Технические характеристики ткани, которые начинаются с 1500 мм водяного столба, обычно классифицируются как водонепроницаемые. Однако существует один важный аспект: на уровень водонепроницаемости также оказывает влияние продолжительность контакта ткани с водой.
Строение, свойства и функции клеточных мембран
Клеточная мембрана, известная также как плазматическая мембрана, является ключевым структурным элементом основной единицы жизни — клетки. Это ультратонкий, гибкий, динамичный и электрически заряженный мембранный слой, который выполняет роль барьера, отделяющего цитоплазму от внеклеточного матрикса, а также способствует поддержанию как структуры, так и функций клетки. Важно не путать клеточную мембрану с клеточной стенкой, которая представляет собой дополнительный слой, расположенный вне клеточной мембраны, и встречается в основном у растений, бактерий и грибов.
У животных клеток мембрана выполняет роль внешнего слоя, тогда как у растений она выступает как второй слой после клеточной стенки.
Функции клеточных мембран
Клеточные мембраны выполняют целый ряд функций, которые зависят от их локализации в клетке. Главная задача мембраны — это определять, что находится внутри клетки (внутриклеточная среда) и что снаружи (внеклеточная среда). В мембранах присутствуют рецепторы и ферменты, необходимые для выполнения их функций.
Не забывайте, что если ваш преподаватель найдет плагиат в вашей работе, это может привести к серьезным последствиям, вплоть до отчисления. В случаях, когда нет возможности самостоятельно подготовить текст, вы можете воспользоваться услугами написания работ на специализированных ресурсах.
Клеточные мембраны создают и поддерживают электрохимические градиенты. Эти градиенты необходимы для таких процессов, как реакция на внешние раздражители, передача информации, селективный транспорт молекул и синтез аденозинтрифосфата (АТП). Мембрана образует внутриклеточные компартменты, которые отвечают за выполнение определенных функций, и формирует ядерную оболочку, где хранится генетический материал. В мембранах обнаруживается множество рецепторов, позволяющих клеткам ощущать и реагировать на молекулы, поступающие из внешней среды. Все эти особенности плазматической мембраны позволяют нейронам обрабатывать информацию, а также обеспечивают возможность сокращения мышечных клеток.
Одной из важнейших функций клеточной мембраны является осуществление транспорта веществ.
- Пассивный транспорт основан на перемещении веществ по градиенту концентрации. Стоит отметить, что мембрана обладает свойством избирательной проницаемости, а не полупроницаемости. Полупроницаемая мембрана позволяет только растворителю перемещаться от зоны с высокой концентрацией к зоне с низкой; движение растворителя взад не допускается.
- Активный транспорт, в отличие от пассивного, подразумевает движение веществ «вверх по течению» (из зоны с низкой концентрацией в зону с высокой) и требует затрат энергии, такой как АТФ. При транспортировке веществ через биологическую мембрану пассивному транспорту может понадобиться помощь мембранного белка, но это не всегда является обязательным.
Существует четыре основных типа пассивного транспорта:
- простая диффузия;
- фильтрация;
- облегченная диффузия;
- осмос.
Простая и облегченная диффузии относятся к процессу перемещения молекул от зон с высокой концентрацией к низким. Фильтрация подразумевает перемещение молекул воды и растворителей через клеточную мембрану под действием гидростатического давления, создаваемого сердечно-сосудистой системой. Осмос — это процесс, в результате которого растворитель (как правило, молекулы воды) диффундирует через полупроницаемую мембрану от области с низкими концентрациями растворителя к области с высокими.
Мембраны содержат разнообразные ферменты, необходимые для метаболических процессов. К примеру, в плазматической мембране происходит синтез таких молекул, как целлюлоза и гиалуроновая кислота, которые важны для внеклеточного матрикса растений и животных соответственно. Кроме того, в мембранах располагаются киназы, АТФазы, которые вырабатывают энергию, а также липазы и другие ферменты. Целостность тканей животных зависит от молекул адгезии, которые обеспечивают взаимодействие между клетками и внеклеточным матриксом, и эти молекулы присутствуют в плазматической мембране.
Эндоцитоз — процесс, в котором клетка поглощает вещества, такие как белки и гормоны, извне, запечатывая их в мембране. Существует два основных типа эндоцитоза: фагоцитоз (что в переводе означает «поедание» клеток) и пиноцитоз (или «питье» клеток).
В ходе поглощения клетки образуют небольшую инвагинацию, которая включает в себя захваченное вещество. Затем эта инвагинация отщепляется от мембраны, что приводит к образованию везикулы, содержащей это вещество. Эндоцитоз считается одним из видов активного транспорта, так как для него требуется энергия в виде АТФ.
