Ma `lumot

6.6: Gradientlarni hosil qilish: bog'langan reaktsiyalar va nasoslardan foydalanish - Biologiya

6.6: Gradientlarni hosil qilish: bog'langan reaktsiyalar va nasoslardan foydalanish - Biologiya



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.

Har ikkala tashuvchilar ham, kanallar ham membrana bo'ylab molekulalarning yo'nalishli harakatiga (aniq oqim) imkon beradi, lekin faqat konsentratsiya gradienti mavjud bo'lganda. Shunga qaramay, biz hujayralarga qaraganimizda, biz juda ko'p konsentratsiyali gradientlarni topamiz, bu esa bu gradientlarni nima hosil qiladi va keyin saqlaydi degan savolni tug'diradi.

Oddiy ma'noda javob shundaki, ma'lum turdagi molekulalarni membrana bo'ylab va ularning kontsentratsiyasi gradientiga qarshi o'tkaza oladigan molekulalar (oqsillar) bo'lishi kerak. Biz ushbu turdagi molekula nasoslarini chaqiramiz va ular ishtirok etadigan reaktsiyani quyidagicha yozamiz:

[Molekula]past konsentratsiya + nasos ⟷ [Molekula]yuqori konsentratsiya + nasos

Siz allaqachon taxmin qilganingizdek, bu termodinamik jihatdan noqulay reaktsiya. Tanish makroskopik nasos singari, u energiya kiritishni talab qiladi. Biz molekulyar nasosimizni qandaydir energiya manbasiga "ulashimiz" kerak bo'ladi. Biologik tizimlar uchun qanday energiya manbalari mavjud? Asosan bizda ikkita tanlov bor: tizim elektromagnit energiyadan foydalanishi mumkin, ya'ni yorug'lik yoki kimyoviy energiyadan foydalanishi mumkin. Yorug'lik bilan ishlaydigan nasosda yorug'likni ushlaydigan (yutadigan) tizim mavjud; yorug'likning yutilishi (energiya) nasos tizimiga ulanadi. Nasos kimyoviy reaktsiya bilan boshqarilsa, termodinamik jihatdan qulay reaktsiya ko'pincha nasosning o'zi tomonidan katalizlanadi va bu reaktsiya molekulaning konsentratsiya gradientiga qarshi harakati bilan bog'lanadi. Qiziqarli topologik nuqta shundaki, yorug'lik yoki kimyoviy reaksiyaga asoslangan nasos konsentratsiya gradientini yaratish uchun ishlashi uchun membrana ichidagi barcha nasos molekulalari bir xil yo'nalishda yo'naltirilgan bo'lishi kerak. Agar nasoslar tasodifiy yo'naltirilgan bo'lsa, umumiy oqim bo'lmaydi (molekulalar ikkala yo'nalishda ham harakat qiladi) va hech qanday gradient rivojlanmaydi.

Kimyoviy reaksiya bilan ishlaydigan nasoslar ham xuddi shu yo'nalishda membranalar ichida joylashgan. Bunday nasoslarni haydash uchun bir qancha kimyoviy reaksiyalardan foydalanish mumkin va bu nasoslar turli reaksiyalarni amalga oshirishi mumkin (reaksiya har ikki yo‘nalishda ham harakatlanishi mumkinligini unutmang). Eng keng tarqalganlardan biri membrana bilan bog'langan, oqsilga asoslangan "elektron tashish" tizimi orqali energiya elektronlarining harakatini o'z ichiga oladi, bu H + elektrokimyoviy gradientini yaratishga olib keladi. H + ning kontsentratsiya gradienti bo'ylab nasos orqali harakatlanishi ATP sintezini rag'batlantiradi. H+ ning nisbatan yuqori [H+] boʻlgan membrana tomonidan nisbatan past [H+] ga oʻtishi membrana bilan bogʻlangan ATP sintaza fermenti orqali ATP sintezi bilan bogʻlanadi:

[H+]yuqori konsentratsiya - tashqarida + adenozin difosfat (ADP) (hujayra ichidagi) + fosfat (hujayra ichidagi) ⇌ adenozin trifosfat (ATP) (hujayra ichidagi) + H20 (hujayra ichidagi) + [H+]past konsentratsiya - ichkarida.

Bu reaksiya teskari yoʻnalishda borishi mumkin, bunda ATP gidrolizlanib, ADP va fosfat hosil boʻladi, H+ esa konsentratsiya gradientiga qarshi, yaʼni past konsentratsiyali hududdan yuqori konsentratsiyali hududga oʻtadi.

[H+]past konsentratsiya - ichkarida + adenozin trifosfat (ATP) (hujayra ichidagi) + H20 (hujayra ichidagi) ⇌ adenozin difosfat (ADP) (hujayra ichidagi) + fosfat (hujayra ichidagi) + [H+]yuqori konsentratsiya - ichkarida.

Umuman olganda, nasosga ATP gidroliz reaktsiyasini ulash orqali nasos molekulalarni past konsentratsiyali hududdan yuqori konsentratsiyali, termodinamik jihatdan noqulay reaktsiyaga o'tkazishi mumkin.


6.6: Gradientlarni hosil qilish: bog'langan reaktsiyalar va nasoslardan foydalanish - Biologiya

Metabolizm - Hujayra ichidagi barcha kimyoviy reaktsiyalarning yig'indisi. Buni shunday tasvirlash ham mumkin katabolizm + anabolizm.

Kimyoviy reaksiyalar
Ba'zi reaktsiyalar energiya talab qiladi. Ushbu reaktsiyalarni amalga oshirish uchun energiya qo'shilishi kerak va mahsulot (lar) reaktivlarga qaraganda yuqori energiya darajasida bo'ladi. Metabolizmda ko'p anabolik reaktsiyalar ushbu toifaga kiradi. Anabolik reaktsiyalar energiya talab qiladi. Katabolik reaktsiyalar energiya chiqaradi.

Energetik jihatdan qulay bo'lgan barcha reaktsiyalar o'z-o'zidan bo'lmaydi. Ko'p marta ba'zilari faollashtirish energiyasi qo'shish kerak. Masalan, qog'oz (tsellyuloza = C 6 H 12 O 6) kislorod ishtirokida barqaror mavjud. Tsellyulozaning CO 2, H2O va C hosil qilish uchun tez oksidlanishi energetik jihatdan qulay bo'lsa ham, qog'oz yonmaydi (yonish = tsellyulozaning tez oksidlanishi). faollashtirish energiyasi (issiqlik) qo'llaniladi.

I. FERMENTLAR
Hujayrada harakat qilish uchun zarur bo'lgan energiya anabolik reaktsiyalar shuningdek, ko'pchilikni olish uchun zarur bo'lgan faollashtirish energiyasi katabolik reaktsiyalar ketishni to'g'ridan-to'g'ri issiqlik sifatida qo'llash mumkin emas. Buning o'rniga hujayralar foydalanadi fermentlar reaktsiyalar yuzaga kelishi uchun zarur bo'lgan energiya miqdorini kamaytirish. Shunday qilib fermentlar deyiladi katalizatorlar chunki ular reaksiyalarni osonlashtiradi va tezlashtiradi, lekin ular reaksiyaga kirmaydi.

Fermentlar reaksiyalarning aktivlanish energiyasini pasaytiradi, chunki fermentlar (1) reaktivlar bilan bog'lana oladi (substrat), (2) reaktivlarni majburlash (substrat molekulalari) bir-biriga juda yaqin va (3) substrat molekulalarini egib, ularning elektron konfiguratsiyasini beqarorlashtiradi. Bu molekulalarni beqaror va reaktiv qiladi.

  • Fermentning substrat bog'laydigan joyi deyiladi substratni bog'lash joyi yoki faol sayt fermentdan. Allosterik sayt - faol saytdan boshqa sayt.
  • Apoenzim = oqsil qismi
  • Kofaktorlar = oqsil bo'lmagan atomlar yoki molekulalar apoferment bilan bog'lanadi. Ular organik molekulalarga bo'linadi = kofermentlar, va noorganik elementlar = metall ionlari.
  • Koenzimlar = NAD+ (nikotinamid adenin dinukleotid), FAD (flavin adenin dinukleotid), CoA (koenzim A)
  • Metall ionlari = Temir, mis, kaltsiy, rux, magniy.
  • Holoenzim = Apoenzim + Kofaktor

III. Ferment funktsiyasiga ta'sir qiluvchi omillar: (to'yinganlikni unutmang!)
1) pH
2) Harorat
3) Substrat konsentratsiyasi
4) Ferment konsentratsiyasi

IV. Fermentlarni inhibe qilish:
a) Raqobatni inhibe qilish: Oddiy substratga o'xshash tuzilishga ega bo'lgan molekula fermentning faol joyini egallashi (va blokirovka qilishi) mumkin. Ko'proq substrat qo'shish orqali teskari bo'lishi mumkin. Masalan, foliy kislotasi sintetaza PABA ---> foliy kislotasini bog'laydi. Dori sulfanilamid kimyoviy tuzilishga ega PABA ga juda o'xshash va preparat fermentning faol joyiga bog'lanadi. Folik kislota sintetazasi sulfanilamidni hech narsaga aylantira olmaydi.

b) raqobatdosh bo'lmagan taqiqlash: Inhibitorlar (masalan, qo'rg'oshin yoki boshqa metallar) fermentning shaklini o'zgartiradigan allosterik joyga bog'lanishi mumkin. Endi, faol sayt boshqacha va substrat bilan bog'lana olmaydi.

