Диффузная мембрана что это такое: основные различия и сферы применения — ТЕХНОНИКОЛЬ SHINGLAS

Содержание

Диффузионные мембраны. Описание от ПССК

Тема статьи: Строительные мембраны: коротко о главном.

Необходимость применения дополнительных материалов при обустройстве кровли мы освещали в статье «Для чего нужна гидро- и пароизоляция». Рынок строительных материалов не стоит на месте и предлагает более новые, современные варианты решения тех или иных задач.

Именно такими, инновационными, материалами в области обустройства кровли и стен являются диффузионные и супердиффузионные мембраны.
Простыми словами мембраны – это нетканые полотна с микроскопическими порами-воронками, пропускающими пар, но не воду.
Название диффузионная или супердиффузионная мембрана зависит от количества этих самых пор на квадратном сантиметре полотна. Так, диффузионной мембраной называют полотно с частичной (фрагментарной) перфорацией, а супердиффузионной — мембрану с частой (сплошной).
Задача всех строительных мембран в целом – защита строительных конструкций внутренних элементов крыш и стен, а также утеплителя в них от ветра, влаги и подкровельного конденсата, при одновременном выведение пара, из самой конструкции, и как следствие, увеличение срока эксплуатации кровли в целом.

Различают однослойные (например, Наноизол PROF), двухслойные мембраны (Наноизол SM) и многослойные — 3 и более (Наноизол SD).
Однослойные обладают высокой водоупорностью с одной стороны и одновременно высокой паропропускающей способностью, с другой стороны.
Двухслойные — однослойные мембраны, дополнительно армированные полипропиленовым нетканым полотном, который придает материалу бОльшую механическую прочность.
Многослойные, достаточно редки на рынке массового потребления, поскольку предназначены для решения конкретных конструкционных задач.

Благодаря своим свойствам строительные диффузионные мембраны могут заменить несколько слоев классической «многослойной» схемы утепления стен и кровли.
Важным плюсом супердиффузионных мембран, по заявлению производителей, является возможность монтировать их непосредственно на утеплитель без монтажа вентзазора,

что позволяет избежать затрат на покупку обрешетки.

Благодаря своему строению, супердиффузионная мембрана позволяет вести монтажные работы при любых погодных условиях, а некоторые даже способны на некоторый период выполнять функции временной кровли (Наноизол PROF). В сравнении с более традиционным, многослойным обустройством утепления кровли и стен, монтаж мембраны более экономичен в плане количества необходимого материала в общем, что при правильном расчете может обойтись дешевле, не смотря на более высокую цену на сам материал.

Разобравшись с назначением нового строительного материала, закономерно возникает вопрос – как правильно монтировать? Производители мембран не придерживаются единообразия, каждая стремиться выделиться и быть узнаваемой, поэтому некоторые окрашивают свою продукцию в разные цвета, другие наносят свой логотип. Однако, эти маркеры не только маркетинговый ход, по технике безопасности правильно, что бы внешняя сторона мембраны была затемнена тем или иным способом. Логика здесь простая – белое или однотонно-светлое полотно будет ослеплять строителей кровельщиков в солнечную погоду. Здесь и кроется секрет правильного монтажа практически любой мембраны – белой стороной к утеплителю, цветной или с надписями – к себе.

Вот так коротко и ёмко мы постарались рассказать то, что необходимо знать о строительных диффузионных и супердиффузионных мембранах. А что лучше и выгодней — многослойное классическое обустройство кровли или же инновационное – решать Вам.

Купить диффузионные мембраны в интернет-магазине

← назад к списку статей и обзоров

11.01.2019, 2314 просмотров.

какую выбрать, обзор с применением

Подтекание под крышу влаги после выпадения осадков в виде дождя и снега считается большой проблемой для стропильных конструкций и утеплителя. Также негативные последствия влечет выпадение конденсата при резких перепадах температуры. Диффузионная мембрана дает возможность забыть о подобных проблемах, так как не пропускает влагу с одной стороны и хорошо проводит пар изнутри здания.


Конструктивные особенности материала

Стандартная трехслойная диффузионная мембрана поставляется в рулонах, габаритные размеры продукции зависят от марки. Многослойное полотно с одной стороны имеет ворсистую поверхность, а с другой гладкую. Внутренний слой является усиливающим, позволяет продукции выдерживать значительные механические нагрузки.

Благодаря подобной конструкции материал обладает отличными гидрофобными и паропроницаемыми характеристиками, при этом обладает большим запасом прочности. При монтаже гладкая сторона расположена сверху, ворсистая часть пропускает пар и располагается внизу. Существует несколько разновидностей мембраны, отличающихся по показателю паропроницаемости.


Назначение и применение мембраны

Доступная, качественная и практичная супердиффузионная мембрана разрабатывалась специально для защиты теплоизоляции от намокания и преждевременного выхода из строя. Несущие конструкции и стропильная система не изолированы от притока свежего воздуха, при этом все испарения отводятся в вентиляционный зазор.

Использование материала актуально при выполнении следующих работ:

  • в качестве основного паро- и гидроизоляционного материала при монтаже керамочерепицы;
  • для защиты стропильных конструкций, покрытых профлистом и металлочерепицей;
  • диффузионная пленка подходит при обустройстве шиферных крыш;
  • допускается монтаж пленки при строительстве жилых, офисных, производственных объектов, складских помещений.

Односторонняя паропроницаемость является основной особенностью продукции. В отличие от типовых гидроизоляционных покрытий, мембрана используется более эффективно, а ее монтаж позволяет увеличить эксплуатационный ресурс здания.


Достоинства продукции

Приобретение подобной продукции обходится недорого, материал является доступным для любой категории покупателей. Эффективность использования мембраны доказана на практике, основными ее достоинствами считаются:

  • устойчивость к механическим нагрузкам на растяжение и разрыв благодаря наличию прочного усиливающего слоя;
  • при сильном охлаждении и нагреве полотно не теряет своих рабочих характеристик, также неизменным остается срок его эксплуатации;
  • для монтажа не требуется привлечение бригады профессионалов, легкий и практичный материал может укладываться любым человеком;
  • экологическая чистота и отсутствие вредных выбросов также относятся к сильным сторонам мембраны.

При выборе диффузионной мембраны необходимо воспользоваться советами профессионалов. При монтаже также важно не ошибиться со сторонами материала. В противном случае полотно не будет работать.


Монтаж диффузионной мембраны

Укладка диффузионной мембраны выполняется после возведения стропильного основания. Монтаж идет параллельно карнизу, при этом каждый следующий ряд устанавливается внахлест с запасом не менее 0,1 метра. В местах наложения полотен производится герметизация специальной клеящей лентой. В местах выхода дымохода мембрана укладывается с запасом, края дополнительно обрабатываются лентой.

Приобретение мембраны паро- и гидроизоляции возможно в нашей компании. В каталоге предприятия представлено несколько марок подобной продукции. С выбором всегда готовы помочь квалифицированные менеджеры компании. Для оформления заказа достаточно заполнить форму на сайте или позвонить менеджерам по телефону. Использование диффузионных материалов является гарантией надежной защиты от конденсата и протечек воды.



Блог – Що таке супердифузійна мембрана?

Супердифузійна мембрана – важлива складова покрівельного пирога. Вона захищає теплоізоляційний шар, дозволяє підпокрівельному простору провітрюватися, при цьому, не пропускаючи вологу та бруд. Вона є найсучаснішим виробом серед інших подібного роду..

І саме через те, що цей матеріал порівняно новий, багато хто не може точно сказати, що ж він являє собою та які має особливості застосування. У цій статті ми допоможемо Вам краще розібратися з цим питанням.

Характерні відзнаки супердифузійної мембрани

У чому ж полягають головні відмінності між всім знайомою гідроізоляцією та інноваційною мембраною? Остання є більш сучасною, забезпечує набагато кращий захист і  довше виконує свої функції:

  • захищає теплоізоляцію від вологи;
  • випускає пар з приміщення;
  • захищає шар утеплювача від вітру і видування;
  • дозволяє підпокрівельному простору дихати;
  • економить загальну площу.

Останнє досягається за рахунок того, що при її використанні відпадає необхідність верхнього вентиляційного шару. Ця її особливість обумовлена незвичайною структурою. Якщо порівнювати, то найбільш точним буде порівняння з шкірою, яка дозволяє даху «дихати», не створюючи плівки.

Підійдемо з технічної точки зору до цього питання. Підпокрівельні супердифузійні мембрани складаються з декількох (двох, трьох, чотирьох) шарів і виготовляються з нетканого полотна. За рахунок такої будови досягаються всі її переваги. Особлива структура позбавляє від таких недоліків як низька паропроникність, засмічення отворів тощо.

Супердифузійна мембрана для покрівлі – навіщо потрібна?

Всі, хто хоч раз стикався з покрівельними роботами знають, що облаштування гідро і пароізоляції – обов’язкові етапи. А якщо ви зовсім не знайомі з такими тонкощами, то врахуйте, без правильної ізоляції та вентиляції, крокви не будуть слугувати довго. У даху або заведеться грибок, або наберуться вологи матеріали. В обох випадках негативні наслідки приведуть до капітального ремонту.

Дуже важливо при побудові даху захистити її від вологи в будь-якому стані. Всередину не повинна потрапити дощова вода, а пар, який виходить з приміщення, не повинен затримуватися. Таким чином, підпокрівельні плівки та мембрани просто незамінні для житлових опалювальних мансард, так як їм властиве високе пароутворення, що шкодить підпокрівельному простору.

Ще одна важлива функція – це захист від води, яка може потрапити ззовні і нашкодити конструкції або утеплювача. Крім цього, в якості бонусу вона може виконувати функцію вітробар`єра.

Різновиди мембран

Головна відмінність, від якої залежить і ціна – це паропроникна здатність. Чим вона вища, тим краще, адже це означає, що матеріал зможе вивести з приміщення більше пари. Крім того, мембрани відрізняються кількістю шарів, що теж суттєво впливає на вартість.

Що можна сказати в завершенні? За своїми параметрами матеріал значно перевершує аналоги. Єдиним недоліком є ціна, але це дуже незначна плата за високу якість і довгий термін служби. Ознайомитися з матеріалом Ви можете в нашому каталозі, де присутня продукція таких виробників: Fakro, Masterplast, Ruukki.

Ще одна сфера застосування супердифузійних мембран –  це вентильовані фасади, дізнатися про них більше Ви можете з нашої статті: “Вентильований фасад – що це?”

Сподобалась стаття? Підпишіться на розсилку і першими отримуйте найцікавіші новини!

Строительные мембраны

Мембраны

 

Мембраны – это гидроизоляционные мембраны обладающие «дышащим» эффектом. В зависимости от требований потребителей –  мембраны, изготавливаются, как с применением, так называемых «дышащих пленок», так и на основе обычных пленок. Мембраны бывают как двух, так и трехслойными. Эти мембраны применяется для защиты утеплителя и внутренних элементов ограждающих конструкций от атмосферных осадков, ветра и пыли, проникающих из внешней среды через неплотности и дефекты кровельного или стенового ограждения. 


 
Двухслойные мембраны

 

Двухслойная паропроницаемая диффузионная мембрана применяется для защиты утеплителя и элементов кровли от ветра, пыли, конденсата и влаги из внешней среды. Благодаря высокой водоупорности и паропроницаемости двухслойная мембрана обеспечивает увеличение срока эксплуатации утеплителя и элементов конструкции кровли, а также позволяет вести монтажные работы при любых погодных условиях. Материал также может быть использован в качестве гидро-ветрозащиты стен с наружным утеплением в вентилируемых фасадах и при отделке фасадов сайдингом. 

Трехслойные мембраны
 

Трехслойная паропроницаемая диффузионная мембрана. Применяется так же как двухслойная мембрана, но при этом обладает улучшенными характеристиками за счет дополнительного армирующего слоя и более высокой паропроницаемости. Применяется для защиты утеплителя и элементов кровли от ветра, пыли, конденсата и влаги из внешней среды. Материал также может быть использован в качестве гидро-ветрозащиты стен с наружным утеплением в вентилируемых фасадах и при отделке фасадов сайдингом. 

Мембрана Avpaper
 

Компания Avgol представила новый материал на рынке мембран. Данная мембрана была разработана Департаментом исследований и разработок компании Авгол в Израиле.

Avpaper – обладает неповторимым сочетанием всех свойств, необходимых мембране, сохраняющихся в течение длительного срока эксплуатации. 

Продукт абсолютно годен для использования как в сельском хозяйстве, так и в строительстве, легкой промышленности.

DELTA®-THERM термостойкая диффузионная мембрана – Dörken

_ga

Период хранения 2 года

Регистрирует уникальный идентификационный код, который используется для генерирования статистических данных о том, как посетитель использует веб-сайт.

_gat

Период хранения 1 сутки

Используется Google Analytics для ограничения частоты запросов

_gid

Период хранения 1 сутки

Регистрирует уникальный идентификационный код, который используется для генерирования статистических данных о том, как посетитель использует веб-сайт.