Структура биологических мембран
Основу биологических мембран составляет двойной слой (бислой) глицерофосфолитидов, сфинголипидов и гликолипидов с встраиваемыми в него белковыми молекулами. Гидрофобные (неполярные) хвосты молекул липидов (остатки жирных кислот) находятся внутри мембраны, в то время как гидрофильные (полярные) головки направлены наружу, в окружающее водное пространство. Плотность упаковки мембран обеспечивается благодаря электростатическим взаимодействиям между полярными головками и гидрофобными контактами между цепями жирных кислот.
Белки, входящие в состав биологических мембран, взаимодействуют с липидным бислоем через гидрофобные взаимодействия и взаимодействия Ван дер Ваальса. Соотношение между липидами и белками, а также их состав могут значительно варьироваться в различных биологических мембранах. Например, содержание липидов в мембранах миелиновой оболочки в четыре раза превышает содержание белков по массе, тогда как во внутренних мембранах митохондрий белки преобладают более чем в два раза. Липиды мембран в основном представлены фосфатидилхолином, фосфатидилэтаноламином, сфингомиелином, фосфатидилсерином, фосфатидилинозитом и кардиолипином, которые находятся примерно в одинаковом соотношении в мембранах организмов разных уровней организации. Тем не менее, видовой состав жирных кислот, входящих в состав этих липидов, подвержен изменениям в зависимости от условий среды. Например, понижение температуры, давления и уровня солености среды обитания стимулит увеличение содержания ненасыщенных связей и/или короткоцепочечных жирных кислот в фосфолипидах, что приводит к уменьшению плотности упаковки бислоя.
Липиды имеют определенную подвижность внутри мембраны: они могут быстро вращаться вокруг своей оси (вращательная диффузия), перемещаться свободно в пределах одного слоя (латеральная диффузия) и переходить с одной стороны бислоя на другую (это движение осуществляется с помощью специальных механизмов).
Клеточные мембраны животных клеток характерны высоким содержанием холестерина (в среднем около 21 %), который участвует в регулировании текучести мембраны, предотвращая слишком плотную упаковку фосфолипидов. В растительных клетках подобную роль исполняет аналог холестерина — десмостерин. У бактерий и внутриклеточных органелл стерины отсутствуют.
До 10% сухой массы мембран составляют углеводы, которые расположены на внешней стороне клеточной мембраны и являются частью мембранных гликолипидов и гликопротеинов.
Периферические белки в основном размещены на внутренней поверхности мембраны, не проникая в толщу бислоя. Они удерживаются на мембране за счет электростатических взаимодействий и водородных связей, связываются с мембраной обратимо и могут переходить в цитоплазму при модификации белков (например, посредством фосфорилирования) в ответ на изменения функционального состояния клетки.
Многие белки образуют сложные комплексы (например, белки дыхательной цепи митохондрий). В клетках постоянно обновляются компоненты биологических мембран, поскольку новые молекулы липидов и белков вступают в их состав, но структурная организация этих мембран на протяжении жизни клетки остается стабильной.
Функции мембран
Главные функции мембран связаны с белками. Многие мембранные белки функционируют как ферменты, обеспечивая протекание различных окислительно-восстановительных, гидролитических и биосинтетических реакций как на поверхности мембраны, так и внутри неё.
Особенно важной функцией мембранных белков является транспорт. Жирорастворимые соединения, такие как стероидные гормоны, легко проникают через липидный бислой, тогда как большинство других соединений (включая аминокислоты, углеводы и неорганические ионы) не могут пройти через него. Для этих целей существуют специализированные мембранные белки, которые обеспечивают как активный (требующий затрат энергии), так и пассивный (осуществляющийся за счет градиента концентрации) транспорт веществ и ионов.
Специфические белки, такие как ионные насосы (например, Na+/K+-насос и Ca2+-насос), отвечают за асимметричное распределение ионов Na+, K+ и Ca2+ по обе стороны клеточной мембраны. Например, в цитоплазме животных клеток содержание Na+ и Ca2+ низкое, тогда как K+ находится в высоких концентрациях. Эта асимметрия играет ключевую роль в обеспечении жизнедеятельности клеток (электровозбудимость, осмотическая устойчивость и других процессов).
Мембранные белки, известные как аквапорины, формируют специальные каналы, которые регулируют проникновение молекул воды в клетку. Взаимодействие клетки с внешней средой и регуляция внутриклеточных процессов осуществляется с помощью рецепторных белков (рецепторов), отвечающих за фото-, термо-, механо- и хеморецепцию.
