Home » Misc » Диффузионная мембрана

Диффузионная мембрана


основные различия и сферы применения — ТЕХНОНИКОЛЬ SHINGLAS

КАК ВЫБРАТЬ ДИФФУЗИОННУЮ МЕМБРАНУ: ОСНОВНЫЕ РАЗЛИЧИЯ И СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ

Рынок строительных материалов предлагает огромнейший выбор строительных пленок. Производителей много, при этом каждый выпускает несколько марок. В такой ситуации потребителю сложно выбрать подходящую диффузионную мембрану. Нужно ли учитывать особенности конструкции? А сферы применения? Как определить качество материала? Найти ответы на все вопросы поможет Руслан Кобозев, федеральный технический специалист направления «Строительные пленки» ТЕХНОНИКОЛЬ.

Выбирая качественную строительную пленку, прежде всего нужно четко понимать, какие задачи она решает. Может быть, и вовсе можно отказаться от нее? Рассмотрим это на примере мансарды.

Россия — страна с довольно суровым климатом. В холодные зимы, чтобы не отапливать улицу, нужно утеплить кровлю.

Оптимальным решением для теплоизоляции кровли - является каменная вата. Высокая теплоизолирующая способность каменной ваты образуется за счет большого количества пор, заполненных воздухом в толще плиты. Для оптимальной работы и сохранения высоких теплотехнических характеристик в течение всего срока эксплуатации, каменная вата должна быть надежно защищена от атмосферных осадков и иметь возможность отвода влаги возникающей в результате сорбционного увлажнения в процессе эксплуатации. В результате избыточного увлажнения теплотехнические характеристики каменной ваты могут снизиться, что может привести к негативным последствиям, включая снижение уровня тепловой защиты конструкции ниже требуемого.

Для защиты теплоизоляционного слоя от пагубных воздействий влаги, были разработаны пароизоляционные пленки и гидроветрозащитные мембраны. Пароизоляция защищает утеплитель от увлажнения водяными парами постоянно содержащимися в воздухе, а так же образующимися в результате жизнедеятельности человека в помещении.

Гидроветрозащитная (диффузионная) мембрана будет предохранять утеплитель снаружи от избыточного сорбционного увлажнения и конвективных потерь тепла, возникающих при движении воздуха в вентиляционном зазоре. Диффузионная мембрана служит барьером от влаги, которая возникает от протечек или конденсата, возникающего на обратной стороне кровельного покрытия. Особенно это актуально для металлической кровли, а также ситуаций, когда снег во время метелей задувается в вентиляционный зазор. Во время оттепели он благополучно растает, но уже внутри кровельной конструкции.

Функция диффузионной мембраны не сводится только к защите от влаги и ветра. Она обладает еще одним важным свойством: способностью пропускать через себя влагу, если она все же попала в утеплитель.

А попадет она туда по разным причинам:

  • использовалась пароизоляция с низкой степенью защиты,
  • монтаж пароизоляционной пленки был выполнен с нарушениями,
  • несущие конструкции выполнены из непросохшего пиломатериала и т. п.

Слово «диффузионная» в названии материала не случайно. Все дело в том, что каждая такая пленка состоит из нескольких слоев, один из которых функциональный (основной). Он обладает микропористой структурой. Поры этого слоя настолько малы, что они могут пропускать воду только в парообразном состоянии за счет диффузии: из зоны с высоким парциальным давлением (жилое помещение) в зону низкого парциального давления (на улицу) при одинаковом атмосферном давлении на разных сторонах материала.

Критерии качества диффузионной мембраны

Паропроницаемость диффузионной мембраны определяется количеством граммов водяного пара, которое она способна через себя пропустить в течение 24 часов. Проблема в том, что коэффициент паропроницаемости может существенно различаться у одной и той же мембраны в зависимости от того, при какой температуре проводились исследования. Незнание этой крайне важной информации может ввести потребителей в заблуждение.

Вот простой пример. Одна и та же мембрана, испытуемая при температуре 23 °С, имеет коэффициент паропроницаемости 2000 г/м²/24 ч., а при температуре 38 °С — уже 3000 г/м²/24 ч.

