معلومة

6.6: توليد التدرجات: استخدام التفاعلات والمضخات المزدوجة - علم الأحياء

6.6: توليد التدرجات: استخدام التفاعلات والمضخات المزدوجة - علم الأحياء



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

تسمح كل من الناقلات والقنوات بالحركة الاتجاهية (التدفق الصافي) للجزيئات عبر الغشاء ، ولكن فقط عند وجود تدرج تركيز. ومع ذلك ، عندما ننظر إلى الخلايا نجد الكثير من تدرجات التركيز ، مما يثير السؤال ، ما الذي ينتج ثم يحافظ على هذه التدرجات.

الجواب المنطقي هو أنه يجب أن تكون هناك جزيئات (بروتينات) يمكنها نقل أنواع معينة من الجزيئات عبر الغشاء وضد تدرج تركيزها. سوف نسمي هذه الأنواع من مضخات الجزيئات ونكتب رد الفعل الذي تشارك فيه على النحو التالي:

[مركب]تركيز منخفض + مضخة ⟷ [جزيء]تركيز عالي + مضخة

كما قد تشك بالفعل في أن هذا رد فعل غير مواتٍ للديناميكا الحرارية. مثل المضخة العيانية المألوفة ، سوف تتطلب مدخلات من الطاقة. سيتعين علينا "توصيل" مضختنا الجزيئية ببعض مصادر الطاقة. ما هي مصادر الطاقة المتاحة للأنظمة البيولوجية؟ لدينا خياران أساسيان: يمكن للنظام استخدام الطاقة الكهرومغناطيسية ، أي الضوء ، أو يمكنه استخدام الطاقة الكيميائية. في المضخة التي تعمل بالضوء ، يوجد نظام يلتقط (يمتص) الضوء ؛ يقترن امتصاص الضوء (الطاقة) بنظام الضخ. عندما يتم تشغيل المضخة عن طريق تفاعل كيميائي ، غالبًا ما يتم تحفيز التفاعل الإيجابي الديناميكي الحراري بواسطة المضخة نفسها ويقترن هذا التفاعل بحركة الجزيء مقابل تدرج تركيزه. هناك نقطة طوبولوجية مثيرة للاهتمام وهي أنه لكي تعمل مضخة مدفوعة بتفاعل كيميائي أو خفيف لتوليد تدرج تركيز ، يجب توجيه جميع جزيئات المضخة داخل الغشاء في نفس الاتجاه. إذا تم توجيه المضخات بشكل عشوائي ، فلن يكون هناك تدفق شامل (ستتحرك الجزيئات في كلا الاتجاهين) ولن يتطور أي تدرج.

يتم أيضًا توجيه المضخات التي تعمل بالتفاعل الكيميائي داخل الأغشية في نفس الاتجاه. يمكن استخدام عدد من التفاعلات الكيميائية لتشغيل مثل هذه المضخات ويمكن لهذه المضخات أن تقود تفاعلات مختلفة (تذكر أن التفاعلات يمكن أن تتحرك في كلا الاتجاهين). واحدة من أكثرها شيوعًا تتضمن حركة الإلكترونات النشطة من خلال نظام "نقل الإلكترون" المرتبط بالغشاء القائم على البروتين ، مما يؤدي إلى إنشاء تدرج كهروكيميائي H +. تحرك H + لأسفل تدرج تركيزه ، من خلال المضخة ، توليف ATP. تقترن حركة H + من جانب الغشاء ذي الارتفاع النسبي [H +] إلى جانب الغشاء المنخفض نسبيًا [H +] بتخليق ATP من خلال إنزيم سينسيز ATP المرتبط بالغشاء:

[H+]تركيز عالٍ من الخارج + ثنائي فوسفات الأدينوزين (ADP) (داخل الخلايا) + فوسفات (داخل الخلايا) ⇌ أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) (داخل الخلايا) + H20 (داخل الخلايا) + [H+]تركيز منخفض من الداخل.

يمكن أن يعمل هذا التفاعل في الاتجاه المعاكس ، وفي هذه الحالة يتم تحلل ATP لتشكيل ADP والفوسفات ، ويتم تحريك H + عكس تدرج التركيز ، أي من منطقة ذات تركيز منخفض إلى منطقة تركيز أعلى.

[H+]تركيز منخفض من الداخل + أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) (داخل الخلايا) + H.20 (داخل الخلايا) ⇌ ثنائي فوسفات الأدينوزين (ADP) (داخل الخلايا) + فوسفات (داخل الخلايا) + [H+]تركيز عالي من الداخل.

بشكل عام ، من خلال اقتران تفاعل التحلل المائي ATP بالمضخة ، يمكن للمضخة نقل الجزيئات من منطقة ذات تركيز منخفض إلى منطقة ذات تركيز عالٍ ، وهو تفاعل غير مواتٍ من الناحية الديناميكية الحرارية.


6.6: توليد التدرجات: استخدام التفاعلات والمضخات المزدوجة - علم الأحياء

الأيض -- مجموع كل التفاعلات الكيميائية داخل الخلية. يمكن وصفها أيضًا بأنها الهدم + بناء .

التفاعلات الكيميائية
تتطلب بعض التفاعلات طاقة. يجب إضافة الطاقة من أجل إجراء هذه التفاعلات وسيكون المنتج (المنتجات) عند مستوى طاقة أعلى من المواد المتفاعلة. في التمثيل الغذائي ، كثير ردود فعل الابتنائية تقع في هذه الفئة. تتطلب التفاعلات الابتنائية طاقة. التفاعلات التقويضية تطلق الطاقة.

ليست كل ردود الفعل المفضلة بقوة تلقائية. مرات عديدة طاقة التنشيط يحتاج إلى أن يضاف. على سبيل المثال ، الورق (السليلوز = C 6 H 12 O 6) موجود بثبات في وجود الأكسجين. على الرغم من تفضيل الأكسدة السريعة للسليلوز لتكوين ثاني أكسيد الكربون و H2O و C بقوة ، فإن الورق لن يحترق (الاحتراق = الأكسدة السريعة للسليلوز) ما لم طاقة التفعيل (الحرارة) مطبق.

أولا إنزيمات
في الخلية ، الطاقة اللازمة للقيادة ردود فعل الابتنائية بالإضافة إلى طاقة التنشيط اللازمة للحصول على الكثير تفاعلات تقويضية لا يمكن تطبيقه مباشرة كحرارة. بدلا من ذلك ، تستخدم الخلايا الانزيمات لتقليل كمية الطاقة اللازمة لإحداث ردود الفعل. هكذا الانزيمات وتسمى المحفزات لأن ردود الفعل تسهل وتسريعها لكنها لا تدخل في ردود الفعل.

الانزيمات خفض طاقة تنشيط التفاعلات بسبب الانزيمات قادرون على (1) الارتباط بالمواد المتفاعلة (المادة المتفاعلة) ، (2) إجبار المتفاعلات (جزيئات الركيزة) قريبون جدًا من بعضهم البعض و (3) ثني جزيئات الركيزة وزعزعة استقرار تكوينات الإلكترون الخاصة بهم. هذا يجعل الجزيئات غير مستقرة ومتفاعلة.

  • يُطلق على المكان الموجود على الإنزيم الذي ترتبط فيه الركيزة اسم موقع ربط الركيزة أو ال موقع نشط من الانزيم. موقع Allosteric هو موقع آخر غير الموقع النشط.
  • Apoenzyme = جزء البروتين
  • العوامل المساعدة = ذرات أو جزيئات غير بروتينية ترتبط بوحدة الإنزيم. وهي مقسمة إلى جزيئات عضوية = الإنزيماتوالعناصر غير العضوية = ايونات المعادن.
  • الإنزيمات المساعدة = NAD + (نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد) ، FAD (فلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد) ، CoA (أنزيم A)
  • أيونات المعادن = الحديد والنحاس والكالسيوم والزنك والمغنيسيوم.
  • Holoenzyme = Apoenzyme + العامل المساعد

ثالثا. العامل المؤثر في وظيفة الانزيم: (لا تنسى التشبع!)
1) الرقم الهيدروجيني
2) درجة الحرارة
3) تركيز الركيزة
4) تركيز الانزيم

رابعا. تثبيط الإنزيم:
أ) التثبيط التنافسي: يمكن لجزيء له هيكل مشابه للركيزة العادية أن يحتل (ويمنع) الموقع النشط للإنزيم. يمكن عكسه عن طريق إضافة المزيد من الركيزة. على سبيل المثال إنزيم مركب حمض الفوليك يربط PABA -> حمض الفوليك. يحتوي عقار السلفانيلاميد على بنية كيميائية مشابهة جدًا لـ PABA وسيرتبط الدواء بالموقع النشط للإنزيم. ومع ذلك ، فإن إنزيم مركب حمض الفوليك غير قادر على تحويل السلفانيلاميد إلى أي شيء.

ب) تثبيط غير تنافسي: يمكن للمثبطات (مثل الرصاص أو المعادن الأخرى) أن ترتبط بالموقع الخيفي لتغير شكل الإنزيم. الآن ، يختلف الموقع النشط ولا يمكن ربطه بالركيزة.

تدفق الطاقة في الأيض
غالبًا ما تتدفق الطاقة في عملية التمثيل الغذائي من حيث الإلكترونات. إذا فقدت الإلكترونات ، فهذا يسمى أكسدة. إذا تم اكتساب الإلكترونات ، فهذا يسمى تخفيض. يقترن الأكسدة بالاختزال أي ، إذا تأكسد شيء ما ، فسيتم تقليل شيء آخر (تذكر القانون الأول والثاني للديناميكا الحرارية!).

في معظم عمليات الأكسدة والتخفيضات التي سنقوم بدراستها، سيتم نقل الإلكترونات (e-) مع البروتونات (H +). وبالتالي ، فإن مراقبة الهيدروجين يوفر طريقة مناسبة لمعرفة ما إذا كان الجزيء قد تأكسد أو تم تقليله.

أيضًا ، في العديد من تفاعلات تقليل الأكسدة ، سننظر في جزيء نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد (NAD) والذي يعد بمثابة ملف المكوك الإلكتروني. NAD يمكن تخفيضها إلى NADH 2 ، ثم تحمل الإلكترونات إلى تفاعل آخر وتصبح مؤكسدة مرة أخرى NAD. بعبارة أخرى، NAD يمكن أن تلتقط الإلكترونات من تفاعل واحد وتحملها إلى آخر.

لاحظ أنه عندما يحصل الجزيء يتأكسد يفقد الطاقة. أيضًا ، كلما زاد اختزال الجزيء ، زادت الطاقة التي يحتوي عليها. (انظر الصفحات 121-122 ، التين 5.8 و 5.9 للحصول على أوصاف NAD وتفاعلات تقليل الأكسدة.)

سيكون الهدف النهائي في العديد من حالات الهدم هو أخذ الطاقة من جزيء (مصدر غذائي) ، وحبس الطاقة وتخزينها على أنها ATP.

هناك ثلاث طرق لصنع ATP:

1.) الفسفرة على مستوى الركيزة- اين ا فوسفات عالي الطاقة من التمثيل الغذائي الوسيط الفسفوري مركب يتم نقله مباشرة إلى ADP في مسار تقويضي تحويله إلى ATP.

2.) الفسفرة التأكسدية - حيث يتأكسد جزيء (مصدر الغذاء) ويتم استخلاص الطاقة من الإلكترونات بواسطة أ سلسلة نقل الإلكترون.
ثم يتم استخدام الطاقة المستخرجة في صنع ATP من خلال عملية تعرف باسم كيميائي.

3.) الفسفرة الضوئية - لا يظهر هذا إلا في الخلايا التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي. هنا، تستخدم الطاقة الضوئية لتوليد الإلكترونات ثم يتم استخلاص الطاقة من الإلكترونات بواسطة a سلسلة نقل الإلكترون. كما هو الحال في الفسفرة المؤكسدة ، يتم استخدام الطاقة المستخرجة في صنع ATP بواسطة كيميائي.

  • التنفس الهوائي، حيث يكون الأكسجين هو المتلقي النهائي للإلكترون
  • التنفس اللاهوائي، حيث يكون الجزيء غير العضوي غير الأكسجين هو المستقبل النهائي للإلكترون
  • التخمير، حيث يكون الجزيء العضوي هو متقبل الإلكترون النهائي ، و
  • البناء الضوئي، يتم خلالها تحويل الطاقة المشعة إلى طاقة كيميائية

يحدث تنفس الجلوكوز كمصدر للوقود في 3 مراحل: تحلل السكر ودورة كريبس وسلسلة نقل الإلكترون.

الجلوكوز + 6O 2 ----> 6CO 2 + 6 ح 2 O + الطاقة

  • الانهيار الجزئي (الأكسدة) من أ الجلوكوز جزيء (جزيء 6-C) إلى 2 حمض البيروفيك جزيئات (3-C جزيئات).
  • يستخدم 2 ATP's و يصنع 4 اعبي التنس المحترفين. لذلك ، هناك ربح صاف قدره 2 ATP's
  • مأكيس 2 NADH 2
  • مزيد من أكسدة جزيئات الكربون
  • حمض بيروفيك -> أسيتيل CoA + CO 2
  • التجديد بحمض أوكسالو أسيتيك (4 درجة مئوية) + أسيتيل CoA (2 درجة مئوية)
  • ينتج الكثير من NADH (3-4 جزيئات) ، 2 FADH 2 وينطلق 6 جزيئات من CO 2.

إنها سلسلة من الإنزيمات مغروسة في الغشاء. تستخدم هذه الإنزيمات الغشاء لإنشاء تدرج كيميائي من أيونات الهيدروجين. هذا التدرج من أيونات الهيدروجين يسمى أ بروتون القوة الدافعة وهذه القوة تزود الطاقة لمركب ATP.

إنزيمات سلسلة نقل الإلكترون عبارة عن سلسلة من جزيئات حامل الإلكترون المختزلة للأكسدة ومضخات البروتون. تستخدم هذه الإنزيمات الطاقة في الإلكترونات الناتجة عن تحلل السكر ودورة كريبس لتحريك البروتونات ضد تدرج تركيز لتشكيل بروتون القوة الدافعة.

