Мембрана — тонкая плёнка с избирательной проницаемостью¶

Мембрана (от лат. membrana — «перепонка», «плёнка») — тонкая плёнка или прослойка, обладающая избирательной (селективной) проницаемостью: пропускает одни вещества и задерживает другие. Мембраны применяются в живой природе, промышленности, медицине и научных исследованиях; их свойства определяются химическим составом, структурой и размером пор.

¶Биологические мембраны

¶Клеточная мембрана

Клеточная (плазматическая) мембрана — тончайшая оболочка клетки толщиной около 7–10 нм, отделяющая её содержимое от внешней среды. Основу структуры составляет липидный бислой, в который встроены белки (модель «мозаичной мембраны», предложенная С. Сингером и Г. Николсоном в 1972 году). Мембрана выполняет функции барьера, транспорта веществ, сигнальной связи с окружающей средой и ферментативной активности.

¶Органеллы и ядерная мембрана

Мембранные органеллы — митохондрии, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, лизосомы, вакуоли — окружены мембранами, обеспечивающими изоляцию внутренних реакций. Двойная ядерная мембрана с ядерными порами отделяет генетический материал от цитоплазмы и регулирует обмен молекулами между ними.

¶Транспорт через биологические мембраны

Через мембраны вещества переносятся пассивно (диффузия, осмос) и активно (с участием переносчиков и затратой энергии). Каналы и белки-переносчики обеспечивают избирательность транспорта ионов и молекул, что лежит в основе нервной проводимости, мышечного сокращения и осморегуляции.

¶Мембраны в промышленности

¶Мембранные разделения

Промышленные мембраны из полимеров (полиамид, полисульфон, фторполимеры), керамики или металлов используются для разделения жидких и газовых смесей. По размеру пор различают:

• Микрофильтрацию — задержание частиц 0,1–10 мкм;
• Ультрафильтрацию — молекулы до 0,01 мкм;
• Нанофильтрацию — ионы и малые молекулы;
• Обратный осмос — практически полное удаление солей.

¶Области применения

Мембранные технологии применяются в водоподготовке и опреснении, пищевой промышленности (концентрирование соков, молока), фармацевтике, газоразделении (получение азота, обогащение кислородом) и аккумуляторах. Мембранный электролизёр — основной способ получения водорода электролизом воды.

¶Медицинские мембраны

¶Гемодиализ

Искусственная почка использует полупроницаемую мембрану для удаления из крови токсинов и избытка воды. Мембраны диализаторов изготавливают из целлюлозы и синтетических полимеров.

¶Медицинские импланты и биосовместимость

Мембранные барьеры применяются в хирургии (предотвращение спаек), стоматологии (мембраны для направленной регенерации кости) и офтальмологии. Ключевое требование — биосовместимость и отсутствие токсичности.

¶Искусственные и технические мембраны

¶Гидрофобные и гидрофильные мембраны

В лабораторной практике и промышленности различают гидрофобные мембраны (пропускают газы, задерживают жидкости — для стерилизации растворов) и гидрофильные (для фильтрации водных растворов). Мембранные датчики и сенсоры используют избирательную проницаемость для определения концентраций веществ.

¶Мембранные технологии в энергетике

Топливные элементы и аккумуляторы содержат ионнообменные мембраны, проводящие протоны или другие ионы. Мембранные контакторы применяются для газообмена и дегазации жидкостей.

¶История

Понятие мембраны как полупроницаемой перепонки сформировалось в XIX веке в связи с изучением осмоса. В 1860-х годах Т. Грэм развил учение о диффузии и диализе. В XX веке появились синтетические мембраны, а в 1960-е годы С. Лёб и С. Сурираджан разработали модель асимметричных мембран для обратного осмоса, что сделало опреснение экономически целесообразным. Открытие структуры клеточной мембраны и транспортных белков стало основой современной клеточной биологии.

¶См. также

• Осмос
• Диффузия
• Обратный осмос
• Клеточная мембрана
• Полупроницаемость

¶Источники

• Альбертс Б. и др. «Молекулярная биология клетки».
• Сингер С., Николсон Г. Модель мозаичной липидной мембраны, 1972.
• Кочетков Н. К. «Биохимия».
• Патрушев В. И. «Мембранные технологии».