Ionitli membranalar va ularni elektrolizda qo’llanilishi Reja: Kirish

Elektrodializ
Elektrodializ yordamida moddalarni ajratish mumkin, ularning belgisi, zaryad miqdori va harakatchanligidagi farqdan foydalanish zarralar. Boshqa membrana usullari bilan taqqoslaganda ushbu xususiyatlarning bir qismi ishlatiladi, elektrodializ sezilarli afzalliklari. Masalan, qayta ishlanadigan osmozdan teskari osmozda zaryadlangan zarralar kattaligidan qat'i nazar eritmadan chiqariladi. Qachon ultrafiltratsiya ionlarning kattaligi va harakatchanligi muhim, ammo kattaligi va zaryad belgisi tozalash samaradorligiga ta'sir qilmaydi.
Qayta ishlash uchun elektrodializ ayniqsa keng qo'llaniladi amfolit o'z ichiga olgan eritmalar. Birlashtirish juda istiqbolli dializ yoki elektroforezli mikrofluidik qurilmalar, bu ba'zi biomolekulalarni ming marta konsentratsiyalashga imkon beradi keyinchalik tahlil qilish uchun mahalliy muhit. Shunga o'xshash kombinatsiyalar elektroliz uchun ishlatiladigan an'anaviy usullarni to'ldiring sulfat kislota, karbonat angidrid o'z ichiga olgan eritmalarni qayta ishlash, aminokislotalarni, dori-darmonlarni tozalash va fraksiyalash. Yana bir muhim kelajakda elektrodializdan foydalanish ozuqaviy moddalarni olish bo'lishi mumkin chiqindi suvdan ionlar (ammoniy, fosfatlar, kaliy). Shunday qilib, mumkin shu bilan birga, oqava suvlarni dezinfektsiya qiling va ozuqaviy moddalarni jamlang o'g'itlar ishlab chiqarish uchun o'simliklar tomonidan so'rilgan shakldagi ionlar.
Amfolitlar qutbli guruhlarga ega bo'lganligi sababli, ular suv bilan o'zaro aloqada bo'ling, kislotalikka qarab zaryadingizni o'zgartiring atrof-muhit. Bunday tizimlarda uzatish mexanizmlari quyidagi mexanizmlardan farq qiladi kuchli elektrolitlar tizimlari. Buning barcha ta'siri farq amfolitlarning zaryadlangan shakllardan o'zgarishi bilan bog'liq zaryadsiz va aksincha. Bunday o'zgarishlarning ikkala turi ham muvaffaqiyatli sanoatda ishlatiladi.
Biopotentsiallarning membrana nazariyasi 1902 yilda Bernshteyn tomonidan ilgari surilgan. Ammo faqat 50-yillarda bu nazariya haqiqatan ham ishlab chiqilgan va eksperimental ravishda biopotentsiallarning paydo bo'lishida ion gradyanlarining roli va hujayra va atrof-muhit o'rtasida ionlarning tarqalish mexanizmi haqidagi asosiy g'oyalar va nazariyalarga ega bo'lgan Xodjkin tomonidan asos solingan.
Ushbu nazariyaning mohiyati shundan iboratki, dam olish potentsiali va harakat potentsiali tabiatan membrana potentsiallari bo'lib, ular hujayra membranasining yarim o'tkazuvchan xususiyatlari va hujayra va muhit o'rtasida ionlarning notekis taqsimlanishi bilan bog'liq bo'lib, ular membrananing o'zida lokalizatsiya qilingan faol tashish mexanizmlari tomonidan qo'llab-quvvatlanadi.

Ionlar hidrofobik ikki qatlamli lipid membranasini kesib o'tolmaydi. Ular u orqali maxsus ion kanallari orqali o'tadi. Bu ilgari ion nasoslari tomonidan yaratilgan transmembran kontsentratsiya gradienti ta'sirida yuzaga keladigan passiv diffuziya jarayoni. Ion kanallari sekundiga 10⁸ gacha ionlarni o'tkazadi,bu boshqa tashuvchilarning ishlashidan ikki darajadan yuqori.

Ionlarning kanallar bo'ylab harakatlanishi natijasida membrana potentsiali hosil bo'ladi-sitozol va tashqi muhit o'rtasidagi elektr potentsialining farqi va asab tizimida ma'lumot uzatuvchi harakat potentsiallari hosil bo'ladi. Ion gradientlarining energiyasi tufayli zaif signallar kuchayishi mumkin, chunki zaif jismoniy ta'sir ta'sirida yoki ligand molekulasining bog'lanishi natijasida ion kanalining ochilishi sezilarli ion oqimi va hujayra ichidagi jarayonlar kaskadini keltirib chiqaradi.