في الميتوكوندريا حقيقيات النواة، يتم "ضخ" 3 أزواج من البروتونات بين الأغشية الداخلية والخارجية للميتوكوندريا أثناء تشغيل واحد أسفل نظام نقل الإلكترون ويؤدي دخولهم مرة أخرى إلى تكوين 3 جزيئات من ATP. ومع ذلك، في بدائيات النوى، غالبًا ما يتم نقل عدد أقل من البروتونات عبر الغشاء في جولة واحدة (زوجان في بكتريا قولونية) لذلك يتم إنشاء عدد أقل من ATP (2 بوصة بكتريا قولونية). ومع ذلك ، فإن المبدأ هو نفسه.

  • استقلاب حمض البيروفيك ويستخدم جزيء عضوي كمستقبل نهائي للإلكترون
  • لا يحتاج إلى أكسجين
  • تجديد NAD + و NADP +
  • يتم إنتاج القليل جدًا من الطاقة (1 أو 2 ATP في الغالب من تحلل السكر)
  • المنتجات النهائية هي: حمض اللاكتيك ، وثاني أكسيد الكربون ، والإيثانول ، والبيوتانيديول ، وحمض البروبيونيك ، وحمض السكسينيك ، وحمض الخليك ، إلخ.
  • لا توجد دورة كريبس أو سلسلة نقل الإلكترون
  • توجد فقط في البكتيريا اللاهوائية والاختيارية

مقارنة بين التخمر والتنفس الهوائي.

مسارات متضمنة متقبل الإلكترون النهائي صافي المنتجات
التخمير تحلل السكر جزيئات عضوية 2 ATP ، CO2 ، الإيثانول ، حمض اللاكتيك ، إلخ
التنفس تحلل السكر ، دورة كريبس ، سلسلة نقل الإلكترون الأكسجين 38 ATP ، CO2 ، H2O

  • تذكر أن هذا لجزيء جلوكوز واحد!
  • NADH سوف ينتج 3 جزيئات ATP
  • سوف ينتج FADH جزيئين من ATP
  • تذكر أننا ننظر فقط إلى استقلاب الكربوهيدرات ولكن استقلاب الأحماض الدهنية والبروتينات يتبع إلى حد كبير نفس المسارات التقويضية.
  • لم ننظر أيضًا إلى أي مسارات ابتنائية ، وهي مسارات تُستخدم لصنع جزيئات معقدة من مكونات بسيطة.

تصنيف الكائنات الحية حسب النمط الغذائي:

طاقة هي القدرة على القيام بالعمل. تتطلب البكتيريا طاقة للحركة ، والنقل النشط للمغذيات إلى الخلية ، والتخليق الحيوي لمكونات الخلية مثل النيوكليوتيدات ، والحمض النووي الريبي ، والحمض النووي ، والبروتينات ، والببتيدوغليكان ، وما إلى ذلك ، وبعبارة أخرى ، الطاقة مطلوبة لدفع التفاعلات الكيميائية المختلفة.

للحصول على الطاقة ، البكتيريا (التغذية الكيميائية) أخذ المركبات الغنية بالطاقة مثل الجلوكوز إلى الخلية وتفكيكها إنزيميًا لتحرير طاقتها. لذلك ، تحتاج البكتيريا إلى وسيلة فخ التي تطلق الطاقة بحيث لا تضيع كحرارة وتخزن الطاقة في شكل يمكن أن تستخدمه الخلايا. بشكل أساسي ، يتم حجز الطاقة وتخزينها في شكل أدينوسين ثلاثي الفوسفات أو ATP. هناك حاجة إلى الكثير من ATP للنمو الطبيعي. على سبيل المثال ، يجب تخليق خلية الإشريكية القولونية النامية النموذجية تقريبًا 2.5 مليون جزيء من ATP في الثانية لدعم احتياجاتها من الطاقة.

  • ضوء -- فوتوتروف
  • الأكسدة - اختزال المركبات العضوية وغير العضوية - كيميائي
  • نشبع -- تلقائية التغذية (الأعلاف الذاتية)
  • مركبات العضوية -- غيرية التغذية

التغذية الكيميائية= الطاقة والكربون من الجزيئات العضوية
Chemoautotrophs= الطاقة من المركبات غير العضوية المختزلة وثاني أكسيد الكربون كمصدر للكربون.


سينثيز ATP

تستخدم بعض أشكال الحياة ميل المواد المذابة للانتقال من منطقة ذات تركيز عالٍ إلى تركيز منخفض من أجل تشغيل عمليات الحياة. سينسيز ATP & # 8211 البروتين الذي ينتج ATP & # 8211 يعتمد على تدرج تركيز أيونات الهيدروجين. عندما تمر الأيونات عبر سينسيز ATP لعبور الغشاء وتخفيف التدرج ، ينقل سينسيز ATP الطاقة إلى إضافة مجموعة فوسفات إلى ADP ، وبالتالي تخزين الطاقة في الرابطة المشكلة حديثًا.

الخلايا العصبية ومضخة الصوديوم / البوتاسيوم

تستهلك الخلايا العصبية قدرًا هائلاً من الطاقة - حوالي 20-25٪ من السعرات الحرارية في الجسم ، في البشر - تضخ البوتاسيوم في خلاياهم ، ويخرج الصوديوم. والنتيجة هي تركيز عالٍ للغاية من البوتاسيوم داخل الخلايا العصبية وتركيز عالٍ جدًا من الصوديوم في الخارج. منذ البوتاسيوم

عندما تتواصل الخلايا ، فإنها تفتح بوابات أيونية تسمح بمرور الصوديوم والبوتاسيوم. تكون الاختلافات في تركيز الصوديوم / البوتاسيوم قوية لدرجة أن الأيونات "تريد" الاندفاع فورًا خارج الخلية. نظرًا لأن الأيونات مشحونة كهربائيًا ، فإن هذا في الواقع يغير الشحنة الكهربائية للخلية.

تنتقل هذه الإشارة "الكهروكيميائية" أسرع بكثير من مجرد إشارة كيميائية ، مما يسمح لنا بالإدراك والتفكير والاستجابة بسرعة. المشاكل التي تتداخل مع الخلايا العصبية & # 8217 مضخة الصوديوم / البوتاسيوم يمكن أن تسبب الموت بسرعة كبيرة لأن عضلة القلب نفسها تعتمد على هذه النبضات الكهروكيميائية لضخ الدم لإبقائنا على قيد الحياة. هذا يجعل من تدرج تركيز الصوديوم / البوتاسيوم في الخلايا العصبية التدرج الأكثر أهمية في حياة الإنسان!

مضخة الجلوكوز / الصوديوم

تستفيد مضخة تناسق الجلوكوز والصوديوم أيضًا من تدرج الصوديوم / البوتاسيوم.

يتمثل أحد التحديات التي تواجهها الخلايا في تحريك الجلوكوز - وهو كبير الحجم ويصعب تحريكه ، مقارنة بأيونات الصوديوم الصغيرة - والذي غالبًا ما يحتاج إلى تحريكه عكس تدرج تركيزه. لحل هذه المشكلة ، قامت بعض الخلايا "بربط" حركة الجلوكوز بحركة البوتاسيوم ، باستخدام بروتينات تسمح للصوديوم بالانتقال إلى أسفل تدرج تركيزه - إذا أخذ معها جزيء جلوكوز.

هذا مجرد مثال آخر على الطرق التي تستخدم بها الخلايا القوانين الأساسية للفيزياء بطرق مبتكرة لإنجاز وظائف الحياة.

الرئتين والخياشيم

تتضمن الأمثلة الأكثر شيوعًا لتدرجات التركيز جسيمات صلبة مذابة في الماء. لكن يمكن أن يكون للغازات تدرجات تركيز أيضًا.

تستخدم كل من رئتي الإنسان والأسماك & # 8217 الخياشيم تدرجات التركيز لإبقائنا على قيد الحياة. نظرًا لأن الأكسجين يتبع قواعد تدرجات التركيز تمامًا مثل أي مادة أخرى ، فإنه يميل إلى الانتشار من مناطق التركيز العالي إلى مناطق التركيز المنخفض. هذا يعني أنه ينتشر من الهواء إلى دمنا المستنفد للأكسجين.

تجعل الرئتان والخياشيم هذه العملية أكثر كفاءة عن طريق تشغيل الدم المستنفد للأكسجين بسرعة عبر أسطح رئتينا وخياشيمنا. بهذه الطريقة ، ينتشر الأكسجين باستمرار في خلايا الدم التي هي في أمس الحاجة إليه.

1. أي من القوانين التالية يصف كيفية عمل تدرجات التركيز؟
أ. يميل الجسم المتحرك إلى البقاء في حالة حركة ، ما لم يتم التصرف بناءً عليه بواسطة قوة خارجية.
ب. تتقدم الأنظمة دائمًا نحو حالة أعلى من العشوائية.
ج. تنتشر المواد من مناطق التركيز العالي إلى مناطق التركيز المنخفض.
د. كل من B و C.

2. أي مما يلي لا ينطبق على تدرج تركيز الصوديوم / البوتاسيوم؟
أ. يمكنك تحريك مادة مقابل تدرج تركيزها دون إنفاق طاقة ، إذا كان لديك بروتين النقل المناسب.
ب. تحتاج بروتينات النقل التي تحرك المواد عكس تدرجات تركيزها إلى تزويدها بالطاقة لكي تعمل.
ج. نظرًا لأن الخلايا يجب أن تكسر الجزيئات وتنفق الطاقة ، لتحريك المواد عكس تدرج تركيزها ، فإن هذه الحركة لا تكسر قوانين الديناميكا الحرارية.
د. لا شيء مما بالأعلى.

3. أي مما يلي لن نكون قادرين على فعله إذا لم تميل المواد & # 8217 إلى التحرك أسفل تدرجات تركيزها؟
أ. يفكر
ب. نقل
ج. نفس
د. كل ما ورداعلاه


الملخص

يتم التحكم في الحركة المستمرة للأيونات عبر أغشية الخلايا بواسطة نوعين من حراس الحدود: القنوات الأيونية والمضخات الأيونية. تسمح القنوات المفتوحة للأيونات المحددة بالانتشار بسرعة إلى أسفل التدرجات الكهربائية والتركيز ، بينما تعمل المضخات الأيونية بلا كلل للحفاظ على التدرجات من خلال استهلاك الطاقة لتحريك الأيونات ببطء ديناميكيًا حراريًا صعودًا. نظرًا للمهام المتعارضة تمامًا والسرعات المتباينة للقنوات والمضخات ، فقد كان يُنظر إليها تقليديًا على أنها كيانات مختلفة تمامًا ، مثل الطباشير والجبن. لكن المعلومات الهيكلية والميكانيكية الجديدة حول هاتين الفئتين من الآلات الجزيئية تتحدى هذا الفصل المريح وتفرض إعادة تقييمه.


مناقشة

لقد قمنا بتصميم اختبار نشاط يسمح بمراقبة نشاط مضخات التدفق RND. قد تلقي نتائجنا بعض الضوء على الجدل المتعلق بالتأثير المحتمل للطابعة متعددة الوظائف في النقل.بالاتفاق مع نتائج العمل السابق لـ Nikaido و أيريس ، نظهر هنا أن MexA هو عنصر أساسي في النقل الفعلي المقترن من خلال مضخة التدفق. في المقابل ، أظهرت مجموعة Venter أن MexB قادر على نقل Hoechst 33342 بمفرده ، في غياب MexA 12. قد ينشأ الاختلاف بين نتائج كل منا جيدًا من الإجراءات التجريبية المختلفة المستخدمة في مختبراتنا الخاصة. في الواقع ، في بروتوكولنا ، تحبس إعادة التكوين من الداخل إلى الخارج المجمع الوظيفي بأكمله ويزيد الحبس الناتج من احتمال التفاعل بين MexB وشريكها في MFP. في المقابل ، أجرى فينتر وزملاؤه ما يسمى بتجربة "التأسيس المباشر" التي يتم فيها إدخال MexB بشكل أحادي الاتجاه ، في الجانب الأيمن للخارج. في ظل هذه الظروف ، سيكون من الصعب تحقيق التجميع الوظيفي لأن الطابعة متعددة الوظائف سيتعين عليها استكشاف حجم أكبر بكثير في هذه الحالة مقارنة بالجسيمات الشحمية الداخلية.

نظهر أن MexB يتصرف كما لو كان قادرًا على الحفاظ على نشاط ضخ البروتون الأساسي الذي يتم تعزيزه من خلال وجود الركيزة. هذا السلوك يذكرنا بسلوك البروتينات في عائلة بروتين ABC المرتبطة وظيفيًا ، والتي تُظهر نشاط ATPase الأساسي الذي يتم تعزيزه من خلال وجود ركائز 13. ومن المثير للاهتمام ، أنه ثبت مؤخرًا أن MacB ، وهو ناقل ABC من بكتريا قولونية الذي يعمل جنبًا إلى جنب مع MFP و OMP ، يعرض نشاط ATPase الأساسي الذي تم تعزيزه في وجود بروتين MFP المشابه MacA ، والذي يرتبط ارتباطًا وثيقًا بـ MexA 14،15. لاحظ أنه لا يمكننا استبعاد احتمال أن ما نعتقد أنه ظروف خالية من الركيزة هو في الواقع ليس من الممكن أن يكون النظام ملوثًا ببعض المركبات الداخلية (على سبيل المثال ، الدهون ، بقايا من التنقية) التي يمكن نقلها بواسطة المضخة.

يفتح بروتوكولنا الطريق نحو فهم أفضل لنشاط مضخة تدفق RND MexB ، وبشكل أعم ، لجميع بروتينات الغشاء المنشط pmf. ومع ذلك ، فإننا نتصور أيضًا استخدام هذا البروتوكول لفحص مثبطات مضخة التدفق (EPIs) لأن بروتوكولنا يمكن تصغيره بسهولة ، وجعله آليًا (على سبيل المثال ، في قارئ لوحة 96 بئر مزود بمرشحات ضوئية ذات صلة) ومتوازي: في هذا السياق ، يعد استخدام BR كمفتاح لتشغيل القياس أحد الأصول بالتأكيد لأنه يلغي أي تلاعب غير مباشر بالتعليق.


