie; Wessling, Matthias (1 февраля 2008 г.). «Медицинское применение мембран: доставка лекарств, искусственные органы и тканевая инженерия». Journal of Membrane Science . 308 (1): 1–34. doi :10.1016/j.memsci.2007.09.059. ISSN  0376-7388.
  12. ^ US 3133132, Сидней, Лоеб и Шриниваса, Соурираджан, «Высокопрочные пористые мембраны для отделения воды от солевых растворов», опубликовано 12 мая 1964 г. 
  13. ^ Лоулер, Уилл; Брэдфорд-Хартке, Зена; Крэн, Марлен Дж.; Дьюк, Микель; Лесли, Грег; Ладевиг, Брэдли П.; Ле-Клех, Пьер (1 августа 2012 г.). «К новым возможностям повторного использования, переработки и утилизации использованных мембран обратного осмоса». Опреснение . 299 : 103–112. Bibcode : 2012Desal.299..103L. doi : 10.1016/j.desal.2012.05.030. ISSN  0011-9164.
  14. ^ Коутиньо де Паула, Эдуардо; Гомес, Жулия Селия Лима; Амарал, Мириам Кристина Сантос (июль 2017 г.). «Переработка отслуживших свой срок обратноосмотических мембран путем окислительной обработки: техническая оценка». Water Science and Technology . 76 (3–4): 605–622. doi :10.2166/wst.2017.238. ISSN  0273-1223. PMID  28759443.
  15. ^ ab MacLeod, Alison M; Campbell, Marion K; Cody, June D; Daly, Conal; Grant, Adrian; Khan, Izhar; Rabindranath, Kannaiyan S; Vale, Luke; Wallace, Sheila A (20 июля 2005 г.). Cochrane Kidney and Transplant Group (ред.). "Целлюлоза, модифицированная целлюлоза и синтетические мембраны при гемодиализе у пациентов с терминальной стадией почечной недостаточности". Cochrane Database of Systematic Reviews . 2009 (3): CD003234. doi :10.1002/14651858.CD003234.pub2. PMC 8711594. PMID 16034894  . 
  16. ^ Керр, Питер Г.; Хуан, Луис (июнь 2010 г.). «Обзор: Мембраны для гемодиализа». Нефрология . 15 (4): 381–385. doi : 10.1111/j.1440-1797.2010.01331.x . ISSN  1320-5358. PMID  20609086. S2CID  35903616.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки