Теория мембранной проницаемости

Биологическое значение мембранного потенциала. В тканях организма, даже внутри одной клетки, имеются мембранные и межфазовые потенциалы, обусловленные морфологической и химической неоднородностью внутреннего содержимого клеток. При работе сердца, сокращениях мышц и т. п. возникают так называемые токи действия. Существует теория, рассматривающая их появление как результат различной проницаемости клеточных мембран для разных ионов. Вследствие этого концентрация ионов по обеим сторонам мембран неодинакова. В момент возбуждения (сокращение мышц и т. п.) избирательность проницаемости мембран утрачивается и сквозь них устремляется поток ионов — возникает электрический ток. [c.52]

Термин мембранао используется вот уже более 100 лет для обозначения клеточной границы, служащей, с одной стороны, барьером между содержимым клеткн н внешней средой, а с другой — полупроницаемой перегородкой, через которую могут проходить вода и некоторые из растворенных в ней веществ. В 1851 г. немецким физиолог X. фон Моль описал плазмолиз клеток растений, предположив, что клеточные стенки функционируют как мембраны. В 1855 г. ботаник К. фон Негели наблюдал различия в проникновении пигментов в поврежденные н неповрежденные растительные клетки и исследовал клеточную границу, которой он дал название плазматическая мембрана. Он предположил, что клеточная граница ответственна за осмотические свойства клеток. В 1877 г. немецкий ботаник В. Пфеффер опубликовал свой труд Исследование осмоса , где постулировал существование клеточных мембран, основываясь на сходстве между клетками и осмометрами, имевэщими искусственные полупроницаемые мембраны. В 80-х годах прошлого столетия датский ботаник X. де Фриз продолжил осмометрические исследования растительных клеток, предположив, что неповрежденный слой протоплазмы между плазмалеммой и тонопластом функционирует как мембрана. Его исследования послужили фундаментом при создании физико-химических теорий осмотического давления и электролитической диссоциации голландцем Я. Вант-Гоффом и шведским ученым С. Аррениусом. В 1890 г. немецкий физикохимик и философ В. Оствальд обратил внимание на возможную роль мембран в биоэлектрических процессах. Между 1895 и 1902 годами Э. Овертон измерил проницаемость клеточной мембраны для большого числа соединений и наглядно показал зависимость между растворимостью этих соединений в липидах и способностью их проникать через мембраны. Он предположил, что мембрана имеет липидную природу и содержит холестерин и другие липиды. Современные представления о строении мембран как подвижных липопротеиновых ансамблей были сформулированы в начале 70-х годов нашего столетня. [c.549]

Б. ТЕОРИЯ МЕМБРАННОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ [c.155]

Одной из главных задач, которые предстоит решать в ближайшем будущем, является раскрытие механизма процессов селективной проницаемости мембран и создание количественной теории мембранных процессов. Это, Б свою очередь, в значительной мере поможет при разработке основных положений теории направленного получения мембран с заранее заданными свойствами, а также позволит проводить технологический расчет и проектирование мембранных аппаратов и установок без постановки предварительных экспериментов. В этой связи большое значение приобретают исследования по выявлению влияния внешних факторов (давления, температуры и др.) на селективность и проницаемость мембран, поскольку они не только отвечают на вопрос, для каких целей и в каких интервалах переменных может быть наиболее рационально использован данный метод, но и помогают глубже познавать сущность мембранных процессов. [c.169]

Подвижные обменивающиеся ионы проникают через поверхность ионита в обоих направлениях, а высокомолекулярные ионы с противоположным зарядом, из которых состоит основная масса ионита, неподвижны. Поэтому поверхность зерна ионита можно рассматривать как мембрану, проницаемую для одних ионов и непроницаемую для других. На этой условной мембране устанавливается равновесие, которое называют мембранным или доннановским, по фамилии Ф. Доннана, опубликовавшего в 1911 году теорию равновесия для полупроницаемых мембран. Возможно теоретическое описание закономерностей ионного обмена как процесса, идущего через полупроницаемую мембрану [52, 180, 181]. Получаемые при этом результаты оказываются тождественными описанным выше на основе представлений об ионном обмене как о гетерогенной химической реакции. [c.307]

Для возникновения осмоса необходимо растворы разных концентраций привести в соприкосновение через полупроницаемую мембрану (проницаемую только для растворителя). Полупроницаемыми для многих растворов являются мембраны из коллодия, целлофана, железистосинеродистой меди и др. Для объяснения полупроницаемости мембран было предложено несколько теорий, из которых наиболее признанными в настоящее время являются теория сита , согласно которой в мембране имеются поры определенного размера, пропускающие только молекулы растворителя, имеющие меньшие размеры, чем молекулы растворенного вещества теория избирательной растворимости, в соответствии с которой через мембрану проникают только те вещества, которые в ней избирательно растворяются. Так, в резиновой мембране, разделяющей раствор сахара в пиридине и чистый пиридин, будут растворяться и проходить сквозь мембрану только молекулы пиридина. [c.24]

Как известно, гранулы ионитов, подобно ионитовым мембранам, обладают селективной проницаемостью по отношению к ионам определенного знака. Для объяснения этого явления можно применить теорию мембранного равновесия, согласно которой на границе раздела ионит — раствор возникает определенная разность потенциалов, названная доннановским потенциалом. Причина возникновения последнего связана с наличием в матрице ионита фиксированных ионогенных групп. Концентрация противоионов (т. е. обменивающихся ионов) в ионите обычно выше, чем в растворе, поэтому противоионы имеют тенденцию к переходу из фазы ионита в окружающий раствор. В противоположность этому, коионы (т. е. сопутствующие подвижные ионы другого знака заряда) стремятся перейти из раствора в фазу ионита, где их концентрация первоначально низка. В результате этого катиониты приобретают отрицательный заряд по отношению к раствору, а аниониты — положительный, что препятствует дальнейшей диффузии коионов в фазу ионита. Обычно равновесная концентрация коионов в фазе ионита значительно меньше, чем в окружающем растворе. [c.37]

Одной из главных задач, которую предстоит решать в ближайшем будущем, является раскрытие механизма процессов селективной проницаемости мембран и создание количественной теории мембранных процессов. Это, в свою очередь, в значительной мере поможет при разработке основных положений теории направленного получения мембран с заранее заданными свойствами, а также позволит проводить технологический расчет и проектирование мембранных процессов и аппаратов без постановки предварительных экспериментов. [c.201]

На первых этапах исследований в области проницаемости авторы исходили из так называемой мембранной теории, которая постулировала, что поступление веществ в клетку зависит от прочно фиксированных особенностей строения только поверхностного слоя протоплазмы — ее мембраны. Свойствам всей массы протоплазмы, равно как и других компонентов клетки, мембранная теория никакой роли не отводила. В противоположность мембранной теории, протоплазматическая теория рассматривает проницаемость как свойство, обусловленное всем комплексом процессов жизнедеятельности протоплазмы. Клеточный метаболизм и является, согласно этой теории, фактором, регулирующим поступление и выделение веществ, кинетику этих процессов, равновесное распределение веществ между отдельными категориями органоидов протоплазмы и т. д. [c.75]

Теория стеклянного электрода [31 в упрощенной форме (ниже она будет развита подробнее) может быть представлена следующим I образом. Тонкая пластинка из легкоплавкого стекла определен-, ного состава является мембраной, проницаемой только для водо-. родных ионов. Если поместить подобную стеклянную мембрану между двумя растворами с различными значениями pH, разность потенциалов, устанавливающихся по обе стороны мембраны, [c.402]

Общепринятой теории функционирования биологических часов не существует. Обсуждаются три основные молекулярно-биохимические гипотезы 1) автоколебаний биохимических процессов, 2) генетической регуляции (хронона) и 3) автоколебаний мембранной проницаемости. [c.73]

Начиная с 30-х годов изучение тонких мембран развивалось в двух направлениях. Стало очевидным, что теория стеклянного электрода, основанная на идее концентрационного элемента или мембранного потенциала со способным к диффузии ионом водорода, не объясняет некоторых свойств электрода, в особенности его повышенной селективности к ионам натрия, которая может быть весьма большой для стекол определенного состава [62]. Это послужило основанием для Никольского и Толмачевой к созданию ионообменной теории мембранного потенциала стеклянного электрода [79]. В более совершенной теории стеклянного электрода Эйзенмана с сотр. [22] учитывалось образование диффузионного потенциала внутри стеклянной мембраны. Новый конструкционный принцип был реализован в газочувствительных электродах, состоящих из гидрофобной мембраны, проницаемой для газов, и внутреннего стеклянного электрода [90]. [c.13]

Представлены основы теории мембранного разделения. Проведена классификация мембран симметричных, асимметричных, композитных. Рассмотрены новые типы мембран жидкие (пассивные и с активным транспортом газа) и керамические. Сформулированы требования, предъявляемые к материалу мембран высокая проницаемость и селективность, химическая стойкость и механическая прочность. [c.36]

ДЛЯ теории жидких смесей. Рассмотрим вновь закрытую систему с фиксированными рабочими координатами, которая состоит нз т компонентов и о фаз. Сделаем те же предположения, что и в 27, но теперь, наоборот, будем считать, что все фазы отделены друг от друга твердой полупроницаемой мембраной, которая проницаема только для 5 компонентов (зат). Таким образом, установлен объем каждой фазы. Далее, для всех фаз вариации т—з чисел молей равны нулю. Поэтому дополнительные условия для экстремальной задачи (27.2) имеют вид [c.142]

В литературе распространены в основном три точки зрения на механизм И. о. Первая из них сводится к т. н. мембранному равновесию, т. е. процессу, протекающему при наличии мембраны, проницаемой для одних ионов и непроницаемой для других аналогия с такой мембраной связана с неподвижностью одного из ионов (аниона или катиона) твердого сорбента и невозможностью его перехода в жидкую фазу. При мембранном равновесии ионные произведения для свободных ионов по обе стороны мембраны равны, что приводит к выводу о том, что константа равновесия И. о. равна единице. Другая точка зрения — осмотич. теория И. о. — сводится к рассмотрению термодинамики осмотич. явлений при проникновении жидкой фазы в сорбент и его набухании. Наиболее же распространенным является взгляд на И. о. как на гетерогенную химич. реакцию двойного обмена типа [c.154]

Теория капиллярного осмоса хорошо согласуется с аномалиями осмоса, обнаруженными на заряженных мембранах. Традиционная интерпретация осмоса, игнорирующая поверхностные явления и основывающаяся только на объемных свойствах (осмотическое давление раствора), сохраняет свое значение лишь для незаряженных мембран (при идеальной их полупроницаемости). Реальные мембраны обычно заряжены (но в разной степени) и проницаемы в различной степени для компонентов раствора. При этом возрастает роль поверхностных явлений в осмотическом транспорте, что наиболее ярко проявляется вдали от ИЭТ. [c.225]

При очень малом диаметре пор (порядка единиц нм) ацетилцеллюлозной мембраны селективность может быть высокой ( 99%), но велико гидродинамическое сопротивление. С увеличением диаметра пор падает селективность, но растет проницаемость по воде. При малом диаметре пор ответственными за селективность могут быть многие различные процессы, вследствие чего количественная теория селективности ацетатцеллюлозных мембран отсутствует. [c.348]

Различные теории прохождения веществ через мембраны рассмотрены в работах [16, 23, 24, 32, 36, 40]. Эта проблема важна еще и тем, что она имеет непосредственное отношение к проницаемости клеточных мембран. В данном разделе мы коснемся только практических вопросов, с которыми обычно встречаются в лаборатории при работе с мембранами. Так как мембраны, применяемые при диализе, в принципе не отличаются от мембран Для ультрафильтрования, то в дальнейшем мы будем рассматривать их вместе. [c.195]

Относительно механизма полу проницаемости мембран существуют различные точки зрения. Действие мембран объясняется ультрафильтрацией или механизмом просеивания — через поры мембраны проходят молекулы воды и не проходят молекулы и ионы растворенных веществ [238, 242, 266]. По диффузионной теории предполагается, что компоненты разделяемой системы растворяются в материале диафрагмы и диффундируют через неё [c.475]

Пульсация раствора. Концентрационную поляризацию можно значительно снизить, создав пульсирующий поток. Так, при разделении раствора глюкозы применение пульсирующего потока с частотой пульсаций 1 Гц позволило увеличить проницаемость трубчатых мембран на 70% [62]. Для такого увеличения скорости процесса при стационарном режиме движения раствора необходимо повышение скорости потока примерно в б раз. Особенность пульсирующего режима движения разделяемого раствора состоит в том, что при достаточно большой частоте пульсаций максимальная скорость потока разделяемого раствора наблюдается не на оси каналов аппарата, а в пристенных слоях жидкости. При наличии в потоке твердых взвешенных частиц они стремятся мигрировать от стенок к оси потока, что уменьшает вероятность их оседания на поверхности мембран, приводящее к снижению проницаемости. В работах [63, 64] приведены методы расчета эффективности воздействия пульсаций на характеристики мембран для обратного осмоса и предложена теория пульсирующего потока жидкости в процессе обратного осмоса. [c.72]

Раскрытие механизма селективной проницаемости мембран и создание теории баромембранных процессов невозможно без исследования таких внешних факторов, как давление, температура, гидродинамические условия, электрические и магнитные поля, ультразвуковые волны, влияющих на характеристики процесса разделения. [c.75]

Элементарная теория селективно проницаемых мембран и их электрохимических свойств впервые была широко разработана Теореллом, а также Мейером и Си-версом. Многочисленные исследователи развивали эту теорию и проверяли ее главным образом на мембранах ограниченной емкости, выдержанных в разбавленных растворах электролитов. Согласно этой теории, свойства селективной проницаемости некоторых естественных и искусственных мембран могут быть объяснены наличием в фазе мембраны заряженных групп, непрочно связанных с фиксированными группами противоположного заряда. Если фиксированные группы являются анионами, а подвижные группы, или противоионы, — катионами, мембрана при наложении градиента электрического потенциала будет преимущественно проницаема для катионов, тогда как фиксированные катионные и подвижные анионные группы сделают мембрану проницаемой для анионов. Если селективно проницаемая мембрана, например катионообменная мембрана, будет приведена в соприкосновение с раствором бинарного электролита, такого, как хлористый калий, через определенное время установится доннановское равновесие, при условии, что мембрана по крайней мере слегка проницаема для растворителя. Чтобы удовлетворить условиям этого равновесия, в мембрану должно войти неодинаковое количество двух противоположно заряженных ионов, а именно [c.148]

Самая большая трудность осмометрии состоит в приготовлении соот-ветствуюш,их полупроницаемых мембран. Проницаемость по отношению к растворителю должна быть достаточно высокой, чтобы равновесие устанавливалось не слишком долго, а по отношению к растворенному веществу — ничтожно малой. Это условие обязательно. Проникновение растворенного вещества сквозь мембрану приводит к большим ошибкам кроме того, как подчеркнул Ставерман [199, 200], в осмометре с проницаемой мембраной (даже если осмотическое давление экстраполировать к нулевому времени) мембрана с самого начала ведет себя так, как будто присутствует только часть взятого количества растворенного вещества. Величина этой части определяется коэффициентом разделения мембраны, который равен нулю для полностью проницаемой мембраны и единице — для непроницаемой. Опыты, поставленные Альвонгом и Самуэльсоном [5], подтверждают теорию Ставермана. [c.30]

В настоящее время для объяснения (механизма ионной полу-проницаемости ионитовых мембран (Исшользуют основные положения известной теории мембранного равновесия Доннана. [c.145]

Рассмотрим полученные результаты с точки зрения теории диализа. Известно [1], что диализ определяется как процесс диффузии истинно или коллоиднорастворимого вещества через мембрану. Проницаемость мембраны для диа-лизуемого вещества характеризуется коэффициентом диализа, под которым понимают количество вещества, проходящее при постоянной температуре в единицу времени через [c.447]

Вопрос о справедливости той или иной модели движения воды в коллагене имеет принципиальное значение, поскольку его решение связано с важными особенностями биологической роли воды, как отмечено в предисловии к настоящей главе. В частности, основные функции живого — мембранная проницаемость, молекулярная и ионная селективность клеток, мускульная активность, проводимость нервных импульсов и другие — по одной из гипотез ( адсорбционная теория ) определяются наличием особого, упорядоченного или структурированного состояния во всей гидратной оболочке белка. Согласно этой теории, вся или почти вся внутриклеточная вода связана или структурирована и растворимость данного вещества в ней является функцией степени структурной организации гидратной оболочки белка. В свою очередь, степень структурной организации водпо11 оболочки зависит от состояния самой белковой молекулы. Изменение состояния белка иод влиянием внешнего воздействия (например, нервного импульса) приводит в описываемой модели к очень сложной последовательности химических ре- [c.137]

Техника обработки пленок с целью придания им электростатических зарядов известна достаточно давно, однако систематические исследования синтетических заряженных пленок были начаты Джутом и Уайли (1950 г.). В 1932 г. Доннан на основе гиббсовой теории равновесия вывел условия мембранного равновесия, а затем Теорелл, Мейер и Сивере разработали теорию селективной проницаемости заряженных пленок ионами различных типов и заложили теоретическую основу новых методов обессоливания, концентрирования и т. д. [c.153]

В основу объяснения свойств ионитов можно также положить так называемую мембранную теорию. Ее сущность состоит в том,, что в случае разделения двух растворов мембраной, не проницаемой по крайней мере для одного типа ионов, распределение при достижении равновесия проникающих сквозь мембрану ионов по обе ее стороны оказывается неодинаковым. Теория рассматривает ионит как мембрану. Такая мембрана, погрул<енная в раствор электролита, рассматривается как второй, более концентрированный раствор. В результате обмена ионами между раствором и ионитом устанавливается мембранное равновесие. При этом зерно ионита как бы выполняет роль мембраны, так как его фиксированные ионы не могут покинуть матрицу ионита и перейти в раствор. [c.105]

Существуют и другие. теории возиикновеиия биопотенциалов и биотоков, согласно которым потенциалы покоя, наблюдающиеся не только в живой, по н в убитой нагреванием или формалином клетке, обусловлены неравномерным распределением ионов калия, натрия и хлора между внешней и внутренней средой клеток (т. е. являются мембранными потенциалами) или между разными участками в одной клетке (иапример, между поверхностным и прилежащим к ядру слоями протоплазмы). Этот потенциал относится к межфазовым и возникает как следствие неодинаковой адсорбируе-мости протоплазмой клетки различных нонов или в связи с наличием в клетках мембран, обладающих избирательной проницаемостью для определенных ионов, и как результат особенностей обмена веществ внутри клеток. Величина потенциала покоя для нервных волокон у амфибий составляет 70 мв] для мышечных волокон сердца теплокровных животных 95 мв и т. д. Различные причины, изменяющие свойства микроструктур клетки, приводят к освобождению и диффузии ионов, т. е. к появлению в одних случаях биопотенциалов действия, в других — биопотенциалов повреждения. [c.72]