METABOLIZMADA ENERGIYA OQIMI
Metabolizmdagi energiya ko'pincha elektronlar hisobidan oqadi. Agar elektronlar yo'qolsa, bu deyiladi oksidlanish. Agar elektronlar olinsa, bu deyiladi kamaytirish. Oksidlanish qaytarilish bilan bog'lanadi ya'ni, agar biror narsa oksidlansa, boshqa narsa kamayadi (termodinamikaning birinchi va ikkinchi qonunlarini eslang!).

Biz o'rganadigan oksidlanish va qaytarilishlarning aksariyatida, elektronlar (e-) protonlar (H+) bilan harakatlanadi.. Shunday qilib, vodorodlarni kuzatish molekula oksidlangan yoki kamayganligini aniqlashning qulay usulini beradi.

Shuningdek, biz ko'rib chiqadigan ko'plab oksidlanish-qaytarilish reaktsiyalarida nikotinamid adenin dinukleotid molekulasi (NAD) vazifasini bajaradi elektron-shuttle. NAD ga qisqarishi mumkin NADH 2 , so'ngra elektronlarni boshqa reaksiyaga o'tkazing va yana OKSILADI NAD. Boshqa so'zlar bilan aytganda, NAD bir reaksiyadan elektronlarni olib, boshqasiga o‘tkazishi mumkin.

E'tibor bering, qachon molekula oladi OKSIDLANISH ENERGIYANI YO'qotadi. Bundan tashqari, molekula qanchalik kamaygan bo'lsa, unda shunchalik ko'p energiya mavjud. (NAD va oksidlanish-qaytarilish reaksiyalarining tavsifi uchun 121-122-betlarga, 5.8 va 5.9-rasmlarga qarang.)

Katabolizmning ko'p holatlarida yakuniy maqsad (oziq-ovqat manbai) molekuladan energiya olish, energiyani ushlab turish va uni saqlashdir. ATP.

ATP hosil qilishning uchta usuli mavjud:

1.) Substrat darajasidagi fosforlanish- qayerda a yuqori energiyali fosfat oraliq fosforlangan metabolizmdan molekulasi to'g'ridan-to'g'ri o'tkaziladi ADP ga aylantiruvchi katabolik yo'lda ATP.

2.) Oksidlanishli fosforlanish - bu erda (oziq-ovqat manbai) molekulasi oksidlanadi va energiya elektronlardan a tomonidan olinadi elektron transport zanjiri.
Keyin olingan energiya ishlab chiqarish uchun ishlatiladi ATP deb nomlanuvchi jarayon orqali kimyosmoz.

3.) Fotofosforlanish - Bu faqat fotosintezni amalga oshiruvchi hujayralarda kuzatiladi. Shu yerda, yorug'lik energiyasi elektronlarni hosil qilish uchun ishlatiladi va keyin energiya elektronlardan a tomonidan chiqariladi elektron transport zanjiri. Oksidlanishli fosforlanishda bo'lgani kabi, olingan energiya hosil qilish uchun ishlatiladi ATP tomonidan kimyosmoz.

  • Aerobik nafas olish, bunda kislorod oxirgi elektron qabul qiluvchi hisoblanadi
  • Anaerob nafas olish, bunda kisloroddan boshqa noorganik molekula oxirgi elektron qabul qiluvchi hisoblanadi
  • Fermentatsiya, bunda organik molekula oxirgi elektron qabul qiluvchi hisoblanadi va
  • Fotosintez, bunda nurlanish energiyasi kimyoviy energiyaga aylanadi

Yoqilg'i manbai sifatida glyukozaning nafas olishi 3 bosqichda sodir bo'ladi: glikoliz, Krebs tsikli va elektron tashish zanjiri.

Glyukoza + 6O 2 ----> 6CO 2 + 6H 2 O + energiya

  • a ning qisman parchalanishi (oksidlanishi). glyukoza molekula (6-C molekulasi) ichiga kiradi 2 piruvik kislota molekulalar (3-C molekulalari).
  • 2 ta ATP dan foydalanadi va 4 ta ATP hosil qiladi. Shunday qilib, 2 ATP ning aniq daromadi mavjud
  • M2 NADH 2
  • Uglerod molekulalarining keyingi oksidlanishi
  • Pirouzum kislotasi ---> asetil-KoA + CO 2
  • Oksaloasetik kislota (4C) + atsetil-KoA (2C) bilan regeneratsiya
  • Ko'p NADH (3-4 molekula), 2 FADH 2 ishlab chiqariladi va CO 2 ning 6 molekulasi chiqariladi.

Bu membranaga singdirilgan bir qator fermentlardir. Ushbu fermentlar membranadan vodorod ionlarining kimyosmotik gradientini o'rnatish uchun foydalanadi. Vodorod ionlarining bunday gradienti a deyiladi proton harakatlantiruvchi kuch va bu kuch ATP sintetaza uchun energiya beradi.

Elektron tashish zanjiri fermentlari bir qator oksidlanish-qaytarilish elektron tashuvchi molekulalar va proton nasoslaridir. Bu fermentlar glikoliz va Krebs siklidagi elektronlardagi energiyadan protonlarni konsentratsiya gradientiga qarshi harakatlantirish uchun foydalanadi. proton harakatlantiruvchi kuch.

ning mitoxondriyalarida eukaryotlar, 3 juft proton elektron tashish tizimi boʻylab bir martalik aylanish jarayonida ichki va tashqi mitoxondriyal membranalar orasiga “tashqariga chiqariladi” va ularning qayta kirishi natijasida 3 ta ATP molekulasi hosil boʻladi. Biroq, ichida prokaryotlar, ko'pincha kamroq protonlar membrana bo'ylab bir marta (2 juft dyuym) tashiladi E. coli) shuning uchun kamroq ATP hosil bo'ladi (2 dyuym E. coli). Biroq, printsip bir xil.

  • Pirouzum kislotaning metabolizmi va yakuniy elektron qabul qiluvchi sifatida organik molekuladan foydalanadi
  • Kislorodni talab qilmaydi
  • NAD+ va NADP+ regeneratsiyasi
  • Juda kam energiya ishlab chiqariladi (1 yoki 2 ATP asosan glikolizdan)
  • Yakuniy mahsulotlar: sut kislotasi, CO 2, etanol, butandiol, propion kislotasi, süksin kislotasi, sirka kislotasi va boshqalar.
  • Krebs tsikli yoki elektron tashish zanjiri yo'q
  • Faqat anaerob va fakultativ bakteriyalarda uchraydi

Fermentatsiya va aerob nafas olish o'rtasidagi taqqoslash.

O'z ichiga olgan yo'llar Yakuniy elektron qabul qiluvchi Net mahsulotlar
Fermentatsiya glikoliz organik molekulalar 2 ATP, CO2, etanol, sut kislotasi va boshqalar
Nafas olish glikoliz, Krebs sikli, elektron tashish zanjiri kislorod 38 ATP, CO2, H2O

  • Bu bitta glyukoza molekulasi uchun ekanligini unutmang!
  • NADH 3 ta ATP molekulasini ishlab chiqaradi
  • FADH 2 ta ATP molekulasini ishlab chiqaradi
  • Esingizda bo'lsin, biz faqat uglevod almashinuvini ko'rib chiqamiz, ammo yog 'kislotalari va oqsillarning metabolizmi deyarli bir xil katabolik yo'llar bilan boradi.
  • Bundan tashqari, biz oddiy komponentlardan murakkab molekulalarni yaratish uchun ishlatiladigan anabolik yo'llarni, yo'llarni ko'rmadik.

ORGANIZMLARNING OZIQLANISH NASHINI BOʻYICHA TASNIFI:

Energiya ish qilish qobiliyatidir. Bakteriyalar harakatchanligi, ozuqa moddalarining hujayra ichiga faol tashilishi hamda nukleotidlar, RNK, DNK, oqsillar, peptidoglikan va boshqalar kabi hujayra tarkibiy qismlarining biosintezi uchun energiya talab qiladi.Boshqacha aytganda, har xil kimyoviy reaksiyalarni olib borish uchun energiya talab qilinadi.