الملخص

يصف هذا البحث طريقة بسيطة ومتعددة الاستخدامات لتوليد التدرجات في التركيب في المحلول أو على الأسطح باستخدام أنظمة ميكروفلويديك. تعتمد هذه الطريقة على الخلط المنتشر الخاضع للرقابة للأنواع في المحاليل التي تتدفق رقائقيًا ، بعدد رينولدز المنخفض ، داخل شبكة من القنوات الصغيرة. لقد أوضحنا استخدام هذا الإجراء لتوليد (1) تدرجات في تركيبات المحاليل ، مقاسة مباشرة بواسطة المقايسات اللونية و (2) التدرجات في تضاريس الأسطح الناتجة عن توليد تدرجات تركيز كواشف الحفر ، ثم استخدام هذه التدرجات للحفر ملامح في الركيزة. يتم تحديد الأبعاد الجانبية للتدرجات التي تم فحصها هنا ، والتي تتراوح من 350 إلى 900 ميكرومتر ، من خلال عرض القنوات الدقيقة. تم إنشاء تدرجات مختلفة الحجم والدقة والشكل باستخدام هذه الطريقة. يمكن تغيير شكل التدرجات بشكل مستمر (التدرجات الديناميكية) عن طريق تغيير سرعات التدفق النسبية لتدفقات إدخال السوائل. هذه الطريقة بسيطة من الناحية التجريبية وقابلة للتكيف بدرجة عالية ، ولا تتطلب أي معدات خاصة باستثناء هيكل إغاثة مرن يمكن تحضيره بسهولة عن طريق النماذج الأولية السريعة. توفر هذه التقنية منصة جديدة يمكن من خلالها دراسة الظواهر التي تعتمد على التدرجات في التركيز ، وخاصة الظواهر الديناميكية في بيولوجيا الخلية (الانجذاب الكيميائي والتحول العددي) وكيمياء السطح (التنوي ونمو البلورات ، والحفر ، وتأثيرات مارانغوني).


6.6: توليد التدرجات: استخدام التفاعلات والمضخات المزدوجة - علم الأحياء

القوة الأيونية وقانون ديباي هاكل

لقد تعاملنا حتى الآن مع أشياء حسنة التصرف: الغازات المثالية ، والحلول المثالية ، والحلول المثالية المخففة .. طالما أننا حافظنا على حدود معينة ، مثل التركيزات المنخفضة من المواد المذابة ، فقد تمكنا من الاستمرار دون القلق. بشكل صريح جدًا حول معامل النشاط واللامبالغة. ومع ذلك ، هناك نوع واحد من الجزيئات شائع جدًا في المحاليل (معظمها الماء وجميع المحاليل البيوكيميائية) التي لا يمكننا تجاهلها ، ومع ذلك ، فهي سيئة التصرف حقًا. هذه هي الأيونات. فكر فيما يحدث عندما تذوب الملح (كلوريد الصوديوم) في الماء. تنفصل أيونات الصوديوم والكلوريد عن بعضها البعض وتعطي Na + و Cl -. سبب تقدم هذا التفاعل هو أنه ينتج عنه زيادة في الانتروبيا حيث تتحلل بلورات الملح. ومع ذلك ، لا يذوب الملح في العديد من السوائل الأخرى مثل الزيت. هذا لأنه بالإضافة إلى زيادة الانتروبيا ، يجب أن تكون هناك تفاعلات بين الأيونات والمحلول الذي يساعد على استقرار الأيونات في شكل قابل للذوبان. الماء قطبي للغاية ويمكنه دائمًا محاذاة نفسه بطريقة تشير فيها الهيدروجين الأكثر إيجابية إلى Cl - والأكسجين السالب أكثر يشير إلى Na +. هذا يقلل من طاقة جيبس ​​الحرة للنظام مما يجعل من الممكن للأنيونات (الأيونات السالبة مثل Cl -) والكاتيونات (الأيونات الموجبة مثل Na +) أن تنفصل في المحلول.

بالإضافة إلى مناقشة الأيونات نفسها ، سنناقش أيضًا التفاعلات التي تشكل أو تستخدم الأيونات عن طريق إضافة أو إزالة الإلكترونات من الجزيئات في المحلول.

مع أنواع عديدة من تفاعلات الذوبان ، تفاعلات الاختزال / الأكسدة أو تفاعلات التأين ، ينتهي بنا الأمر بأخذ أنواع محايدة (مثل NaCl) والتحول إلى نوعين من الشحنة (مثل Na + و Cl -).

كما هو الحال دائمًا ، يمكننا التحدث عن طاقة جيبس ​​الحرة ، المحتوى الحراري والإنتروبيا لمثل هذه التفاعلات. ومع ذلك ، إذا حاولنا تقسيم هذه التفاعلات إلى طاقة جيبس ​​، المحتوى الحراري والنتروبيا لتشكيل كل نوع في التفاعل ، ينتهي بنا الأمر بتعريف أشياء مثل طاقة جيبس ​​لكاتيون الصوديوم في المحلول. ومع ذلك ، لا توجد طريقة لتوليد كاتيون الصوديوم فقط في المحلول (قد ينتهك توازن الشحن). وبالتالي ، يمكننا فقط تحديد طاقة جيبس ​​لتكوين أزواج من الأيونات. هذا لا يسبب أي مشاكل كيميائية فيزيائية حقيقية ، لكنه يسبب مشكلة في حفظ الكتاب: كيف نكتب طاقة جيبس ​​لتكوين كاتيون الصوديوم في كتاب حتى نتمكن من استخدامه في أي تفاعل حيث تتشكل كاتيونات الصوديوم؟

الجواب هو أننا توصلنا إلى نوع من الأيون القياسي ، H + (حقًا شيء يشبه H3O +) ونحدد الطاقة الحرة لتشكيل جميع الأيونات الأخرى بالنسبة إلى هذه. على سبيل المثال ، يمكنني قياس تغير طاقة جيبس ​​عندما أذيب حمض الهيدروكلوريك في الماء لتكوين H + و Cl -.

حمض الهيدروكلوريك (ز) - H + (aq) + Cl - (aq) D G 0 1

يمكنني الآن فقط تحديد طاقة جيبس ​​لتكوين H + على أنها صفر ثم تحديد طاقة جيبس ​​النسبية لتكوين Cl -.

د G 0 1 = D G 0 F(H +) + D G 0 F(Cl -) - D G 0 F(حمض الهيدروكلوريك)

د G 0 F(Cl -) = D G 0 1 + D G 0 F(حمض الهيدروكلوريك)

بمعرفة ذلك ، يمكنني قياس طاقة جيبس ​​لإذابة كلوريد الصوديوم في محلول مكون Na + و Cl -.

كلوريد الصوديوم (s) - Na + (aq) + Cl - (aq) D G 0 2

د G 0 2 = D G 0 F(Na +) + D G 0 F(Cl -) - D G 0 F(كلوريد الصوديوم)

د G 0 F(Na +) = D G 0 2 + D G 0 F(كلوريد الصوديوم) - D G 0 F(الكل -)

لدي الآن قيمة لطاقة جيبس ​​لتكوين Cl - لذا يمكنني تحديد قيمة طاقة جيبس ​​لتكوين Na +. يمكنني فقط الحفاظ على هذا الأمر ، وربط زوج أيوني بآخر حتى أحصل على طاقات Gibbs للتكوين لجميع الأيونات الفردية بالنسبة لـ H +. هذه القيم يمكنني وضعها في كتاب. ينجح هذا لأنه كلما أنشأنا أيونًا ، فإننا دائمًا نخلق أيونًا آخر. وبالتالي ، نحتاج فقط إلى طاقة جيبس ​​النسبية لتكوين الأيونات - مزيج طاقات جيبس ​​للأيونات معًا هو كل ما يجب أن يكون صحيحًا تمامًا. سنستخدم نفس الحيلة لاحقًا في الفصل للحديث عن طاقة جيبس ​​القياسية (أو المحتوى الحراري أو الانتروبيا) للتفاعلات التي ينتقل فيها الإلكترون من نوع إلى آخر ، لأن هذا ينطوي دائمًا على تكوين أو استهلاك اثنين من الأيونات. بمجرد إنشاء جدول طاقات جيبس ​​، المحتوى الحراري وانتروبيا تكوين الأيونات ، يمكنك استخدامها تمامًا كما تفعل مع أي مواد كيميائية.

بمعنى آخر ، بالنسبة لأي تفاعل يتضمن أيونات ، يمكنك أن تأخذ كل طاقات جيبس ​​(أو المحتوى الحراري أو الانتروبيا) لتشكيل المنتجات وتضيفها ثم تطرح فقط طاقات جيبس ​​لتكوين المواد المتفاعلة ، تمامًا كما فعلت. في الماضي.

حسنًا ، كما ذكرت أعلاه ، تتمثل إحدى مشاكل الأيونات في تفاعلات قوية جدًا مع بعضها البعض عبر مسافات طويلة. وبالتالي ، حتى الحلول المخففة للغاية تتصرف بطريقة غير مثالية. وهكذا مع الأيونات ، تميل معاملات النشاط إلى أن تكون مختلفة إلى حد ما عن واحد. لهذا السبب ، نحتاج في كثير من الأحيان إلى حساب نشاط الأيونات أكثر من معظم الأنواع الكيميائية الأخرى (بصراحة ، نادرًا ما نهتم بالأنواع المحايدة). ليس من غير المعتاد أن تختلف أنشطة الأيونات عن تراكيزها بمقدار ضعفين تقريبًا. على الفور واجهنا مشكلة زوج الأيونات مرة أخرى. تكمن المشكلة في أننا لا نستطيع قياس طاقات جيبس ​​الحرة أو الإمكانات الكيميائية للأيونات الفردية ، فقط أزواج الأيونات:

يمكننا توسيع الإمكانات الكيميائية بالطريقة المعتادة:

كما ترى ، ليس من الممكن حقًا فصل معاملات نشاط الكاتيون والأنيون. كل ما نحصل عليه هو منتجهم. وهكذا نحدد معامل نشاط أيوني جديد وهو متوسط ​​هندسي لمعاملات الأنيون والكاتيون. بالنسبة لزوج أيون أحادي التكافؤ بسيط مثل NaCl ، هذا فقط:

بالنسبة للملح الذي يحتوي على واحد أو أكثر من الأيونات متعددة التكافؤ مثل M n + X m- يصبح

هذا ما نستخدمه عادة. هناك مشاكل وغموض في هذا بالرغم من ذلك. إنه سهل جدًا لشيء مثل NaCl حيث ينتهي بك الأمر مع اثنين من الأيونات أحادية التكافؤ. ولكن ماذا عن CaCl2؟ هنا تحصل على متوسط ​​معامل النشاط لأيون أحادي التكافؤ وثنائي التكافؤ. يصبح الأمر أكثر إرباكًا عند وجود أيونات أخرى في المحلول أيضًا. الشيء الذي يجب تذكره هو أن هذه مجرد طريقة لتتبع سلوك زوج أيوني معين.

بعد ذلك سنتحدث عن طريقة لتقدير متوسط ​​معاملات النشاط هذه. هذه مجرد تقديرات ومصممة فقط لإعطاء مؤشر تقريبي للوضع الفعلي. تعتبر الحسابات مفيدة من حيث أنها تخبرك تقريبًا بمدى حجم اللامثالية التي يجب عليك التعامل معها. ومع ذلك ، فإنهم عادة لا يقدمون تصحيحات دقيقة للغاية. (وهي أكثر دقة للأيونات ذات التركيز المنخفض جدًا). ​​الطريقة التي سنستخدمها تسمى قانون ديباي-هاكل المحدد. يربط القانون إجمالي القوة الأيونية ، والتي هي مجرد مقياس لمدى أيون المحلول ، وتركيز زوج أيوني معين ذي أهمية ، بمتوسط ​​معامل النشاط للزوج الأيوني. قبل أن نتمكن من استخدام هذا القانون ، نحتاج إلى التعرف على القوة الأيونية.

حساب القوة الأيونية.

كما هو مذكور أعلاه ، فإن القوة الأيونية للمحلول هي مقياس لكمية الأيونات الموجودة. كما قد تتخيل أيون ثنائي التكافؤ (2+ أو 2- أيون ، مثل Ca 2+) يعمل أكثر لجعل المحلول أيونيًا أكثر من أيون أحادي التكافؤ (على سبيل المثال ، Na +). يجب أن يؤخذ هذا في الاعتبار. الشيء المهم الآخر الذي يجب تذكره هو أن القوة الأيونية للمحلول تعتمد على تركيزات الكل الأيونات في المحلول ، وليس فقط زوج الأيونات الذي تحسب معامل النشاط له. وبالتالي ، إذا كنت تحسب متوسط ​​معامل النشاط لـ CaCl المذاب2، ولكن يوجد أيضًا كلوريد الصوديوم الذائب ، فإن القوة الأيونية التي تستخدمها لها مساهمات من جميع الأيونات.

صيغة القوة الأيونية هي. تُذكر القوة الأيونية أحيانًا على أنها تحتوي على وحدات مولال (أو ضرس) وفي أحيان أخرى تُذكر على أنها بلا وحدة (هذا هو الحال في كتابك) ، اعتمادًا على الكتاب الذي تقرأه. في معظم الحالات ، تعتبر القوة الأيونية بلا وحدة ، وتحسب من التركيزات المتعلقة بالحالة القياسية (1 مول). لقد تركت المعادلة القياسية خارج المعادلة أدناه من أجل التبسيط ، ولكن من حيث المبدأ ، يتم تقسيم جميع التركيزات على 1 م. أسهل طريقة لمعرفة كيفية تطبيق هذه الصيغة هي النظر في بعض الأمثلة. ضع في اعتبارك أولاً 100 ملي كلوريد الصوديوم. عند الذوبان ، يحصل المرء على 100 ملي مولار الصوديوم و 100 ملي كلوريد الصوديوم. هكذا

لاحظ أنه بالنسبة لملح بسيط يتكون من أيونين أحادي التكافؤ ، فإن القوة الأيونية هي مجرد تركيز الملح. هذا غير صحيح بالنسبة للملح الذي يحتوي على واحد أو أكثر من الأيونات متعددة التكافؤ مثل MgCl2. لمحلول 100 ملي من هذا الملح:

لاحظ أن الموجبة Mg ثنائية التكافؤ وبالتالي لها تأثير كبير نظرًا لأن الشحنة مربعة. لاحظ أيضًا أن أنيون الكلوريد موجود بضعف التركيز نظرًا لوجود أيوني كلوريد لكل جزيء من الملح. ما هي القوة الأيونية لمحلول 100 ملي كلوريد الصوديوم زائد 100 ملي مولار من حمض الأسيتيك الذي تمت معايرته بـ NaOH حتى يصبح الرقم الهيدروجيني للمحلول 4.75 (pKأ حمض الخليك)؟ عندما يساوي الرقم الهيدروجيني pKأ، هذا يعني أن نصف حمض الأسيتيك قد تم تحويله إلى القاعدة المترافقة ، أسيتات الصوديوم. حمض الخليك غير مشحون ولا يساهم في القوة الأيونية. ومع ذلك ، تتأين أسيتات الصوديوم تمامًا لتكوين أنيونات الأسيتات وكاتيونات الصوديوم. منذ أن تم تحويل النصف ، هناك 50 ملم لكل منهما. ثم يجب أن نضيف 100 ملي مولار من كلوريد الصوديوم. لذلك يوجد 50 ملي أسيتات أنيون ، 150 ملي أنيون صوديوم ، و 100 ملي أنيون كلوريد:

حساب معاملات النشاط.