_gat_UA-143296718-15

Период хранения 1 сутки

Используется Google Analytics для ограничения частоты запросов

_gat_gtag_UA_128360386_1

Период хранения 1 сутки

Регистрирует уникальный идентификационный код, который используется для генерирования статистических данных о том, как посетитель использует веб-сайт.

_gali

Период хранения 30 секунд

Этот файл cookie используется Google Analytics. Он используется для анонимного учета элементов, на которые щелкаю мышью (“кликают”) на той или иной странице сайте.

_dc_gtm_UA-41883568-5

Период хранения 1 минута

Используется Диспетчером тегов Google для управления загрузкой тега скрипта Google Analytics.

_ym_d

Период хранения 1 год

Used by Yandex, saves the date of the user’s first site session.

_ym_isad

Период хранения 2 дня

Used by Yandex, determines whether a user has ad blockers.

_ym_uid

Период хранения 1 год

Used by Yandex for identifying site users.

_ym_visorc_50925203

Период хранения 30 минут

Used by Yandex, allows Session Replay to function correctly.

i

Период хранения 10 лет

Использование с помощью .yandex.ru

Used for identifying site users.

yabs-sid

Период хранения сеанс

Использование с помощью .yandex.ru

Session ID

yandexuid

Период хранения 1 год

Использование с помощью .yandex.ru

Used for identifying site users.

ymex

Период хранения 1 год

Использование с помощью .yandex.ru

Used to distinguish users.

yuidss

Период хранения 1 год

Использование с помощью .yandex.ru

Collects information on visitor behaviour on multiple websites. This information is used on the website in order to optimise the relevance of the advertisement.

Диффузионная мембрана ISOBOX — ISOBOX

Основные физико-механические характеристики

Наименование показателя Ед. изм Диффузионная мембрана ISOBOX 95 Диффузионная мембрана ISOBOX 110 Метод испытаний

Поверхностная плотность

г/м2

95 (+10%/-5%)

110 (+10%/-5%)

ГОСТ 3811-72

Максимальная сила при растяжении вдоль, не менее

Н/5 см

160 (±25)

190 (±50)

ГОСТ 31899-2-2011
(EN 12311-2:2000)

Максимальная сила при растяжении поперек, не менее

Н/5 см

90 (±25)

100 (±30)

ГОСТ 31899-2-2011
(EN 12311-2:2000)

Паропроницаемость не более

г/м2*24 час

≥1400

≥1400

ГОСТ 25898-2012

Эквивалентна толщина слоя воздуха по диффузии пара Sd

м

~0,02

~0,02

ГОСТ 25898-2012

Водонепроницаемость, метод А

W 1

W 1

ГОСТ EN 1928-2011

УФ стабильность

Не менее 2 месяцев

Не менее 2 месяцев

ГОСТ 32317-2012
(EN 1297:2004)

Геометрические параметры

Наименование показателя Ед. изм Диффузионная мембрана ISOBOX 95 Диффузионная мембрана ISOBOX 110 Метод испытаний

Длина

м

50±5%

50±5%

ГОСТ Р 57417-2017
(EN 13956:2012)

Ширина

м

1,5±1%

1,5±1%

ГОСТ Р 57417-2017
(EN 13956:2012)

*Допускается по требованию потребителя изменять плотность материала

Производство работ:

Согласно «Руководству по монтажу диффузионных мембран и пароизоляционных пленок ТЕХНОНИКОЛЬ АЛЬФА». Диапазон температур применения от минус 40 °С до плюс 80 °С.

Хранение:

Хранение должно осуществляться в условиях, исключающих воздействие влаги, прямых солнечных лучей, нагрева.

Транспортировка:

Изделия транспортируют всеми видами транспорта в крытых транспортных средствах в соответствии с правилами перевозок грузов, действующими на данном виде транспорта.

Сведения об упаковке:

Рулоны диффузионной мембраны ISOBOX поставляются в индивидуальной упаковке и содержат этикетку с указанием марки (например, диффузионная мембрана ISOBOX 95), названием компании, адресом и номером телефона, а также с инструкциями по креплению. Внутри тубы расположена этикетка с информацией о партии и времени производства материала.

 

ВНИМАНИЕ!!! Для сохранения срока службы материала, рекомендуется избегать попадания на полотно мембраны маслосодержащих жидкостей или тосола (например, от цепной пилы) и не допускать контакта с досками, мокрыми от защитных составов (противопожарных и антисептическими), так как это может нанести серьезный ущерб кровельной мембране.

Диффузионные мембраны: использование, монтаж

В монтаже строительных конструкций помимо базовых свойств и эксплуатационных качеств используемых материалов важную роль играют вспомогательные элементы. В их числе особое место занимают изоляторы, обеспечивающие целостность основной структуры. Существенна функция данного компонента в кровельных покрытиях. Благодаря изоляционной прослойке формируется барьер перед осадками и другими внешними воздействиями. На рынке представлены разные по характеристикам средства обеспечения такой защиты, но самым эффективным материалом являются гидроизоляционные диффузионные мембраны, которые закладываются непосредственно в конструкцию крыши. Но кровельными системами не ограничиваются сферы применения данного покрытия. Например, изолятор также используют в укладке напольных и настенных материалов.

Общие сведения о диффузных изоляторах

Специально для сохранения технико-физических свойств настила кровли строители используют гидроизоляционные подкровельные пленки. Большинство из них реализуется в виде рулонов, которые внешне практически ничем не отличаются друг от друга. Оценивать же такие изоляторы можно по разным критериям, среди которых паропроницаемость. Собственно, это основное качество полимерных пленок, которое обуславливает возможность их структуры пропускать водяной пар. На языке специалистов этот параметр называется плотностью диффузионного потока. На практике использования паропроницаемость обуславливает интенсивность прохождения влаги через крышу в используемые помещения. Таким образом, диффузионные мембраны минимизируют возможность проникновения осадков и их производных под кровлю. Аналогичные функции выполняют практически все специализированные гидроизоляторы, но к мембранам относят и способность противостоять интенсивным воздействиям осадков в условиях порывистого ветра. Также если обычные изоляционные прослойки формируют лишь базовую защиту от дождевых капель и снега, то диффузионная пленка становится эффективной преградой перед водяным паром.

Принцип действия мембраны

Распространенной проблемой многих гидроизоляторов является скопление влаги в одном месте – как правило, перед непроницаемым слоем. Грамотный монтаж предусматривает специальные каналы отвода жидкости, но и этот способ не избавляет от всех проблем эксплуатации. По другому принципу работают диффузионные мембраны, включенные в состав кровельных «пирогов». Он действует не пассивно, а активно, то есть не обеспечивают стационарный барьер, а за счет специального слоя проводит влагу от утеплителя к месту будущего стекания или выветривания. Поэтому очень важно правильной стороной располагать материал в рабочей зоне.

Сама структура функционального полотна таких изоляторов напоминает капиллярный насос, который формируется двумя прослойками. Ворсистая ткань выполняет функцию сборщика влаги и передает ее к участкам с перфорацией. Далее по микроскопическим отверстиям капли с паром просачиваются на внешнюю сторону полотна. В такой схеме влагоотвода есть риск контакта жидкости с металлическими элементами кровельной конструкции. Чтобы предотвратить процессы коррозии, используется объемная диффузионная мембрана на полипропиленовой нетканой основе. Также сберечь восприимчивые к влажности материалы помогут пленки с повышенной пропускной способностью – они быстрее обеспечивают вывод влаги, сокращая шансы возникновения разрушительных процессов.

Разновидности мембран

Различаются покрытия этого типа по нескольким критериям, но главным считается степень паропроницаемости. В частности, выделяют низко- и высокопаропроницаемые изоляторы. В первую категорию входят диффузионные мембраны, которые состоят из 2-3 слоев с армирующей сеткой. Такой материал обладает средними способностями к проведению водяного пара, но как универсальное средство защиты от осадков может стать оптимальным решением. Высокопаропроницаемые материалы демонстрируют более высокий уровень пропускной способности, из-за чего их также называют супердиффузионными пленками. Опять же, высокая скорость проведения влаги не позволяет ей конденсироваться, что способствует предохранению утепляющего слоя от разрушения. По этой причине строители упрощают изоляционные прослойки, избавляя их от вентиляционных зазоров.

Также в некоторых случаях используются специальные виды паропроницаемых пленок, среди которых и упомянутые объемные мембраны. Этот материал обычно применяют для обеспечения изоляции фальцевых и металлических покрытий. Монтируют объемные разделительные диффузионные мембраны с обеспечением верхнего вентиляционного зазора на кровлях, изготовленных из алюминия, стали, титана и других металлов.

Характеристики диффузных мембран

Основным эксплуатационным показателем таких материалов является паронепроницаемость. Но при выборе также учитываются и другие характеристики – например, грамматура, водонепроницаемость и температурная стойкость. Что касается грамматуры, то она обозначает массу пленки, которая увеличивается пропорционально толщине материала. Также по мере увеличения веса повышается и механическая прочность изоляции. На рынке можно найти пленки, грамматура которых варьируется от 60 до 270 г/м2. Также имеет значение и устойчивость покрытия к водяному давлению. Этой характеристикой обозначается водонепроницаемость, которой обладает диффузионная мембрана в конкретном исполнении. Существуют разные методики оценки этого параметра, но самой простой считается система, предусматривающая маркировку по классам W1-W3. Так, принадлежность мембраны к категории W1 указывает на то, что материал в течение 2 часов сможет выдерживать давление водяного столба, высота которого составляет 20 см.

Кроме осадков и влажности, вред гидроизоляционным пленкам способна нанести теплая солнечная погода. В стандартном исполнении такие материалы выдерживают пиковое температурное воздействие в диапазоне 80-100 °C. Что касается стойкости к ультрафиолету, то, например, диффузионная мембрана «Технониколь» в базовой версии может находиться под прямыми лучами солнца 3 месяца. Для усиленных модификаций этот временной промежуток увеличивается до 4 месяцев.

Применение в кровельной конструкции

В составе кровли изоляционная мембрана обеспечивает защиту утеплителя и внутренних частей конструкции. Прослойка выполняет несколько функций одновременно – кроме предохранения от влаги и пара она также ограждает элементы крыши от выветривания. Неправильно относить задачи данного материала к изоляции помещений здания. Основные функции мембраны все же распространяются на защиту утепляющего слоя, который, в свою очередь, регулирует влажностный, а в некоторых случаях и температурный режимы. В ходе проектирования схемы устройства мембраны необходимо предотвратить возможности стекания воды с пленочной поверхности на теплоизолятор по местам стыков. Как правило, подкровельная диффузионная мембрана соседствует с каналами вентиляции, каминными и печными трубами, стойками антенн и другими сторонними компонентами, пересечения с которыми необходимо изолировать.

Применение мембран в устройстве напольных покрытий

Обеспечение надежной изоляции требуется и в самих помещениях. Так, напольные поверхности сохраняют декоративные и технические качества только в условиях оптимального температурно-влажностного режима. Конечно, есть материалы, которые не чувствительны к тем же воздействиям влаги, но древесные поверхности к таким не относятся. Обычно применение диффузионных мембран в напольных покрытиях ограничивается созданием вспомогательной подложки для утеплителя. Впрочем, может иметь значения этаж, на котором выполняются работы. Самым требовательным является нижний уровень в частном доме, особенно если он связывает жилые помещения с подвалом.

Применение в облицовке стен и фасадов

С помощью диффузионной пленки также обеспечивают защиту от выветривания и влаги теплоизоляционных материалов, находящихся в составе вентилируемых фасадов. Мембраны размещаются с внешней стороны, обеспечивая, таким образом, возможность прохождения излишков влаги и пара через вентилируемый зазор в облицовке. Установка производится непосредственно на фасаде дома вместе с теплоизоляционными панелями. Кстати, если в конструкции используется металлический несущий каркас, то оптимально подойдет объемная диффузионная мембрана, которая создаст естественный сток влаги без риска развития коррозии. Если планируется использовать в отделке сайдинг или вагонку, то пленку нужно фиксировать вплотную к наружной стороне изоляции под декоративной облицовкой. Это один из простейших способов применения диффузных изоляторов, так как он требует минимальных усилий в плане монтажа – достаточно воспользоваться строительным степлером или оцинкованными гвоздиками и закрепить материал к несущей конструкции.

Монтаж диффузионной мембраны

При наружном способе размещения материала желательно выполнять операцию в сухую погоду и вместе с фиксацией теплоизолятора. Мембрану следует раскатать по всей рабочей поверхности и закрепить ее гвоздиками или скобками. Классическая установка на крыше предполагает укладку горизонтальными полосками с нахлестом порядка 15 см. При этом вертикальные стыки окончаний следует размещать на стропилах. Все точки и линии промежутков между отдельными кусками материала фиксируются с помощью бутилкаучуковой или акриловой ленты. Вентиляционный зазор не требуется, если диффузионные мембраны планируется устанавливать на крыше, но при укладке изолятора на фасадных поверхностях его лучше предусмотреть. В зимнее время нагрузка на утепляющий материал значительно повышается, поэтому рекомендуется осенью выполнять ревизию кровли на предмет плотности прилегания мембраны к изолятору. Если у стропил толщина превышает аналогичный показатель теплоизолятора, то паронепроницаемый материал следует прижать к их боковой стороне рейками с типоразмером 2х3 см. Также для выполнения этой задачи можно использовать строительные скобы. В ходе работы следует ориентироваться на то, чтобы нижняя кромка мембраны обеспечивала беспрепятственное удаление влаги в специальный желоб водоотвода.