Energiya olish uchun bakteriyalar (kimyoheterotroflar) glyukoza kabi energiyaga boy birikmalarni hujayra ichiga oladi va energiyani chiqarish uchun ularni fermentativ ravishda parchalaydi. Shuning uchun bakteriyaga yo'l kerak tuzoq Bu energiyani issiqlik sifatida isrof qilmaslik uchun chiqaradi va energiyani hujayralar tomonidan ishlatilishi mumkin bo'lgan shaklda saqlaydi. Asosan, energiya tuzoqqa olinadi va shaklida saqlanadi adenozin trifosfat yoki ATP. Oddiy o'sish uchun juda ko'p ATP kerak. Misol uchun, tipik o'sayotgan E. coli hujayrasi taxminan sintez qilishi kerak Bir soniyada 2,5 million molekula ATP energiya ehtiyojlarini qondirish uchun.

  • yorug'lik - fototrof
  • oksidlanish - organik va noorganik birikmalarning qaytarilishi - kimyotrof
  • karbonat angidrid -- avtotrof (O'z-o'zidan oziqlantiruvchilar)
  • organik birikmalar - heterotrof

Kimoheterotroflar= organik molekulalardan energiya va uglerod
Kimyoavtotroflar= qaytarilgan noorganik birikmalar energiyasi va uglerod manbai sifatida CO 2.


ATP sintaza

Ba'zi hayot shakllari hayot jarayonlarini kuchaytirish uchun erigan moddalarning yuqori konsentratsiyali hududdan past konsentratsiyaga o'tish tendentsiyasidan foydalanadi. ATP sintaza – ATP ishlab chiqaradigan oqsil – vodorod ionlarining kontsentratsiyasi gradientiga tayanadi. Ionlar membranani kesib o'tish va gradientni yumshatish uchun ATP sintazasidan o'tganda, ATP sintaza energiyani ADP ga fosfat guruhini qo'shishga o'tkazadi va shu bilan energiyani yangi hosil bo'lgan bog'da saqlaydi.

Neyronlar va natriy/kaliy pompasi

Neyronlar katta miqdorda energiya sarflaydilar - tananing barcha kaloriyalarining taxminan 20-25%, odamlarda - kaliyni o'z hujayralariga pompalaydi va natriyni tashqariga chiqaradi. Natijada nerv hujayralari ichidagi kaliyning juda yuqori konsentratsiyasi va tashqarida natriyning juda yuqori konsentratsiyasi. Kaliydan beri

Hujayralar muloqot qilganda, ular natriy va kaliyning o'tishiga imkon beruvchi ion eshiklarini ochadilar. Natriy / kaliy kontsentratsiyasining farqlari shunchalik kuchliki, ionlar bir zumda hujayradan chiqib ketishni "xohlaydilar". Ionlar elektr zaryadlanganligi sababli, bu aslida hujayraning elektr zaryadini o'zgartiradi.

Ushbu "elektrokimyoviy" signal shunchaki kimyoviy signaldan ko'ra tezroq tarqaladi, bu bizga tezda idrok qilish, o'ylash va javob berish imkonini beradi. Neyronlarning natriy/kaliy nasosiga xalaqit beradigan muammolar juda tez o'limga olib kelishi mumkin, chunki yurak mushagining o'zi bu elektrokimyoviy impulslarga tayanib, bizni tirik qolish uchun qonni pompalaydi. Bu neyronlardagi natriy/kaliy kontsentratsiyasi gradientini inson hayotidagi eng muhim konsentratsiya gradientiga aylantiradi!

Glyukoza/natriy simport nasosi

Glyukoza-natriy simport nasosi natriy/kaliy gradientidan ham foydalanadi.

Hujayralar duch keladigan muammolardan biri glyukozaning harakatlanishidir - bu mayda natriy ionlariga nisbatan katta va harakatlanishi qiyin - va ko'pincha ularning kontsentratsiyasi gradientiga qarshi harakatlanishi kerak. Ushbu muammoni hal qilish uchun ba'zi hujayralar glyukoza harakatini kaliy harakati bilan "birlashtirdi", agar u o'zi bilan glyukoza molekulasini olib ketsa, natriyning kontsentratsiya gradientini pastga siljitishga imkon beradigan oqsillar yordamida.

Bu hujayralar fizikaning asosiy qonunlaridan hayot funktsiyalarini bajarish uchun innovatsion usullardan foydalanish usullarining yana bir misolidir.

O'pka va gillalar

Konsentratsiya gradientlarining eng keng tarqalgan misollari suvda erigan qattiq zarralarni o'z ichiga oladi. Ammo gazlar ham konsentratsiya gradientiga ega bo'lishi mumkin.

Inson o'pkalari va baliqlar ’ gillalar ham bizni tirik qolish uchun kontsentratsiya gradientlaridan foydalanadi. Kislorod har qanday boshqa moddalar singari kontsentratsiya gradientlari qoidalariga rioya qilganligi sababli, u yuqori konsentratsiyali joylardan past konsentratsiyali hududlarga tarqaladi. Bu degani, u havodan kislorod kamaygan qonimizga tarqaladi.

O'pka va g'unajinlar kislorod bilan eng kam bo'lgan qonimizni o'pkamiz va gillalar yuzasi bo'ylab tez o'tkazib, bu jarayonni samaraliroq qiladi. Shunday qilib, kislorod doimo unga eng ko'p muhtoj bo'lgan qon hujayralariga tarqaladi.

1. Quyidagi qonunlardan qaysi biri konsentratsiya gradientlarining qanday ishlashini tavsiflaydi?
A. Harakatdagi jismga tashqi kuch ta'sir qilmasa, harakatda qolishga intiladi.
B. Tizimlar har doim yuqori tasodifiy holatga o'tadi.
C. Moddalar yuqori konsentratsiyali joylardan past konsentratsiyali joylarga tarqaladi.
D. Ham B, ham C.

2. Quyidagilardan qaysi biri natriy/kaliy kontsentratsiyasi gradientiga to‘g‘ri kelmaydi?
A. To'g'ri transport oqsiliga ega bo'lsangiz, siz energiya sarflamasdan moddani konsentratsiya gradientiga qarshi harakat qilishingiz mumkin.
B. Moddalarni kontsentratsiya gradientiga qarshi harakatga keltiradigan transport oqsillari ishlashi uchun energiya bilan ta'minlanishi kerak.
C. Hujayralar molekulalarni parchalashi va energiya sarflashi, moddalarni kontsentratsiya gradientiga qarshi harakatlantirishi kerakligi sababli, bu harakat termodinamika qonunlarini buzmaydi.
D. Yuqoridagilardan hech qaysi biri.

3. Agar moddalar kontsentratsiya gradientini pastga siljitishga moyil bo'lmasa, biz quyida keltirilganlardan qaysi birini bajara olmagan bo'lardik?
A. O'ylab ko'ring
B. Ko'chirish
C. Nafas olish
D. Yuqoridagilarning barchasi


Xulosa

Hujayra membranalari orqali ionlarning uzluksiz harakatlanishi ikki turdagi chegara qo'riqchilari tomonidan nazorat qilinadi: ion kanallari va ion nasoslari. Ochiq kanallar tanlangan ionlarning elektr va kontsentratsiya gradientlari bo'ylab tez tarqalishiga imkon beradi, ion nasoslari esa ionlarni termodinamik ravishda yuqoriga ko'tarish uchun energiya sarflab, gradientlarni saqlab qolish uchun tinimsiz mehnat qiladi. Diametral qarama-qarshi vazifalar va kanallar va nasoslarning turli xil tezliklari tufayli ular an'anaviy ravishda bo'r va pishloq kabi mutlaqo boshqa ob'ektlar sifatida ko'rib chiqilgan. Ammo molekulyar mashinalarning ikkala sinfi haqidagi yangi strukturaviy va mexanik ma'lumotlar ushbu qulay ajratishni qiyinlashtiradi va uni qayta baholashga majbur qiladi.


Munozara

Biz RND oqim nasoslari faoliyatini kuzatish imkonini beruvchi faoliyat tahlilini ishlab chiqdik. Bizning natijalarimiz transportda MFPning mumkin bo'lgan ta'siriga oid bahs-munozaralarga biroz oydinlik kiritishi mumkin.Nikaido va Ayresning oldingi ishlari natijalari bilan kelishilgan holda, biz bu erda MexA oqim pompasi orqali haqiqiy bog'langan transportning asosiy elementi ekanligini ko'rsatamiz. Bundan farqli o'laroq, Venter guruhi MexB MexA 12 yo'qligida faqat Hoechst 33342 ni tashishga qodir ekanligini ko'rsatdi. Tegishli natijalarimiz orasidagi farq bizning laboratoriyalarimizda qo'llaniladigan turli xil eksperimental protseduralardan kelib chiqishi mumkin. Haqiqatan ham, bizning protokolimizda ichkaridan tashqariga qayta tiklash butun funktsional kompleksni o'z ichiga oladi va natijada olingan qamoq MexB va uning MFP sherigi o'rtasidagi o'zaro ta'sir qilish ehtimolini oshiradi. Bundan farqli o'laroq, Venter va uning hamkasblari "to'g'ridan-to'g'ri qo'shilish" eksperimentini o'tkazdilar, unda MexB bir tomonlama, o'ng tomondan tashqariga kiritiladi. Bunday sharoitda funktsional yig'ilishga erishish qiyinroq bo'ladi, chunki MFP bu holda bizning ichimizdagi lipozomalarga qaraganda ancha katta hajmni o'rganishi kerak bo'ladi.