Барьерная функция биологических мембран способствует сохранению определенного состава и концентрации веществ внутри клетки, а также защиту от воздействия различных чуждых факторов и токсинов. Благодаря мембранам в клетках могут одновременно происходить множество несовместимых реакций. Например, синтез необходимых клетке белков происходит на рибосомах, которые прикреплены к эндоплазматическому ретикулуму, в то время как их распад осуществляется в лизосомах. Процессы энергообмена клетки также протекают в биологических мембранах. Внутренние мембраны митохондрий и мембраны тилакоидов являются основными преобразователями энергии, играя важную роль в накоплении энергии, которая образуется в ходе дыхания и фотосинтеза и передаче этой энергии через пирофосфатную связь аденозинтрифосфата. Мембраны нейронов способны генерировать и передавать электрические сигналы, связывая их с процессами возбуждения и проведения нервных импульсов.
Как белковые, так и липидные компоненты мембран могут выполнять ряд других функций. Часть фосфолипидов может служить предшественниками сигнальных молекул. Например, при активации мембранной фосфолипазы А из бислоя высвобождается арахидоновая кислота, которая затем преобразуется в биологические регуляторы, такие как тромбоксаны, лейкотриены и простагландины. Фосфатидилсерин, что расположен на внутренней стороне мембраны, при начале процесса апоптоза мигрирует на наружную сторону, сигнализируя фагоцитам, которые имеют специфические рецепторы на этот фосфолипид, и способствуя уничтожению дефектных клеток. Гликолипиды, наряду с гликопротеинами, играют жизненно важную роль в межклеточной адгезии и участвуют в иммунных реакциях.
Непоровые мембраны. Зачем они нужны?
Непоровые мембраны представляют собой отдельный класс мембран, функционирование которых основано на принципах, отличных от тех, что применяются в поровых мембранах. Название указывает на отсутствие пор, но материал мембраны обладает неоднородной структурой, что обусловлено наличием свободного объема между крупными молекулами полимера. Этот объем достаточно велик для свободного движения маломолекулярной воды через мембрану — процесса, известного как диффузия. Размер молекул этих полостей не сопоставим с размерами традиционных пор.
Водяной пар физически связывается с гидрофильной внутренней поверхностью мембраны. В условиях повышенного потоотделения влага накапливается, что приводит к конденсации на ней. Материал мембраны, чаще всего полиуретан, начинает набухать, впитывая молекулы воды. При этом все молекулы под действием температуры начинают двигаться быстрее: влажный, гибкий полимер расширяется, увеличивая пространство между цепочками, и, следовательно, воздух быстрее проходит через мембрану. Движение этого пара продолжается до тех пор, пока концентрация молекул воды в мембране не выровняется по всей её толщине. Основные факторы, которые влияют на процессы в непоровой мембране, это разница концентрации молекул воды и разница температур по обе стороны мембраны. Движение направлено из области с высокой концентрацией воды в область с низкой концентрацией. Молекулы, проходящие через свободные пространства в мембране, достигают внешней поверхности и уходят в окружающую атмосферу.
Внешняя поверхность непоровой мембраны всегда защищена гидрофобным материалом с плотным плетением, который блокирует проникновение капель воды, но при этом не препятствует выведению водяного пара.
Полиуретан представляет собой прочный, устойчивый к старению, эластичный материал с гидрофильными свойствами. Плёнки из него без труда наносятся на поверхности любой конфигурации. Обладает относительно низкой молекулярной массой.
Сильные и слабые стороны непоровых мембран
Непоровые мембраны менее подвержены загрязнению, поскольку в них отсутствуют поры, которые могли бы забиваться. Гибкость этого полимера позволяет создавать тянущиеся ткани на его основе.
Ключевым недостатком непоровных мембран является их ограниченная работа при низких температурах. Влага на внутренней поверхности мембраны может замерзать, что затрудняет вывод пара и приводит к дискомфорту. В отличие от поровых мембран, замерзание не всегда вызывает проблемы, поскольку точка росы может находиться в другом месте, благодаря активному движению пара через мембрану.
Исследования показывают, что поровые мембраны более устойчивы к образованию конденсата на внутренней поверхности и лучше функционируют в условиях повышенной влажности, соответствуя стандартам JIS L 1099 A1.
Непоровые мембраны начинают свою работу с небольшой задержкой, поскольку необходимо время для того, чтобы они набухли (намокание) и достигли максимальных рабочих характеристик. Данные показывают, что эффективность непоровых мембран увеличивается с повышением абсолютной влажности под одеждой, в то время как поровые мембраны менее подвержены этому фактору. В условиях активной физической активности при низкой влажности окружающего воздуха, хорошие непоровые мембраны могут превосходить поровые по паропроницаемости, согласно tests JIS L 1099 B1.
Из-за гидрофильных свойств самой мембраны её водостойкость ниже, чем у полностью гидрофобных пористых тканей. Когда верхний защитный слой ткани с непоровой мембраной начинает пропускать влагу, она быстро проникает внутрь.