Ion kanallari - bu elektr potentsialining transmembran farqi yoki membrananing mexanik cho'zilishi yoki kimyoviy signallar-ligandlar kabi fizik ta'sirlar bilan boshqarilishi mumkin bo'lgan eng murakkab va yuqori darajada saqlanib qolgan oqsil tuzilmalari. Yuqori murakkablik ionlarni aniq tanib olish va ularni boshqariladigan tarzda membrana orqali o'tkazish imkonini beradi. Ion kanallari yuqori darajada tanlangan; ular faqat ma'lum bir turdagi ionlarni o'tkazadilar: Na+, K+, Cai+ yoki Cl -. Ular navbati bilan natriy, kaliy, kaltsiy yoki xlor kanallari deb ataladi. Har bir ion turi uchun kanallar ularning tuzilishi, chegara xususiyatlari, kinetikasi, turli ligandlarga sezgirligi va boshqalar bo'yicha tasniflanadi.
Ion kanallari odatda yopiq, ammo ba'zi tashqi omillar ta'sirida ochilishi mumkin. Shuning uchun kuchlanishli, mexanosensitiv va ligand bilan faollashtirilgan ion kanallari farqlanadi. Birinchisi membrana potentsialidagi o'zgarishlar bilan boshqariladi; ikkinchisi-membranaga mexanik ta'sir qilish, uchinchisi - signal beruvchi ligand molekulalarini (agonistlar yoki antagonistlar) retseptor oqsillari bilan bog'lash orqali.
Umumiy ko'rinish va biofizika
Avval ion kanallarining tuzilishi, xususiyatlari va ta'sir mexanizmlari haqidagi klassik g'oyalarni, so'ngra ularning ishining ko'p jihatlarini aniqlab bergan so'nggi o'n yillikdagi ma'lumotlarni ko'rib chiqing.
Ion kanalining asosiy qismlari: og'izlar - ionlar kiradigan yoki chiqadigan muhitga yoki sitoplazmaga qaragan toraygan voronkalar; selektiv filtr kanalning eng tor qismi bo'lib, faqat ma'lum bir turdagi ionlarning o'tishiga imkon beradi; va darvoza - kanalni ochadigan yoki yopadigan eshik mexanizmi (1-rasm).1). Kuchlanish bilan bog'langan ion kanallarida transmembran potentsialidagi o'zgarishlarga javob beradigan va darvoza holatini boshqaradigan kuchlanishga sezgir sensor bo'lishi kerak.
Og'izda manfiy zaryadlangan karboksil guruhlari (COO -) mavjud. Ular eritmadan musbat zaryadlangan kationlarni jalb qiladi, masalan, Na+ yoki K+. Bu kanal og'zida kationlarning yuqori konsentratsiyasini hosil qiladi. Bu joy kanaldagi birinchi potentsial chuqurdir: og'zidagi salbiy guruhlar bilan bog'langan kation minimal potentsial energiyaga ega. Tanlangan filtr ikkinchi yoki uchinchi potentsial chuqurlarni tashkil etuvchi boshqa yoki bir nechta COO guruhlarini o'z ichiga oladi. Kanalning potentsial profili sek.1. Kanaldan o'tib, musbat kation bu manfiy zaryadlangan guruh bilan bog'lanib, potentsial chuqurga kiradi. Kanaldan keyingi o'tish va chiqish uchun u ushbu elektrostatik tortishishni yengib o'tishi kerak.
Ionlarning kanal bo'ylab harakatlanishiga nima sabab bo'ladi? Hujayradagi asosiy energiya manbai, albatta, ATP molekulalarida saqlanadigan kimyoviy energiyadir. Uning hisobidan (Na+-K+)-Atpaza plazma membranasida natriy va kaliy ionlarining elektrokimyoviy gradientini, Ca2+-Atpaza - kaltsiy ionlarining hosil qiladi. Ionlar ushbu gradientlarda saqlanadigan energiya orqali kanal bo'ylab harakatlanadi. Kanalning kirish og'zidagi manfiy zaryadlar chiqish og'ziga qaraganda kattaroq kation bulutini to'playdi. Ushbu ionlar kationlarni kanalga surish uchun elektrostatik maydon hosil qiladi. Agar birinchi bog'lanish markazida ion bo'lsa, u billiard to'pi kabi keyingi uchuvchi ion tomonidan ikkinchi chuqurga suriladi. Konsentratsiyaning oshishi tufayli kanalga kirishda bunday zarbalar soni chiqishga qaraganda ko'proq bo'lganligi sababli, ionlar konsentratsiya gradienti bo'ylab kanal bo'ylab harakatlanadi. Agar ikkinchi chuqur egallab olingan bo'lsa, birinchi chuqurdan itarib yuborilgan ion ikkinchi ionni o'z o'rnini egallash uchun itarib yuboradi. Ya'ni, kanal bo'ylab ionlarning bir o'lchovli tarqalishi potentsial quduqlar (manfiy zaryadlangan COO guruhlari) orasidagi ionlarning sakrashi orqali amalga oshiriladi.