Biz MexB o'zini xuddi substrat mavjudligi bilan kuchaytiriladigan bazal proton nasos faolligini ushlab turishga qodir ekanligini ko'rsatamiz. Bu xatti-harakat, funktsional jihatdan bog'liq bo'lgan ABC oqsillari oilasidagi oqsillarni eslatadi, ular substratlar 13 mavjudligi bilan kuchaytirilgan bazal ATPaz faolligini namoyish etadi. Qizig'i shundaki, yaqinda ABC tashuvchisi MacB ekanligi ko'rsatildi E. coli MFP va OMP bilan birgalikda ishlaydigan, MexA 14,15 bilan chambarchas bog'liq bo'lgan o'z qarindosh MFP oqsili MacA ishtirokida kuchaytirilgan bazal ATPaz faolligini namoyish etadi. Shuni esda tutingki, biz substratsiz sharoit deb hisoblagan narsa, aslida tizimning ba'zi endogen birikmalar (masalan, lipidlar, tozalashdan qolgan) bilan ifloslangan bo'lishi mumkin emasligini istisno qila olmaymiz. nasos.

Bizning protokolimiz RND oqim nasosi MexB va umuman olganda, barcha pmf bilan faollashtirilgan membrana oqsillari faoliyatini yaxshiroq tushunishga yo'l ochadi. Biroq, biz ushbu protokoldan Efflux Pump Inhibitors (EPI) skriningi uchun ham foydalanishni nazarda tutamiz, chunki bizning protokolimiz osonlikcha kichraytirilishi, avtomatlashtirilishi mumkin (masalan, Tegishli optik filtrlar bilan jihozlangan 96 quduqli plastinka o'quvchida) va parallellashtirilgan: bu kontekstda o'lchovni ishga tushirish uchun kalit sifatida BR dan foydalanish, albatta, aktivdir, chunki u suspenziyaning har qanday ikkinchi qo'l manipulyatsiyasini yo'q qiladi.


Xulosa

Ushbu maqola mikrosuyuqlik tizimlaridan foydalangan holda eritmada yoki sirtda kompozitsiyada gradientlarni yaratishning oddiy, ko'p qirrali usulini tavsiflaydi. Bu usul mikrokanallar tarmog'i ichida laminar, past Reynolds sonida oqadigan eritmalardagi turlarni boshqariladigan diffuziv aralashtirishga asoslangan. Biz eritmalar tarkibidagi (1) to'g'ridan-to'g'ri kolorimetrik tahlillar bilan o'lchanadigan gradientlarni va (2) eting reagentlarining kontsentratsiya gradientlarini hosil qilish natijasida hosil bo'lgan sirt topografiyasidagi gradientlarni yaratish uchun ushbu protseduradan foydalanishni ko'rsatamiz, so'ngra bu gradientlarni o'ymak uchun ishlatamiz. profillarni substratga joylashtiring. Bu erda ko'rib chiqilgan gradientlarning 350 dan 900 mkm gacha bo'lgan lateral o'lchamlari mikrokanallarning kengligi bilan belgilanadi. Ushbu usul yordamida turli o'lchamdagi, o'lchamdagi va shakldagi gradientlar yaratilgan. Suyuqliklarning kirish oqimlarining nisbiy oqim tezligini o'zgartirish orqali gradientlarning shakli doimiy ravishda o'zgartirilishi mumkin (dinamik gradientlar). Usul eksperimental jihatdan sodda va yuqori darajada moslashuvchan bo'lib, tezkor prototiplash orqali osongina tayyorlanishi mumkin bo'lgan elastomerik relyef strukturasidan tashqari maxsus jihozlarni talab qilmaydi. Ushbu uslub kontsentratsiyadagi gradientlarga bog'liq bo'lgan hodisalarni, ayniqsa hujayra biologiyasidagi dinamik hodisalarni (xemotaksis va haptotaksis) va sirt kimyosini (kristallarning yadrolanishi va o'sishi, etching va Marangoni effektlari) o'rganish uchun yangi platformani taqdim etadi.


6.6: Gradientlarni hosil qilish: bog'langan reaktsiyalar va nasoslardan foydalanish - Biologiya

Ion kuchi va Debay-Gakl qonuni

Shu paytgacha biz juda yaxshi xulq-atvorli narsalar bilan shug'ullanganmiz: ideal gazlar, ideal eritmalar, suyultirilgan ideal eritmalar. Biz ma'lum chegaralarni, masalan, erigan moddalarning past konsentratsiyasini saqlagan ekanmiz, biz tashvishlanmasdan turib oldik. faoliyat koeffitsienti va ideal emasligi haqida juda aniq. Biroq, eritmalarda (asosan suv va barcha biokimyoviy eritmalar) juda keng tarqalgan molekulalarning bir turi mavjudki, biz uni e'tiborsiz qoldira olmaymiz, ammo u haqiqatan ham juda yomon. Bu ionlar. Tuzni (NaCl) suvda eritganda nima bo'lishini o'ylab ko'ring. Natriy va xlorid ionlari bir-biridan ajralib, Na + va Cl - hosil qiladi. Ushbu reaksiya oldinga siljishining sababi, tuz kristallari erishi natijasida entropiyaning oshishiga olib keladi. Biroq, tuz moy kabi ko'plab boshqa suyuqliklarda erimaydi. Buning sababi shundaki, entropiyaning ortishi bilan bir qatorda ionlar va eritma o'rtasida eruvchan shakldagi ionlarni barqarorlashtirishga yordam beradigan o'zaro ta'sirlar bo'lishi kerak. Suv juda qutbli va har doim o'zini shunday tekislashi mumkinki, ularning ko'proq musbat vodorodlari Cl ga - va ularning ko'proq salbiy kislorodlari Na + ga ishora qiladi. Bu tizimning Gibbs bo'sh energiyasini kamaytiradi, bu esa anionlar (Cl - kabi manfiy ionlar) va kationlarning (Na + kabi musbat ionlar) eritmada ajralishiga imkon beradi.

Ionlarning o'zlarini muhokama qilishdan tashqari, biz eritmadagi molekulalarga elektron qo'shish yoki olib tashlash orqali ionlarni hosil qiladigan yoki ishlatadigan reaktsiyalarni ham muhokama qilamiz.

Ko'p turdagi solvatsiya reaktsiyalari, qaytarilish/oksidlanish reaktsiyalari yoki ionlanish reaktsiyalari bilan biz neytral turni (masalan, NaCl) olib, ikkita zaryad turiga (masalan, Na + va Cl -) aylantiramiz.

Har doimgidek, Gibbsning erkin energiyasi, entalpiyasi va bunday reaktsiyalarning entropiyasi haqida gapirish mumkin. Ammo, agar biz bu reaktsiyalarni Gibbs energiyasi, entalpiya va reaktsiyadagi har bir turning hosil bo'lish entropiyasiga ajratishga harakat qilsak, biz eritmadagi natriy kationining Gibbs energiyasi kabi narsalarni aniqlaymiz. Shunga qaramay, eritmada faqat natriy kationini hosil qilishning hech qanday usuli yo'q (bu zaryad balansini buzadi). Shunday qilib, biz faqat ion juftlarini hosil qilishning Gibbs energiyasini aniqlashimiz mumkin. Bu hech qanday haqiqiy fizik kimyo muammolarini keltirib chiqarmaydi, lekin kitob yuritish muammosini keltirib chiqaradi: natriy kationlari hosil bo'ladigan har qanday reaktsiyada foydalanishimiz uchun natriy kationining Gibbs energiyasini qanday qilib kitobga yozishimiz mumkin?

Javob shundaki, biz bir xil standart ion H + (haqiqatdan ham H ga o'xshash narsa) bilan tanishamiz3O + ) va biz boshqa barcha ionlarning hosil bo'lish erkin energiyasini bunga nisbatan aniqlaymiz. Masalan, HCl ni suvda H + va Cl - hosil qilish uchun eritganimda Gibbs energiyasining o'zgarishini o'lchashim mumkin.