Для уточнения характеристик паропроницаемых мембран используют еще один коэффициент — Sd.

Он более точный, хотя более сложный с точки зрения понимая процессов, которые отражает. Данный коэффициент характеризует сопротивление строительного материала паропроницаемости, измеренное толщиной неподвижного слоя воздуха, обладающего таким же сопротивлением проникновению водяного пара. Рассчитывается на основе сопротивления проникновению водяного пара и толщины материала. Проще говоря, сравнивается паропроницаемость материала с паропроницаемостью слоя воздуха некой определенной толщины.

Например, если показатель Sd (приведенный в метрах) составляет 0,02, это означает, что сопротивление мембраны проникновению водяного пара будет такое же, как и слоя воздуха толщиной 2 см. Чем ниже параметр Sd, тем выше паропроницаемость мембраны. И наоборот: если Sd равен 20, то перед вами уже пароизоляционная пленка, у которой сопротивление проникновению водяного пара будет такое же, как у слоя воздуха толщиной 20 м.

Как различаются между собой диффузионные мембраны?

Существует два вида функционального слоя. Одни производят его из полипропилена, другие из термопластичного полиуретана (TPU).

Мембраны с функциональным слоем из полипропилена относятся к классическому виду и в большинстве случаев являются трехслойными. Зачем ей три слоя, если функциональный только один? Дело в том, что прочность данного слоя не очень велика, и чтобы его защитить, к нему с двух сторон прикрепляются защитные слои, состоящие из нетканого полипропилена (Spunbond).

Задача внешних слоев не только предохранять функциональный слой от механических повреждений. В момент монтажа мембрана подвергается атмосферным воздействиям, самое опасное из которых УФ-излучение. Именно оно способно разрушить структуру полимера. В составе функционального слоя есть УФ-стабилизаторы, но они также есть и в защитном слое, что в комплексе дает большую защиту и повышает УФ-стабильность всего материала.

На паропроницаемость защитные слои в отдельности никак не влияют. В их нетканой структуре нити находятся на слишком большом расстоянии, и вода спокойно через них просачивается, не говоря о паре.

Различие трехслойных диффузионных мембран заключается в их плотности. Чем больше плотность, тем мембрана толще, соответственно, прочность ее больше. А это значит, что ей не страшны порывы ветра, пешеходные нагрузки, а также вероятные механические повреждения от упавшего инструмента. Ну и работать с более плотной мембраной намного приятнее и удобнее. К тому же диффузионные мембраны повышенной плотности более устойчивы к УФ-излучению. К этой категории относятся мембраны с плотностью 130 г/м² и выше.

Немаловажный момент — качество сырья, из которого производится материал. Крупные производители дорожат своей репутацией и используют только первичное сырье. А это говорит о том, что в любом случае на такой материал будет гарантия и он прослужит заявленный срок.

Еще один вид диффузионных мембран — мембраны нового поколения с функциональным слоем из термопластичного полиуретана. Состоят они из двух слоев — функционального из TPU и нетканого полиэстера, обеспечивающего прочность всего полотна.

Преимуществами такой диффузионной мембраны перед классической трехслойной будут:

  • Высокая износостойкость.
  • Эластичность и гибкость в широком диапазоне температур.
  • Высокая стойкость к воздействию нефтепродуктов, смазочных веществ и пропиточных составов для древесины. В отличие от мембран из термополиуретана, мембраны с функциональным слоем из полипропилена боятся воздействия этих веществ, от них функциональный слой разрушается. А такое происходит часто. Попадание масла с цепной пилы при распиле пиломатериалов над полотном мембраны. Или смыв пропитки для древесины в момент дождя с обрешетки или контробрешетки.
  • Высокая стойкость к атмосферным воздействиям. Термополиуретан не боится УФ-излучения, поэтому такие мембраны могут выступать в качестве временной кровли до 6 месяцев.
  • Не содержит пластификаторов и нет эмиссии вредных веществ.
  • Непроницаема для жидкостей, но хорошо проницаема для водяных паров.
  • Устойчивый цвет, мембрана будет выглядеть как новая даже после многих лет эксплуатации.
  • Механическая прочность, функциональный слой из термополиуретана намного прочнее функционального слоя из полипропилена.