Barcha ion kanallari o'xshash tuzilish rejasiga ega. Ular to'rtta transmembran domenidan iborat. Ammo Agar na+ va Ca2+kanallari bo'lsa, bu domenlar bitta katta polipeptid zanjirining tarkibiy qismidir. K+-kanal tuzilishi bo'yicha Na+- va Ca2+-kanal domenlariga o'xshash to'rtta alohida oqsildan iborat. Ko'pincha transmembran domenlarida oltita transmembran (TM) bo'laklari mavjud, ammo ba'zi kaliy kanallari ikki yoki to'rtta TM bo'laklaridan iborat. To'rtta domenni birlashtirganda, ular orasida ion hosil bo'ladi-o'tkazuvchan vaqt.
Kuchlanishli kanallarning tuzilish rejasi. A. natriy kanali. B. kaltsiy kanali. B. kaliy kanali. G. natriy yoki kaltsiy kanalining gipotetik tuzilishi (tomonidan: Nicholls va boshq.
Ion kanallari yuqori darajada tanlangan va faqat ma'lum bir turdagi ionlarning o'tishiga imkon beradi. Masalan, ulkan kalamar aksonining natriy kanallarining turli gidroksidi metall ionlari uchun o'tkazuvchanligi (in. birlik): Na+ - 1.0; Li+ - 1.1; K+ - 0.083; Rb+ - 0.025; Cs+ - 0.016. Kaliy kanallarining selektivligi yanada yuqori: ularning natriy ionlari uchun o'tkazuvchanligi kaliy ionlariga qaraganda ikki-to'rt daraja past. Nima uchun kattaroq kaliy ioni natriy kanalidan o'tolmasligi aniq ko'rinadi: uning L. Poling tomonidan aniqlangan diametri 0,27 nm, natriy ionining diametri esa 0,19 nm( jadval.1). Ammo nima uchun kichikroq natriy ioni kattaroq kaliy kanalidan o'tolmaydi? Shubhasiz, bu erda ma'lum o'lchamdagi zarralar hujayralari orqali o'tadigan ion shahri kabi kanal tushunchasi yaxshi emas.
Jadval. 1. Biologik muhim ionlarning xususiyatlari (L. Poling ma'lumotlariga ko'ra)
Ion ion radiusi, nm Hidratsiya soni
K+ 0,133 2,9
Na+ 0,095 4,5
Cl─ 0,181 2,9
Ca2+ 0,099 7,0
Mg2+ 0,066 10,0

Na + ionlari uchun kanalning yuqori selektivligi tanlangan filtr deb ataladigan eng tor mintaqaning o'lchamlari bilan belgilanadi. Natriy kanalining turli o'lchamdagi noorganik va organik kationlar uchun o'tkazuvchanligini o'rgangan B. Xillning so'zlariga ko'ra,na+kanalining selektiv filtri 0,32x0, 52 nm bo'lishi kerak. Kaltsiy kanalining tegishli o'lchamlari 0, 34x0,34 nm,kaliy kanali esa 0, 41x0, 41 nm. Xille ionlar kanal orqali oddiy diffuziyadan ko'ra murakkabroq tarzda kirib boradi degan xulosaga keldi. Kanalning selektivligi sterik sabablar (gidratatsiya qobig'i bilan birga teshik va kationning kattaligi) va ion va uning gidratlangan qobig'ining kanal devorlaridagi qutb guruhlari bilan o'zaro ta'siri energiyasi bilan ta'minlanadi. Ionning gidratlangan qobig'ining yo'qolishi natijasida erkin energiyaning ko'payishi kanalning qutbli guruhlari bilan o'zaro ta'sirlashganda uning kamayishi bilan qoplanadi. Ion o'tkazuvchanligida selektiv filtr sohasidagi kanal devorini qoplaydigan kislorod atomlari muhim rol o'ynaydi.