الآن سنستخدم قانون تقييد Debye-Huckel نفسه. هناك ثلاثة أشياء مهمة جدًا حول تطبيق نظرية ديباي-هوكل. أولاً ، إنه ينطبق فقط على الأيونات. الجزيئات غير المشحونة لها معامل نشاط 1.0 وفقًا لهذه النظرية (في الواقع ، هذا ليس صحيحًا ، لكن معاملات نشاطها ستكون أقرب بكثير إلى 1 من معامل أيون). ثانيًا ، الرسوم التي تظهر في المعادلة هي فقط رسوم الملح الذي تحسب معامل النشاط له. أخيرًا ، كل ما يمكنك حسابه هو معدل معامل النشاط للاثنين من الأيونات التي تشكل الملح الذي تفكر فيه. ل MgCl2، لا يمكنك استخدام هذه النظرية لحساب معامل النشاط Mg 2+ بشكل منفصل عن Cl - ، يمكنك فقط حساب المتوسط ​​الهندسي للنشاطين ،.

القانون المحدد لـ Debye-Huckel هو حيث A = 0.509 للمياه عند 25 درجة مئوية (A هو ثابت تجريبي.) في مثال حمض الأسيتات / الأسيتيك الموضح أعلاه ، سيكون لأيونات أسيتات الصوديوم معامل نشاط متوسط ​​معطى بواسطة

لاحظ أن القوة الأيونية هي قوة كامل المحلول ، في حين أن الرسوم هي تلك الخاصة بأيونات أسيتات الصوديوم ، فإننا نحسب معامل النشاط لها. تذكر هذا. إنه يقوم برحلات العديد من الطلاب في الامتحانات.

الآن دعونا ننظر في التفاعلات التي تتشكل فيها الأيونات أو تستهلك عن طريق نقل الإلكترون (جسيم مشحون سالب) من نوع كيميائي إلى آخر. أول شيء يجب فعله هو النظر في مفهوم نصف رد الفعل. نصف رد الفعل ليس رد فعل حقيقي لأنه لا يمكن أن يحدث من تلقاء نفسه. لها الشكل

على سبيل المثال. بالطبع ، يجب أن يأتي الإلكترون من مكان ما. هذا في مكان ما هو نصف رد فعل آخر:

في هذه التفاعلات ، يتم تقليل X (استقبال الإلكترونات) وتتأكسد Y (التخلي عن الإلكترونات). إذا أضفنا هذه المعادلات معًا ، نحصل على رد فعل حقيقي:

جانبا - لاحظ التشابه بين هذه الشكلية والشكلية التي نستخدمها للأحماض والقواعد:

تتشابه تفاعلات الاختزال / الأكسدة مع تفاعلات الحمض / القاعدة ، حيث يستخدم أحدهما الإلكترونات والآخر يستخدم البروتونات. لا يمكن أن توجد البروتونات أو الإلكترونات في محلول من تلقاء نفسها - يحتاج الحمض إلى قاعدة لاستقبال البروتون ، ويحتاج المختزل إلى مادة مؤكسدة لاستقبال الإلكترونات. الفرق الكبير هو أن الماء يمكن أن يعمل كمتقبل للبروتون ومتبرع. لا يمكن أن يكون بمثابة متقبل أو مانح للإلكترون في ظل الظروف العادية (يمكنك أخذ الإلكترونات من الماء ، وتشكيل أيونات الهيدروجين وغاز الأكسجين ، ولكن هذا لا يحدث حتى تتجاوز إمكانات البيئة المحيطة العالية إلى حد ما). للأحماض والقواعد لدينا pKأ وهو الرقم الهيدروجيني الذي يتحول عنده نصف الحمض إلى القاعدة المترافقة. بالنسبة لتفاعلات الاختزال / الأكسدة ، لدينا جهد نقطة الوسط وهو الجهد الذي يتحول فيه نصف المركب المختزل إلى نسخة مؤكسدة من نفس المركب. سأحاول أن أشير إلى أوجه التشابه مع تقدمنا.

غالبًا ما يتم تشغيل التفاعلات الكهروكيميائية في الخلايا الكهروكيميائية (بطاريات المصباح اليدوي هي أمثلة جيدة على هذه الخلايا). هناك بعض اللغات والتسميات التي سنحتاجها قبل أن نتحدث عنها.

الخلية الكهروكيميائية - نظام به قطبان متصلان كهربائياً يتلامس كل منهما مع إلكتروليت (المحلول الذي تحدث فيه الكيمياء). يمكن أن تكون هذه الأقطاب الكهربائية إما في نفس المحلول أو في حلين مختلفين متصلين ببعض الوسائل (مثل جسر الملح).

خلية جلفانية -- خلية كهروكيميائية يولد فيها تفاعل تلقائي الكهرباء.

خلية التحليل الكهربائي - خلية كهروكيميائية تستخدم فيها الكهرباء (جهد خارجي) لدفع تفاعل غير تلقائي.

الأنود -- هذا هو القطب الذي يأخذ الإلكترونات من المحلول (لا تفكر في الأمر من حيث الإيجابية أو السلبية لأن ذلك يتغير اعتمادًا على ما إذا كانت خلية كلفانية أو إلكتروليتية).

كاثود - هذا هو القطب الذي يعطي الإلكترونات في المحلول.

زوجان الأكسدة والاختزال - الأشكال المؤكسدة والمختصرة للجزيء ، عادة ما يتم ترميزها ، على سبيل المثال ، على سبيل المثال ، Cu 2+ / Cu.

تدوين الخلية الكهروكيميائية - هناك العديد من الطرق لتوصيل الخلايا جسديًا. لن أقلق كثيرًا بشأن هذا ، ولكن لأداء واجبك ، ستحتاج إلى معرفة بعض الاتفاقيات حول كتابة مكونات الخلايا الكهروكيميائية. في الشكل الخاص بالخلية الكهروكيميائية أدناه ، نكتب:

تمثل الخطوط المفردة حدود الطور ، وتمثل الخطوط المزدوجة جسر الملح بين مقصورات القطب.

كما هو الحال دائمًا مع توليد الأيونات أو استهلاكها ، لدينا مشكلة أنه يمكننا فقط قياس عمليات تكوين أو استهلاك أزواج الأيونات. لهذا السبب ، نحدد مرة أخرى نصف تفاعل قياسي وندعو طاقة جيبس ​​الخالية من الصفر. من أجل الاتساق نختار تشكيل H.2(غاز) من H +:

2H + (aq) + 2e - H.2(ز) د صع 0 = 0

تمامًا كما في السابق مع الطاقة المجانية للتكوين ، يمكننا استخدام أزواج من المعادلات (التي يمكننا قياسها) لتحديد التفاعل القياسي النسبي طاقات جيبس ​​لأي تفاعل نصف آخر ويمكننا كتابتها في جداول ، مثل تلك الموجودة في كتابك .

أخيرًا ، نحتاج إلى ربط العالم الكهربائي بطريقة أو بأخرى (الجهد على بطارية 1.5 فولت في مصباحك) بتغير طاقة جيبس ​​الحر المرتبط بتفاعل كهروكيميائي معين. ما هو الجهد؟ وحدات الجهد هي (خمنت ذلك) فولت.الفولت هو جول لكل كولوم. ما هو كولوم؟ كولوم هو 6.24 × 10 18 شحنة. الكولوم بالنسبة لعالم الجسيمات المشحونة هو الخلد بالنسبة لعالم الجزيئات. إنه مجرد رقم ، مثل دزينة ، نستخدمه لقياس الشحنات. لذلك يخبرنا الجهد (الطاقة لكل شحنة) مقدار الطاقة التي ينطوي عليها نقل عدد معين من الشحنات من مكان إلى آخر. هذا لا يختلف كثيرًا عن الطاقة الحرة المولية. طاقة جيبس ​​الحرة المولية هي مقدار الطاقة الحرة اللازمة لتحويل مول من مادة ما من شكل أو حالة إلى أخرى.

لا ينبغي أن يكون مفاجئًا أن الطاقة الخالية من التفاعل للتفاعل الكهروكيميائي تتناسب فقط مع الجهد الذي يمكن أن تولده.

أو للشروط القياسية:

هنا E هو الجهد (في الواقع ، هو جهد التيار الصفري - أقصى جهد يمكن أن ينتج بواسطة النظام بدون تدفق تيار). ثابت التناسب من جزأين. يأخذ الجزء (F ، ثابت فاراداي) في الحسبان حقيقة أن طاقة جيبس ​​الحرة تكون على أساس كل مول ، بينما الجهد على أساس كل كولوم وأن المول هو رقم مختلف عن كولوم (6.02 × 10 23 مقابل 6.24) × 10 18). قيمة F هي فقط 6.02 × 10 23 / 6.24 × 10 18 = 9.65 × 10 4 درجة مئوية / مول. يأتي الجزء الآخر من التناسب من حقيقة أن طاقة جيبس ​​الحرة تعتمد على كمية المادة الكيميائية التي تتأكسد أو تنخفض بينما يعتمد الجهد على عدد الإلكترونات التي تتدفق أثناء تفاعل الأكسدة / الاختزال. وهكذا فإن n هو عدد الإلكترونات المشاركة في تفاعل الأكسدة أو الاختزال. على سبيل المثال ، يختلف أكسدة Fe + إلى Fe 2+ عن أكسدة النحاس إلى Cu 2+. يتضمن الأول نقل إلكترون واحد لكل حديد ، ويتطلب الأخير نقل إلكترونين لكل ذرة من النحاس. لاحظ أيضًا أن هناك علامة ناقص في المعادلة. وذلك لأن اتفاقيات حركة الشحنة (التيار) قد تم تطويرها قبل أن يعرف أي شخص عن الإلكترونات. افترض الناس للتو أن الأشياء التي تحمل التهم كانت إيجابية. لم يكن الافتراض صحيحًا ، لكن الاتفاقية ظلت عالقة. لهذا السبب علينا أن نضع إشارة سالبة في المعادلة.

حسنًا ، الآن كيف نستخدم هذه المعادلة لعمل شيء مفيد؟

الأكسدة / الاختزال ونصف التفاعلات.

تحدثنا عن نصف ردود الفعل من قبل. في التفاعلات التي تنطوي على الأكسدة والاختزال ، عادةً ما يمكنك التفكير في التفاعل على أنه يحدث في خطوتين: جزيء واحد يتخلى عن الإلكترونات (يتأكسد) وجزيء آخر يلتقط الإلكترونات (ينخفض). الجزءان هما نصف ردود الفعل. يمكن التعامل معها ميكانيكيًا (إضافة طاقاتها الحرة أو ضرب ثوابت توازنها لإعطاء التفاعل الكلي) بنفس الطريقة التي يمكن التعامل بها مع أي مجموعة أخرى من التفاعلات. يتمثل أحد الاختلافات في أنه عند كتابة حاصل القسمة في تعبير الطاقة الحرة (RTlnQ) ، لا تُدرج الإلكترونات كجزء من Q.

باستخدام العلاقة بين طاقة رد الفعل الحرة Gibbs والجهد الحالي الصفري ، E.

حيث الحرف اليوناني n في المقام هو عدد الإلكترونات في التفاعل. النقطة المهمة هي أنه في معظم النواحي يتصرف E تمامًا مثل D صG مضروبًا في ثابت. يمكن إضافة المعادلات الخاصة بتفاعلين مقترنين معًا. إذا قمت بعكس اتجاه التفاعل ، فأنت تقوم فقط بعكس علامة E. للتحويل بين الطاقة الخالية من التفاعل والجهد صفر الحالي ، فأنت بحاجة إلى معرفة عدد الإلكترونات المعنية. يمكنك الحصول على هذا من خلال النظر إلى نصف التفاعلات لتفاعل الأكسدة / الاختزال.

هناك نقطتان تختلفان بين E و D صز:

  • أولاً ، إذا قمت بضرب معادلة كيميائية في ثابت ، فإن الطاقة الحرة من التفاعل تتضاعف معها ، لكن احتمال نقطة الصفر لا. وذلك لأن احتمالية نقطة الصفر تتناسب مع الطاقة الخالية من التفاعل مقسومة على عدد الإلكترونات. عندما تضرب تفاعلًا كيميائيًا بقيمة ثابتة يتغير كل من الطاقة الخالية من التفاعل وعدد الإلكترونات بهذه القيمة الثابتة ، فإن النسبة لا تتغير.
  • ثانيًا ، نظرًا للعلامة السلبية في العلاقة بين الطاقة الخالية من التفاعل والجهد الحالي الصفري ، يكون للتفاعل العفوي طاقة خالية من رد الفعل السلبي ولكن احتمالية نقطة صفر موجبة.

يتم تلخيص هذه القضايا أدناه باستخدام مثال تفاعل أكسدة / اختزال يتضمن الزنك والنحاس.

رد فعل (أو نصف رد فعل)

ملاحظة 1: رد الفعل هذا عفوي. لذلك د صجي1 سلبي و E.1 هو إيجابي.

ملاحظة 2: نشاط مادة صلبة نقية واحد (هذه هي الحالة المعيارية للمادة الصلبة). لذلك فإن [Zn (s)] = 1.0 و [Cu (s)] = 1.0 وهذه المصطلحات لا تظهر في النسب النهائية.

باستخدام العلاقة بين الطاقة الخالية من التفاعل والجهد الصفري الحالي ، يمكن للمرء أن يشتق تعبيرًا عامًا عن جهد التيار الصفري كدالة لإمكانات التيار الصفري القياسي وتركيزات المكونات في المحلول:

هذه المعادلة النهائية تسمى معادلة نرنست. يمكنك استخدام هذه المعادلة لحساب جهد التيار الصفري بالنظر إلى الإمكانات القياسية (احتمالية نقطة الوسط) والتركيزات الفعلية للمواد المتفاعلة والمنتجات المعنية.