Если есть хоть малейшая вероятность задержки монтажа финишного кровельного покрытия, то правильнее всего воспользоваться диффузионной мембраной со слоем из термопластичного полиуретана. Она может выполнять роль временного покрытия до полугода.

Как правильно определить, какую мембрану лучше использовать

Для начала определяемся с конструкцией: кровля, стена.

Если речь об утепленной кровле, то лучше всего в этой конструкции с задачей справится двухслойная мембрана с функциональным слоем из термопластичного полиуретана. Если все же выбор идет в пользу трехслойных мембран с функциональным слоем из полипропилена, то их плотность должна составлять не менее 130 г/м². Больше можно, меньше не рекомендуется.

Почему?

Во-первых, кровля является самым ответственным участком в плане протечек. Во-вторых, именно через нее стремится выйти большая часть тепла и парообразной влаги, накопленной в помещении. Начиная с монтажа и все последующее время мембрана в этом месте будет максимально подвержена разным воздействиям.

В момент монтажа мембрана должна выдержать механические нагрузки, возникающие при передвижении кровельщика. Никто не застрахован от падения инструментов. Мембрана должна выдержать и не порваться.

До тех пор, пока крыша не закрыта кровлей, мембрана испытывает воздействие УФ-лучей и порывов ветра.

Очевидно, что в кровельной конструкции мембрана должна обладать повышенной плотностью, иметь высокие прочностные характеристики, а также высокую стойкость к УФ-излучению. В период эксплуатации она подвергается температурным воздействиям, особенно под металлической кровлей. В летнее время на солнце металл нагревается до очень высоких температур. Поэтому для мембран с полипропиленовым слоем есть ограничения. Однако для пленок с полиуретановым функциональным слоем допустимы гораздо более высокие температуры.

Для защиты стен нет смысла использовать мембраны повышенной надежности.

Стены не подвергаются столь серьезным механическим и атмосферным воздействиям. В этой конструкции вполне подойдут трехслойные мембраны. К тому же вертикальное расположение позволяет воде, если она вдруг проникла, просто стечь вниз. Также менее вероятно и механическое повреждение. Перемещений по мембране не будет. Но материал на стене по-прежнему должен быть ветровлагозащитным. При использовании в конструкциях каркасных стен достаточно будет плотности 110 г/м², при использовании в системах навесных вентилируемых фасадов рекомендуется плотность увеличить до 130 г/м² и выше.

Эти простые советы помогут сделать правильный выбор с точки зрения долговечности, надежности и рациональности. Определяясь с видом материала, необходимо внимательно изучить его состав, характеристики, а также четко понимать, в какой конструкции она будет использована.

Диффузионная мембрана: характеристики, виды, сферы применения

Надежная крыша — важнейшее требование для комфортной эксплуатации любого здания. Сегодня для создания качественной кровли профессионалы рекомендуют использовать диффузионные мембраны. Материалы выпускаются в рулонах и предназначены для защиты от воздействия влаги всех элементов: стропильной системы, утеплителя, других конструкций. Они обеспечивают отвод влаги в одном направлении — от слоя теплоизоляции. Отличительной особенностью мембран является сочетание водоотталкивающих свойств, паропроницаемости и воздухопроницаемости. При высокой изолирующей способности они поддерживают естественный воздухообмен, не допускают образования конденсата на кровельных конструкциях, их гниения и размокания.

Область применения диффузионных мембран не ограничивается обустройством крыш. Их также используют при монтаже вентилируемых фасадов, для гидроизоляции несущих элементов деревянных домов. Они совместимы со всеми видами покрытий и с большинством отделочных материалов.

Применение диффузионных мембран

Строение и классификация диффузионных мембран

Полотно имеет многослойную структуру. Средний слой, который является непосредственно мембраной, укреплен и защищен от негативных воздействий внешними слоями из нетканого полипропилена. Благодаря технологии ультразвуковой спайки исключается вероятность расслоения. Такая конструкция гидроизоляции обеспечивает прочность и устойчивость к механическим воздействиям, одновременно сохраняя эластичность.