Производители

Нетканый паронепроницаемый материал представляют на рынке разные изготовители, среди которых немало и отечественных. В частности, диффузионная мембрана «Технониколь» позволяет устраивать гидроизоляцию, которая одновременно защищает конструкции от контактов с влагой и дает поверхностям «дышать». Материал этой линейки представлен в нескольких версиях, в том числе и с усиливающими волокнами. Также у пользователей завоевала доверие супердиффузионная пленка «Технониколь», которая выполнена из трехслойного микропористого материала. Отличием данного изолятора является двухстороннее применение нетканого полипропилена, выполняющего защитную функцию для основной прослойки. Такую мембрану целесообразно использовать именно в кровельных покрытиях, которые требуют не только качественного выполнения изоляционных задач, но и сохранения прочностных свойств конструкции.

Довольно известным изготовителем паронепроницаемых гидроизоляторов является и компания Du Pont, специализирующаяся как раз на защите стеновых и кровельных систем посредством воздушной и водной фильтрации. Под этим брендом выходит диффузионная мембрана Tyvek, представляющая собой многофункциональную гидроветрозащитную пленку. Материал имеет сетчатую структуру, образованную полимерными волокнами. В отличие от конкурирующих изоляторов покрытия Tyvek отличаются экологической чистотой. То есть их можно использовать и в наружной отделке, и в структуре внутренних облицовочных покрытий. В обоих случаях включение диффузионной пленки этой марки будет обеспечивать сухость и долговечность отделки.

Заключение

Традиционные способы устройства изоляционных прослоек обычно не требуют соблюдения особых условий монтажа. Достаточно подобрать лист или плиту соответствующих размеров и зафиксировать материал на рабочем участке. По такому принципу обычно монтируется и утепляющий материал, и гидроизоляция. Диффузионная мембрана, в свою очередь, гарантирует более высокий эксплуатационный эффект, чем обычные изоляторы. Но для его достижения важно соблюдать правила расположения и крепления паронепроницаемых пленок относительно утепляющих слоев. Кровельные конструкции в этом отношении являются наиболее сложными, так как выводящий влагу материал может контактировать с другими компонентами покрытия и системами крыши. Также изначально следует предусмотреть коммуникации для водоотвода, с которыми будет взаимодействовать диффузионный материал. С точки зрения установки, несколько проще выглядит монтаж изоляторов на стенах и фасадных конструкциях. В таких случаях все-таки на первое место выходит задача сохранения вентиляционных свойств покрытия, которые и реализуются благодаря включению паронепроницаемой мембраны в состав утепляющей прослойки.

2.7: Диффузия в мембранах – Physics LibreTexts

Эукариотические клетки окружены гибким и динамичным барьером, известным как мембрана. Эти биологические мембраны состоят из липидов, которые агрегируют, образуя бислой с особыми биохимическими свойствами. Амфипатическая природа липидного двойного слоя, хвосты которого гидрофобны и связаны друг с другом, а головные группы гидрофильны и взаимодействуют с водной средой, имеет решающее значение для его структуры. Состав липидного бислоя также важен для диффузии как через мембрану, так и внутри нее.Эта мембранная диффузия важна для множества функций, некоторые из которых включают регулирование текучести мембраны, поглощение метаболитов клеткой извне и удаление продуктов жизнедеятельности изнутри клетки.

Жидкая мозаика Модель

Каждый мембранный белок имеет определенную ориентацию внутри мембраны и не может переворачиваться с одного бислоя на другой после того, как он принял свою зрелую конформацию. Тем не менее, латеральное движение в пределах одного и того же липидного двойного слоя все еще возможно.Боковая диффузия является ключевой особенностью жидкостно-мозаичной модели мембранной структуры, впервые описанной в 1972 г. С. Джонатаном Сингером и Гартом Николсоном (1).

Эта модель была подтверждена экспериментами, ранее проведенными Л.Д. Фраем и М. Эдидином в 1970 г., которые показали, что клетки, взятые из линий мыши и человека, можно слить вместе с помощью вируса Седани (рис. \(\PageIndex{1}\)). Полученная слитая клетка экспрессировала как мышиный, так и человеческий антигены, которые можно было пометить косвенно флуоресцентными антителами и проследить.Смешение обоих родительских антигенов произошло через 40 минут после слияния, что позволяет предположить возможность латеральной диффузии внутри мембраны (2). Однако время, необходимое для возникновения латеральной диффузии, зависит от текучести мембраны, которая в конечном итоге зависит как от температуры, так и от состава липидов.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Экспериментальный план, первоначально выполненный Фраем и Эдидином в 1970 году, в котором они взяли клетки человека и мыши и объединили их с помощью вируса Седани. Затем видоспецифические антигены метили флуоресцентными антителами и следили за ними.Результаты этого эксперимента показали слияние и смешивание антигенов, что свидетельствует о латеральной диффузии внутри мембраны.

Типы диффузии через плазматическую мембрану

Существуют общие термодинамические принципы, регулирующие перенос молекул через мембрану. На рисунке \(\PageIndex{2}\) представлено уравнение, показывающее количество свободной энергии, необходимой для пересечения субстратом мембраны. Чтобы произошла диффузия, \(\Delta G\) должно быть отрицательным, и по мере того, как \(\Delta G\) удаляется от нуля и становится более положительным, требуется работа.Когда концентрации станут равными по обеим сторонам мембраны и \(\Delta G=0\) и скорости переноса в обоих направлениях будут одинаковыми, то переноса не будет.

\[ \Delta G =RT \ln \left( \dfrac{C_2}{C_1}\right) \]

Если C 2 , концентрация субстрата в цитозоле, меньше, чем C 1 , концентрация субстрата вне клетки, то \(\Delta G\) отрицательна и процесс благоприятный. Постепенно, по мере того как через мембрану проходит больше субстрата, C 1 уменьшается по мере увеличения C 2 до тех пор, пока C 2 = C 1 , и в этот момент дельта G = 0, и система находится в равновесии.

Простое распространение

Простая диффузия происходит за счет диффузии молекул, таких как O 2 и CO 2 , через гидрофобное ядро ​​мембраны (рис. \(\PageIndex{3}\)). Следовательно, для этого типа диффузии через мембрану не требуется АТФ, это просто вопрос движения молекул по градиенту концентрации. Поскольку для простой диффузии не требуется АТФ, большие полярные молекулы или ионы не могут диффундировать через мембрану. Это связано с гидрофобной хвостовой частью мембраны, которая представляет собой слишком большой энергетический барьер, который не может быть преодолен потенциалом, хранящимся в градиенте.

Рисунок \(\PageIndex{3}\): изображение простой диффузии, при которой неполярные соединения диффундируют через мембрану за счет использования градиента концентрации. Этот процесс не требует каких-либо белков-посредников или пор.

Чистая скорость транспорта пропорциональна разнице концентраций (C 2 – C 1 ) через мембрану (рис. \(\PageIndex{4}\)).

\[ J = – \dfrac{KD_1(C_2-C_1)}{l}\]

где

  • \(Дж\) – чистая скорость перевозки,
  • \(К\) – коэффициент распределения отношения растворимостей материала в липидах и воде,
  • \(D_1\) – коэффициент диффузии диффундирующего вещества в мембране, а
  • \(l\) – толщина мембраны.

Для ионов и других гидрофильных веществ K является очень небольшим числом, учитывая, что диффузия таких молекул через мембрану очень медленная.

Облегченный транспорт

В отличие от простой диффузии, для которой не требуется АТФ, облегченный транспорт нуждается в АТФ для преодоления энергетического барьера гидрофобной хвостовой области мембраны. Кроме того, этот тип диффузии зависит от груза, связывающего встроенный в мембрану канал или белок-носитель.Существует два типа облегченного транспорта: транспорт с помощью пор и транспорт с помощью перевозчика. Чтобы отличить транспорт, облегчаемый порами, и диффузию, облегчаемую переносчиком, можно изменять текучесть мембраны, изменяя температуру. Это изменение температуры остановит диффузию, облегчаемую переносчиком, поскольку диффузия, облегчаемая переносчиком, должна проходить через мембрану, чтобы функционировать, и не может этого делать, когда мембрана находится в нежидком состоянии.

Транспорт через поры

Транспорт с помощью пор использует белки, встроенные в мембрану, которые могут открываться и закрываться для облегчения диффузии.Этот тип диффузии позволяет избранным ионам проходить через поры, например Cl-. Важным примером транспорта через поры является транспорт глюкозы с помощью механизма закрытой поры, в котором пора никогда не открывается с обоих концов одновременно (рис. \(\PageIndex{5}\)). Вместо этого пора открывается снаружи, чтобы позволить глюкозе войти, закрывает внешнее отверстие, открывает внутреннее отверстие, высвобождает глюкозу в цитозоль и, наконец, возвращается в состояние связывания снаружи (15).

Рисунок \(\PageIndex{5}\): изображение глюкозы, использующей транспортную систему с помощью пор (светло-зеленый) в качестве средства пересечения мембраны. Это упрощенная диаграмма, на которой не показан механизм закрытой поры.

Транспорт с участием перевозчика

Антибиотические ионофоры, такие как валиномицин, переносчик катионов, являются примером транспорта, облегчаемого переносчиком. Его складчатая конформация позволяет белку иметь внешнюю гидрофобную поверхность, что делает его растворимым в липидном бислое, с внутренней конформацией, имитирующей гидратную оболочку, которую катион имел бы в водном растворе.Эта конформация позволяет валиномицину диффундировать с одной поверхности мембраны, захватывать ион, а затем диффундировать на другую поверхность, чтобы высвободить его (рис. \(\PageIndex{6}\)).

Рисунок \(\PageIndex{6}\): Облегченная диффузия предполагает использование белка для облегчения движения молекул через мембрану. В некоторых случаях молекулы проходят через каналы внутри белка, в других случаях белок меняет форму, позволяя молекулам проходить. Изображение используется с разрешения (общественное достояние).

Факторы, влияющие на мембранную диффузию

Существует несколько факторов, которые могут влиять на диффузию молекул как внутри мембраны, так и через нее; физические барьеры, узлы электростатического притяжения или отталкивания и явления разделения (3) — вот лишь несколько примеров.

Физические препятствия

Физические препятствия могут стать значительно теснее, что может препятствовать свободному прохождению молекул. Некоторые адапторные белки (альфа-актинин, талин, винкулин и др.) могут прикреплять кортикальный цитоскелет к длинным цитозольным хвостам трансмембранных белков внутри плазматической мембраны и действовать как ограждение, которое ограничивает движение молекул через мембрану (4,5). Такое препятствие со стороны кортикального цитоскелета привело к наблюдению, что молекулы подвергаются «прыжковой диффузии», при которой они периодически «прыгают» между зонами ограничения (4, 5), чтобы диффундировать (рис. 7).

Рисунок \(\PageIndex{7}\): изображение сетчатого актинового цитоскелета (светло-фиолетовый), прикрепленного к трансмембранным белкам (темно-фиолетовый) и тесно связанным липидам, образуя барьер, ограничивающий диффузию молекул (3).Красные стрелки указывают на ограниченную диффузию.

Мембранно-матриксные соединения также могут способствовать физической обструкции, препятствующей мембранной диффузии. Это происходит из-за связывания между интегриновыми рецепторами, расположенными в плазматической мембране, и внеклеточным матриксом (волокнистой сетью белков, к которым прикрепляются клетки) (рис. \(\PageIndex{8}\)). Если это взаимодействие все больше накапливается при достаточно высокой плотности, то диффузия ограничивается. Недавнее исследование показало, что этот тип физического барьера блокирует диффузию мембранных молекул, размеры которых превышают ширину взаимодействия интегрин-матрикс (6).

Рисунок \(\PageIndex{8}\): изображение внеклеточного матрикса (желтый), связанного с мембранными рецепторами (фиолетовый), для создания сетки, ограничивающей диффузию (3). Красные стрелки указывают на ограниченную диффузию.

Электростатические помехи

Электростатические взаимодействия также могут препятствовать свободной диффузии, поскольку заряженные белки или липиды могут отталкиваться от одинаковых зарядов или притягиваться к противоположным (рис. \(\PageIndex{9}\)). McLaughlin и Murray в 2005 году показали, что белки имеют естественно развернутые области, которые имеют как основные, так и гидрофобные остатки, которые позволяют им существовать внутри двойного слоя и в то же время электростатически притягивать анионные липиды (7).В результате ассоциированные с мембраной катионные остатки связываются вместе, создавая отрицательно заряженное кольцо вокруг белка. Таким образом, образующееся кольцо анионных липидов может изменять подвижность других заряженных молекул в плоскости мембраны (8).

Рисунок \(\PageIndex{9}\): показано, что белок, несущий домен PH, рекрутируется на участок, богатый лигандом-лигандом. Отрицательный заряд PIP 2 (зеленый) накапливает и отклоняет белки с таким же отрицательным зарядом (синий) (3).