هنا مرة أخرى ، يمكننا أن نرى توازيًا بين مشاكل الأكسدة / الاختزال وحمض / قاعدي. لنصف رد فعل مثل

E 0 في هذه الحالة هي نقطة الوسط المحتملة ، وهي الإمكانية حيث يتأكسد نصف المركب ، تمامًا مثل pKأ هو الرقم الهيدروجيني حيث تم تحويل نصف الحمض إلى القاعدة المترافقة.

بالحديث عن الأس الهيدروجيني ، اتضح أنك تقيس بالفعل الرقم الهيدروجيني عن طريق قياس الفولتية الكهروكيميائية للتفاعلات التي تتضمن H3O +. يعد قياس الأس الهيدروجيني أمرًا شائعًا بالتأكيد ، لذا من المفيد أن يكون لديك فكرة عن كيفية عمله. من حيث المبدأ يمكن للمرء أن يرى ما يلي:

E 0 هو صفر حسب التعريف لهذا التفاعل. إذا أردنا إنشاء قطب كهربائي بضغط غاز الهيدروجين عند 1 بار قياسي:

وبالتالي ، إذا كان لدينا قطب هيدروجين عند 25 درجة مئوية وقمنا بقياس الجهد المتولد في محلول من بعض الأس الهيدروجيني غير المعروف باستخدام محلول الأس الهيدروجيني 0 (1 MH +) كمرجع في القطب الآخر ، فإن الإمكانات التي قمنا بقياسها ستكون متناسبة مع الرقم الهيدروجيني كما هو مذكور أعلاه:

نقطة | ح2(ز) | 1M H + || KCl مشبع || X M H + | H2(ز) | نقطة

يمثل هذا قطبين هيدروجين (باستخدام البلاتين كمعدن لنقل الإلكترونات لأنه لن يتأكسد أو ينخفض ​​عند هذه الجهود) ، أحدهما في محلول من الرقم الهيدروجيني 0 والآخر في محلول غير معروف الرقم الهيدروجيني. الجهد المتولد يتناسب مع الرقم الهيدروجيني. هناك شيء مهم جدا أن نلاحظه هنا. ثابت التناسب يعتمد بشكل مباشر على درجة الحرارة. وبالتالي ، يجب إعادة معايرة مقياس الأس الهيدروجيني أو ضبطه لأي درجة حرارة مستخدمة (تقيس مقاييس الأس الهيدروجيني الحديثة درجة حرارة المحلول وتقوم بهذه المعايرة تلقائيًا).

انتظر ، أنت تقول ، لم ترَ قط مقياسًا للأس الهيدروجيني به قطب هيدروجين. حقيقي. تعتبر أقطاب الغاز بمثابة ألم ولا يستخدم أحد هذا التفاعل لقياس درجة الحموضة. بدلاً من ذلك ، يتم استخدام تفاعلات أخرى تتضمن H + أيونات. أي منها يعتمد على القطب الذي تشتريه ولا يستحق وقتنا لتصفح هذا بتفصيل كبير. معظم الأقطاب الكهربائية الحديثة في مختبرات الكيمياء العامة هي في الواقع أقطاب مركبة حيث يحدث أكثر من تفاعل واحد. ومع ذلك ، فإن المبدأ هو نفسه دائمًا والنتيجة واحدة. يحصل المرء على قراءة محتملة تتناسب مع الرقم الهيدروجيني للحل عبر معادلة نرنست. يعتمد ثابت التناسب دائمًا على درجة الحرارة بطريقة خطية.

يريد المرء أحيانًا التعامل مع المحتوى الحراري والنتروبيا لتفاعلات الأكسدة والاختزال. يمكنك اشتقاق تعبيرات لها من حيث E ، ولكن من المنطقي أكثر بالنسبة لي التحويل إلى طاقة جيبس ​​ثم استخدام العلاقات التي استخدمناها من قبل ، لذلك لن أغطي هذه الصيغ الجديدة في الفصل (قد تضطر إلى تحديد المحتوى الحراري والانتروبيا في الواجب المنزلي وفي الاختبار ومع ذلك ... مرة أخرى ، أقترح عليك التحويل إلى تغييرات طاقة جيبس ​​أولاً والقيام بذلك كما فعلنا من قبل).

الفيزياء الحيوية للأغشية

يكرس الكتاب حقًا صفحة واحدة فقط لهذه المشكلة ، ولكنه أحد أهم تطبيقات الكيمياء الفيزيائية في علم الأحياء الموجود ، وواحد من التطبيقات التي ستستخدمها بالتأكيد إذا استمررت في هذا المجال. فسأعوض عن حذف الكتب. أنت محظوظ.

هل تعلم أن معظم طاقتك في الراحة تنفق في الحفاظ على التدرجات الأيونية للصوديوم والبوتاسيوم عبر أغشية الخلايا في جسمك؟ في الواقع ، هناك جوانب قليلة لتوصيل الطاقة ونقل الإشارات التي لا تتضمن أغشية وتدرجات كيميائية أو كهربائية عبر الأغشية. إنتاج الطاقة الكيميائية عن طريق التنفس أو التمثيل الضوئي ، والتواصل بين داخل الخلية وخارجها ، والاستجابة العصبية ، والرؤية ، وتقلص العضلات: هذه بعض الأمثلة على الأحداث البيوكيميائية التي تعتمد بشكل مباشر على التغيرات في التدرجات الكيميائية عبر أغشية الخلايا وعلى الديناميكا الحرارية لتخزين الطاقة عن طريق تشكيل التدرج.

هناك نوعان من المفاهيم البسيطة المتضمنة (حسنًا ، تبدو بسيطة على أي حال). أولاً ، تحب الجزيئات أن تكون حيث لا توجد. هذا هو في الأساس الانتروبيا والقانون الثاني للديناميكا الحرارية. لذلك إذا كان هناك عدد أكبر من الجزيئات على جانب واحد من الغشاء أكثر من الآخر ، فهناك طاقة محتملة مخزنة في هذا الخلل والتي يمكن استخدامها لدفع تفاعلات كيميائية أخرى (فكر في الإمكانات الكيميائية والضغط الاسموزي). ثانيًا ، إذا كان هناك فرق صافي شحنة بين جانبي الغشاء ، فهذا يمثل مرة أخرى مصدرًا للطاقة الكامنة (يمكن أن يؤدي نقل أيون عبر الغشاء إلى عدم توازن الشحنة).

حسنًا ، لنجعل هذا أكثر كميًا. ضع في اعتبارك المادة الكيميائية البسيطة التالية & quot ؛ & quot ؛ التي تتضمن حركة الجزيء أ عبر الغشاء. في الوقت الحالي ، سنفترض أن A غير مشحون:

ما هي الطاقة الحرة لهذا التفاعل؟ حسنًا ، هذا مجرد شيء طبيعي:

لقد كنت حريصًا جدًا على رسم القضبان فوق رموز الطاقة الحرة للإشارة إلى أن هذه هي طاقات حرة مولية نتحدث عنها هنا. بمعنى آخر ، هذه هي الطاقة اللازمة لنقل مول من A من جانب واحد من الغشاء إلى الجانب الآخر. النقطة المحيرة في هذه الحقيقة هي أننا ننقل مول A من جانب إلى آخر دون تغيير تركيز A على أي من الجانبين. بعبارة أخرى ، نفترض وجود حجم لانهائي من المحلول على جانبي الغشاء. من الواضح أن هذا ليس صحيحًا (حاول الحصول على مول من أي شيء داخل أو خارج خلية واحدة) ، لكننا نبلغ عن الطاقة الحرة على أساس كل مول على أي حال ، على الرغم من أننا قد نفكر فقط في نقل الجزيء الأول من A في حساباتنا. يمكنك النظر إلى الأمر بهذه الطريقة ، نتظاهر دائمًا أننا نجري القياس على مول من الخلايا أو الحويصلات الغشائية التي ينقل كل منها جزيء واحد من A. ما هو؟ حسنًا ، كما هو الحال دائمًا ، يمكننا ترك النظام يصل إلى حالة توازن ، وعند هذه النقطة دائمًا ما تكون صفرًا ، وإيجاد حل لها. حسنًا ، بالنسبة لهذه المشكلة بالذات ، أعتقد أنه يمكنك رؤية ذلك عند التوازن Aout = Ain وبالتالي يجب أن يكون صفرًا. لذلك يمكننا أن نكتب:

لاحظ أن ملف اساسي الطاقة الحرة المولارية لهذا التفاعل (الطاقة الحرة عندما يكون تركيز جميع مكونات التفاعل 1M) دائمًا صفر. قارن هذا التعبير بالتعبير المألوف:

يمكنك أن ترى أن D H = 0 وذاك. بعبارة أخرى ، نظرًا لعدم وجود تكسير أو تكوين للسندات ولا توجد تفاعلات شحنة (سنضيفها لاحقًا) ، يتم إعطاء الطاقة الحرة للتفاعل بالكامل عن طريق الانتروبيا.

الآن ، غالبًا ما تكون الأنظمة الكيميائية أكثر تعقيدًا من هذا النظام البسيط. غالبًا ما يكون من الأسهل تفكيك تعبير الطاقة الحرة المولية إلى أجزاء:

ترتبط هذه المصطلحات ارتباطًا وثيقًا بالقدرة الكيميائية التي تحدثنا عنها سابقًا:

هنا هو الجهد الكيميائي القياسي لـ A (احتمال 1M A). تصبح الطاقة الحرة المولية لنقل A عبر الغشاء مجرد الفرق بين الجهود الكيميائية على جانبي الغشاء (دائمًا ما تلغي الجهود الكيميائية القياسية طالما لم تحدث تفاعلات كيميائية في عملية النقل). بشكل عام ، يمكن للمرء أن يكتب للتحويل المقترن لمجموعة من المركبات عبر الغشاء أن:

أنا هنا أمثل جميع أنواع الجزيئات المختلفة التي يقترن نقلها من جانب واحد من الغشاء إلى الآخر. هذه الكلمة الأخيرة ، المقترنة ، مهمة للغاية ويجب أن يوضح المثال أدناه ما يعنيه هذا.

لنفكر في النقل الافتراضي للجلوكوز من الخارج إلى الداخل للغشاء المقترن بنقل اليوريا من الداخل إلى الخارج. بالاقتران ، أعني ببساطة أن جزيء الجلوكوز لا يمكن أن يدخل إلا عندما يخرج جزيء اليوريا. وهذا يعني أن آلية النقل تتطلب أنه في كل مرة يتحرك فيها الجلوكوز في اتجاه واحد ، تذهب اليوريا في الاتجاه الآخر. هناك العديد من الأمثلة على هذه الأدوية المضادة في علم الأحياء. إنها مفيدة جدًا ، نظرًا لأن الطاقة المكتسبة من خلال السماح لجزيء واحد بالانتقال من تركيز عالٍ إلى تركيز منخفض يمكن استخدامها مباشرةً لضخ جزيء آخر من منطقة تركيز منخفض إلى منطقة تركيز عالٍ. (بالمناسبة ، مضاد الجلوكوز / اليوريا هذا هو مثال مصطنع تمامًا لا يوجد في علم الأحياء على حد علمي. سننظر في أمثلة أكثر واقعية لاحقًا عندما يمكننا التعامل مع الأيونات التي هي جزيئات اقتران الطاقة المعتادة. في النقل.) نظرًا لأن التفاعلين مقترنان ، يجب أن أضع في الاعتبار إجمالي الطاقة الحرة للتحليلين معًا لتحديد ما إذا كان التفاعل سيكون تلقائيًا أم لا. ضع في اعتبارك أولاً ما يمكن أن يحدث إذا كان هناك 1 ملم من كل من الجلوكوز واليوريا في الخارج و 10 ملم من كلا المركبين في الداخل. رد فعلنا هو

والتغير في الإمكانات الكيميائية يُعطى بواسطة

لذلك ، في هذه الحالة ، الطاقة الحرة للنقل المشترك للجلوكوز في الداخل واليوريا خارج الغشاء هي صفر. أعتقد أنه يمكنك أن ترى أنه إذا كان تركيز الجلوكوز بالخارج 10 ملي مولار ، فإن صافي نقل الجلوكوز إلى الداخل واليوريا إلى الخارج كان من الممكن أن يكون مفيدًا بقوة:

لاحظ أنني قمت بالتحويل بين اللوغاريتمات الطبيعية والسجلات الأساسية 10 هنا. يتم تقييم التعبير RTln (x) بشكل ملائم لدرجة حرارة الغرفة من حيث الطاقة الحرة في الإلكترون فولت (مجرد وحدة أخرى من الطاقة الحرة - مثل J / mole - والتي تستخدم على نطاق واسع في الطاقة الغشائية ، انظر أدناه) لعشرة أضعاف تغير في التركيز بين الجانبين 58.6 مي فولط (58.6 ملي إلكترون فولت أو 0.0586 إلكترون فولت). وهكذا ، فإن 58.6 لوغاريتم (س) يعطي القيمة بالمللي إلكترون فولت من الطاقة المجانية المتاحة عندما تكون نسبة التركيزات بين جانبي الغشاء هي x. ملحوظة، هذا جيد فقط في درجة حرارة الغرفة - في درجات حرارة أخرى ، يجب عليك العودة إلى معادلة RTln (x) وتقييم ذلك.

الآن ، إذا لم يتم اقتران نقل الجلوكوز ونقل اليوريا ، فمن أجل تحديد ما إذا كان الجلوكوز سينتقل تلقائيًا عبر الغشاء أو إذا كانت اليوريا ستنتقل تلقائيًا عبر الغشاء ، كنت سأفكر في التفاعلين بشكل منفصل. في هذه الحالة بالنسبة لـ 1 ملي مولار من كلا المركبين بالخارج و 10 ملي مولار من كلا المركبين من الداخل ، كنا سنشهد انتقالًا تلقائيًا لكلا الجزيئين في الاتجاه الخارجي بطاقة مجانية قدرها 58.6 ميغا فولت لكل عملية نقل. لإثبات أن هذا صحيح ، ما عليك سوى القيام بنفس المشكلة التي فعلناها أعلاه ولكن ببساطة حذف أحد المركبات (الجلوكوز أو اليوريا) ومعرفة الطاقة المجانية التي تحصل عليها من أجل النقل.