Строение и принцип работы диффузионной мембраны

Поскольку изоляционный материал проводит влагу только в одном направлении, очень важно укладывать его правильной стороной к утеплителю. Чтобы пользователи не допускали ошибок, стороны полотна маркируются. При правильном монтаже отведенная от утеплителя влага концентрируется на внешней стороне гидроизоляции и испаряется естественным путем.

Основным параметром диффузионной мембраны является паропроницаемость. В зависимости от значения этой величины различают три вида материала:

  • Малой диффузии. Уровень паропроницаемости составляет менее 300 мг/м² в сутки. Такая гидроизоляция укладывается внутри помещений — на внутренних перегородках.
  • Средней диффузии. Показатель этого материала составляет до 1000 мг/м² в сутки. Он рекомендован для использования в строительстве в зонах умеренного климата со средним объемом осадков.
  • Высокой диффузии. Паропроницаемость — более 1000 мг/м² в сутки и достаточна для того, чтобы обеспечить защиту утеплителя и конструкций в условиях постоянной высокой влажности, в зонах с суровым климатом. Также такие материалы используют при большой толщине слоя теплоизоляции.

Достоинства диффузионных мембран

  • Долговечность и надежность. Полотна отличаются высокой прочностью на разрыв, устойчивы к деформации, не расслаиваются. После правильной укладки они эксплуатируются десятками лет, не требуя ремонта, обновления или другого обслуживания.
  • Нетоксичность. В составе материала нет опасных для здоровья человека компонентов, поэтому его можно применять в системах не только внешней, но и внутренней гидроизоляции.
  • Химическая инертность. Мембраны не вступают в реакцию с компонентами утеплителей, строительных или отделочных материалов.
  • Биологическая инертность. Полотна не поражаются вредителями и плесенью, не подвержены гниению.
  • Простота укладки. Материал легко поддается раскрою, имеет эластичную гибкую структуру, поэтому просто закрепляется на основаниях любой конфигурации.

При монтаже диффузионных мембран важно качественно изолировать стыки и создать вентиляционный зазор между гидроизоляцией и отделочным покрытием для естественного удаления выведенной из утеплителя влаги. Особое внимание уделяют участкам со сквозными конструкциями: вентиляционными коробами, трубами, антеннами. В этих местах в мембранах приходится делать разрезы, и очень важно позаботиться, чтобы в дальнейшем сквозь них осадки не попадали в подкровельное пространство.


2.7: Диффузия в мембранах - Physics LibreTexts

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  • Идентификатор страницы
    1356

    • 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.

    Fluid Mosaic Model

    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. Фрай и М. Эдидин в 1970, на котором показано, 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 , то концентрация субстрата в цитозоле меньше 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.

    Простая диффузия

    Простая диффузия происходит путем 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 транспортировки,
    • \(К\) - 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 требует АТФ для преодоления энергетического барьера гидрофобной хвостовой части мембраны. Кроме того, этот тип диффузии зависит от груза, связывающего встроенный в мембрану канал или белок-носитель. Существует два типа облегченного транспорта: транспорт, облегчаемый порами, и транспорт, облегчаемый носителем. 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 через поры 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, облегчаемый переносчиком

    Ионофоры антибиотиков, 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. (Всеобщее достояние).

    Факторы, влияющие на мембранную диффузию

    Существует несколько факторов, которые могут влиять на диффузию молекул как внутри, так и через мембрану; 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 забор, ограничивающий 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-матричные 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 цвет), связанного с мембранными рецепторами (фиолетовый цвет) для создания сетки, ограничивающей диффузию (3). Красные стрелки указывают на ограниченную диффузию.

    Электростатические препятствия

    Электростатические взаимодействия также могут мешать свободной диффузии, поскольку заряженные белки или липиды могут отталкиваться одинаковыми зарядами или притягиваться противоположными (рисунок \(\PageIndex{9}\)). McLaughlin и Murray в 2005 году показали, что белки имеют нативно 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 в участок, богатый лигандом-лигандом. Отрицательный заряд на PIP 2 (зеленый) накапливает и отклоняет белки с таким же отрицательным зарядом (синий) (3).