Барьеры, вызывающие разделение

В мембране определенные типы липидов или белков могут разделяться на определенные участки, что приводит к образованию области субдиффузионного поведения (3). Ассоциация между липидами и белками часто обусловлена ​​распознаванием определенных связывающих доменов, например, ассоциация белковых доменов PH с фосфоинозитидами (9). Другой способ образования этих липидно-белковых комплексов – гидрофобные взаимодействия. Примером этого управляемого гидрофобным взаимодействием комплекса являются микродомены, богатые насыщенными липидами и холестерином, известные как липидные рафты (10).Наконец, кривизна мембраны может играть роль в затруднении диффузии (рис. 10). Изогнутая область мембраны имеет определенные свойства, так как головные группы липидов, составляющих вогнутый монослой, необычно близки, тогда как головные группы выпуклого монослоя нехарактерно далеко друг от друга. Вогнутая сторона изогнутого бислоя может изменять диффузию физически или электростатически, в то время как выпуклая сторона создает более доступную мембрану из-за уменьшенной упаковки головных групп.

Рисунок \(\PageIndex{1}\)0: Область, где мембрана подвергается резкому изгибу, может привести к обнажению гидрофобных участков на внешнем листке мембраны в дополнение к уплотнению липидных головок на внутреннем листке. Искривление может изменить распределение липидов и белков.

Методы мониторинга распространения

  • Восстановление флуоресценции после фотообесцвечивания (FRAP) изначально было очень полезно при изучении латеральной диффузии компонентов мембраны (11).В этом методе используются флуоресцентно меченные зонды для отслеживания интересующей молекулы. При использовании лазера высокой интенсивности флуорофоры в интересующей области обесцвечиваются и теряют сигнал (рис. 11). Зонды, которые не были обесцвечены, затем диффундируют по всему образцу и заменяют обесцвеченную область. Поскольку этот метод измеряет среднее поведение молекулы, он в конечном итоге имеет ограниченное временное разрешение (секунды).
  • Корреляционная спектроскопия флуоресценции (FCS) — это корреляционный анализ, который измеряет колебания интенсивности флуоресценции.Этот метод обеспечивает высокую пространственную точность и позволяет измерять коэффициенты диффузии молекул (12,13). В отличие от FRAP, FCS может получать разрешение по времени, но не может фиксировать определенные переходные процессы.
  • Визуализация полного внутреннего отражения (ITIR)-FCS — это метод, позволяющий обойти обе проблемы других методов, поскольку он позволяет исследовать диффузию в мембранах с хорошим временным и пространственным разрешением (12). ITIR-FCS можно применять для диффузии, активного транспорта или даже для того и другого.

Каталожные номера

  1. Певица С.Дж. и Николсон Г.Л. 1972. Жидкостно-мозаичная модель структуры клеточных мембран. Наука . 175:720-31.
  2. Фрай Л.Д. и Эдидин М. 1970. Быстрое смешение антигенов клеточной поверхности после образования мышино-человеческих гетерокарионов. Журнал клеточной науки . 7:319-35.
  3. Мэтьюз С.К. и Ван Холде К.Е. 1996. Биохимия. Второе издание. Менло-Парк, Калифорния: The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc.
  4. Fujiwara T.K., Ritchie H., Murakoshi K., Jacobson, Kusumi 2002. Фосфолипиды подвергаются хмелевой диффузии в компартментализованной клеточной мембране. Журнал клеточной биологии . 157:1071-82.
  5. Судзуки К.Г., Фудзивара Т.К., Санемацу Ф., Иино Р., Эдидин М., Кусуми А. 2007. ГФИ-заякоренные рецепторные кластеры временно рекрутируют Lyn и G-альфа для временной иммобилизации кластера и активации Lyn: исследование отслеживания отдельных молекул. Журнал клеточной биологии . 177:717-30.
  6. Paszek M.J., DuFort C.C., Rossier O., Bainer R., Mouw J.K., Godula K., Hudak J.N., Lakins AC, Wijekoon L., Cassereau 2014. Гликокаликс рака механически запускает интегрин-опосредованный рост и выживание. Природа . 511:319-25.
  7. Маклафлин С. и Мюррей Д. 2005. Организация фосфоинозитидов плазматической мембраны с помощью белковой электростатики. Природа . 438:605-611.
  8. Ван ден Боггарт Г., Мейенберг К., Рисселада Х.Дж., Амин К.И., Уиллиг Б.Э., Хубрич М., Дайер С.В. Хелл, Х., Грубмюллер У., Дидерихсен, Ян Р., 2011. Секвестрация мембранного белка за счет ионных белок-липидных взаимодействий. Природа. 479: 552-55.
  9. Тримбл В.С. и Гринштейн С. 2015. Барьеры для свободной диффузии белков и липидов в плазматической мембране. Журнал клеточной биологии. 208:259- 71
  10. Леммон М.А. 2008. Распознавание мембран фосфолипидсвязывающими доменами. Nature Review Молекулярная и клеточная биология. 9: 99-111.
  11. Lingwood D. and Simons K., 2010. Липидные рафты как мембраноорганизующий принцип. Наука . 327: 46-50.
  12. Chen Y., Lagerholm B.C., Yang B., Jacobson K., 2006. Методы измерения латеральной диффузии мембранных липидов и белков. Методы. 39:147-53.
  13. Санкаран Дж., Манна М., Го Л., Краут Р., Воланд Т. 2009. Диффузия, транспорт и организация клеточной мембраны исследованы с помощью кросс-корреляционной спектроскопии флуоресценции изображений. Биофизический журнал . 97:2630-39.
  14. Магде Д., Элсон Э.Л., Уэбб В.В. 1974. Флуоресцентная корреляционная спектроскопия. Биополимеры . 17:361-76.
  15. Oka Y., Asaon T., Shibasaki Y., Lin JL, Tsukuda K., Katagiri H., Akanuma Y., Takaku F. 1990. С-концевой укороченный переносчик глюкозы заперт в обращенной внутрь форме без транспортной активности. . Природа . 345:550-53.

3.1 Клеточная мембрана – анатомия и физиология

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Опишите молекулярные компоненты, из которых состоит клеточная мембрана
  • Связь структуры клеточной мембраны с ее функциями
  • Описать, как молекулы пересекают клеточную мембрану, исходя из их свойств и градиентов концентрации
  • Сравните и сопоставьте различные типы пассивного транспорта с активным транспортом, предоставив примеры каждого

Несмотря на различия в структуре и функциях, все живые клетки многоклеточных организмов имеют окружающую клеточную мембрану.Так же, как внешний слой вашей кожи отделяет ваше тело от окружающей среды, клеточная мембрана (также известная как плазматическая мембрана) отделяет внутреннее содержимое клетки от внешней среды. Эта клеточная мембрана обеспечивает защитный барьер вокруг клетки и регулирует, какие материалы могут проходить внутрь или наружу.

Структура и состав клеточной мембраны

Клеточная мембрана представляет собой чрезвычайно гибкую структуру, состоящую в основном из двух слоев фосфолипидов («бислой»).Холестерин и различные белки также встроены в мембрану, придавая мембране множество функций, описанных ниже.

Одна молекула фосфолипида имеет фосфатную группу на одном конце, называемую «головой», и две расположенные рядом цепи жирных кислот, образующие липидные «хвосты» (рис. 3.1.1). Липидные хвосты одного слоя обращены к липидным хвостам другого слоя, встречаясь на границе двух слоев. Головки фосфолипидов обращены наружу, один слой обращен внутрь клетки, а другой — наружу (рис. 3.1.1).

Рисунок 3.1.1 – Структура фосфолипидов и бислой: Молекула фосфолипидов состоит из полярной фосфатной «головы», которая является гидрофильной, и неполярного липидного «хвоста», который является гидрофобным. Ненасыщенные жирные кислоты вызывают изгибы гидрофобных хвостов. Фосфолипидный бислой состоит из двух соседних листов фосфолипидов, расположенных хвост к хвосту. Гидрофобные хвосты связываются друг с другом, образуя внутреннюю часть мембраны. Полярные головки контактируют с жидкостью внутри и снаружи клетки.

Фосфатная группа отрицательно заряжена, что делает головку полярной и гидрофильной — или «водолюбивой». Гидрофильная молекула (или участок молекулы) притягивается к воде. Таким образом, фосфатные головки притягиваются к молекулам воды как внеклеточной, так и внутриклеточной среды. Липидные хвосты, с другой стороны, не заряжены, или неполярны, и гидрофобны, или «боятся воды». Гидрофобная молекула (или участок молекулы) отталкивается и отталкивается водой.Таким образом, фосфолипиды представляют собой амфипатические молекулы. Амфипатическая молекула содержит как гидрофильную, так и гидрофобную области. На самом деле, мыло работает для удаления масляных и жирных пятен, потому что оно обладает амфипатическими свойствами. Гидрофильная часть может растворяться в воде для стирки, в то время как гидрофобная часть может задерживать жир в пятнах, которые затем можно смыть. Аналогичный процесс происходит в вашей пищеварительной системе, когда соли желчных кислот (образованные из холестерина, фосфолипидов и соли) помогают расщеплять поглощенные липиды.

Поскольку фосфатные группы полярны и гидрофильны, они притягиваются к воде во внутриклеточной жидкости. Внутриклеточная жидкость (ICF) — это жидкость внутри клетки. Фосфатные группы также притягиваются к внеклеточной жидкости. Внеклеточная жидкость (ECF) представляет собой жидкую среду вне оболочки клеточной мембраны (см. рисунок выше). Поскольку липидные хвосты гидрофобны, они встречаются во внутренней области мембраны, исключая из этого пространства водянистую внутриклеточную и внеклеточную жидкость.В дополнение к фосфолипидам и холестерину клеточная мембрана содержит множество белков, подробно описанных в следующем разделе.

Мембранные белки

Липидный бислой образует основу клеточной мембраны, но он приправлен различными белками. Два различных типа белков, которые обычно связаны с клеточной мембраной, — это интегральный белок и периферический белок (рис. 3.1.2). Как следует из названия, интегральный белок представляет собой белок, встроенный в мембрану.Существует множество различных типов интегральных белков, каждый из которых выполняет различные функции. Например, интегральный белок, который расширяет отверстие через мембрану для проникновения ионов в клетку или выхода из нее, известен как канальный белок. Периферийные белки обычно находятся на внутренней или внешней поверхности липидного двойного слоя, но также могут быть присоединены к внутренней или внешней поверхности интегрального белка.

Рисунок 3.1.2- Клеточная мембрана: Клеточная мембрана клетки представляет собой двойной слой фосфолипидов, содержащий множество различных молекулярных компонентов, включая белки и холестерин, некоторые из которых имеют присоединенные углеводные группы.

Некоторые интегральные белки служат распознаванием клеток или белками поверхностной идентичности, которые маркируют клеточную идентичность, чтобы ее могли распознавать другие клетки. Некоторые интегральные белки действуют как ферменты или участвуют в клеточной адгезии между соседними клетками. Рецептор представляет собой тип распознающего белка, который может избирательно связывать конкретную молекулу вне клетки, и это связывание вызывает химическую реакцию внутри клетки. Некоторые интегральные белки выполняют двойную роль как рецептора, так и ионного канала.Одним из примеров взаимодействия рецептор-канал являются рецепторы на нервных клетках, которые связывают нейротрансмиттеры, такие как дофамин. Когда молекула дофамина связывается с белком-рецептором дофамина, канал внутри трансмембранного белка открывается, позволяя определенным ионам поступать в клетку. Периферические белки часто связаны с интегральными белками внутренней клеточной мембраны, где они играют роль в клеточной передаче сигналов или прикреплении к внутренним клеточным компонентам (т.е. цитоскелету, обсуждаемому позже).

Некоторые интегральные мембранные белки являются гликопротеинами.Гликопротеин представляет собой белок, к которому присоединены молекулы углеводов, которые распространяются во внеклеточную среду. Прикрепленные углеводные метки к гликопротеинам помогают распознавать клетки. Углеводы, происходящие из мембранных белков и даже из некоторых мембранных липидов, вместе образуют гликокаликс. Гликокаликс представляет собой нечеткое покрытие вокруг клетки, образованное из гликопротеинов и других углеводов, прикрепленных к клеточной мембране. Гликокаликс может играть различные роли.Например, у него могут быть молекулы, которые позволяют клетке связываться с другой клеткой, он может содержать рецепторы для гормонов или ферменты для расщепления питательных веществ. Гликокалицы, обнаруженные в организме человека, являются продуктом генетической структуры этого человека. Они придают каждой из триллионов клеток человека «идентичность» принадлежности к телу человека. Эта идентичность является основным способом, которым клетки иммунной защиты человека «знают» не атаковать собственные клетки тела человека, но это также причина, по которой органы, пожертвованные другим человеком, могут быть отвергнуты.

Транспорт через клеточную мембрану

Одним из величайших чудес клеточной мембраны является ее способность регулировать концентрацию веществ внутри клетки. Эти вещества включают ионы, такие как Ca ++ , Na + , K + и Cl , питательные вещества, включая сахара, жирные кислоты и аминокислоты, а также продукты жизнедеятельности, в частности двуокись углерода (CO 2). ), который должен покинуть ячейку.