يفسر توازن التركيزات بين الجزيئات على جانبي الغشاء أو يحدد كمي الجزء الأول من المشكلة: ميل الجزيئات إلى أن يكون لها تركيزات متساوية على كلا الجانبين. إذا كانت تركيزات جميع الجزيئات هي نفسها على كلا الجانبين ، فإن الطاقة الحرة لنقل واحد عبر الغشاء هي صفر. بالنسبة للجزيئات غير المشحونة ، مثل الجلوكوز ، والتي تحتاج إلى النقل من جانب واحد من الغشاء إلى الجانب الآخر ، فهذه هي الطريقة التي ستحدد بها كمية الطاقة التي ستفقد أو تكتسب في عملية النقل. ومع ذلك ، في كثير من الأحيان في الكيمياء الحيوية نتعامل مع نقل الأنواع المشحونة (على سبيل المثال أيونات الصوديوم والبوتاسيوم التي تحدثنا عنها في البداية). كم من الطاقة يستغرق نقل أ متهم جزيء من جانب واحد من الغشاء إلى الجانب الآخر؟ ما يعتمد عليه ذلك هو عدم التوازن الكيميائي بين الجانبين واختلال الشحنة. إذا لم يكن هناك خلل في الشحن ، فإن المشكلة تقلل من عدم التوازن الكيميائي الموصوف أعلاه. تمامًا كما رأينا في حالة تفاعلات الأكسدة / الاختزال ، فإن كمية الطاقة اللازمة لنقل الشحنة من جانب واحد من الغشاء إلى الجانب الآخر تتناسب طرديًا مع فرق الجهد بين جانبي الغشاء.

هنا z هي شحنة الجسيم الذي يتم نقله (وليس عدد الإلكترونات كما في معادلة Nernst) و F ، ثابت فاراداي ، هو ثابت التناسب لجعل الوحدات تعمل (يتم التحويل بين كولوم من الشحنة ومولات الجزيئات ، كما ناقشنا سابقًا). (في الواقع ، غالبًا ما نعبر عن الطاقات الحرة بدلالة إلكترون فولت ، eV ، وهي الطاقة المطلوبة لنقل إلكترون واحد عبر غشاء بفارق جهد واحد فولت بين الجانبين. في هذه الحالة ، F = 1.0 eV / Volt ). هذا ، بالطبع ، نفس التعبير المستخدم في الكيمياء الكهربائية (هل ترى التشابه بين نقل الأيونات عبر الأغشية ونقل الإلكترونات بين الجزيئات في البطارية؟). اتضح أن الجهد يتناسب طرديًا مع كمية الشحنة المزاحة عبر الغشاء. يسمى ثابت التناسب السعة (نعم ، هذا هو نفس السعة في الدائرة الكهربائية):

هنا Q هي الشحنة الإجمالية (عدد الجسيمات مضروبًا في الشحنة لكل جسيم ، z) و C هي سعة الغشاء. بالنسبة للغشاء المسطح (في الواقع ، تكون جميع الأغشية موضعية مسطحة بدرجة كافية بحيث يمكننا التفكير في جميع الأغشية بهذه الطريقة - يسمي الفيزيائيون هذا مكثف لوحة متوازية):

هنا A هي مساحة الغشاء ، و d هي سماكة الغشاء و e هو ثابت التناسب الذي يسميه الفيزيائيون سماحية العزل الكهربائي. بالنسبة لكيمياء المحاليل ، يتعلق الأمر ببساطة بكيفية وجود الجزيئات القطبية أو غير القطبية بين جانبي المكثف. أعتقد أنه يمكنك أن ترى أنه في حالة الماء ، على سبيل المثال ، السماحية العازلة للكهرباء عالية لأن جزيئات الماء القطبية يمكن أن تستجيب للحقل الكهربائي عن طريق تدوير محورها القطبي ومحاذاة على طول الحقل. هذا ليس صحيحًا مع الهيدروكربونات مثل الدهون في الأغشية. ليس لديهم الكثير من القطبية في البداية وليسوا أحرارًا في إعادة تنظيم أنفسهم في أي حال. وبالتالي فإن غشاء له سماحية عازلة منخفضة للغاية. أدنى سماحية ممكنة للعزل الكهربائي هي الفراغ. هذا يسمى e 0 ولها قيمة 8.854x10-12. الوحدات هي كولوم لكل فولت لكل متر.الكولوم هو عدد معين من الشحنات ، مثل الشامة عدد معين من الجزيئات. كما ناقشنا من قبل ، لم يناقش الفيزيائيون والكيميائيون الاتفاقيات مع بعضهم البعض عندما خصصوا هذه الوحدات وكان الكولوم ليس مولًا واحدًا للشحنة. بدلاً من ذلك ، كولوم الشحن هو 6.2422x10 18 شحنة.

من الشائع الحديث عن e كشيء ضرب e 0:

حيث يسمى K ثابت العزل الكهربائي. K = 1 للفراغ وحوالي 80 للمياه. بالنسبة للغشاء يكون حوالي 1 أو أكثر بقليل حسب الظروف. لأغراضنا ، سوف نعتبرها 1 ، لكن تذكر أن هذه نقطة خطأ محتمل عند حساب الجهد بسبب نقل معين للشحنة عبر الغشاء.

لذا ، ماذا لو كان لدينا كل من التدرج الكيميائي والتدرج الكهربائي (أي الجهد) عبر الغشاء؟ آمل أن تتمكن من رؤية ما يلي:

الآن ماذا يحدث إذا كنا نتعامل مع الجسيمات المشحونة فقط (مثل البروتونات ، على سبيل المثال) وتركنا البروتونات (ولكن بدون أيونات مضادة) تمر بحرية عبر الغشاء حتى نصل إلى التوازن. بالنسبة إلى H + ، ستبدو المعادلة أعلاه كما يلي:

الآن في حالة التوازن ، الطاقة الحرة المولية هي صفر ولدينا علاقة مثيرة للاهتمام:

ما هو أحد أشكال معادلة نرنست (الكيمياء الكهربائية مرة أخرى ، تبدو مألوفة؟). لاحظ أن هذا هو الجهد للداخل بالنسبة للجهد الخارجي. يُنظر دائمًا إلى الجهد من حيث حركة الشحنة الموجبة من مكان إلى آخر. لذا فإن التدرج الموجب للشحنة يعطي جهدًا موجبًا. (تم تحديد الجهد قبل اكتشاف الإلكترون ، وفي تلك الأيام كان الناس يفكرون في التيار من حيث الشحنات الموجبة).

اتضح أنه في ظل الظروف العادية ، يتطلب الأمر القليل جدًا من نقل الشحنة عبر الغشاء قبل أن يكون الجهد الكهربائي (V) الذي يتراكم بسبب إزاحة الشحنة عبر الغشاء مساويًا للجهد الكيميائي بسبب الاختلاف في تركيز H + على جانبي الغشاء. وبالتالي ، فإننا نفترض عادةً أن السماح للنظام بالتوازن بين عدم توازن الشحنة واختلال التوازن الكيميائي لا يغير التركيزات بشكل ملحوظ على أي من الجانبين (بمعنى آخر ، عدم استنفاد التوازن الكيميائي بشكل خطير). وبالتالي ، إذا قيل لك أن لديك فائضًا بمقدار 10 أضعاف من البروتونات على جانب واحد من الغشاء مقابل الجانب الآخر وقمت بإضافة بروتونوفور (وهو شيء يسمح على وجه التحديد بنقل البروتونات ، ولكن لا شيء آخر ، عبر الغشاء - وهو أمر جيد. مثال على ذلك هو nigericin - بعض الأحماض العضوية الصغيرة ستفعل ذلك أيضًا) وتسمح للبروتونات بالانتقال حتى تتوازن الكمون الكيميائية والكهربائية ، ثم تفترض عادةً أن نسبة تركيزات البروتون على الجانبين تظل 10 إلى 1 (نظرًا لكمية ضئيلة حدث نقل البروتون قبل تطور جهد التوازن). لاحظ أن هذا ليس افتراضًا جيدًا دائمًا ، ولكنه عادةً ما يكون كذلك. وبالتالي ، يمكنك استخدام معادلة نرنست لحساب جهد الغشاء مباشرة. بالمناسبة ، تعتمد قيمة F على وحدات الطاقة الخاصة بك (eV ، kcals ، إلخ) كما تفعل R. ستحتاج إلى البحث عن هذه لتطبيقات محددة. بالنسبة لدرجة حرارة الغرفة ، هناك قاعدة بسيطة تتمثل في أن العامل المكون من عشرة فرق بين التركيز داخل وخارج غشاء أيون أحادي الشحنة ينتج عنه جهد كهربائي أو جهد كهربائي يبلغ 58.6 مللي فولت بعد تحقيق التوازن (اقرأ 58.6 مللي فولت أو 0.0586) الخامس). كما نوقش أعلاه ، غالبًا ما نتحدث في الكيمياء الحيوية للأغشية عن الطاقة الحرة في الإلكترون فولت. ما الفرق بين الفولت والإلكترون فولت؟ الفولت هو وحدة جهد كهربائي بينما الإلكترون فولت هو وحدة طاقة (عادة سنستخدمها كوحدة لفرق الطاقة الحرة بين جانبي الغشاء ، على الرغم من أنها تستخدم أيضًا في الفيزياء لأسباب أخرى). إلكترون واحد فولت هو مقدار الطاقة الحرة المطلوبة لنقل مول واحد من أيون موجب مشحون فردي عبر غشاء بجهد كهربائي معاكس قدره فولت واحد. على سبيل المثال ، فإن تغيير الطاقة الحرة لنقل مول واحد من البروتونات عبر غشاء بقدرة 200 مللي فولت من الغشاء المحتمل (النقل في الاتجاه من احتمال منخفض إلى مرتفع) سيكون 200 ميجا فولت. لنقل نفس الخلد من الإلكترونات في الاتجاه الآخر (عالي إلى منخفض) من شأنه أن يؤدي إلى تغيير حر في الطاقة بمقدار 200 ميغا إلكترون فولت.

ملاحظة حول الاتفاقيات مع إمكانات الغشاء . لسوء الحظ ، هذه واحدة من تلك المواقف في الكيمياء الفيزيائية حيث توجد علامتان تعسفيتان تلعبان دورًا ولا توجد طريقة منطقية لتعيين اتفاقيات التوقيع الخاصة بك. يمكن أن يكون كلا من z و V موجبًا أو سالبًا ويمكن أن يكون اتجاه انتقال الأيونات موجبًا أو سالبًا. z محددة جيدًا - فهي موجبة للشحنات الموجبة وسالبة للشحنات السالبة. عادة ما يتم قياس جهد الغشاء بالنسبة إلى خارج الخلية (مع القطب السالب أو المشترك خارج الخلية) بحيث يكون عادة موجبًا عندما يكون أكثر إيجابية في داخل الخلية. ومع ذلك ، ما زلنا عالقين في الاتجاه. من الواضح أن مصطلح الطاقة الحرة ، zFV ، يجب أن يقلب الإشارة إذا دفعنا الجزيء في الاتجاه المعاكس. الاصطلاح المستخدم عادة (على الأقل في الكيمياء العصبية) هو أن الأيون الموجب الذي ينتقل من الخارج إلى الداخل مقابل جهد موجب يعطي طاقة حرة موجبة. بقدر ما أشعر بالقلق ، لا أمل في تذكر هذا ، لذلك لا تفعل. أولاً ، سأخبرك دائمًا في الامتحان عن الطريقة التي يتم بها توجيه الجهد (أي جانب موجب). بعد ذلك ، فكر فقط في ما تفعله وأدرك أنه إذا كانت الشحنة تتجه نحو الجانب الذي يحتوي على المزيد من الشحنات مثلها ، فسيستغرق ذلك طاقة مجانية (طاقة مجانية إيجابية) ، وإذا كانت الشحنة تتجه نحو الجانب الذي يحتوي على المزيد من الشحنات المعاكسة ، التي تطلق الطاقة الحرة (الطاقة الحرة السلبية).

المشاكل (إجابات على المشاكل الواردة هنا).

1) أ - احسب الطاقة الحرة المولية اللازمة لضخ مول واحد من جزيء A عبر غشاء (من الداخل إلى الخارج) إذا كان تركيز A في الداخل هو 1 ملي مول وكان ذلك بالخارج 10 ملي مولار. ب - ماذا لو كان التركيز الخارجي 1 مم وداخل 10 مم. ج - ماذا لو كان تركيز المكانين 10 ملي مولار. د- كيف ستغير إجاباتك إلى a b و c إذا كان هناك أيضًا تركيز 10 ملي مولار من الجزيء B في الداخل وتركيز 1 ملي مولار في الخارج؟ هـ - كيف ستتغير الإجابات على a و b و c إذا كانت A تحتوي على شحنة سالبة واحدة ولكن لا يوجد جهد عبر الغشاء؟ f - كيف ستتغير الإجابات على a و b و c إذا كان للغشاء جهد 100 mV عبره ولكن لم يتم شحن A؟ g - كيف ستتغير الإجابات على a و b و c إذا كان هناك جهد 100 مللي فولت عبر الغشاء وكان لـ A شحنة سالبة واحدة عليه. لكل هذه المشاكل افترض أن كلا الجانبين لهما حجم لانهائي.

2) من الناحية النظرية ، ما هو الحد الأدنى من التدرج البروتوني عبر الغشاء المطلوب لإنتاج ATP عند 37 درجة مئوية؟

افترض أنه على جانب الغشاء ينتج ATP = 5 ملم ، ADP = 10 ملم ، Pi = 1 ملم ودرجة الحموضة 7.0 (تذكر في علم الأحياء أن الحالة القياسية هي 1M لكل شيء باستثناء البروتونات حيث يكون الرقم الهيدروجيني 7.0 قياسيًا ). التغيير القياسي في الطاقة الحرة المرتبط بإنتاج ATP من ADP والفوسفات هو 30 كيلو جول / مول عند 37 درجة مئوية.