Комбинированные мембраны
Совместные технологии часто дают отличные результаты. В последнее время все более популярными становятся комбинированные мембраны, которые включают пористую мембрану снаружи и тонкую непоровую со стороны тела. Такой подход защищает пористую мембрану от загрязнения и увеличивает показатели паропроницаемости.
Также интересен опыт производства поровой мембраны из полиуретановых волокон, который был реализован в тканях Polartec® NeoShell®.
Характеристики мембран
- Влагостойкость;
- Паропроницаемость (A1, B1);
- Ret — сопротивление теплопередаче.
Виды мембранной защиты
При обсуждении мембранных слоев вы можете столкнуться с терминами: 2-layer, 2.5-layer и 3-layer (трехслойная мембрана).
Трехслойная мембранная ткань
Первый слой — наружный, служит для защиты мембраны от механических повреждений. Этот слой может быть изготовлен из различных тканей в зависимости от конечного назначения. Для повседневной носки подойдет прочная плотная ткань в 100D, а для беговой одежды — легкая в 20D. Необходима пропитка Durable Water Repellent (DWR), которая обладает гидрофобными свойствами. Если мембрана становится влажной, ее эффективность значительно снижается. Пропитка DWR может быть обновлена при помощи специальных составов или с помощью «термической активации».
- К наружному слою приклеивается второй слой — ePTFE (мембрана).
- В завершение, для защиты нежной мембраны от механического воздействия изнутри, на внутреннюю поверхность наносится третий слой ткани.
Получившаяся структура называется трехслойной мембранной тканью (laminated membrane).
Трехслойная мембранная куртка будет актуальна в тяжелых погодных условиях — эту тему мы уже затрагивали в статье о стоимости горного похода.
Двухслойная мембранная ткань отличается тем, что внутренний третий слой не приклеивается в единый «бутерброд», а остается легкой сеткой, свободно движущейся внутри. В результате мембрана становится менее защищенной по сравнению с трехслойным вариантом, но стоимость ее производства ниже, а также она легче в упаковке.
Двухслойная мембранная ткань
Двухслойная куртка идеальна для городской жизни, пикников на природе и умеренных туристических походов. Например, для коротких путешествий в Карелию на 1-3 дня.
2,5-слойная мембранная ткань
2.5-layer (membrane coating) означает, что с внутренней стороны наносится тонкое покрытие на мембрану, что приводит к средней степени стойкости между двухслойной и трехслойной конструкциями.
Куртки с 2.5-слойными мембранами идеально подходят для ситуаций, когда важен каждый грамм, например, при трекинге в Приэльбрусье, забегах или велосипедных поездках.
Роль мембраны в выводе пара из утеплителя
В процессе жизнедеятельности человека в помещениях накапливается значительное количество влаги. Каждый взрослый человек выделяет около 1,2 литра влаги в сутки, а также процесс приготовления пищи, влажная уборка, принятие душа и другие бытовые активности значительно увеличивают выделение водяных паров.
Важно понимать, что зимой движение пара происходит наружу из помещения через стены и потолок. Это происходит благодаря разнице парциального давления водяного пара на улице и внутри дома.
Если ваш дом каркасный и утеплён минераловатными или органическими материалами, то их увлажнение приводит к потере теплоизоляционных свойств, поэтому необходимо ограничить пароход. Для этого внутри помещений часто используют парозащитные пленки.
Тем не менее, 100% ограничение водяного пара невозможно, поэтому тот пар, который проникает в утеплитель, необходимо выводить наружу. Мембраны выполняют именно эту функцию, позволяя паропроницаемость.
Существуют мембраны, которые могут временно накапливать влагу внутри и затем постепенно выводить её наружу. Внутренний слой таких мембран состоит из волокон, которые хорошо и быстро впитывают воду, чаще всего для этих целей применяется полиуретановое волокно.
В какую сторону мембрана пропускает пар?
Многие источники в интернете утверждают, что строительные гидро-ветрозащитные мембраны пропускают пар лишь в одном направлении – наружу. Однако, в нашем эксперименте, использующем мембрану Tyvek Housewrap, видно, что это не совсем так.
Также стоит отметить, что многие не понимают роли мембран в обеспечении ветрозащиты. Все мы ощущаем, что в морозную погоду ветер делает нас более уязвимыми, чем теплый воздух без ветра. Однако при выборе мембраны очень часто тестом служит просто «дунуть» в мембрану. Если воздух проходит, то это «открытая» мембрана. Если нет, это указывает на пароизоляцию.
Тем не менее, мембрана не должна пропускать воздух, только тогда она будет эффективной в качестве ветрозащиты. Если для гидроизоляции достаточно добавить гидрофобную пропитку, то для обеспечения ветрозащиты необходим плотный, часто многослойный слой.