HCl(g) H + (aq) + Cl - (aq) D G 0 1

Endi men H + ning hosil bo'lishining Gibbs energiyasini nolga teng qilib, keyin Cl - hosil bo'lishining nisbiy Gibbs energiyasini aniqlay olaman.

D G 0 1 = D G 0 F(H + ) + D G 0 F(Cl - ) - D G 0 F(HCl)

D G 0 F(Cl - ) = D G 0 1 + D G 0 F(HCl)

Buni bilib, Na + va Cl - hosil qiluvchi eritmada NaCl ni eritishning Gibbs energiyasini o'lchashim mumkin.

NaCl(lar) Na + (aq) + Cl - (aq) D G 0 2

D G 0 2 = D G 0 F(Na + ) + D G 0 F(Cl - ) - D G 0 F(NaCl)

D G 0 F(Na + ) = D G 0 2 + D G 0 F(NaCl) - D G 0 F(Cl - )

Endi menda Cl - uchun Gibbs hosil bo'lish energiyasining qiymati bor, shuning uchun Na + ning hosil bo'lish Gibbs energiyasining qiymatini aniqlay olaman. Men H + ga nisbatan barcha individual ionlar uchun Gibbs hosil bo'lish energiyasiga ega bo'lgunimcha, bitta ion juftini boshqasiga bog'lab, buni davom ettira olaman. Bu qadriyatlarni men kitobga kiritishim mumkin. Bu ishlaydi, chunki biz bitta ionni yaratganimizda, biz har doim boshqasini yaratamiz. Shunday qilib, bizga faqat ionlar uchun nisbiy Gibbs hosil bo'lish energiyasi kerak -- ikkita ion uchun Gibbs energiyalarining kombinatsiyasi mutlaqo to'g'ri bo'lishi kerak. Elektron bir turdan ikkinchi turga o'tadigan reaktsiyalar uchun standart Gibbs energiyasi (yoki entalpiya yoki entropiya) haqida gapirish uchun keyingi bobda xuddi shu hiyla ishlatamiz, chunki bu har doim ikkita ionning hosil bo'lishi yoki iste'mol qilinishini o'z ichiga oladi. Gibbs energiyalari, entalpiyalari va ionlarning hosil bo'lish entropiyalari jadvalini yaratganingizdan so'ng, siz ularni har qanday kimyoviy moddalar uchun ishlatganingiz kabi ishlatasiz.

Boshqacha qilib aytadigan bo'lsak, ionlar ishtirokidagi har qanday reaktsiya uchun siz mahsulotlarning hosil bo'lishining barcha Gibbs energiyalarini (yoki entalpiyalari yoki entropiyalarini) olishingiz va ularni qo'shishingiz va keyin reaktivlarning hosil bo'lishining Gibbs energiyalarini ayirishingiz mumkin. o'tmishda.

Yaxshi, yuqorida aytib o'tganimdek, ionlar bilan bog'liq muammolardan biri shundaki, ular uzoq masofalarda bir-biri bilan juda kuchli o'zaro ta'sirga ega. Shunday qilib, hatto juda suyultirilgan eritmalar ham ideal bo'lmagan tarzda harakat qiladi. Shunday qilib, ionlar bilan faollik koeffitsientlari bir xil bo'ladi. Shu sababli, biz boshqa kimyoviy turlarga qaraganda ionlarning faolligini tez-tez hisoblashimiz kerak (to'g'risini aytganda, biz neytral turlar bilan kamdan-kam bezovtalanamiz). Ionlarning faolligi ularning kontsentratsiyasidan deyarli ikki marta farq qilishi odatiy hol emas. Darhol biz yana ion juftligi muammosiga duch kelamiz. Muammo shundaki, biz Gibbsning erkin energiyasini yoki alohida ionlarning kimyoviy potentsiallarini o'lchay olmaymiz, faqat ion juftlari:

Biz kimyoviy potentsiallarni odatdagi tarzda kengaytirishimiz mumkin:

Ko'rib turganingizdek, kation va anionning faollik koeffitsientlarini ajratib bo'lmaydi. Biz faqat ularning mahsulotidir. Shunday qilib, biz anion va kation koeffitsientlarining o'rtacha geometrik qiymati bo'lgan yangi ion faollik koeffitsientini aniqlaymiz. NaCl kabi oddiy monovalent ion juftligi uchun bu shunchaki:

M n+ X m- kabi bir yoki bir nechta ko'p valentli ionlari bo'lgan tuz uchun u bo'ladi

Bu biz odatda foydalanadigan narsa. Biroq, bu borada muammolar va noaniqliklar mavjud. Ikki monovalent ion bilan yakunlanadigan NaCl kabi narsa uchun bu juda oddiy. Ammo CaCl haqida nima deyish mumkin?2? Bu erda siz bir valentli va ikki valentli ion uchun faollik koeffitsientining o'rtacha qiymatini olasiz. Eritmada boshqa ionlar ham mavjud bo'lganda, bu yanada chalkash bo'ladi. Esda tutish kerak bo'lgan narsa shundaki, bu ma'lum bir ion juftining o'zini qanday tutishini kuzatishning bir usuli.

Keyinchalik, ushbu o'rtacha faollik koeffitsientlari nima ekanligini baholash usuli haqida gaplashamiz. Bular faqat taxminlar va faqat haqiqiy vaziyatning taxminiy ko'rsatkichini berish uchun mo'ljallangan. Hisob-kitoblar foydalidir, chunki ular sizga ideal bo'lmagan narsa bilan qanday kurashishingiz kerakligini aytadi. Biroq, ular odatda juda aniq tuzatishlar bermaydilar. (Ular juda past konsentratsiyali ionlar uchun aniqroqdir.) Biz foydalanadigan usul Debay-Gukkel cheklovchi qonuni deb ataladi. Qonun eritmaning qanchalik ion ekanligini va ma'lum bir ion juftligining kontsentratsiyasining o'lchovi bo'lgan umumiy ion kuchini ion juftligi uchun o'rtacha faollik koeffitsienti bilan bog'laydi. Ushbu qonunni qo'llashdan oldin ion kuchini o'rganishimiz kerak.

Ion kuchini hisoblash.

Yuqorida aytib o'tilganidek, eritmaning ion kuchi mavjud ionlar miqdorining o'lchovidir. Siz taxmin qilganingizdek, ikki valentli ion (2+ yoki 2- ion, Ca 2+ kabi) eritmani monovalent ionga (masalan, Na +) qaraganda ko'proq ion qiladi. Buni hisobga olish kerak. Esda tutish kerak bo'lgan yana bir muhim narsa shundaki, eritmaning ion kuchi kontsentratsiyalarga bog'liq hamma faqat siz faollik koeffitsientini hisoblayotgan ion jufti emas, balki eritmadagi ionlar. Shunday qilib, agar siz erigan CaCl ning o'rtacha faollik koeffitsientini hisoblasangiz2, lekin erigan NaCl ham mavjud, siz foydalanadigan ion kuchi barcha ionlarning hissasiga ega.

Ion kuchining formulasi. Ion kuchi ba'zan siz o'qigan kitobingizga qarab molal (yoki molyar) birliklari bilan ifodalanadi va boshqa vaqtlar birliksiz (bu sizning kitobingizdagi holat) deb aytiladi. Aksariyat hollarda ion kuchi birliksiz hisoblanadi va standart holatga (1 molal) nisbatan konsentratsiyalardan hisoblanadi. Oddiylik uchun men standart molalitetlarni quyidagi tenglamadan tashqarida qoldirdim, lekin printsipial jihatdan barcha kontsentratsiyalar 1 M ga bo'lingan. Ushbu formulani qanday qo'llashni ko'rishning eng oson yo'li bir nechta misollarni ko'rib chiqishdir. Avval 100 mM NaCl ni ko'rib chiqing. Eriganda 100 mM Na + va 100 mM Cl - olinadi. Shunday qilib

E'tibor bering, ikkita monovalent ionning oddiy tuzi uchun ion kuchi faqat tuzning konsentratsiyasidir. MgCl kabi bir yoki bir nechta multivalent ionlari bo'lgan tuz uchun bu to'g'ri kelmaydi2. Ushbu tuzning 100 mM eritmasi uchun:

E'tibor bering, Mg kationi ikki valentli va shuning uchun zaryad kvadrat bo'lganligi sababli u katta ta'sirga ega. Shuni ham yodda tutingki, xlorid anioni ikki baravar konsentratsiyada mavjud, chunki tuz molekulasida ikkita xlorid ioni mavjud. Eritmaning pH qiymati 4,75 (pK) ga qadar NaOH bilan titrlangan 100 mM NaCl plyus 100 mM sirka kislota eritmasining ion kuchi qanday?A sirka kislotasi)? pH pK ga teng bo'lgandaA, bu sirka kislotasining yarmi konjugat asosga, natriy asetatga aylantirilganligini anglatadi. Sirka kislota zaryadsiz va ion kuchiga hissa qo'shmaydi. Ammo natriy asetat to'liq ionlanib, asetat anionlari va natriy kationlarini hosil qiladi. Yarim konvertatsiya qilinganligi sababli, har birining 50 mM i bor. Keyin 100 mM NaCl qo'shishimiz kerak. Shunday qilib, 50 mM asetat anioni, 150 mM natriy anioni va 100 mM xlorid anioni mavjud:

Faoliyat koeffitsientlarini hisoblash.