K + ionining kattaligi selektiv filtrning diametriga yaxshi mos kelganligi sababli, u kanalning ichki yuzasida eng ko'p kislorod atomlari bilan o'zaro ta'sir qiladi (masalan, to'rtta). Agar k+ ning kaliy kanali devorining kislorod atomlari bilan o'zaro ta'siri energiyasi uning gidratatsiya qobig'ining suv molekulalari bilan o'zaro ta'siri energiyasiga teng bo'lsa, u gidratatsiya suvidan osongina ajralib chiqishi mumkin, uning molekulalari bu ionni muvofiqlashtiruvchi kislorod atomlari bilan almashtiriladi. Kaliy ionlaridan farqli o'laroq, na+ ionlari suvni sezilarli darajada kuchliroq bog'laydi va ularning kanal devorlarining kislorod atomlari bilan o'zaro ta'siri energiyasi suv molekulalari bilan bog'lanish energiyasidan past bo'ladi.
Bundan tashqari, na+ ionlari kichikroq bo'lgani uchun ular kanal devorlariga to'liq yopishmaydi, ular kislorod atomlariga kaliy kabi bog'langan suvning to'rtta molekulasini emas, balki faqat ikkitasini almashtirishi mumkin.4, yoki uchta, Hill (1981) ma'lumotlariga ko'ra. Shuning uchun na+ ioni ma'lum miqdordagi bog'langan suv molekulalari bilan birga kanal bo'ylab harakatlanishi kerak (bu misolda bitta) va bu guruhning samarali hajmi gidratsiz k+ionining hajmidan ancha yuqori. Ushbu mulohazalar ion kanallarining selektivligining mumkin bo'lgan mexanizmini aniqlashtirishga imkon beradi. Ular yaqinda Makkinnon va hammualliflar (1998) tomonidan kcsa kaliy kanallari bo'yicha yorqin rentgen-strukturaviy tadqiqotlarda tasdiqlangan.
Shuni ta'kidlash kerakki, ochiq natriy kanali kaltsiy ionlari uchun o'tkazuvchan bo'lib, asab impulslari hosil bo'lganda kaltsiy ionlari hujayraga kirishi mumkin.
Membrana oqsillarining bir qismi tarkibida uglevod bo'ladigan oqsillarglikoproteinlardan iborat. Membrana oqsillari xilma-xil vazifalarni ado etib boradi. Bular struktura oqsillari ham, fermentlar ham, moddalarni membrana osha o'tkazib beradigan oqsillar ham, gormonlar yoki hujayra funktsiyalarining boshqa regulyatorlari ham bo'lishi mumkin. Membranalar asimmetriyasi: Hujayra membrana strukturalarining hammasi tutash bo'ladi: ular ma`lum bir hajmni muhit yoki hujayraning boshqa qismlaridan ajratib, cheklab turadi. Bu narsa membrana strukturasi sferik shaklga yaqinlashib keladigan oddiy geometrik shaklda bo'ladi, masalan, plazmatik membrana yoki yadro membranasiga o'xshab ketadigan hollarda tushunarlidir. Bu gap mitoxondriyalar, endoplazmatik to’r, Golji majmuasi membranalari singari murakkab shaklli membranalarga ham to'g'ri keladi. Modomiki shunday ekan, har bir membrananing ichki va tashqi yuzalari bo'ladi. Bitta membrananing yuzalari lipidlar, oqsillar va uglevodlarning tarkibi jihatidan birbiridan farq qiladi. Masalan, eritrotsitlar plazmatik membranasidagi qo'sh lipid qavatining tashqi mono qavatida fosfotidilxolinlar ustun tursa, ichki mono qavatida fosfotidiletanolaminlar bilan fosfotidilserinlar ustun turadi. Glikolipidlar bilan glikoproteidlarning uglevodli qismlari tashqi yuzaga chiqib, ba`zan sidirg'a hujayra po'stini – glikokaliks deb ataladigan tuzilmani hosil qiladi; ichki yuzasida uglevodlar bo'lmaydi. Gormonlar retseptorlari bo'lmish oqsillar plazmatik membrananing tashqi yuzasidan, bular idora etib boradigan adenilatsiklaza esa ichki yuzasidan joy oladi. Membranalarning suyuqlik tabiati: Qo'shaloq lipid qavati suyuq kristalik tuzilishga egadir; lipid molekulalari tartib bilan joylashgan, Lekin ular qavat doirasida membrana yuzasiga parallel ravishda diffuziyalanish xususiyatini saqlab qoladi. Boshqacha aytganda, lipid qavati ikki o'lchovli suyuqlikka