Липидная двухслойная структура мембраны обеспечивает первый уровень контроля.Фосфолипиды плотно упакованы, а внутренняя часть мембраны гидрофобна. Эта структура делает мембрану избирательно проницаемой. Мембрана, имеющая избирательную проницаемость , позволяет проходить через нее без посторонней помощи только веществам, отвечающим определенным критериям. В случае клеточной мембраны через липидный бислой могут перемещаться только относительно небольшие неполярные материалы (помните, липидные хвосты мембраны неполярны). Некоторыми примерами из них являются другие липиды, кислород и углекислый газ, а также спирт.Однако водорастворимые материалы, такие как глюкоза, аминокислоты и электролиты, нуждаются в некоторой помощи, чтобы пересечь мембрану, потому что они отталкиваются гидрофобными хвостами фосфолипидного двойного слоя. Все вещества, которые проходят через мембрану, делают это одним из двух основных способов, которые классифицируются в зависимости от того, требуется ли энергия. Пассивный транспорт – это перемещение веществ через мембрану без затрат клеточной энергии. Напротив, активный транспорт — это перемещение веществ через мембрану с использованием энергии аденозинтрифосфата (АТФ).

Пассивный транспорт

Чтобы понять , как вещества пассивно перемещаются через клеточную мембрану, необходимо понять градиенты концентрации и диффузию. Градиент концентрации — это разница концентрации вещества в пространстве. Молекулы (или ионы) будут распространяться/диффундировать из того места, где они более сконцентрированы, туда, где они менее сконцентрированы, пока они не будут равномерно распределены в этом пространстве. (Когда молекулы движутся таким образом, говорят, что они перемещаются вниз по градиенту своей концентрации , от высокой концентрации к низкой концентрации.) Диффузия — это перемещение частиц из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией. Несколько общих примеров помогут проиллюстрировать эту концепцию. Представьте, что вы находитесь в закрытой комнате. Если распылить флакон с духами, молекулы аромата естественным образом диффундируют из того места, где они оставили флакон, во все углы комнаты, и это распространение будет продолжаться до тех пор, пока молекулы не будут равномерно распределены в комнате. Другой пример — ложка сахара, помещенная в чашку чая.В конце концов сахар будет диффундировать по чаю до тех пор, пока не останется градиента концентрации. В обоих случаях, если в комнате теплее или чай горячее, диффузия происходит еще быстрее, поскольку молекулы сталкиваются друг с другом и распространяются быстрее, чем при более низких температурах.

Внешний веб-сайт

Посетите эту ссылку, чтобы увидеть диффузию и то, как она приводится в движение кинетической энергией молекул в растворе. Как температура влияет на скорость диффузии и почему?

Всякий раз, когда вещество находится в большей концентрации на одной стороне полупроницаемой мембраны, такой как клеточные мембраны, любое вещество, которое может перемещаться по градиенту своей концентрации через мембрану, будет делать это.Если вещества могут перемещаться через клеточную мембрану без затрат энергии клеткой, то движение молекул называется пассивным транспортом. Рассмотрим вещества, которые могут легко диффундировать через липидный бислой клеточной мембраны, такие как газы кислород (O 2 ) и углекислый газ (CO 2 ). Эти небольшие жирорастворимые газы и другие небольшие жирорастворимые молекулы могут растворяться в мембране и входить или выходить из клетки в соответствии с градиентом их концентрации. Этот механизм движения молекул через клеточную мембрану со стороны, где они более сконцентрированы, в сторону, где они менее сконцентрированы, представляет собой форму пассивного транспорта, называемого простой диффузией. O 2 обычно диффундирует в клетки, потому что он более сконцентрирован вне их, а CO 2 обычно диффундирует из клеток, потому что он более сконцентрирован внутри них.

Прежде чем двигаться дальше, важно понять, что градиенты концентрации кислорода и углекислого газа всегда будут существовать в живой клетке и никогда не достигнут одинакового распределения. Это связано с тем, что клетки быстро расходуют кислород во время метаболизма, поэтому обычно внутри клетки концентрация O 2 ниже, чем снаружи.В результате кислород будет диффундировать извне клетки непосредственно через липидный бислой мембраны в цитоплазму внутри клетки. С другой стороны, поскольку клетки продуцируют CO 2 как побочный продукт метаболизма, концентрации CO 2 в цитоплазме повышаются; следовательно, CO 2 будет перемещаться из клетки через липидный бислой во внеклеточную жидкость, где его концентрация ниже. (Рисунок 3.1.3).

Рисунок 3.1.3 – Простая диффузия через клеточную (плазменную) мембрану: Структура липидного двойного слоя позволяет небольшим незаряженным веществам, таким как кислород и углекислый газ, и гидрофобным молекулам, таким как липиды, проходить через клеточную мембрану вниз градиент их концентрации путем простой диффузии.

Большие полярные или ионные молекулы, которые являются гидрофильными, не могут легко пересекать бислой фосфолипидов. Заряженные атомы или молекулы любого размера не могут пересечь клеточную мембрану посредством простой диффузии, поскольку заряды отталкиваются гидрофобными хвостами внутри двойного слоя фосфолипидов. Растворенные вещества, растворенные в воде по обе стороны от клеточной мембраны, имеют тенденцию диффундировать вниз по градиенту их концентрации, но поскольку большинство веществ не могут свободно проходить через липидный бислой клеточной мембраны, их движение ограничено белковыми каналами и специализированными транспортными механизмами в мембране. . Облегченная диффузия — это процесс диффузии, используемый для тех веществ, которые не могут пересечь липидный бислой из-за своего размера, заряда и/или полярности, но делают это по градиенту концентрации (рис. 3.1.4). Например, несмотря на то, что ионы натрия (Na + ) высококонцентрированы вне клеток, эти электролиты заряжены и не могут пройти через неполярный липидный бислой мембраны. Их диффузии способствуют мембранные белки, которые образуют натриевые каналы (или «поры»), так что ионы Na+ могут перемещаться по градиенту концентрации извне клеток внутрь клеток.Типичным примером облегченной диффузии с использованием белка-носителя является перемещение глюкозы в клетку, где она используется для производства АТФ. Хотя глюкоза может быть более концентрированной вне клетки, она не может пересечь липидный бислой путем простой диффузии, потому что она большая и полярная и, следовательно, отталкивается фосфолипидной мембраной. Чтобы решить эту проблему, специальный белок-носитель, называемый переносчиком глюкозы, будет переносить молекулы глюкозы в клетку, чтобы облегчить ее внутреннюю диффузию.Отличие канала от носителя состоит в том, что носитель обычно меняет форму в процессе диффузии, а канал — нет. Есть много других растворенных веществ, которые должны подвергаться облегченной диффузии, чтобы попасть в клетку, например, аминокислоты, или выйти из клетки, например, отходы.

Рисунок 3.1.4 – Облегченная диффузия: (a) Облегченная диффузия веществ через клеточную (плазматическую) мембрану происходит с помощью таких белков, как канальные белки и белки-переносчики.Канальные белки менее избирательны, чем белки-переносчики, и обычно слабо различают свой груз в зависимости от размера и заряда. (b) Белки-носители более избирательны, часто позволяя пересекаться только одному определенному типу молекул.

Осмос

Специальным примером облегченного транспорта является перемещение воды через клеточную мембрану всех клеток через белковые каналы, известные как аквапорины. Осмос — это диффузия воды через полупроницаемую мембрану из места, где относительное количество воды больше, туда, где относительное количество воды меньше (по градиенту концентрации воды) (рис. 3.1.5).

Рисунок 3.1.5 – Осмос: Осмос – это диффузия воды через полупроницаемую мембрану по градиенту ее концентрации. Если мембрана проницаема для воды, но не для растворенного вещества, вода уравняет свою концентрацию, диффундируя в сторону с более низкой концентрацией воды (и, следовательно, в сторону с более высокой концентрацией растворенного вещества). В стакане слева раствор справа от мембраны гипертоничен.

Сами по себе клетки не могут регулировать движение молекул воды через свою мембрану, поэтому важно, чтобы клетки находились в среде, в которой концентрация растворенных веществ вне клеток (во внеклеточной жидкости) равна концентрации растворенные вещества внутри клеток (в цитоплазме).Два раствора с одинаковой концентрацией растворенных веществ называются изотоническими (равное напряжение). Когда клетки и их внеклеточная среда изотоничны, концентрация молекул воды одинакова снаружи и внутри клеток, и клетки сохраняют свою нормальную форму (и функцию).

Осмос возникает, когда существует дисбаланс растворенных веществ вне клетки по сравнению с внутри клетки. Раствор, который имеет более высокую концентрацию растворенных веществ, чем другой раствор, называется гипертоническим , и молекулы воды имеют тенденцию диффундировать в гипертонический раствор (рис. 3.1.6). Клетки в гипертоническом растворе сморщиваются, когда вода выходит из клетки посредством осмоса. Напротив, раствор, который имеет более низкую концентрацию растворенных веществ, чем другой раствор, называется гипотоническим , и молекулы воды имеют тенденцию диффундировать из гипотонического раствора. Клетки в гипотоническом растворе будут поглощать слишком много воды и набухать, рискуя в конечном итоге лопнуть. Важнейшим аспектом гомеостаза живых существ является создание внутренней среды, в которой все клетки тела находятся в изотоническом растворе.Различные системы органов, особенно почки, работают для поддержания этого гомеостаза.

Рисунок 3.1.6 – Концентрация раствора: В гипертоническом растворе концентрация растворенного вещества выше, чем в другом растворе. Изотонический раствор имеет концентрацию растворенного вещества, равную концентрации другого раствора. Гипотонический раствор имеет более низкую концентрацию растворенного вещества, чем другой раствор.

Активный транспорт

При всех описанных выше способах транспортировки клетка не расходует энергию.Мембранные белки, которые помогают в пассивном транспорте веществ, делают это без использования АТФ. При первично-активном транспорте АТФ необходима для перемещения вещества через мембрану с помощью мембранного белка и против градиента его концентрации.

Один из наиболее распространенных видов активного транспорта включает белки, которые служат насосами. Слово «насос», вероятно, вызывает в воображении мысли об использовании энергии для накачивания шины велосипеда или баскетбольного мяча. Точно так же энергия АТФ требуется этим мембранным белкам для переноса веществ — молекул или ионов — через мембрану против градиента их концентрации (из области с низкой концентрацией в область с высокой концентрацией).

Натрий-калиевый насос , который также называется Na + /K + АТФаза, транспортирует натрий из клетки, одновременно перемещая калий в клетку. Насос Na + / K + является важным ионным насосом, присутствующим в мембранах всех клеток. Активность этих насосов в нервных клетках настолько велика, что на нее приходится большая часть их использования АТФ.

Рисунок 3.1.7 Натрий-калиевый насос обнаружен во многих клеточных (плазматических) мембранах.Приводимый в действие АТФ, насос перемещает ионы натрия и калия в противоположных направлениях, каждый против своего градиента концентрации. За один цикл насоса три иона натрия вытесняются из клетки, а два иона калия импортируются в клетку.

Активные транспортные насосы могут также работать вместе с другими активными или пассивными транспортными системами для перемещения веществ через мембрану. Например, натрий-калиевый насос поддерживает высокую концентрацию ионов натрия вне клетки. Следовательно, если клетке нужны ионы натрия, все, что ей нужно сделать, это открыть пассивный натриевый канал, поскольку градиент концентрации ионов натрия заставит их диффундировать в клетку.Таким образом, действие активного транспортного насоса (натрий-калиевого насоса) обеспечивает пассивный транспорт ионов натрия за счет создания градиента концентрации. Когда активный транспорт обеспечивает транспорт другого вещества таким образом, это называется вторичным активным транспортом.

Симпортеры — это вторичные активные переносчики, которые перемещают два вещества в одном направлении. Например, симпортер натрий-глюкоза использует ионы натрия для «втягивания» молекул глюкозы в клетку. Поскольку клетки хранят глюкозу для получения энергии, глюкоза обычно находится в более высокой концентрации внутри клетки, чем снаружи; однако из-за действия натрий-калиевого насоса ионы натрия легко диффундируют в клетку, когда симпортер открыт.Поток ионов натрия через симпортер обеспечивает энергию, которая позволяет глюкозе двигаться через симпортер в клетку против градиента ее концентрации.

И наоборот, антипортеры представляют собой вторичные активные транспортные системы, которые транспортируют вещества в противоположных направлениях. Например, антипортер ионов натрия и водорода использует энергию поступающего внутрь потока ионов натрия для перемещения ионов водорода (H + ) из клетки. Натрий-водородный антипортер используется для поддержания pH внутри клетки.