Endi biz aslida Debay-Gukkel cheklovchi qonunining o'zidan foydalanamiz. Debay-Gukkel nazariyasini qo'llashda uchta juda muhim narsa bor. Birinchidan, u faqat ionlarga tegishli. Zaryadlanmagan molekulalar ushbu nazariyaga ko'ra 1,0 faollik koeffitsientiga ega (aslida bu to'g'ri emas, lekin ularning faollik koeffitsientlari ionning faolligidan ko'ra 1 ga yaqinroq bo'ladi). Ikkinchidan, tenglamada ko'rinadigan to'lovlar faqat siz faollik koeffitsientini hisoblayotgan tuzning zaryadlari. Nihoyat, siz hisoblashingiz mumkin bo'lgan yagona narsa o'rtacha siz ko'rib chiqayotgan tuzni tashkil etuvchi ikki ionning faollik koeffitsienti. MgCl uchun2, Mg 2+ faollik koeffitsientini Cl - dan alohida hisoblash uchun ushbu nazariyadan foydalana olmaysiz, faqat ikkita faoliyatning geometrik o'rtacha qiymatini hisoblashingiz mumkin, .

Debay-Gukkel cheklovchi qonuni bu erda 25 C da suv uchun A=0,509. (A empirik doimiydir.) Yuqorida keltirilgan atsetat/sirka kislotasi misolida natriy asetat ionlari o'rtacha faollik koeffitsientiga ega bo'ladi:

E'tibor bering, ion kuchi ga teng butun eritma, zaryadlar natriy asetat ionlariga tegishli bo'lsa, biz faollik koeffitsientini hisoblaymiz. Shuni esda tuting. Bu ko'plab talabalarni imtihonlarda qoldiradi.

Endi elektronning (manfiy zaryadlangan zarrachaning) bir kimyoviy turdan ikkinchisiga o‘tishi natijasida ionlar hosil bo‘ladigan yoki sarflanadigan reaksiyalarni ko‘rib chiqamiz. Birinchi narsa - yarim reaktsiya tushunchasini ko'rib chiqish. Yarim reaktsiya haqiqiy reaktsiya emas, chunki u hech qachon o'z-o'zidan sodir bo'lmaydi. Uning shakli bor

masalan. Albatta, elektron bir joydan kelishi kerak. Bu yana bir yarim reaktsiya:

Ushbu reaktsiyalarda X kamayadi (elektronlarni qabul qiladi) va Y oksidlanadi (elektronlarni beradi). Agar biz ushbu tenglamalarni qo'shsak, biz haqiqiy reaktsiyaga ega bo'lamiz:

Bir chetga surib, bu rasmiyatchilik va kislotalar va asoslar uchun ishlatadiganimiz o'rtasidagi o'xshashlikka e'tibor bering:

Qaytarilish/oksidlanish reaktsiyalari haqiqatan ham kislota/asos reaktsiyalariga juda o'xshaydi, biri elektronlardan, ikkinchisi protonlardan foydalanadi. Eritmada na protonlar, na elektronlar o'z-o'zidan mavjud bo'lolmaydi -- kislota protonni qabul qilish uchun asosga muhtoj, qaytaruvchi elektronlarni qabul qilish uchun oksidlovchiga muhtoj. Katta farq shundaki, suv ham proton qabul qiluvchi, ham donor sifatida harakat qilishi mumkin. Oddiy sharoitlarda u na elektron qabul qiluvchi, na donor rolini o'ynay olmaydi (siz suvdan elektronlarni olib, vodorod ionlari va kislorod gazini hosil qilishingiz mumkin, ammo bu juda yuqori muhit potentsialidan oshib ketguningizcha sodir bo'ladigan narsa emas). Kislotalar va asoslar uchun bizda pK mavjudA bu kislotaning yarmi konjugat asosga aylantirilgan pH hisoblanadi. Qaytarilish/oksidlanish reaktsiyalari uchun biz o'rta nuqta potentsialiga egamiz, ya'ni qisqartirilgan birikmaning yarmi bir xil birikmaning oksidlangan versiyasiga aylantirilgan kuchlanishdir. Borgan sari parallelliklarni ko'rsatishga harakat qilaman.

Elektrokimyoviy reaktsiyalar ko'pincha elektrokimyoviy hujayralarda amalga oshiriladi (odatiy chiroq batareyalari bunday hujayralarga yaxshi misoldir). Ba'zi til va nomenklatura bor, ular haqida gapirishdan oldin pastga tushishimiz kerak.

Elektrokimyoviy hujayra -- har biri elektrolitlar (kimyo sodir bo'ladigan eritma) bilan aloqa qiladigan elektr bilan bog'langan ikkita elektrodli tizim. Ushbu elektrodlar bir xil eritmada yoki ba'zi vositalar bilan (masalan, tuz ko'prigi) bog'langan ikki xil eritmada bo'lishi mumkin.

Galvanik hujayra -- o'z-o'zidan sodir bo'ladigan reaktsiya elektr energiyasini ishlab chiqaradigan elektrokimyoviy hujayra.

Elektrolitik hujayra - o'z-o'zidan bo'lmagan reaktsiyani amalga oshirish uchun elektr (tashqi kuchlanish) ishlatiladigan elektrokimyoviy hujayra.

Anod -- Bu eritmadan elektronlarni oladigan elektroddir (uni ijobiy yoki salbiy deb o'ylamang, chunki u galvanik yoki elektrolitik hujayra bo'lishiga qarab o'zgaradi).

katod -- Bu eritma ichiga elektronlarni chiqaradigan elektroddir.

Redoks juftligi - Molekulaning oksidlangan va qaytarilgan shakllari, odatda Cu 2+ /Cu sifatida ifodalanadi.

Elektrokimyoviy hujayra belgisi -- Hujayralarni jismoniy ulashning ko'plab usullari mavjud. Men bu haqda ko'p tashvishlanmoqchi emasman, lekin uy vazifangizni bajarish uchun siz elektrokimyoviy hujayralarning tarkibiy qismlarini yozish bo'yicha bir nechta konventsiyalarni bilishingiz kerak bo'ladi. Quyidagi elektrokimyoviy hujayra uchun rasmda biz yozamiz:

Yagona chiziqlar faza chegaralarini, qo'sh chiziqlar esa elektrod bo'linmalari orasidagi tuz ko'prigini ifodalaydi.

Har doimgidek, ionlarni hosil qilish yoki iste'mol qilishda bizda faqat ion juftlarini hosil qilish yoki iste'mol qilish jarayonlarini o'lchashimiz mumkin bo'lgan muammo bor. Shu sababli biz yana standart yarim reaksiyani aniqlaymiz va uning Gibbs erkin energiyasini nolga teng deb ataymiz. Muvofiqlik uchun biz H ning shakllanishini tanlaymiz2(gaz) H + dan:

2H + (aq) + 2e - H2(g) D rG 0 = 0

Bo'sh hosil bo'lish energiyasida bo'lgani kabi, biz har qanday boshqa yarim reaktsiya uchun Gibbs energiyalarining nisbiy standart reaktsiyasini aniqlash uchun juft tenglamalardan (biz o'lchashimiz mumkin) foydalanishimiz mumkin va ularni kitobingizdagi kabi jadvallarga yozishimiz mumkin. .

Va nihoyat, biz qandaydir tarzda elektr dunyosini (chiroqdagi 1,5 voltli batareyangizdagi kuchlanish) ma'lum bir elektrokimyoviy reaktsiya bilan bog'liq bo'lgan Gibbsning erkin energiya o'zgarishi bilan bog'lashimiz kerak. Voltaj nima? Kuchlanish birliklari (siz taxmin qildingiz) Volt.Volt - bu Coulomb uchun Joule. Coulomb nima? Kulon 6,24x10 18 zaryaddir. Molekulalar dunyosi uchun mol qanday bo'lsa, zaryadlangan zarralar dunyosi uchun kulon ham xuddi shunday. Bu biz zaryadlarni o'lchash uchun ishlatadigan o'nlab raqamlar kabi shunchaki raqam. Shunday qilib, kuchlanish (bir zaryad uchun energiya) bizga ma'lum miqdordagi zaryadlarni bir joydan ikkinchi joyga ko'chirishda ishtirok etadigan energiya miqdorini aytadi. Bu molyar erkin energiyadan unchalik farq qilmaydi. Molyar Gibbsning erkin energiyasi - bu bir mol moddani bir shakl yoki holatdan boshqasiga aylantirish uchun zarur bo'lgan erkin energiya miqdori.