    Барьеры, индуцированные разделением

    В мембране определенные типы липидов или белков могут разделяться на определенные области, 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, в которой мембрана подвергается резкому изгибу, может привести к обнажению гидрофобных областей на внешнем листке мембраны в дополнение к уплотнению липидных головок на внутреннем листке. Искривление может изменить распределение липидов и белков.

    Методы мониторинга диффузии

    • 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. Зингер 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 A.C., 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.Е., 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 принцип организации мембран. 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 изображения. 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 J.L., 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.

    2.7: Diffusion in Membranes распространяется под лицензией CC BY 4.0, автором, ремиксом и/или куратором является LibreTexts.

    1. Наверх
    • Была ли эта статья полезной?
    1. Тип изделия
      Раздел или Страница
      Лицензия
      СС BY
      Версия лицензии
      4,0
      Показать оглавление
      нет
    2. Теги
      1. Жидкая мозаика Модель
      2. source@https://ocw.mit.edu/courses/electrical-engineering-and-computer-science/6-013-electromagnetics-and-applications-spring-2009

    ДИФФУЗИЯ ЧЕРЕЗ КЛЕТОЧНУЮ МЕМБРАНУ

    ДИФФУЗИЯ ЧЕРЕЗ КЛЕТОЧНУЮ МЕМБРАНУ

    ДИФФУЗИЯ ЧЕРЕЗ КЛЕТОЧНУЮ МЕМБРАНУ

    Введение: Вещества, такие как вода, ионы и молекулы, необходимые для клеточных процессов, могут входить и выходить из клеток посредством пассивного процесса, такого как диффузия. Диффузия - это случайное движение молекул, но имеющее чистое направление к областям. более низкой концентрации, чтобы достичь равновесия.

    Простая пассивная диффузия

    происходит, когда небольшие молекулы проходят через двойной липидный слой клеточной мембраны. Облегченная диффузия зависит от белков-переносчиков, встроенных в мембрану. определенные вещества для прохождения, которые не могут диффундировать через клеточную мембрану.

    Важность: На скорость диффузии влияют свойства клетки, диффундирующей молекулы и окружающего раствора. Мы можем использовать простые уравнения и графики, чтобы исследовать, как определенные молекулы и их концентрация влияют на скорость диффузии. Мы также можем сравнить простую и облегченную диффузию.

    Вопрос: Как различаются скорости простой и облегченной диффузии в зависимости от градиента концентрации?

    Простое распространение

    Переменные:

    п

    количество молекул внутри клетки (моль)

    т

    время (секунды)

    Р

    константа проницаемости для конкретной молекулы (см/сек)

    А

    площадь поверхности клеточной мембраны (см 2 )

    С

    концентрация диффундирующей молекулы (моль/см 3 )

    х

    ширина клеточной мембраны (см)

     

    Метод: скорость простой диффузии может быть выражена модификацией закона Фика для небольших неполярных молекул. Скорость диффузии, dn/dt, представляет собой изменение количества диффундирующих молекул внутри клетки с течением времени.

    Поскольку чистое движение диффундирующих молекул зависит от градиент концентрации, скорость диффузии прямо пропорциональна градиент концентрации (dC/dx) через мембрану. Концентрация градиент, dC/dx, представляет собой разницу в концентрации молекул внутри и вне клетки. через клеточную мембрану шириной dx. Это эквивалентно (C из - C из )/Dx, где C из и C из — концентрации субстрата внутри и снаружи клетки, Dx — ширина клеточной мембраны. При концентрации вне клетки (C из ) больше, чем внутри клетки (С из ), концентрация градиент (dC/dx) будет положительным, а чистое движение будет внутри ячейки (положительное значение dn/dt).

    Мы можем описать скорость диффузии как прямо пропорциональную градиенту концентрации с помощью следующего уравнения:

    , где A — площадь мембраны, а P — константа проницаемости. P представляет собой константу, связывающую легкость проникновения молекулы в клетку в зависимости от размера молекулы и растворимости в липидах.

    Обратите внимание, что когда A и P являются константами, это уравнение просто описывает линию, где dn/dt является функцией dC/dx. Если мы построим график зависимости скорости диффузии от градиента концентрации, мы получим простую линейную функцию.