Прочие виды мембранного транспорта

Другие формы активного транспорта не включают мембранных носителей. Эндоцитоз (введение «в клетку») представляет собой процесс поглощения клетками материала путем его обволакивания частью своей клеточной мембраны, а затем отщипывания этой части мембраны (рис. 3.1.8). После отщипывания часть мембраны и ее содержимое становится самостоятельным внутриклеточным пузырьком. Везикула представляет собой мембранозный мешок — сферическую полую органеллу, ограниченную двухслойной липидной мембраной.Эндоцитоз часто приносит в клетку материалы, которые необходимо расщепить или переварить. Фагоцитоз («поедание клеток») — эндоцитоз крупных частиц. Многие иммунные клетки участвуют в фагоцитозе вторгшихся патогенов. Как и маленькие пакмены, их работа состоит в том, чтобы патрулировать ткани тела на наличие нежелательных веществ, таких как вторжение бактериальных клеток, их фагоцитирование и переваривание. В отличие от фагоцитоза, пиноцитоз («питание клеткой») доставляет в клетку через мембранные везикулы жидкость, содержащую растворенные вещества.

Рисунок 3.1.8 – Три формы эндоцитоза: Эндоцитоз – это форма активного транспорта, при которой клетка окутывает внеклеточный материал своей клеточной мембраной. (а) При фагоцитозе, который является относительно неселективным, клетка захватывает крупные частицы в более крупные везикулы, известные как вакуоли. (б) При пиноцитозе клетка поглощает мелкие частицы жидкости. (c) Напротив, эндоцитоз, опосредованный рецепторами, является довольно избирательным. Когда внешние рецепторы связывают специфический лиганд, клетка отвечает эндоцитозом лиганда.

Фагоцитоз и пиноцитоз захватывают большие порции внеклеточного материала, и они, как правило, не обладают высокой избирательностью в отношении вводимых веществ. Клетки регулируют эндоцитоз определенных веществ посредством эндоцитоза, опосредованного рецепторами. Рецептор-опосредованный эндоцитоз — это эндоцитоз части клеточной мембраны, которая содержит множество рецепторов, специфичных для определенного вещества. Как только поверхностные рецепторы связывают достаточное количество специфического вещества (лиганда рецептора), клетка эндоцитирует часть клеточной мембраны, содержащую комплексы рецептор-лиганд.Железо, необходимый компонент гемоглобина, таким образом эндоцитируется красными кровяными тельцами. Железо связано с белком, называемым трансферрином в крови. Специфические рецепторы трансферрина на поверхности эритроцитов связывают молекулы железо-трансферрин, и клетка эндоцитирует комплексы рецептор-лиганд.

В отличие от эндоцитоза, экзоцитоз («извлечение из клетки») представляет собой процесс клеточного экспорта материала с помощью везикулярного транспорта (рис. 3.1.9). Многие клетки производят вещества, которые должны выделяться, как фабрика, производящая продукт на экспорт.Эти вещества обычно упакованы в мембраносвязанные везикулы внутри клетки. Когда мембрана везикул сливается с клеточной мембраной, везикула высвобождает свое содержимое в интерстициальную жидкость. Затем мембрана везикул становится частью клеточной мембраны.

Конкретные примеры экзоцитоза включают клетки желудка и поджелудочной железы, продуцирующие и секретирующие пищеварительные ферменты посредством экзоцитоза (рис. 3.1.10), и эндокринные клетки, продуцирующие и секретирующие гормоны, которые разносятся по всему телу.

Добавление новой мембраны к плазматической мембране обычно сопровождается эндоцитозом, так что клетка не увеличивается постоянно. Благодаря этим процессам клеточная мембрана постоянно обновляется и изменяется по мере необходимости.

Рисунок 3.1.9 – Экзоцитоз: Экзоцитоз очень похож на эндоцитоз наоборот. Материал, предназначенный для экспорта, упаковывается в везикулу внутри клетки. Мембрана везикулы срастается с клеточной мембраной, и содержимое выходит во внеклеточное пространство. Рисунок 3.1.10 – Ферментные продукты клеток поджелудочной железы: Ацинарные клетки поджелудочной железы производят и секретируют множество ферментов, которые переваривают пищу. Крошечные черные гранулы на этой электронной микрофотографии представляют собой секреторные пузырьки, заполненные ферментами, которые будут экспортироваться из клеток посредством экзоцитоза. LM × 2900. (Микрофотография предоставлена ​​Регентами Медицинской школы Мичиганского университета © 2012)

Болезни клеток: кистозный фиброз

 

Кистозный фиброз (МВ) поражает приблизительно 30 000 человек в Соединенных Штатах, и ежегодно регистрируется около 1 000 новых случаев.Это генетическое заболевание наиболее известно своим поражением легких, вызывающим затрудненное дыхание и хронические легочные инфекции, но оно также поражает печень, поджелудочную железу и кишечник. Всего около 50 лет назад прогноз для детей, рожденных с муковисцидозом, был очень мрачным — ожидаемая продолжительность жизни редко превышала 10 лет. Сегодня, благодаря достижениям в лечении, многие пациенты с муковисцидозом доживают до 30 лет.

Симптомы муковисцидоза возникают из-за неисправности мембранного ионного канала, называемого регулятором трансмембранной проводимости при муковисцидозе, или CFTR.У здоровых людей белок CFTR является интегральным мембранным белком, который транспортирует ионы Cl– из клетки. У человека с муковисцидозом мутирует ген CFTR, поэтому клетка вырабатывает дефектный канальный белок, который обычно не встраивается в мембрану, а вместо этого разрушается клеткой.

Для функционирования CFTR требуется АТФ, что делает его транспорт Cl– формой активного транспорта. Это долгое время озадачивало исследователей, потому что ионы Cl– на самом деле перемещаются вниз по градиенту их концентрации при транспортировке из клеток.Активный транспорт обычно перекачивает ионы против градиента их концентрации , но CFTR представляет собой исключение из этого правила.

В нормальной легочной ткани перемещение Cl– из клетки поддерживает богатую Cl– отрицательно заряженную среду непосредственно вне клетки. Это особенно важно для эпителиальной выстилки дыхательной системы. Клетки респираторного эпителия выделяют слизь, которая служит для улавливания пыли, бактерий и другого мусора. Ресничка (множественное число = реснички) — это один из волосовидных придатков, обнаруженных на некоторых клетках.Реснички на эпителиальных клетках перемещают слизь и ее захваченные частицы вверх по дыхательным путям от легких и наружу. Чтобы эффективно продвигаться вверх, слизь не может быть слишком вязкой, скорее, она должна иметь жидкую, водянистую консистенцию. Транспорт Cl– и поддержание электроотрицательной среды за пределами клетки притягивает положительные ионы, такие как Na+, во внеклеточное пространство. Накопление ионов Cl– и Na+ во внеклеточном пространстве создает богатую растворенными веществами слизь с низкой концентрацией молекул воды.В результате посредством осмоса вода из клеток и внеклеточного матрикса переходит в слизь, «разжижая» ее. В нормальной дыхательной системе именно так слизь остается достаточно разбавленной, чтобы ее можно было вывести из дыхательной системы.

Если канал CFTR отсутствует, ионы Cl– не транспортируются из клетки в достаточном количестве, что не позволяет им притягивать положительные ионы. Отсутствие ионов в секретируемой слизи приводит к отсутствию нормального градиента концентрации воды.Таким образом, нет осмотического давления, втягивающего воду в слизь. Образующаяся слизь густая и липкая, и мерцательный эпителий не может эффективно удалить ее из дыхательной системы. Проходы в легких блокируются слизью вместе с мусором, который она несет. Бактериальные инфекции возникают легче, потому что бактериальные клетки не эффективно удаляются из легких.

Обзор главы

Клеточная мембрана обеспечивает барьер вокруг клетки, отделяя ее внутренние компоненты от внеклеточной среды.Он состоит из двойного фосфолипидного слоя с гидрофобными внутренними липидными «хвостами» и гидрофильными внешними фосфатными «головками». Различные мембранные белки разбросаны по всему бислою, как встроенные в него, так и прикрепленные к нему периферически. Клеточная мембрана избирательно проницаема, что позволяет лишь ограниченному количеству материалов диффундировать через липидный бислой. Все материалы, которые пересекают мембрану, делают это с помощью пассивных (не требующих энергии) или активных (требующих энергии) транспортных процессов.Во время пассивного транспорта вещества перемещаются путем простой диффузии или облегченной диффузии через мембрану по градиенту их концентрации. Вода проходит через мембрану в процессе диффузии, называемом осмосом. Во время активного транспорта расходуется энергия, чтобы способствовать движению вещества через мембрану в направлении против градиента их концентрации. Активный транспорт может осуществляться с помощью белковых насосов или с помощью везикул.

Вопросы по интерактивной ссылке

Посетите эту ссылку, чтобы увидеть диффузию и то, как она приводится в движение кинетической энергией молекул в растворе.Как температура влияет на скорость диффузии и почему?

Более высокие температуры ускоряют диффузию, потому что молекулы имеют большую кинетическую энергию при более высоких температурах.

Контрольные вопросы

 

 

 

Вопросы для критического мышления

Какие материалы могут легко диффундировать через липидный бислой и почему?

Только материалы, которые являются относительно небольшими и неполярными, могут легко диффундировать через липидный бислой.Крупные частицы не могут поместиться между отдельными фосфолипидами, которые упакованы вместе, а полярные молекулы отталкиваются гидрофобными/неполярными липидами, которые выстилают внутреннюю часть бислоя.

Почему рецептор-опосредованный эндоцитоз считается более избирательным, чем фагоцитоз или пиноцитоз?

Рецептор-опосредованный эндоцитоз является более избирательным, поскольку вещества, которые вводятся в клетку, представляют собой специфические лиганды, которые могут связываться с эндоцитозируемыми рецепторами.Фагоцитоз или пиноцитоз, с другой стороны, не имеют такой специфичности рецептор-лиганд и вносят любые материалы, которые оказываются близко к мембране, когда она покрыта оболочкой.

Что общего между осмосом, диффузией, фильтрацией и перемещением ионов от одинакового заряда? Чем они отличаются?

Эти четыре явления схожи в том смысле, что они описывают движение веществ по определенному типу градиента. Осмос и диффузия связаны с перемещением воды и других веществ по градиенту их концентрации соответственно.Фильтрация описывает движение частиц по градиенту давления, а движение ионов от одинакового заряда описывает их движение по градиенту электрического поля.

БИОДОТЭДУ

Получение веществ
В ячейках и вне их
Диффузия играет важную роль в перемещении малых молекул на короткие расстояния внутри и вокруг клеток.Однако для больших молекул и многих других молекул диффузия слишком медленная и неселективная. Если они хотят своевременно получать жизненно важные ингредиенты, клетки должны иметь способ ускорить движение молекул в цитоплазму и из нее.

Кроме того, клеточная мембрана непроницаема для многих более крупных веществ, необходимых клеткам. Сахара, аминокислоты и т. д. не могут просто диффундировать с одной стороны мембраны на другую. Таким образом, клетки транспортируют эти необходимые молекулы через мембрану с помощью специальных белков-переносчиков .

Эти белки расположены в мембране, очень специфичны и присоединяются только к определенным типам молекул. Таким образом, клетка может тщательно регулировать количество и типы молекул, которые входят в нее и выходят из нее.

Пассивный транспорт
Белки-носители могут перемещать молекулы только в том же направлении, в котором они обычно двигаются путем диффузии .Этот процесс, называемый облегченной диффузией , позволяет клетке контролировать, какие материалы транспортируются через мембрану и в каком количестве. Никаких затрат энергии не требуется.

Как следует из названия, диффузия по-прежнему играет важную роль в этом механизме. Молекулы, как и сахара, достигают белков-носителей в мембране путем диффузии, а затем перемещаются через мембрану из области высокой концентрации в область низкой концентрации.

Например, если клетку поместить в раствор сахара, молекулы сахара будут диффундировать и контактировать с белками-носителями, расположенными в мембране.Затем белки-переносчики переносят эти сахара через мембрану в клетку, но только до тех пор, пока концентрация сахара снаружи клетки больше, чем внутри.

Активный транспорт
Однако во многих случаях клетка должна перемещать вещества из областей с низкой концентрацией в области с уже высокой концентрацией.Например, конкретный сахар может находиться в разбавленном растворе вне клетки, а также в высокой концентрации внутри клетки, но для клетки было бы полезно накапливать больше этого ценного ресурса.

В мембрану встроены белки-переносчики, которые прикрепляются к молекулам сахара вне клетки, а затем используют энергию для «накачки» этих молекул против нормального направления диффузии внутрь клетки. Эта система известна как активный транспорт . Энергия требуется для активного транспорта, потому что работа совершается против естественной силы диффузии.


BIO точка EDU
© 2001, профессор Джон Бламир

Какие вещества проходят через клеточную мембрану путем диффузии?

Структура клеточной мембраны

Клеточная мембрана состоит из двух слоев толщиной и состоит из крошечных молекул жира, называемых фосфолипидами . Фосфолипиды уникальны, потому что их внешняя часть, или головки, гидрофильны, то есть они любят воду.Они взаимодействуют с жидким раствором внутри и снаружи клетки. Хвосты гидрофобны или боятся воды. Они зажаты между головами, защищая их от воды.

Структура фосфолипидного бислоя

Гидрофобные вещества не уживаются с гидрофильными, поэтому, если что-то хочет пройти через клеточную мембрану, оно тоже должно быть гидрофобным! Поскольку фосфолипиды плотно упакованы, сквозь них могут проникнуть только очень маленькие гидрофобные вещества.

Что такое диффузия?