Elektrokimyoviy reaktsiya uchun reaksiyaning bo'sh energiyasi u ishlab chiqarishi mumkin bo'lgan kuchlanishga mutanosib bo'lishi ajablanarli emas.

yoki standart shartlar uchun:

Bu erda E - kuchlanish (aslida, bu nol oqim potentsiali - oqimsiz tizim tomonidan ishlab chiqarilishi mumkin bo'lgan maksimal kuchlanish). Proportsionallik konstantasi ikki qismdan iborat. Qism (F, Faraday konstantasi) Gibbsning erkin energiyasi har bir mol asosida, kuchlanish esa kulonda va mol kulondan farqli raqam ekanligini hisobga oladi (6,02 x 10 23 va 6,24). x 10 18). F qiymati atigi 6,02 x 10 23 / 6,24 x 10 18 = 9,65 x 10 4 S/mol. Proportsionallikning boshqa qismi Gibbsning erkin energiyasi oksidlangan yoki kamaytiriladigan kimyoviy moddaning miqdoriga, kuchlanish esa oksidlanish/qaytarilish reaktsiyasi paytida oqadigan elektronlar soniga asoslanganligidan kelib chiqadi. Shunday qilib, n - oksidlanish yoki qaytarilish reaktsiyalarida ishtirok etadigan elektronlar soni. Masalan, Fe + ni Fe 2+ ga oksidlash Cu ni Cu 2+ ga oksidlashdan farq qiladi. Birinchisi har bir temir uchun bitta elektronni o'tkazishni o'z ichiga oladi, ikkinchisi har bir Cu atomi uchun 2 ta elektronni o'tkazishni talab qiladi. Tenglamada minus belgisi mavjudligiga ham e'tibor bering. Buning sababi shundaki, zaryad harakati (oqim) uchun konventsiyalar elektronlar haqida hech kim bilmasdan oldin ishlab chiqilgan. Odamlar ayblovlarni olib boruvchi narsalar ijobiy deb taxmin qilishdi. Taxmin to'g'ri emas edi, lekin konventsiya qotib qoldi. Shuning uchun biz tenglamaga salbiy belgi qo'yishimiz kerak.

OK, endi bu tenglamani foydali ish qilish uchun qanday ishlatamiz?

Oksidlanish/qaytarilish va yarim reaksiyalar.

Biz oldin yarim reaktsiyalar haqida gapirgan edik. Oksidlanish va qaytarilish bilan bog'liq bo'lgan reaktsiyalarda, odatda, reaksiya ikki bosqichda sodir bo'ladi deb o'ylashingiz mumkin: bir molekula elektronlarni beradi (oksidlanadi) va boshqa molekula elektronlarni oladi (qaytariladi). Ikki qism yarim reaksiyalardir. Ularni boshqa reaksiyalar to'plamiga o'xshab mexanik tarzda (bo'sh energiyalarini qo'shish yoki umumiy reaktsiyani berish uchun muvozanat konstantalarini ko'paytirish) hal qilish mumkin. Bir farq shundaki, erkin energiya ifodasida (RTlnQ) qismni yozishda siz Q ning bir qismi sifatida elektronlarni kiritmaysiz.

Gibbsning erkin energiyasi va nol oqim potentsiali reaktsiyasi o'rtasidagi munosabatdan foydalanib, E.

bu yerda maxrajdagi yunoncha n harfi reaksiyadagi elektronlar soni. Muhim nuqta shundaki, ko'p jihatdan E o'zini D kabi tutadi rG doimiyga ko'paytiriladi. Ikki bog'langan reaksiya uchun E'larni birga qo'shish mumkin. Agar reaktsiya yo'nalishini o'zgartirsangiz, siz faqat E belgisini o'zgartirasiz. Reaksiyaning erkin energiyasi va nol oqim potentsiali o'rtasida aylantirish uchun siz ishtirok etgan elektronlar sonini bilishingiz kerak. Buni oksidlanish/qaytarilish reaktsiyasi uchun yarim reaktsiyalarni ko'rib chiqish orqali olishingiz mumkin.

E va D o'rtasida farq qiluvchi ikkita nuqta mavjud rG:

  • Birinchidan, agar siz kimyoviy tenglamani doimiyga ko'paytirsangiz, reaktsiyaning erkin energiyasi u bilan ko'payadi, lekin nol nuqta potentsiali bunday emas. Buning sababi shundaki, nol nuqta potentsiali reaksiyaning erkin energiyasiga proportsional bo'lib, elektronlar soniga bo'linadi. Kimyoviy reaktsiyani doimiy qiymatga ko'paytirsangiz, reaksiyaning erkin energiyasi ham, elektronlar soni ham ushbu doimiy qiymatga o'zgaradi, nisbat o'zgarmaydi.
  • Ikkinchidan, reaktsiyaning erkin energiyasi va nol oqim potentsiali o'rtasidagi munosabatlardagi salbiy belgi tufayli, o'z-o'zidan sodir bo'ladigan reaktsiya salbiy reaktsiyaning erkin energiyasiga ega, ammo ijobiy nol nuqta potentsialiga ega.

Bu masalalar quyida Zn va Cu ishtirokida oksidlanish/qaytarilish reaksiyasi misolida umumlashtiriladi.

Reaktsiya (yoki yarim reaktsiya)

Eslatma 1: bu reaktsiya o'z-o'zidan. Shuning uchun D rG1 salbiy va E1 ijobiydir.

Eslatma 2: sof qattiq jismning faolligi bitta (bu qattiq jismning standart holati). Shuning uchun a[Zn(s)] = 1,0 va [Cu(s)] = 1,0 va bu atamalar yakuniy nisbatlarda ko'rinmaydi.

Reaksiyaning erkin energiyasi va nol oqim potentsiali o'rtasidagi munosabatdan foydalanib, nol oqim potentsiali uchun standart nol oqim potentsiali va eritmadagi komponentlarning kontsentratsiyasining funktsiyasi sifatida umumiy ifodani olish mumkin:

Bu yakuniy tenglama Nernst tenglamasi deb ataladi. Ushbu tenglamadan standart potentsial (o'rta nuqta potentsiali) va reaksiyaga kirishuvchi moddalar va mahsulotlarning haqiqiy kontsentratsiyasini hisobga olgan holda nol oqim potentsialini hisoblash uchun foydalanishingiz mumkin.

Bu erda yana oksidlanish/qaytarilish va kislota/asos muammolari o'rtasidagi parallellikni ko'rishimiz mumkin. Kabi yarim reaktsiya uchun

Bu holda E 0 - o'rta potentsial, pK kabi birikmaning yarmi oksidlangan potentsial.A kislotaning yarmi konjugat asosga aylantirilgan pH hisoblanadi.

pH haqida gapirganda, siz H ni o'z ichiga olgan reaktsiyalar uchun elektrokimyoviy ishlab chiqarilgan kuchlanishlarni o'lchash orqali pH ni o'lchaysiz.3O + . PH ni o'lchash, albatta, odatiy narsa, shuning uchun uning qanday ishlashi haqida bir oz tasavvurga ega bo'lishga arziydi. Printsipial jihatdan buni ko'rish mumkin:

E 0 bu reaksiya uchun ta'rifi bo'yicha nolga teng. Agar biz standart 1 barda vodorod gazining bosimi bilan elektrod o'rnatadigan bo'lsak:

Shunday qilib, agar bizda 25 C haroratda vodorod elektrodi bo'lsa va boshqa elektrodda mos yozuvlar sifatida pH 0 (1 MH +) eritmasi yordamida ba'zi bir noma'lum pH eritmasida hosil bo'lgan potentsialni o'lchagan bo'lsak, biz o'lchagan potentsialga mutanosib bo'ladi. Yuqorida keltirilgan pH:

Pt|H2(g)|1M H + ||to'yingan KCl||X M H + |H2(g)|Pt

Bu ikkita vodorod elektrodlarini (elektronlarni uzatish uchun metall sifatida platinani ishlatadi, chunki u bu potentsiallarda oksidlanmaydi yoki kamaymaydi), biri pH 0 eritmasida, ikkinchisi esa noma'lum pH eritmasida. Yaratilgan potentsial pH ga mutanosibdir. Bu erda juda muhim narsaga e'tibor berish kerak. Proportsionallik konstantasi to'g'ridan-to'g'ri haroratga bog'liq. Shunday qilib, pH o'lchagichni qayta kalibrlash yoki ishlatiladigan har qanday haroratga moslashtirish kerak bo'ladi (zamonaviy pH o'lchagichlar eritmaning haroratini o'lchaydi va bu kalibrlashni avtomatik ravishda amalga oshiradi).