o'xshab ketadi. Oqsil molekulalari ham lateral diffuziyaga qodirdir: ular lipid qavatida go'yo suzib yuradi. Biroq oqsil molekulalarining kattaligi ular diffuziyasi tezligini cheklab qo'yadi, bundan tashqari, ko'pgina membranalarda oqsillar yetarlicha zich joylashgan bo'ladi. Membranalardagi ko'ndalang diffuziya to'g'risida gapiradigan bo'lsak, bunday diffuziya cheklangan miqdorda bo'lishi mumkin, xolos. Membranalarning o'z-o'zidan yig'ilishi, bunyodga kelishi: Hujayra membranalarini ajratib olishning shunday metodlari borki, bular ularni soddalashtirilgan sharoitda o'rganishga imkon beradi. Eritrotsitlar gipotonik eritmaga tushiriladigan bo'lsa, ular hujayra ichiga osmos bilan suv o'tishi natijasida bo'rtib chiqib, membranalari yoriladi. Ichidagisi eritmaga o'tadi va bo'sh membranalar qoladi – eritrotsitlarning soyalari deb shularni aytiladi. Muayyan sharoitlarda sentrifugalash metodlari bilan ana shunday aralashmalardan sof membranalarni ajratib olsa bo'ladi. Moddalarni membrana orqali o'tkazib berish. Hujayra membranalari moddalarning bir joydan ikkinchi joyga o'tib turishi uchun anchagina to'sqinlik qiladiyu, Lekin teshik-tirqishsiz butunlay yopiq to'siqlar bo'lib hisoblanmaydi. Membranalarning asosiy funktsiyalaridan biri moddalar o'tishini idora etib borishdir. Masalan, plazmatik membrana hujayraga kerakli T moddalarni hujayraga kiritib saqlab turishi va nokeraklaridan xalos bo'lib borishi kerak. Hujayra membranasi orqali bir vaqtning o'zida bir necha yuzlab har xil moddalar ikki tomonga o'tib turadi. Membrana orqali moddalarning o'tishini 3 ta usuli – oddiy diffuziya, yengillashgan diffuziya va aktiv transport usuli farq qilinadi.


Xulosa
Bir hil membranalar doimiy ionit polimerdir. Ular polikondensatsiya reaktsiyasi yoki payvandlangan polimerizatsiya usuli bilan pishirilishi mumkin ruxsat etilgan ionli monomerlarning oddiy polikondensatsiyasi past oqim plyonkasi uchun agressiv reagentlarga chidamli.
Masalan, kation almashinadigan membranani olish uchun quyidagilar amalga oshiriladi: fenolsulfonik yoki salitsil kislotasining formaldegid polikondensatsiyasi. Aromatik amin yoki alifatik kondensatsiya formaldegid bilan poliamin anion almashinuviga olib keladi membranalar. 1962-yilda Dupont De Mur (AQSh) birinchi marta "Nafion" bir hil sulfokationit membranasi florokarbonli asos sintez qilindi. "Nafion"membranasining MF-4SK membranasi rus analogi.
Ion kanallari - bu elektr potentsialining transmembran farqi yoki membrananing mexanik cho'zilishi yoki kimyoviy signallar-ligandlar kabi fizik ta'sirlar bilan boshqarilishi mumkin bo'lgan eng murakkab va yuqori darajada saqlanib qolgan oqsil tuzilmalari. Yuqori murakkablik ionlarni aniq tanib olish va ularni boshqariladigan tarzda membrana orqali o'tkazish imkonini beradi. Ion kanallari yuqori darajada tanlangan; ular faqat ma'lum bir turdagi ionlarni o'tkazadilar: Na+, K+, Cai+ yoki Cl -. Ular navbati bilan natriy, kaliy, kaltsiy yoki xlor kanallari deb ataladi. Har bir ion turi uchun kanallar ularning tuzilishi, chegara xususiyatlari, kinetikasi, turli ligandlarga sezgirligi va boshqalar bo'yicha tasniflanadi.
Ion kanallari odatda yopiq, ammo ba'zi tashqi omillar ta'sirida ochilishi mumkin. Shuning uchun kuchlanishli, mexanosensitiv va ligand bilan faollashtirilgan ion kanallari farqlanadi. Birinchisi membrana potentsialidagi o'zgarishlar bilan boshqariladi; ikkinchisi-membranaga mexanik ta'sir qilish, uchinchisi - signal beruvchi ligand molekulalarini (agonistlar yoki antagonistlar) retseptor oqsillari bilan bog'lash orqali.