Молекулы, соответствующие профилю, маленькие и гидрофобные, могут проходить через мембрану путем диффузии. Диффузия — это процесс перехода вещества от высокой концентрации к низкой концентрации. Этот процесс не требует энергии. Думайте об этом, как о катении мяча с холма. Мяч катится с большей высоты на меньшую. Гравитация делает всю работу, и вы не тратите энергию, чтобы доставить мяч на дно. В организме есть несколько ключевых примеров молекул, которые диффундируют через клеточную мембрану, газы, гормоны и некоторые лекарства.Далее мы подробно рассмотрим каждый из них.

Диффузия через клеточную мембрану

Газообмен

Сделайте глубокий вдох. Теперь медленно выдохните через нос. Это успокаивающее дыхание достигается за счет диффузии. Когда вы вдыхаете, кислород поступает в ваши легкие и останавливается в крошечных мешочках, называемых альвеолами . В альвеолах кислород поступает из легких в кровь, а затем в тело.Внутри альвеол кислорода больше, чем в крови, поступающей из вашего тела. Кислород очень мал и гидрофобен, поэтому он диффундирует из альвеол через клеточную мембрану в кровь. Затем ваша кровь уносит его, чтобы он выполнял свою работу в организме.

Обратный процесс происходит при избавлении от углекислого газа, продукта жизнедеятельности ваших клеток. Кровь, поступающая из вашего тела, приносит углекислый газ в легкие. В крови больше углекислого газа, чем в легких, поэтому он диффундирует в альвеолы.Затем вы выдыхаете, и выделяется углекислый газ.

Газообмен в легких

Этот процесс происходит при каждом вдохе, позволяя диффузии через клеточную мембрану поддерживать вашу жизнь.

Стероидные гормоны

Другим примером небольшой гидрофобной молекулы являются стероидные гормоны. Стероидные гормоны — это химические сообщения, посылаемые вашему телу через кровь. Они сделаны из холестерина и состоят в основном из атомов углерода и водорода.Эстроген является примером стероидного гормона. Мы обычно думаем об эстрогене как о женском гормоне, вызывающем рост груди и менструацию в подростковом возрасте. Однако на самом деле эстроген выполняет множество функций в организме, и мужчины также производят некоторое количество эстрогена. Эстроген диффундирует из крови, где его концентрация выше, в клетки, где его концентрация ниже.

Диффузия эстрогенов через плазматическую мембрану

Внутри клеток эстроген может получить доступ к ДНК или основным инструкциям клеток.Эстроген в сочетании с другими белками может контролировать такие процессы, как рост клеток и здоровье нашей сердечно-сосудистой системы. В частности, известно, что эстроген снижает кровяное давление и помогает предотвратить сердечные заболевания. Опять же, все эти замечательные преимущества связаны с распространением.

Наркотики

Наркотики, такие как алкоголь, антидепрессанты, кокаин, лекарства от беспокойства и другие, легко проникают через клеточную мембрану. Эти молекулы нацелены на наш мозг, который имеет разветвленную систему, чтобы не допустить проникновения.Гематоэнцефалический барьер состоит из нескольких слоев клеток, плотно упакованных вместе, что обеспечивает безопасность вашего мозга. Только очень маленькие гидрофобные молекулы могут диффундировать непосредственно через клеточную мембрану.

Кокаин проникает в мозг

Иногда способность проскальзывать через клеточную мембрану полезна, например, для пациентов, нуждающихся в антидепрессантах. Другие вещества, такие как алкоголь и кокаин, могут нанести вред нашему мозгу.В любом случае, после приема лекарства в крови его больше, чем в мозгу. Лекарства диффундируют через клеточную мембрану от высокой концентрации к низкой концентрации.

Краткий обзор урока

Таким образом, клеточная мембрана представляет собой тонкий гибкий барьер, защищающий клетку. Клеточная мембрана пропускает только определенные вещества из-за гидрофобных хвостов фосфолипидов , составляющих мембрану. Только очень маленькие гидрофобные молекулы могут диффундировать через мембрану.Одним из примеров является диффузия углекислого газа и кислорода между кровью и легкими. Другой — стероидные гормоны, которые регулируют работу многих органов тела и диффундируют из крови в клетки. Наконец, наркотики могут диффундировать от высокой концентрации в крови до низкой концентрации в головном мозге через гематоэнцефалический барьер .

Что такое диффузия?

Что такое диффузия?

Диффузия — это тенденция молекул распространяться, чтобы занять доступное пространство.Газы и молекулы в жидкости имеют тенденцию диффундировать из более концентрированной среды в менее концентрированную. Пассивный транспорт – это диффузия веществ через мембрану. Это спонтанный процесс, и клеточная энергия не расходуется. Молекулы будут двигаться от того места, где концентрация вещества выше, туда, где его концентрация меньше. На скорость диффузии различных веществ влияет проницаемость мембраны. Например, вода свободно диффундирует через клеточные мембраны, а другие молекулы — нет.Им нужно помочь пройти через клеточную мембрану с помощью процесса, называемого облегченной диффузией.

Основные выводы: распространение

  • Диффузия — это пассивное перемещение молекул из области высокой концентрации в область низкой концентрации.
  • Пассивная диффузия — это движение молекул через мембрану, например клеточную мембрану. Движение не требует энергии.
  • В облегченной диффузии молекула транспортируется через мембрану с помощью белка-носителя.
  • Осмос — это тип пассивной диффузии, при котором вода диффундирует через полупроницаемую мембрану из области с низкой концентрацией растворенного вещества в область с высокой концентрацией растворенного вещества.
  • Дыхание и фотосинтез являются примерами естественных процессов диффузии.
  • Перемещение глюкозы в клетки является примером облегченной диффузии .
  • Поглощение воды корнями растений является примером осмоса.

Что такое осмос?

Осмос является частным случаем пассивного транспорта.Вода диффундирует через полупроницаемую мембрану, которая пропускает одни молекулы, но не пропускает другие.

Вода, проходящая через полупроницаемую мембрану путем осмоса, попадает в область с более высокой концентрацией сахара. ttsz/iStock/Getty Images Plus

При осмосе направление потока воды определяется концентрацией растворенного вещества. Вода диффундирует из гипотонического раствора (низкая концентрация растворенного вещества) в гипертонический раствор (высокая концентрация растворенного вещества). В приведенном выше примере вода движется от левой стороны полупроницаемой мембраны, где концентрация сахара низкая, к правой стороне мембраны, где концентрация молекул сахара выше.Если бы концентрация молекул была одинаковой по обеим сторонам мембраны, вода текла бы одинаково ( изостонно ) между обеими сторонами мембраны.

Примеры распространения

И кислород, и углекислый газ диффундируют в кровь и разносятся по всему телу. ttsz/iStock/Getty Images Plus

Ряд естественных процессов основан на диффузии молекул. Дыхание включает диффузию газов (кислорода и углекислого газа) в кровь и из нее.В легких углекислый газ диффундирует из крови в воздух в альвеолах легких. Затем эритроциты связывают кислород, который диффундирует из воздуха в кровь. Кислород и другие питательные вещества в крови транспортируются к тканям, где происходит обмен газов и питательных веществ. Углекислый газ и отходы диффундируют из клеток тканей в кровь, а кислород, глюкоза и другие питательные вещества из крови диффундируют в ткани организма. Этот процесс диффузии происходит в капиллярных руслах.

Диффузия газов происходит при фотосинтезе растений.snapgalleria/iStock/Getty Images Plus

Диффузия происходит и в растительных клетках. Процесс фотосинтеза, происходящий в листьях растений, зависит от диффузии газов. При фотосинтезе энергия солнечного света, воды и углекислого газа используется для производства глюкозы, кислорода и воды. Углекислый газ диффундирует из воздуха через крошечные поры в листьях растений, называемые устьицами. Кислород, образующийся в результате фотосинтеза, диффундирует из растения через устьица в атмосферу.

На этом изображении показана облегченная диффузия глюкозы через клеточную мембрану через белок-носитель.ttsz/iStock/Getty Images Plus

В облегченной диффузии более крупные молекулы, такие как глюкоза, не могут свободно диффундировать через клеточные мембраны. Эти молекулы должны двигаться вниз по градиенту концентрации с помощью транспортных белков. Белковые каналы, встроенные в клеточные мембраны, имеют отверстия снаружи клетки, которые позволяют определенным молекулам попадать внутрь. Только молекулы с определенными характеристиками, такими как определенный размер и форма, могут проходить извне клетки во внутриклеточное пространство.Поскольку этот процесс не требует энергии, облегченная диффузия считается пассивным транспортом.

Примеры осмоса

Вода, перемещающаяся через мембраны клеток растений за счет осмоса, помогает восстановить вертикальное положение растения. беркпиксели/Getty Images

Примеры осмоса в организме включают реабсорбцию воды канальцами нефрона в почках и реабсорбцию жидкости в тканевых капиллярах. У растений осмос проявляется в поглощении воды корнями растений. Осмос важен для стабильности растений.Увядшие растения являются результатом недостатка воды в растительных вакуолях. Вакуоли помогают поддерживать жесткость структур растений, поглощая воду и оказывая давление на стенки клеток растений. Вода, перемещающаяся через мембраны клеток растений за счет осмоса, помогает восстановить вертикальное положение растения.

Клеточная мембрана

Клеточная мембрана

Основным компонентом клеточной мембраны является двойной слой фосфолипидов или сэндвич. Головки ( фосфо часть) полярны, а хвосты ( липидная часть) неполярны.Головки, образующие внешнюю и внутреннюю оболочки, являются «гидрофильными» (водолюбивыми), тогда как хвосты, обращенные внутрь клеточной мембраны, являются «гидрофобными» (водобоязненными). Вода притягивается снаружи (красный) мембраны, но не может пройти через неполярный внутренний (желтый) слой.

Транспорт через мембрану

Мембраны клетки полупроницаемы. Это означает, что, хотя большинство вещей эффективно удерживаются внутри (или снаружи), некоторые могут проходить напрямую.Так как же клетки перемещают предметы внутрь и наружу? Есть три метода.

1. Диффузия : Если молекула очень мала, например кислород или двуокись углерода, диффузия делает свое дело. Когда концентрация O 2 снаружи клетки выше, чем внутри, молекулы O 2 диффундируют внутрь, проходя через мембрану, как будто ее и нет. Точно так же, когда концентрация отработанного газа CO 2 увеличивается внутри ячейки, он естественным образом выходит наружу, где концентрация ниже.Диффузия не требует затрат энергии клеткой. Это происходит пассивно. Хотя природа уже давно это поняла, сейчас мы производим ткани и медицинские приборы, которые копируют этот процесс. Gore Industries, один из крупных работодателей во Флагстаффе, производит ткань под названием «Gore-Tex», которая отталкивает большие капли воды, но пропускает более мелкие молекулы воздуха, делая ткань «дышащей».

Загвоздка: Хотя диффузия хорошо работает для крошечной одиночной клетки, она сама по себе не выполняет свою работу в многоклеточном организме, где ткани похоронены глубоко внутри тела.Представьте себе бицепс, когда вы поднимаете тяжести. В ткани, состоящей из миллионов клеток, быстро заканчивается кислород и накапливается углекислый газ. Диффузия через кожу не успевала. Здесь на помощь приходит кровеносная система. Мельчайшие кровеносные сосуды, капилляры, проходят через эти ткани. Кровь из легких отдает кислород клеткам (поскольку O 2 имеет более низкую концентрацию в тканях) и собирает углекислый газ (поскольку CO 2 имеет более высокую концентрацию в тканях) и переносит его обратно в ткани. легкие для выдоха.Этот не требует энергии для . Это также объясняет, почему частота дыхания увеличивается, когда вы напрягаетесь, и является одной из издержек многоклеточности.

2. Активный транспорт : Иногда диффузия происходит недостаточно быстро для удовлетворения потребностей клетки, и бывают случаи, когда питательные вещества необходимо накапливать или выделять в более высокой концентрации, чем это происходит естественным путем при диффузии. В этом случае клетка использует энергию для закачки хороших и плохих вещей через белковые каналы или ворота.Этот процесс называется активным транспортом.

3. Эндоцитоз : Иногда необходимо переместить большой объект внутрь или из камеры, но он слишком велик для двери. Подумайте о переносе дивана в свою квартиру, и вы получите эту идею. Но вы не можете просто прорезать дыру в клеточной мембране, иначе все хорошее внутри вытечет наружу, так как же вы можете что-то получить, не позволяя вашей внутренней части подвергаться воздействию внешней среды? У клетки есть особая хитрость, которая, вероятно, восходит к тем временам, когда все живое было одноклеточным, и именно так питались клетки.Одноклеточная амеба до сих пор питается таким образом. Это называется эндоцитоз, и работает он так. В частности, обратите внимание, что проглоченный пищевой объект постепенно оказывается заключенным в секцию двухслойной мембраны «изнутри наружу» в стиле Pac-Man! Как только пищевая частица полностью окружена, внешние мембраны сливаются, а внутренняя вакуоль отщипывается. С помощью этого метода внутренняя часть клетки никогда не подвергается прямому воздействию внешней среды. Единственный побочный эффект этого трюка заключается в том, что мембрана теперь вывернута наизнанку, и это интересно, потому что дает нам представление о происхождении клеточных органелл.

