Строение биологических мембран

Одними из составляющих клеток являются внешние (плазматические) мембраны, которые отделяют внутреннее содержание клетки от внешней среды. Для молекул и ионов мембрана действует как фильтр – пропускает одни частицы и задерживает другие.

Мембранные структуры размещаются не только на периферии клетки, но и внутри нее и отделяют ядро от окружающей его цитоплазмы. В особенных случаях образуются и другие мембраны, например диски во внешнем сегменте палочек сетчатки.

Структурную основу мембраны составляют дифильные (амфифильные) молекулы липидов. Мембранные липиды содержат длинные углеводородные группы, холестерин, и его эстеры, и некоторые другие соединения. Амфифильные молекулы разделяют на одно- и двухцепочечные.

Важным свойством двухцепочечных амфифильных молекул является их способность к образованию удвоенных слоев в водных средах. Последние имеют вид пластинчатых структур.

Дифильные молекулы объединяются так, что их полярные группы контактируют с водой, а углеводородные группы собираются вместе и образуют углеводородную фазу. Одноцепочечные амфифильные молекулы стремятся к образованию в водной среде глобулярных мицелл (от лат. mika – крошка, частица), а не бимолекулярных слоев.

Таким образом, тенденция к формированию мембраноподобных плоских бимолекулярных слоев – это свойство исключительно двухцепочочных амфифильных молекул. Двойной слой фосфолипидов – основа замкнутых структур (липосом) разных типов.

Внутри двойного слоя фосфолипидов находятся молекулы белков. Они играют роль катализаторов химических реакций, которые происходят на мембранах, и рецепторов сигналов, посредством которых клетка взаимодействует с окружающей средой и другими клетками.

Молекулы фосфолипидов, в отличие от больших молекул белков, сравнительно свободно перемещаются вдоль поверхности мембраны, оставаясь в границах своего слоя. Мембрана имеет строение жидкого кристалла, что очень важно для ее функционирования. При переходе мембраны из жидкокристаллического состояния в упорядоченное ее работа тормозится. В таких случаях наблюдается развитие патологических процессов в организме – атеросклероз, образование желчных камней и тому подобное.

Адсорбция и поверхностное натяжение имеют большое значение в процессе обмена веществ в живых системах. Поверхностное натяжение биологических жидкостей значительно меньше, чем воды, в результате наличия в них поверхностно-активных веществ.

Так, поверхностное натяжение сыворотки крови человека составляет

(40-47) •10-3 Дж/м².

Поскольку ПАВ способны концентрироваться у стенок сосудов и клеточных мембран, они повышают их проницаемость и улучшают обменные процессы. Известно особенный вид биологически-активных ПАВ, так называемых сурфактантов, что находятся в легких. Их главным компонентом является (ДПФХ) - дипальмитилфосфатидилхолин. Сурфактанты начинают синтезироваться организмом в конце внутриутробного периода. Их главные функции – сохранение размеров и формы альвеол; гистерезис легких; периодическое исключение части альвеол из процесса дыхания и их очистки; сохранение сухости поверхности альвеол и участие в осуществлении первого вдоха.

Адсорбция на границе раздела твердое тело – газ.

К неподвижным границам раздела принадлежат границы раздела между твердым телом и газом и твердым телом и раствором. Все случаи поглощения газов и испарений твердыми телами называют сорбцией. Если этой процесс происходит только на поверхности, то его называют адсорбцией, а когда вещество, которое поглощается поверхностью, диффундирует вовнутрь поглощающего вещества и распределяется по ее объему, то такое явление называют абсорбцией.

Твердое тело, на поверхности которого происходит адсорбция, принято называть адсорбентом, а вещество, которое адсорбируется, - адсорбатом.

Величину адсорбции определяют соотношением числа молекул n адсорбата к единице площади поверхности S (м²), или массы m (кг) адсорбента:

Г = , (моль/м²); Г = , (моль/кг).

В результате адсорбции происходит самопроизвольное уменьшение поверхностного натяжения адсорбента до установления равновесия между скоростями прямого процесса(адсорбции) и обратного, который называют десорбцией:

Vа

адсорбция → десорбция.