3) (هذا ليس صعبًا حقًا ، لكنه يتطلب منك التفكير فيما وراء المعادلات) لنفترض أن لديك مركبًا يمكن أن ينفصل بالطريقة التالية:

مع pKA 6.0. لنفترض الآن أن لدينا أنبوبًا مليئًا بالبلاستيدات الخضراء (هذه هي العضيات الخلوية في النباتات التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي). بوسائل أخرى ، قمنا بقياس الحجم الداخلي الكلي لهذه البلاستيدات الخضراء على أنه 0.001 مل. الحجم الكلي في الأنبوب هو 1 مل. يبقى الرقم الهيدروجيني خارج البلاستيدات الخضراء ثابتًا عند 8.0. نضيف الآن الحمض الضعيف الموصوف أعلاه إلى الأنبوب بتركيز 0.1 ملي مولار (افترض أنه لا يغير الأس الهيدروجيني بالخارج أو بالداخل). لاحظ أن الشكل المحايد (A) للحمض الضعيف يمكن أن يمر عبر الغشاء بشكل سلبي ، لكن لا شكل AH + ولا أي أيون آخر يمكن أن ينتشر بشكل سلبي عبر الغشاء. أ) بافتراض أنه لا يوجد فرق في الأس الهيدروجيني أو الشحنة بين داخل وخارج البلاستيدات الخضراء ، ما هي تركيزات A و AH + داخل وخارج البلاستيدات الخضراء؟ ب) نقوم الآن بتسليط الضوء على العينة وتبدأ مضخة البروتون التي تعمل بالضوء في عملية التمثيل الضوئي في ضخ البروتونات عبر الغشاء من الخارج إلى الداخل. يمكن لمضخة التمثيل الضوئي أن تولد قوة دافعة بروتون كلية (تغير الطاقة الحرة بسبب كل من الشحنة وعدم التوازن الكيميائي عبر الغشاء) تبلغ حوالي 200 ميغا فولت. افترض أنه لا يوجد غشاء محتمل ، فقط درجة حموضة متدرجة عبر الغشاء (درجة حموضة منخفضة بالداخل). هذا ليس صحيحًا تمامًا ، ولكنه قريب جدًا في الواقع. ماذا ستكون تركيزات A و AH + داخل وخارج البلاستيدات الخضراء الآن؟

4) تحديد إمكانات غشاء التوازن النهائي لحويصلة نصف قطرها ميكرون واحد والتي تحتوي مبدئيًا على 1 ملي مولار من كلوريد البوتاسيوم في الداخل و 10 ملي كلوريد البوتاسيوم بالخارج في وجود فالينوميسين (حامل شاردة يسمح لـ K + ولكن لا شيء آخر ينتقل عبر الغشاء) أ) بافتراض أن التدفق من K + صغير جدًا بحيث لا يزعج تركيز K + في الداخل. ب) دون القيام بهذا الافتراض و السماح للتركيز الداخلي بالتغير مع دخول K +. حدد أيضًا تقريبًا مقدار التركيز الداخلي النهائي لتغيرات K + في الجزء ب. سنمر بالجزء ب في الفصل - لن تضطر إلى القيام بذلك في الامتحان ، لكنني أتوقع منك فهم الأفكار.

تفاعلات الأكسدة والاختزال لعملية التمثيل الضوئي

تركز معظم المعلومات الواردة في الكتاب على تفاعلات الأكسدة والاختزال من حيث الخلايا الكهروكيميائية. هذا مهم في الكيمياء ، ولكن لا توجد أقطاب بلاتينية في الأنظمة الكيميائية الحيوية. ومع ذلك ، هناك تفاعلات الأكسدة والاختزال التي تؤدي إلى انتقال الإلكترونات عبر حدود الطور. في الواقع ، هذا جانب حاسم في الأساس لجميع عمليات نقل الطاقة في علم الأحياء. هذه هي الطريقة التي يعمل بها التنفس في الميتوكوندريا الخاصة بك (يقترن نقل الإلكترون عبر الأغشية بإزاحة البروتون مما يؤدي إلى تدرجات البروتون) وفي العملية العكسية ، التمثيل الضوئي (نفس الصفقة ولكن مدعوم بالضوء بدلاً من تقليل الأكسجين إلى الماء). يتحدث الكتاب عن التمثيل الضوئي الخطي في النباتات ، ولكن من أجل البساطة ، سألتزم بتفاعلات نقل الإلكترون الدورية أثناء عملية التمثيل الضوئي البكتيري.

بشكل أساسي ، تأتي كل الطاقة التي نستخدمها على الأرض ، باستثناء أشياء مثل الطاقة النووية والطاقة الحرارية الأرضية وطاقة الرياح والطاقة الشمسية الكهروضوئية ، من مجموعة واحدة بسيطة من تفاعلات الأكسدة والاختزال. "جاء كل الزيت من هذا" وكل طعامنا يأتي من هذا. يحدث هذا في جهاز إلكتروني ضوئي بيولوجي الحالة الصلبة يسمى مركز التفاعل. إذا بدوت شغوفًا ، فذلك لأن مختبري يعمل على هذه الأشياء. الآن أنت تعلم أنك في ورطة. هنا صورة لأبسط مراكز رد الفعل:

لن أخوض في هذا كثيرًا ، لكن العامل المساعد P هو زوج من جزيئات الكلوروفيل البكتيري ، Bأ هو جزيء واحد من جرثومة الكلوروفيل ، Hأ هو جزيء جرثومي و Qأ وسب هي كينونات. لن نقلق بشأن الأشياء الأخرى. عندما يمتص الضوء P فإنه يشكل حالة مثارة P *. هذه الحالة تنقل إلكترونًا يفترض عبر بأ ثم إلى H.أ ثم سأ ثم سب.

P * P * (طاقة ضوئية ممتصة ، 1.4 فولت)

تم تبسيط آخر ردود فعل (ترتيب نقل الإلكترون وامتصاص البروتون ليس تمامًا كما هو موضح) ، لكنهما صحيحان من الناحية المفاهيمية.

سنتناول في الفصل ما يلي:

سنقوم بكتابة ردود الفعل الكاملة التي تحدث (على سبيل المثال ، P * Bأ P + Bأ - )

سنقرر كيف يمكننا تحديد إمكانات التفاعل من إمكانات نصف التفاعلات.

سنستخدم بعد ذلك معرفتنا بالتوازن لتصميم تجربة لتحديد الطاقة لكل تفاعل.

من هذه الطاقة الكلية لكل تفاعل ، سنحدد إمكانات الأكسدة لجميع المكونات في مركز التفاعل.


النقل الأساسي النشط

تحافظ مضخة الصوديوم والبوتاسيوم على التدرج الكهروكيميائي للخلايا الحية عن طريق تحريك الصوديوم داخل الخلية والبوتاسيوم خارجها.

أهداف التعلم

صف كيف تحرك الخلية الصوديوم والبوتاسيوم خارج الخلية وداخلها مقابل تدرجها الكهروكيميائي

الماخذ الرئيسية

النقاط الرئيسية

  • تقوم مضخة الصوديوم والبوتاسيوم بتحريك K + داخل الخلية أثناء تحريك Na + بنسبة ثلاثة Na + لكل اثنين من أيونات K +.
  • عندما يشير إنزيم الصوديوم - البوتاسيوم - ATPase إلى الخلية ، يكون له تقارب كبير مع أيونات الصوديوم ويربط ثلاثة منها ، مما يؤدي إلى تحلل ATP وتغيير الشكل.
  • عندما يتغير شكل الإنزيم ، فإنه يعيد توجيه نفسه نحو الخارج للخلية ، ويتم إطلاق أيونات الصوديوم الثلاثة.
  • يسمح الشكل الجديد للإنزيم & # 8217s بربط اثنين من البوتاسيوم وفصل مجموعة الفوسفات ، ويعيد البروتين الناقل نفسه نحو داخل الخلية.
  • يتغير شكل الإنزيم مرة أخرى ، ويطلق أيونات البوتاسيوم في الخلية.
  • بعد إطلاق البوتاسيوم في الخلية ، يرتبط الإنزيم بثلاثة أيونات الصوديوم ، مما يؤدي إلى إعادة العملية مرة أخرى.

الشروط الاساسية

  • مضخة كهربائية: مضخة أيونية تولد صافي تدفق الشحن نتيجة لنشاطها.
  • Na + -K + ATPase: إنزيم موجود في غشاء البلازما لجميع الخلايا الحيوانية الذي يضخ الصوديوم من الخلايا أثناء ضخ البوتاسيوم في الخلايا.

النقل الأساسي النشط

يسمح النقل النشط الأساسي الذي يعمل مع النقل النشط للصوديوم والبوتاسيوم بحدوث النقل النشط الثانوي. لا تزال طريقة النقل الثانوية تعتبر نشطة لأنها تعتمد على استخدام الطاقة كما يفعل النقل الأولي.

النقل الفعال للصوديوم والبوتاسيوم: يحرك النقل الأساسي النشط الأيونات عبر الغشاء ، مما يخلق تدرجًا كهروكيميائيًا (النقل الكهربائي).

من أهم المضخات في خلايا الحيوانات هي مضخة الصوديوم والبوتاسيوم (Na + -K + ATPase) ، والتي تحافظ على التدرج الكهروكيميائي (والتركيزات الصحيحة لـ Na + و K +) في الخلايا الحية. تقوم مضخة الصوديوم والبوتاسيوم بتحريك اثنين K + داخل الخلية أثناء تحريك ثلاثة Na + خارج الخلية. يوجد Na + -K + ATPase في شكلين ، اعتمادًا على اتجاهه نحو الداخل أو الخارج للخلية وتقاربها مع أيونات الصوديوم أو البوتاسيوم. تتكون العملية من الخطوات الست التالية:

  • مع توجيه الإنزيم نحو الجزء الداخلي للخلية ، يكون للناقل تقارب كبير لأيونات الصوديوم. ترتبط ثلاثة أيونات الصوديوم بالبروتين.
  • يتم تحلل ATP بواسطة حامل البروتين ، وترتبط به مجموعة فوسفات منخفضة الطاقة.
  • نتيجة لذلك ، يغير الناقل شكله ويعيد توجيه نفسه نحو الجزء الخارجي من الغشاء. ينخفض ​​تقارب البروتين & # 8217s للصوديوم ، وتترك أيونات الصوديوم الثلاثة الحامل.
  • يؤدي تغيير الشكل إلى زيادة تقارب الناقل & # 8217s لأيونات البوتاسيوم ، ويرتبط اثنان من هذه الأيونات بالبروتين. بعد ذلك ، تنفصل مجموعة الفوسفات منخفضة الطاقة عن الناقل.
  • مع إزالة مجموعة الفوسفات وإرفاق أيونات البوتاسيوم ، يعيد البروتين الحامل وضعه نحو داخل الخلية.
  • البروتين الحامل ، في تكوينه الجديد ، لديه تقارب منخفض للبوتاسيوم ، ويتم إطلاق الأيونات في السيتوبلازم. يمتلك البروتين الآن تقاربًا أكبر مع أيونات الصوديوم ، وتبدأ العملية مرة أخرى.

حدثت عدة أشياء نتيجة لهذه العملية. في هذه المرحلة ، يوجد عدد أكبر من أيونات الصوديوم خارج الخلية أكثر من الداخل وأيونات البوتاسيوم في الداخل أكثر من الخارج. لكل ثلاثة أيونات من الصوديوم تتحرك للخارج ، يتحرك اثنان من أيونات البوتاسيوم إلى الداخل. ينتج عن ذلك أن يكون الجزء الداخلي أكثر سالبة قليلاً بالنسبة إلى الخارج. هذا الاختلاف في المسؤولية مهم في تهيئة الظروف اللازمة للعملية الثانوية. لذلك ، فإن مضخة الصوديوم والبوتاسيوم هي مضخة كهربائية (مضخة تخلق عدم توازن في الشحن) ، مما يؤدي إلى اختلال التوازن الكهربائي عبر الغشاء ويساهم في إمكانات الغشاء.


6.6: توليد التدرجات: استخدام التفاعلات والمضخات المزدوجة - علم الأحياء

كيح 4053 الكيمياء الحيوية أنا
خريف 2001
دكتور.
مايكل بلابر

الانتشار السلبي ، الانتشار الميسر ، عمليات النقل التي يقودها ATP

  • الخلايا ديناميكي حراري أنظمة مفتوحة ويجب أن يكون لديك بعض الوسائل التي يمكن من خلالها تنظيم الاستيراد من المغذيات والتصدير من النفايات والمركبات الأخرى
  • كل الخلايا الحفاظ على التدرجات من مختلف الأيونات غير العضوية عبر أغشيتها. هذا إما مطلوب للبقاء أو يستخدم في نقل الإشارة ، أو كمصدر للطاقة الكامنة.

النقطة الأساسية هي أن معظم الجزيئات المذكورة أعلاه قطبية أو أيونية ، ومع ذلك فإن نقلها عبر غشاء الخلية يتطلب منها المرور عبر بيئة كارهة للماء .

  • يتم إنجاز هذا النقل بواسطة مضمن أو بروتينات غشاء متكامل
  • من وجهة نظر الديناميكا الحرارية ، هناك ثلاثة أنواع فقط من عمليات النقل:
    • الانتشار السلبي
    • نشر الميسر
    • النقل النشط
    • أبسط عملية نقل
    • يتحرك الجزيء عبر الغشاء دون مساعدة من أي نظام نقل محدد
    • تنتقل الجزيئات عبر الغشاء وتنصيب توازن التركيز (مدفوعة باعتبارات الانتروبيا)

    إذا كان التركيز غير متساوٍ على جانبي الغشاء ، فإن فرق الطاقة الحرة بين جانب والآخر هي وظيفة فقط من فرق في التركيز

    • D G هو فرق الجهد الكيميائي
    • ال تدرج التركيز للجزيء المعني هو الفرق بين التركيزات ، أو [C2] - [ج1]

    جزيئات أو أيونات مشحونة

    لا يتأثر الانتشار السلبي للأنواع المشحونة عبر الغشاء بتدرج التركيز فحسب ، بل يتأثر أيضًا بـ الجهد الكهربائي عبر الغشاء (تجذب الرسوم المعاكسة ، مثل صد الشحنات)

    • D G عبر غشاء من أجل a الأنواع المشحونة يشار إليه باسم الجهد الكهروكيميائي

    د G = G2 - جي1 = R * T * ln [C2] / [ج1] + Z *F* د ذ

      • ض هي الشحنة المفروضة على الأنواع الأيونية التي يتم نقلها
      • F هل ثابت فارداي (96485 جول / فولت * مول)
      • دذ هو فرق الجهد عبر الغشاء

      نظرًا لأن F ثابت ، فإن تأثير Z * يعتمد المصطلح F * D y على D G على حجم وإشارة ض و د ذ

      • في الرسم البياني أعلاه ، سوف التدرج التركيز ليس يفضل حركة الأنيون على الجانب 1 باتجاه الجانب 2. ومع ذلك ، الجهد الكهروكيميائي إرادة.
        • Z = -1
        • د ذ =ذ2 -ذ1 = (جهد إيجابي كبير - جهد إيجابي صغير) = قيمة موجبة
        • مساهمة Z *F * D y المصطلح إلى D G = (سلبي) * F * (موجب) = قيمة سالبة (تفضل العفوية ، أو حركة الأيونات المشحونة من الجانب 1 إلى الجانب 2)

        لاحظ أنه إذا اقتربت Z من الصفر ، فإن تعريف D G يكون هو نفسه المعطى للأنواع غير المشحونة

        نشر الميسر

        بينما قد يكون الانتشار السلبي مفضلًا ديناميكيًا لجزيء معين ، حركيًا قد يكون بطيئا جدا عملية لنظام حي (تخبرنا الديناميكا الحرارية ما إذا كانت العملية عفوية ، لكنها لا تخبرنا عن المعدل الذي ستحدث به). بعض بروتينات الغشاء المتكاملة لديها القدرة على تسريع معدل النقل المتوازن من الجزيئات عبر الغشاء.