Обратите внимание, что мембраны вакуолей перевернуты! (черный снаружи и красный внутри)

3.5 Пассивный транспорт – Концепции биологии – 1-е канадское издание

К концу этого раздела вы сможете:

  • Объясните, почему и как происходит пассивный транспорт
  • Понимать процессы осмоса и диффузии
  • Дайте определение тонусу и опишите его значение для пассивного транспорта

Плазматические мембраны должны позволять определенным веществам входить в клетку и выходить из нее, в то же время предотвращая попадание вредных веществ и выход основных веществ.Другими словами, плазматические мембраны избирательно проницаемы — они пропускают одни вещества, но не пропускают другие. Если бы они утратили эту избирательность, клетка больше не могла бы поддерживать себя и была бы уничтожена. Некоторым клеткам требуется большее количество специфических веществ, чем другим клеткам; у них должен быть способ получения этих материалов из внеклеточной жидкости. Это может происходить пассивно, так как некоторые материалы перемещаются вперед и назад, или клетка может иметь специальные механизмы, обеспечивающие транспорт.Большинство клеток тратят большую часть своей энергии в виде аденозинтрифосфата (АТФ) на создание и поддержание неравномерного распределения ионов на противоположных сторонах своих мембран. Структура плазматической мембраны способствует этим функциям, но также представляет некоторые проблемы.

Наиболее прямые формы мембранного транспорта являются пассивными. Пассивный транспорт является естественным явлением и не требует от клетки затрат энергии для выполнения движения. При пассивном транспорте вещества перемещаются из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией в процессе, называемом диффузией .Говорят, что физическое пространство, в котором существует различная концентрация одного вещества, имеет градиент концентрации.

Плазматические мембраны асимметричны, что означает, что, несмотря на зеркальное отображение, образованное фосфолипидами, внутренняя часть мембраны не идентична внешней части мембраны. Интегральные белки, которые действуют как каналы или насосы, работают в одном направлении. Углеводы, присоединенные к липидам или белкам, также находятся на внешней поверхности плазматической мембраны. Эти углеводные комплексы помогают клетке связывать необходимые ей вещества во внеклеточной жидкости.Это значительно увеличивает селективность плазматических мембран.

Напомним, что плазматические мембраны имеют гидрофильные и гидрофобные участки. Эта характеристика помогает движению одних материалов через мембрану и препятствует движению других. Липидорастворимый материал может легко проскальзывать через гидрофобное липидное ядро ​​мембраны . Такие вещества, как жирорастворимые витамины A, D, E и K, легко проходят через плазматические мембраны пищеварительного тракта и других тканей.Жирорастворимые препараты также легко проникают в клетки и легко транспортируются в ткани и органы организма. Молекулы кислорода и углекислого газа не имеют заряда и проходят путем простой диффузии.

Полярные вещества, за исключением воды, создают проблемы для мембраны. В то время как некоторые полярные молекулы легко соединяются с внешней стороной клетки, они не могут легко пройти через липидное ядро ​​плазматической мембраны . Кроме того, в то время как маленькие ионы могли бы легко проскальзывать через промежутки в мозаике мембраны, их заряд препятствует им сделать это.Ионы, такие как натрий, калий, кальций и хлорид, должны иметь специальные средства для проникновения через плазматические мембраны. Простые сахара и аминокислоты также нуждаются в транспортировке через плазматические мембраны.

Диффузия — это пассивный процесс переноса. Отдельное вещество имеет тенденцию перемещаться из области высокой концентрации в область низкой концентрации до тех пор, пока концентрация не станет одинаковой во всем пространстве. Вы знакомы с диффузией веществ через воздух. Например, представьте, что кто-то открывает флакон духов в комнате, заполненной людьми.Самая высокая концентрация духов находится во флаконе, а самая низкая — по краям комнаты. Пары духов будут рассеиваться или распространяться от флакона, и постепенно все больше и больше людей будут ощущать запах духов по мере их распространения. Вещества перемещаются в цитозоле клетки путем диффузии, а некоторые вещества перемещаются через плазматическую мембрану путем диффузии (рис. 3.24). Диффузия не затрачивает энергию. Скорее, разные концентрации материалов в разных областях представляют собой форму потенциальной энергии, а диффузия — это рассеяние этой потенциальной энергии по мере того, как материалы перемещаются по градиенту своей концентрации от высокого к низкому.

Рис. 3.24. Диффузия через проницаемую мембрану следует градиенту концентрации вещества, перемещая вещество из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией.

Каждое отдельное вещество в среде, такой как внеклеточная жидкость, имеет свой собственный градиент концентрации, независимый от градиентов концентрации других материалов. Кроме того, каждое вещество будет диффундировать в соответствии с этим градиентом.

На скорость диффузии влияет несколько факторов.

  • Степень градиента концентрации: Чем больше разница в концентрации, тем быстрее диффузия.Чем ближе распределение материала к равновесию, тем медленнее становится скорость диффузии.
  • Масса диффундирующих молекул: более массивные молекулы движутся медленнее, потому что им труднее перемещаться между молекулами вещества, через которое они движутся; поэтому они диффундируют медленнее.
  • Температура: более высокие температуры увеличивают энергию и, следовательно, движение молекул, увеличивая скорость диффузии.
  • Плотность растворителя: По мере увеличения плотности растворителя скорость диффузии уменьшается.Молекулы замедляются, потому что им труднее пройти через более плотную среду.

Концепция в действии

Чтобы увидеть анимацию процесса диффузии в действии, посмотрите этот короткий видеоролик о транспорте через клеточную мембрану.

При облегченном транспорте, также называемом облегченной диффузией, материал перемещается через плазматическую мембрану с помощью трансмембранных белков по градиенту концентрации (от высокой к низкой концентрации) без затрат клеточной энергии.Однако вещества, которые подвергаются облегченному транспорту, в противном случае не могли бы легко и быстро диффундировать через плазматическую мембрану. Решение проблемы перемещения полярных веществ и других веществ через плазматическую мембрану находится в белках, покрывающих ее поверхность. Транспортируемый материал сначала прикрепляется к белковым или гликопротеиновым рецепторам на внешней поверхности плазматической мембраны. Это позволяет материалу, который необходим клетке, удаляться из внеклеточной жидкости. Затем вещества передаются определенным интегральным белкам, которые облегчают их прохождение, поскольку они образуют каналы или поры, которые позволяют определенным веществам проходить через мембрану.Интегральные белки, участвующие в облегченном транспорте, в совокупности называются транспортными белками, и они функционируют либо как каналы для материала, либо как носители.

Осмос — это диффузия воды через полупроницаемую мембрану в соответствии с градиентом концентрации воды через мембрану. В то время как диффузия переносит вещества через мембраны и внутри клеток, осмос переносит только воду через мембрану, а мембрана ограничивает диффузию растворенных веществ в воде.Осмос является частным случаем диффузии. Вода, как и другие вещества, перемещается из области большей концентрации в область меньшей концентрации. Представьте химический стакан с полупроницаемой мембраной, разделяющей две стороны или половинки (рис. 3.25). По обе стороны мембраны уровень воды одинаков, но по обе стороны находятся разные концентрации растворенного вещества или растворенного вещества, которые не могут пересечь мембрану. Если объем воды один и тот же, а концентрации растворенного вещества разные, то по обе стороны от мембраны также разные концентрации воды-растворителя.

Рисунок 3.25. При осмосе вода всегда перемещается из области с более высокой концентрацией (воды) в область с более низкой концентрацией (воды). В этой системе растворенное вещество не может пройти через селективно проницаемую мембрану.

Принцип диффузии заключается в том, что молекулы движутся и равномерно распределяются по среде, если могут. Однако через нее диффундирует только тот материал, который способен пройти через мембрану. В этом примере растворенное вещество не может диффундировать через мембрану, а вода может.Вода в этой системе имеет градиент концентрации. Следовательно, вода будет диффундировать вниз по градиенту концентрации, пересекая мембрану в сторону, где она менее концентрирована. Эта диффузия воды через мембрану — осмос — будет продолжаться до тех пор, пока градиент концентрации воды не станет равным нулю. Осмос в живых системах протекает постоянно.

Тоничность описывает количество растворенного вещества в растворе. Мера тоничности раствора, или общее количество растворенных веществ, растворенных в определенном количестве раствора, называется его осмолярностью.Три термина — гипотонический, изотонический и гипертонический — используются для связи осмолярности клетки с осмолярностью внеклеточной жидкости, содержащей клетки. В гипотоническом растворе, таком как водопроводная вода, внеклеточная жидкость имеет более низкую концентрацию растворенных веществ, чем жидкость внутри клетки, и вода поступает в клетку. (В живых системах точкой отсчета всегда является цитоплазма, поэтому приставка гипо означает, что внеклеточная жидкость имеет более низкую концентрацию растворенных веществ или более низкую осмолярность, чем цитоплазма клетки.) Это также означает, что внеклеточная жидкость имеет более высокую концентрацию воды, чем клетка. В этой ситуации вода будет следовать градиенту своей концентрации и поступать в клетку. Это может привести к разрыву или лизису животной клетки.

В гипертоническом растворе (префикс гипер — относится к внеклеточной жидкости, имеющей более высокую концентрацию растворенных веществ, чем цитоплазма клетки), жидкость содержит меньше воды, чем клетка, например морская вода. Поскольку в клетке концентрация растворенных веществ ниже, вода будет покидать клетку.По сути, растворенное вещество вытягивает воду из клетки. Это может привести к тому, что животная клетка сморщится или образует зазубрины.

В изотоническом растворе внеклеточная жидкость имеет ту же осмолярность, что и клетка. Если концентрация растворенных веществ в клетке соответствует концентрации внеклеточной жидкости, не будет чистого движения воды в клетку или из нее. Клетки крови в гипертонических, изотонических и гипотонических растворах приобретают характерный вид (рис. 3.26).

Рис. 3.26. Осмотическое давление изменяет форму эритроцитов в гипертонических, изотонических и гипотонических растворах.

Врач вводит пациенту то, что он считает изотоническим солевым раствором. Пациент умирает, и вскрытие показывает, что многие эритроциты разрушены. Как вы думаете, раствор, который ввел доктор, действительно был изотоническим?

Некоторые организмы, такие как растения, грибы, бактерии и некоторые простейшие, имеют клеточные стенки, которые окружают плазматическую мембрану и предотвращают лизис клеток.Плазматическая мембрана может расширяться только до предела клеточной стенки, поэтому клетка не лизируется. На самом деле цитоплазма растений всегда несколько гипертонична по сравнению с клеточной средой, и вода всегда будет поступать в клетку, если вода доступна. Этот приток воды создает тургорное давление, которое делает клеточные стенки растения жесткими (рис. 3.27). У недревесных растений тургорное давление поддерживает растение. Если клетки растения становятся гипертоническими, как это происходит при засухе или если растение недостаточно поливают, вода покидает клетку.В этом состоянии растения теряют тургорное давление и увядают.

Рис. 3.27. Тургорное давление внутри растительной клетки зависит от тонуса раствора, в котором она находится.

Пассивные формы транспорта, диффузия и осмос, перемещают вещества с малой молекулярной массой. Вещества диффундируют из областей с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией, и этот процесс продолжается до тех пор, пока вещество не будет равномерно распределено в системе. В растворах более чем одного вещества каждый тип молекул диффундирует в соответствии со своим градиентом концентрации.На скорость диффузии могут влиять многие факторы, в том числе градиент концентрации, размеры диффундирующих частиц и температура системы.

В живых системах диффузия веществ в клетки и из клеток опосредуется плазматической мембраной. Одни материалы легко диффундируют через мембрану, другие затруднены, и их прохождение возможно только благодаря белковым каналам и переносчикам. Химия живых существ происходит в водных растворах, и балансировка концентраций этих растворов является постоянной проблемой.В живых системах диффузия некоторых веществ была бы медленной или затрудненной без белков мембраны.

Градиент концентрации: область высокой концентрации напротив области низкой концентрации

диффузия: пассивный процесс переноса низкомолекулярного вещества по градиенту его концентрации

облегченный транспорт: процесс, посредством которого вещество перемещается по градиенту концентрации (от высокой концентрации к низкой) с использованием интегральных мембранных белков

гипертонический: описывает раствор, в котором внеклеточная жидкость имеет более высокую осмолярность, чем жидкость внутри клетки

гипотонический: описывает раствор, в котором внеклеточная жидкость имеет более низкую осмолярность, чем жидкость внутри клетки

изотонический: описывает раствор, в котором внеклеточная жидкость имеет ту же осмолярность, что и жидкость внутри клетки

осмолярность: общее количество веществ, растворенных в определенном количестве раствора

осмос: перенос воды через полупроницаемую мембрану из области с высокой концентрацией воды в область с низкой концентрацией воды через мембрану

пассивный транспорт: метод транспортировки материалов, не требующий энергии

избирательно проницаемая: характеристика мембраны, которая пропускает одни вещества, но не пропускает другие

растворенное вещество: вещество, растворенное в другом с образованием раствора

тоничность: количество растворенного вещества в растворе.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.