Ionitli membranalar va ularni elektrodializda qo’llanilishi

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.

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.