    Интерпретация: обратите внимание, что скорость диффузии увеличивается по мере градиент концентрации увеличивается. Если концентрация молекул вне клетки очень высока по сравнению с концентрацией внутри клетки, скорость диффузии также будет высокой. Если внутренний и внешние концентрации одинаковы (низкий градиент концентрации), скорость диффузии будет низкой.

    Облегченное распространение

    Переменные:

    п

    количество молекул внутри клетки

    т

    время (секунды)

    В макс.

    константа насыщения (моль/см 3 /сек)

    К

    константа определения скорости насыщения (моль/см 4 )

    С

    концентрация диффундирующей молекулы (моль/см 3 )

    х

    ширина клеточной мембраны (см)

     

    Метод. В отличие от простой диффузии облегченная диффузия включает ограниченное количество белков-носителей. При низких концентрациях молекулы проходят через белки-носители аналогично простой диффузии. При высоком растворении концентрации, однако все белки заняты диффундирующими молекулами. Дальнейшее увеличение концентрации растворенного вещества не изменит скорость диффузии. Другими словами, существует некоторая максимальная скорость диффузии (Vmax), когда все носители про подростки насыщены. Поэтому мы не можем использовать простое линейное уравнение для описания скорости диффузии. Скорость диффузии будет увеличиваться с увеличением концентрации растворенного вещества, но должна асимптотически приближаться к скорости насыщения, V макс . Как быстро лы белки-носители становятся насыщенными, можно описать переменной K, градиентом концентрации, при котором скорость диффузии составляет 1/2 Vmax. K и Vmax зависят от свойств диффундирующей молекулы, таких как ее проницаемость (P), а также площадь поверхности (A) ячейки, но для упрощения мы приводим уравнение как:

    Мы можем построить график зависимости dn/dt от dC/dx, чтобы увидеть, как скорость диффузии изменяется с увеличением концентрации растворенного вещества вне клетки.

    Интерпретация: Изобразив это уравнение, мы видим, что при низком концентрации растворенного вещества скорость диффузии в клетку происходит почти линейно, как и при простой диффузии. Обратите внимание, что при низких концентрациях растворенного вещества наклон намного круче, чем при простой диффузии. Облегченная диффузия может увеличить скорость диффузии определенных молекул при низких концентрациях. Однако скорость облегченной диффузии выравнивается с увеличением концентрации растворенного вещества. Дополнительное увеличение внешней концентрации растворенного вещества не может увеличить скорость диффузии после насыщения белков-носителей.

    Вывод: Пассивная диффузия растворенного вещества в клетку линейно связана с концентрацией растворенного вещества вне клетки. Белки-носители увеличивают скорость диффузии, позволяя большему количеству растворенного вещества проникать в клетку. облегченная диффузия, однако приближается к максимальной скорости, когда белки-носители насыщаются растворенным веществом.

    Дополнительные вопросы:

    Простое распространение

    1. Мы построили график зависимости dn/dt от dC/dx. Каков наклон этой линии? Что биологически означает увеличение или уменьшение наклона?

    2. Теперь предположим, что градиент концентрации является постоянным. Как изменяется скорость диффузии (dn/dt) в зависимости от площади поверхности (A) клетки и проницаемости (P) диффундирующей молекулы? Постройте график dn/dt как функцию от A или P и опишите функция.

    Облегченная диффузия

    1. Посмотрите на уравнение облегченной диффузии и найдите горизонтальную асимптоту. Что происходит с dn/dt, когда dC/dx приближается к бесконечности?

    2. Попробуйте построить график этого уравнения с различными значениями K. Как это изменит концентрацию, при которой происходит насыщение белков-носителей?

    3. Сравните простую и облегченную диффузию глюкозы в эритроциты, построив график скорости диффузия (микромоль в час) в зависимости от внешней концентрации глюкозы (ммоль/см 3 ). Для облегчения диффузия, V max = 500 микромолей в час и K = 1,5 ммоль/см 3 . За простая диффузия, А х Р составляет 3 см 3 /час.

    Источники: Дарнелл, Дж.

    Learn more