Vд

Десорбци я – это удаление адсорбированных молекул с поверхности адсорбента. Скорость адсорбции со временем уменьшается, а скорость десорбции увеличивается.

В зависимости от природы адсорбционных сил различают два вида адсорбции: физическую и химическую. Химическую адсорбцию называют также хемосорбцией.

Физическая адсорбция обусловлена действием силовых полей поверхностных молекул адсорбента, при этом молекулы адсорбата не теряют своей индивидуальности. Этот процесс происходит только на определенных участках адсорбента (адсорбционных центрах) выступлениях, узлах кристаллических решеток, которые имеют избыточную поверхностную энергию.

Физическая адсорбция характеризуется такими факторами: быстрой обратимостью процессов адсорбция - десорбция, отсутствием стехиометрических соотношений при определении адсорбции, уменьшением адсорбции при повышении температуры.

Химическая адсорбция обусловлена взаимодействиями между поверхностными молекулами адсорбента и адсорбата. На поверхности адсорбента образуются химические соединения и отдельные молекулы теряют свою индивидуальность. Хемосорбция характеризуется своей необратимостью, тепловым эффектом близким к энергии образования химических связей, увеличением адсорбции при повышении температуры (в отличие от физической адсорбции).

На адсорбцию газов на неподвижной поверхности раздела фаз влияют такие факторы:

Давление газа P над поверхностью твердого адсорбента. Зависимость адсорбции газа от давления выражается изотермой адсорбции. Адсорбция достигает максимального предельного значения, когда вся поверхность адсорбционных центров будет занята молекулами адсорбата и образуется насыщенный мономолекулярный слой.

Температура. С повышением температуры происходит уменьшение физической и увеличение химической адсорбции.

Природа газа. Газ тем лучше адсорбируется, чем легче он сжижается и чем выше его критическая температура.

Природа адсорбента и его удельная поверхность. Удельную поверхность адсорбента S_уд выражают отношением поверхности деления фаз S к единице массы дисперсной фазы m:

S_уд = , (м² /кг).

В пористых адсорбентах S_уд возрастает как в результате увеличения дисперсности, так и за счет площади пор. Например, при одинаковом размере частиц не пористого вещества – сахарной пудры, и пористого - активированного угля, удельная поверхность первой составляет S_уд ≈ 5•10², а второй - 5•10⁵ м² /кг

То есть у пористого адсорбента удельная поверхность больше в тысячу раз. Поверхность деления фаз одной таблетки активированного угля (0,25 г) достигает 125 м², поэтому его используют в медицинской практике как эффективный препарат для дезинтоксикации организма.

Процесс конденсации пара в виде жидкой фазы в капиллярах (или порах) пористого сорбента называют капиллярной конденсацией.

Теория адсорбции Ленгмюра.

Адсорбция газа на твердой поверхности является самым простым случаем адсорбции. Теорию этого процесса (мономолекулярные адсорбции) предложил американский ученый И.Ленгмюр. Главные положения этой теории такие:

- адсорбция имеет локализованный характер, то есть молекулы адсорбата не могут перемещаться по поверхности адсорбента, они связаны с молекулами адсорбента силами, близкими к силам химических связей;

- адсорбция молекул адсорбата происходит на активных (адсорбционных) центрах. Это дефекты кристаллической решетки, возле которых образуются особенно интенсивные силовые поля. Каждый такой центр адсорбирует только одну молекулу адсорбата, поэтому на поверхности адсорбента образуется только молекулярный слой адсорбата;

- установление адсорбционного равновесия – это результат конкуренции сил притяжения молекул адсорбата к адсорбенту и тепловому движению молекул. Когда скорость этих двух противоположных процессов уравняется, наступает состояние динамического равновесия, в результате которого распределение молекул газа между поверхностью и объемом остается постоянным. Адсорбированные молекулы постоянно десорбируются и находятся в адсорбированном состоянии в среднем одну миллионную долю секунды. То есть за 1 сек. адсорбционный слой миллион раз обновляется разлагается и заменяется новым.

Дата добавления: 2015-08-10