        • مثل هذا النقل لا ينتهك الديناميكا الحرارية المتوازنة ، و يمكن المضي قدما فقط إذادG & lt 0 (مرة واحدة D G = 0 ، تكون عملية النقل في حالة توازن ولا صافي يمكن أن يحدث النقل عبر الغشاء)
        • بروتينات الغشاء المتكاملة المسؤولة عن الانتشار السهل لها أ تقارب ارتباط محدد للجزيئات التي يتم نقلها

        نشر الميسر يستوجب بروتينات نقل غشاء محددة.

        • نظرًا لأن عدد بروتينات النقل الغشائي محدود ، يمكن أن تكون مشبعة إذا كان تركيز الجزيئات المراد نقلها مرتفعًا.
        • وبالتالي ، فإن الانتشار الميسر له خاصية مميزة للتشبع عند التركيز العالي & quotsubstrate & quot.
        • لا يعتمد الانتشار السلبي على بروتينات النقل هذه ، وبالتالي لا يظهر مثل هذا التشبع بتركيزات عالية من الركيزة (& quotsubstrate & quot بالإشارة إلى الجزيء الذي يتم نقله)

        نقل الجلوكوز في كريات الدم الحمراء

        يتم نقل الجلوكوز في كريات الدم الحمراء (خلايا الدم الحمراء) عن طريق الانتشار الميسر

        • جزيء ناقل الجلوكوز عبارة عن بروتين غشائي متكامل يحتوي على 12 ذيلًا يتم طيها ذهابًا وإيابًا لتمتد الغشاء 12 مرة
        • يبدو أن هذا الهيكل يوفر قناة للانتشار السلبي للجلوكوز عبر غشاء كرات الدم الحمراء
        • قد يساهم انخفاض عدد جزيئات ناقل الجلوكوز ، أو الطفرات التي تمنع الوظيفة المناسبة ، في الإصابة بمرض السكري
        • يمكن لبعض البروتينات الفطرية (مثل Cytochalasin B) أن تثبط جزيء ناقل الجلوكوز وتمنع هذه المغذيات الضرورية من دخول الخلايا

        ناقل الأنيون في كريات الدم الحمراء

        مثال آخر على الانتشار الميسر هو بروتين غشاء ناقل الأنيون

        • يحتوي بروتين ناقل الأنيون على 14 حلزونيًا تعبر الغشاء
        • يسمح بالموازنة السريعة لـ Cl - و HCO3 - (بيكربونات) أيونات. يتم نقل هذه الأيونات في اتجاهين متعاكسين في نفس الوقت ، وبالتالي يكون النقل محايد كهربائيا.
        • اتجاه تدفق Cl - و HCO3 - تحرك الأيونات ببساطة بواسطة تدرجات التركيز النسبية لهذه الأيونات عبر الغشاء. ومع ذلك ، فإن خلايا الدم الحمراء تجمع HCO3 - في منطقة أنسجة التنفس (حيث يكون التركيز مرتفعًا) وإطلاقه في الرئتين (حيث يكون التركيز منخفضًا).

        أنظمة النقل النشطة

        أنظمة الانتشار السلبي والميسر تخضع ببساطة للتركيز أو الإمكانات الكهروكيميائية ، وعملية الحركة الجزيئية هي ببساطة عملية انحدار نشطة. ومع ذلك ، فإن بعض عمليات النقل تمثل عملية حيوية شاقة (أي تحتاج الخلية أحيانًا إلى تحريك الجزيئات من تركيز منخفض إلى عالي أو يحتاج إلى تحريك الأيونات ضد الجهد الكهروكيميائي).

        • مثل هذه العمليات تمثل النقل مما أدى إلى أعلى حالة الطاقة الكامنة (على سبيل المثال ، عندما ترتفع بشكل نشط ، فهذا يمثل شكلاً من أشكال الطاقة الكامنة المخزنة)
        • وبالتالي ، من الناحية الديناميكية الحرارية ، فإن عمليات النقل هذه تتطلب مدخلات الطاقة لكي تحدث
        • لذلك تسمى عمليات النقل هذه النقل النشط الأنظمة (المصطلح "النقل النشط" وليس "الانتشار النشط" لأن النقل لا يخضع لقوانين الانتشار أو التوازن البسيطة).

        تستخدم أنظمة النقل النشطة عادةً الطاقة الصادرة عن التحلل المائي ATP في رد فعل مقترن مع النقل النشط (الذي يتطلب الطاقة) للجزيء عبر الغشاء. ومع ذلك ، يمكن استخدام مصادر الطاقة الأخرى ، بما في ذلك:

        • الطاقة الضوئية
        • الطاقة المخزنة في التدرجات الأيونية. في هذه الحالة ، يجب أن تكون هناك عملية نقل نشطة منفصلة لإنتاج مثل هذا التدرج في المقام الأول (يطلق عليه النقل النشط الأساسي). يشار إلى استخدام مثل هذا التدرج الأيوني الحالي من خلال عملية نقل أخرى باسم a النقل النشط الثانوي معالجة.
        • نقطة ثانوية أخرى على التدرجات الأيونية: ناقل الأنيون في كريات الدم الحمراء هو سلبي وبالتالي نقل Cl - و HCO3 - منسق ومحايد كهربائيًا. فقط مع إنفاق الطاقة يمكن أ صافي يتم تنفيذ حركة الشحنة الكهربائية عبر التدرج اللوني (أي أنها تتطلب النقل النشط). تسمى عمليات النقل هذه كهربية (يولدون تدرجًا كهربائيًا)

        جميع عمليات النقل النشطة هي ردود الفعل المقترنة

        • يستخدم النقل الجزيئي المقترن بالتحلل المائي ATP الطاقة الكيميائية كي يؤدي الشغل (حرك جزيء عبر غشاء)
        • عمليات أخرى تجمع بين الطاقة الضوئية لأداء العمل

        عمليات النقل التي يقودها ATP

        أحادي التكافؤ نقل الكاتيون: Na +، K + - ATPase

        • تنقل جميع الخلايا الحيوانية بنشاط أيونات الصوديومخارج الخلية، والنقل بنشاط أيونات K +في الخلية. كل من عمليات النقل هذه مدفوعة بـ Na +، K + - ATPase المعروف أيضًا باسم مضخة الصوديوم (بروتين غشائي متكامل)
        • يتم منع التفاعلات الكيميائية الحيوية داخل الخلية التي تستخدم K + بواسطة Na ، وبالتالي ، يحتاج Na + إلى الإبقاء على تركيز منخفض في الخلية
        • تستخدم الخلايا العصبية التدرجات الأيونية لـ Na + و K + عبر غشاء الخلية (وأيونات الكلورين) لإرسال إشارة على طول الخلية العصبية
        • يؤثر تركيز الأيونات على الضغط الأسموزي داخل الخلية (أي الحفاظ على الحجم)
        • تُستخدم تدرجات Na + و K + لدفع عمليات نقل المركبات الأخرى (مثل الأحماض الأمينية والنيوكليوتيدات والسكريات)
        • يتم استخدام 20-40٪ من الطاقة في الخلية المتوسطة (وما يصل إلى 70٪ في الخلايا العصبية) ببساطة للحفاظ على تدرج أيون N + و K +!

        هيكل ووظيفة قاعدة N + ، K + - ATPase

        • هناك نوعان من الوحدات الفرعية: الكبيرة (120 كيلو دالتون) هي الوحدة الفرعية ، والأصغر (35 كيلو دالتون) هي الوحدة الفرعية ب
        • يضخ هذا البروتين الغشائي ثلاثة أيونات Na + خارج الخلية ، واثنين من أيونات K + في الخلية ، لكل ATP تحلل:

        ATP 4- + H.2O + 3Na + (داخل) + 2K + (خارج) ADP 3- + HPO4 2- + H + + 3Na + (خارج) + 2K + (من الداخل)

        • على الرغم من وجود حركة صافية للكاتيونات خارج الخلية ، فإن التحلل المائي لـ ATP إلى ADP يطلق بروتونًا. لذلك ، يظل التركيز الأيوني داخل الخلية ثابتًا.
        • تحتوي الوحدة الفرعية a على 10 طبقات من الحلزونات التي تغطي الغشاء. يوجد مجال ربط ATP حشوي يتم إدخاله بين الحلزونات 4 و 5 ، ويحتوي على سلسلة جانبية لحمض الأسبارتيك يمكن فسفرتها بشكل عكسي أثناء التحلل المائي لـ ATP
        • تم اقتراح أن دورات الإنزيم بين شكلين مختلفين ، يعرفان باسم E1 و E2
          • E1 له تقارب كبير مع أيونات Na + و ATP. يتم فسفرته عن طريق الاقتران بالتحلل المائي لـ ATP لتشكيل التشكل المعروف باسم E1-P الذي يحتوي على ثلاثة أيونات الصوديوم المقيدة مأخوذة من الجانب السيتوبلازمي للغشاء.
          • ينتج عن التغيير التوافقي E2-P التشكل. هذا له تقارب منخفض لـ Na + ، ولكن تقارب كبير لـ K +. تطلق حالة E2-P أيونات 3Na + وتربط اثنين K + على السطح الخارجي للخلية
          • يترك نزع الفسفرة E2-K2 شكل مع اثنين من الأيونات K + منضم. يؤدي ربط ATP إلى إطلاق أيونات K + في داخل الخلية ويعيد الإنزيم إلى الحالة E1 (مع ATP المرتبط جاهزًا للفوسفور مرة أخرى)

          النقطة الأساسية هي أن ارتباط ATP وما تلاه من فسفرة / نزع فسفرة يغير شكل بروتين مضخة الصوديوم بين ارتفاع Na + / منخفض K + تقارب و انخفاض Na + / ارتفاع K + تقارب الحالة والارتباط والإفراج عن هذه الأيونات يحدث على جوانب متناوبة من الغشاء

          Na + ، K + - يتم تثبيط ATPase بواسطة جليكوسيدات القلب

          بعض المنشطات النباتية والحيوانية (مثل Ouabain) تثبط Na +، K + - ATPase وبالتالي تمنع نقل الأيونات

          • يشار إلى هذه المواد عادة باسم جليكوسيدات القلب
          • ترتبط جليكوسيدات القلب بالمنطقة خارج الخلية من Na + ، K + - ATPase عندما تكون في شكل E2-P
          • الناس مع ضغط دم مرتفع وعادة ما يكون مستويات عالية من نوع ما مثبط لبروتين ATPase Na + ، K + . يمكن أن يؤدي تراكم الصوديوم في الخلايا المبطنة لجدران الأوعية الدموية إلى ارتفاع ضغط الدم
          • يوصي الأطباء باتباع نظام غذائي منخفض في Na + وعالي في K + لمساعدة Na + و K + - ATPase على استعادة تركيزات الأيونات المناسبة

          نقل الكالسيوم: Ca 2+ - ATPase

          الكالسيوم هو أيون يعمل كنوع من أنواع إشارة خلوية في جميع الخلايا تقريبًا. في خلايا العضلات ، تشير الخلية إلى الانقباض.

            في حالة استرخاء العضلات ، تكون تركيزات Ca 2+ بالقرب من ألياف العضلات منخفضة جدًا (

          المعدة H +، K + - ATPase

          تعد البيئة شديدة الحموضة في المعدة (عالية [H +]) ضرورية لهضم الطعام. يتراوح الرقم الهيدروجيني للمعدة بين 0.8 و 1.0. ومع ذلك ، فإن درجة حموضة الخلايا الجدارية في الغشاء المخاطي للمعدة (أي التي تشكل بطانة المعدة) لها درجة حموضة فسيولوجية نموذجية تبلغ 7.4

          • وبالتالي ، يوجد تدرج في درجة الحموضة عبر غشاء الخلية المخاطية يبلغ 6.6 (أكبر تدرج عبر الغشاء معروف لأي نوع من الخلايا)
          • يتم الحفاظ على هذا التدرج من [H +] بواسطة H +، K + - ATPase. يقرن هذا البروتين الغشائي التحلل المائي ATP بضخ H + خارج الخلية و K + في الخلية. نظرًا لأنه يتم ضخ H + واحدًا لكل K + يتم ضخه ، فإن عملية النقل محايدة كهربائيًا (أي يجب عليها فقط محاربة تدرج التركيز وليس التدرج الكهربائي)
          • يتم ضخ أيون K + مع Cl - ion في عملية أخرى محايدة كهربائيًا باستخدام نظام نقل غشاء مرتبط. والنتيجة النهائية هي إفراز حمض الهيدروكلوريك بواسطة هذه الخلايا في المعدة! (يتم إعادة تدوير K + بشكل فعال).
          • يتشابه معدة H + ، K + - ATPase في تسلسل الأحماض الأمينية وهيكلها مع Na + ، K + - ATPase

          إعادة تشكيل العظام بواسطة مضخات بروتون أوستيوكلاست

          يخضع حوالي 5٪ من كتلة العظام في جسم الإنسان لعملية إعادة تشكيل في أي لحظة. يتم تحقيق الاستتباب بين نمو العظام وانحلال العظام من خلال العمل المعاكس لـ بانيات العظم (الخلايا المنتجة للعظام) و ناقضات العظم (خلايا ارتشاف العظام).


          شاهد الفيديو: درس علم الاحياء السادس العلمي الانسجة (سبتمبر 2022).