Высокая проницаемость нужна для уменьшения необходимой пло. щади мембраны и, следовательно, для уменьшения размеров разделительной установки и затрат на капитальные вложения. Высокая избирательность требуется для уменьшения числа разделительных ступеней и снижения эксплуатационных расходов. Действительную величину проницаемости и селективности дЛя каждого процесса разделения следует определять иэ экономических соображений. Требования химической инертности и физической стабильности очевидны. Сплошность мембраны необходима для того, чтобы можно было обео-печить максимальную избирательность мембраны. Наличие пор ипи небольших отверстий в мембране может ухудшить селективные ха -рактеристики мембраны по отношению к вьзделяемому компоненту смеси или даже сделать разделение невозможным из-за вязкого течения и других типов газового переноса через такие дефекты. Теория газового проникания при одновременной конвекции и диффузии через мембраны, имеющие поры, предложена в работе /43/. [c.325]

Биология и медицина. Начало биологическим применениям стеклянных электродов с металлической функцией ( катион-чувствительных ) положили работы Эйзенмана с сотрудниками (1957 г.). Результаты работы, проведенной под руководством Эйзенмана, дали возможность биологам получать данные об активности ионов калия и натрия непосредственно с места их действия (in situ) в биологических процессах. В этих работах подчеркивается и другая сторона вопроса для ряда биологических явлений (возникновение биопотенциалов, клеточная проницаемость и связанные с ней процессы нервного возбуждения, кажущаяся специфичность многих клеток и тканей по отношению к ионам К ) физико-химические закономерности оказываются во многом сходными с теми, которые имеют важное значение в функционировании стеклянных и мембранных электродов. Это повышает интерес и значимость самой ионообменной теории стеклянного электрода. [c.331]

В настоящей статье экспериментально продемонстрировано, что сложная релаксация протонов воды наблюдается в самых различных биополимерных системах. Поэтому обнаружение сложной (комплексной) релаксации нельзя рассматривать как свидетельство существования разделенных доменов, в которых молекулы воды и небольшие молекулы растворенных веществ ком-партментализованы с помощью проницаемых и полупроницаемых мембран. Развита теория, которая в первом приближении может объяснить экспериментальные наблюдения и требует только предположения, что неоднородное распределение субстрата поддерживается в течение времени порядка времени релаксации воды (т. е. 2 с). Теория также предсказывает, что релаксация воды чувствительна к распределению неоднородностей по массе вплоть до размеров около- 10 мкм. Разделение сложной релаксации на несколько дискретных процессов представляет собой особый случай того, что лучше было бы назвать непрерывным распределением микронеоднородностей. [c.200]

Несмотря на то что применение природных полимеров (таких как целлюлоза) в качестве материалов для фильтрации было известно давно, историю синтетических полимерных мембран следует начать с получения Щенбейном [8] в 1846 г. нитрата целлюлозы, первого синтетического (в действительности, полусинтетического) полимера. В течение первого столетия после получения нитрата целлюлозы преимущественно применялись целлюлозные мембраны. В 1855 г. Фик [9] использовал нитратцеллюлозные мембраны для проведения своих исследований по диффузии, ставших впоследствии всемирно известными. В том же году Лермит [10] впервые сформулировал основы транспорта раствора через мембрану, а именно проницаемость является результатом взаимодействия пермеата с мембраной. Он показал, что теория растворения и теория пор (капиллярная теория) не исключают друг друга, а взаимно, без особых отклонений, дополняют одна другую. В 1860 г. Шумахер [11] разработал мембраны из нитрата целлюлозы в форме трубки (опытные образцы просто погружались в коллоидные растворы), которые используются и в настоящее время. В 1872 г. Баранецкий [12] получил первые плоские мембраны. Изменяя концентрацию нитрата целлюлозы, Бехгольд [13] в 1906 г. изготовил первые партии микрофильтрационных мембран с порами одинакового размера. Он также первым установил соотношение между точкой пузырька, поверхностным натяжением и радиусом поры. Представление о распределении пор по размерам было развито Карплусом [14], совместившим технические приемы для определения точки пузырька и измерения проницаемости по методу Хагена — Пуазейля. [c.15]