Kutib turing, deysiz, siz hech qachon vodorod elektrodi bilan pH o'lchagichni ko'rmagansiz. To'g'ri. Gaz elektrodlari og'riqdir va hech kim bu reaktsiyani pH o'lchash uchun ishlatmaydi. Buning o'rniga H + ionlari ishtirokidagi boshqa reaktsiyalar qo'llaniladi. Qaysi biri siz sotib olgan elektrodga bog'liq va buni batafsil ko'rib chiqish uchun vaqtimiz kerak emas. Umumiy kimyo laboratoriyalaridagi zamonaviy elektrodlarning aksariyati, aslida, bir nechta reaktsiyalar sodir bo'ladigan kombinatsiyalangan elektrodlardir. Biroq, printsip har doim bir xil va natija bir xil bo'ladi. Nernst tenglamasi orqali eritmaning pH qiymatiga mutanosib bo'lgan potentsial ko'rsatkich olinadi. Bu proportsionallik doimiysi har doim chiziqli tarzda haroratga bog'liq.

Kimdir ba'zan redoks reaktsiyalarining entalpiyasi va entropiyasi bilan shug'ullanishni xohlaydi. Siz bular uchun iboralarni E nuqtai nazaridan olishingiz mumkin, lekin men uchun Gibbs energiyasiga aylantirish va keyin biz ilgari ishlatgan munosabatlardan foydalanish mantiqiyroq, shuning uchun men bu yangi formulalarni sinfda ko'rib chiqmayman (entalpiyalarni aniqlashingiz kerak bo'lishi mumkin) va uy vazifasidagi va testdagi entropiyalar, lekin yana, men sizga birinchi navbatda Gibbs energiya o'zgarishlariga o'tishni va buni biz ilgari qilganimizdek bajarishni tavsiya qilaman).

MEMBRANLARNING BİOFİZIKASI

Kitob haqiqatan ham ushbu muammoga faqat bir sahifa bag'ishlaydi, ammo bu fizik kimyoning biologiyaga qo'llanilishining eng muhim qo'llanmalaridan biri bo'lib, agar siz ushbu sohada davom etsangiz, deyarli albatta foydalanasiz. Shunday qilib, men kitoblar kamchiligini to'ldiraman. Omad sizga.

Dam olish energiyangizning ko'p qismi tanangizning hujayra membranalari bo'ylab natriy va kaliyning ion gradientlarini saqlashga sarflanishini bilasizmi? Aslida, membranalar va kimyoviy yoki elektr gradientlarini o'z ichiga olmaydigan energiya uzatish va signal uzatishning bir nechta jihatlari mavjud. Nafas olish yoki fotosintez orqali kimyoviy energiya ishlab chiqarish, hujayraning ichki va tashqi qismlari o'rtasidagi aloqa, asabiy reaktsiya, ko'rish, mushaklarning qisqarishi: bular hujayra membranalaridagi kimyoviy gradientlarning o'zgarishiga va termodinamikaga bevosita bog'liq bo'lgan biokimyoviy hodisalarning bir nechta misollari. gradient shakllanishi orqali energiyani saqlash.

Ikkita juda oddiy tushunchalar mavjud (yaxshi, ular baribir oddiy ko'rinadi). Birinchidan, molekulalar o'zlari bo'lmagan joyda bo'lishni yaxshi ko'radilar. Bu asosan entropiya va termodinamikaning ikkinchi qonunidir. Shunday qilib, agar membrananing bir tomonida boshqasiga qaraganda ko'proq molekulalar bo'lsa, bu muvozanatda potentsial energiya mavjud bo'lib, u boshqa kimyoviy reaktsiyalarni (kimyoviy potentsiallar va osmotik bosimni o'ylab ko'ring) boshqarish uchun ishlatilishi mumkin. Ikkinchidan, agar membrananing ikki tomoni o'rtasida aniq zaryad farqi bo'lsa, bu yana potentsial energiya manbasini ifodalaydi (ionni membrana orqali tashish zaryad nomutanosibligiga olib kelishi mumkin).

OK, keling, buni miqdoriyroq qilib ko'rsataylik. A molekulasining membrana bo'ylab harakatlanishini o'z ichiga olgan quyidagi oddiy kimyoviy "reaktsiyani" ko'rib chiqing. Hozircha biz A ga to'lov olinmagan deb taxmin qilamiz:

Bu reaksiya uchun erkin energiya qancha? Xo'sh, bu oddiy narsa:

Men bu erda gaplashayotgan molyar bo'sh energiya ekanligini ko'rsatish uchun bo'sh energiya belgilarining ustiga chiziqlar chizishga juda ehtiyot bo'ldim. Boshqacha qilib aytganda, bu A molini membrananing bir tomonidan boshqasiga o'tkazish uchun energiya. Bu faktning chalkash tomoni shundaki, biz A ning bu molini bir tomondan boshqasiga o'tkazamiz har ikki tomonda A konsentratsiyasini o'zgartirmasdan. Boshqacha qilib aytganda, biz membrananing har ikki tomonida cheksiz hajmdagi eritma bor deb taxmin qilamiz. Shubhasiz, bu to'g'ri emas (bitta hujayra ichida yoki tashqarisida har qanday narsaning molini olishga harakat qiling), lekin baribir biz har bir mol asosida bo'sh energiya haqida xabar beramiz, garchi biz faqat A ning birinchi molekulasini o'tkazishni ko'rib chiqsak ham. bizning hisobimiz. Siz bunga shunday qarashingiz mumkin, biz har doim bir mol hujayra yoki membrana pufakchalarini o'lchayapmiz, deb o'ylaymiz, ularning har biri bir molekula A ni uzatadi. Bu nima? Har doimgidek, biz tizimni muvozanat holatiga keltirishimiz mumkin, bu nuqtada har doim nolga teng bo'ladi va ni hal qilamiz. Xo'sh, ushbu muammo uchun, menimcha, muvozanatda Aout = Ain va shuning uchun nolga teng bo'lishi kerakligini ko'rishingiz mumkin. Shunday qilib, biz yozishimiz mumkin:

E'tibor bering, standart Bu reaksiya uchun molyar erkin energiya (reaksiyadagi barcha komponentlar 1M konsentratsiyaga ega bo'lgan erkin energiya) har doim nolga teng. Ushbu iborani tanish ibora bilan solishtiring:

Siz D H = 0 ekanligini va buni ko'rishingiz mumkin. Boshqacha qilib aytadigan bo'lsak, hech qanday aloqa uzilishi yoki hosil bo'lmasligi va zaryad o'zaro ta'siri bo'lmagani uchun (bularni keyinroq qo'shamiz) reaktsiya uchun bo'sh energiya to'liq entropiya bilan beriladi.

Ko'pincha kimyoviy tizimlar oddiy tizimdan ko'ra murakkabroqdir. Ko'pincha molyar erkin energiya ifodasini qismlarga ajratish osonroq:

Bu atamalar biz yuqorida aytib o'tgan kimyoviy potentsial bilan chambarchas bog'liq:

bu erda A ning standart kimyoviy potensiali (1M A potentsiali). A ni membrana bo'ylab o'tkazish uchun molar erkin energiya membrananing ikki tomonidagi kimyoviy potentsiallar orasidagi farqga aylanadi (o'tkazish jarayonida kimyoviy reaktsiyalar sodir bo'lmasa, standart kimyoviy potentsiallar har doim bekor qilinadi). Umuman olganda, bir guruh birikmalarning membrana bo'ylab qo'shilgan o'tishi uchun quyidagilarni yozish mumkin:

Bu erda i membrananing bir tomonidan boshqasiga o'tishi bog'langan har xil turdagi molekulalarning barchasini ifodalaydi. Ushbu so'nggi so'z, birlashtirilgan, juda muhim va quyidagi misol bu nimani anglatishini ko'rsatishi kerak.

Karbamidni ichkaridan tashqariga o'tkazish bilan bog'langan membrananing ichki qismiga glyukozaning gipotetik tarzda o'tkazilishini ko'rib chiqaylik. Birlashganda, men oddiygina glyukoza molekulasi faqat karbamid molekulasi chiqqanda kirishi mumkinligini nazarda tutyapman. Ya'ni, tashish mexanizmi har safar glyukoza bir yo'nalishda, karbamid boshqa yo'nalishda ketishini talab qiladi. Biologiyada bunday antiporterlarga ko'plab misollar mavjud. Ular juda foydali, chunki bitta molekulaning yuqori konsentratsiyadan past konsentratsiyaga o'tishiga ruxsat berish orqali olingan energiya to'g'ridan-to'g'ri boshqa molekulani past konsentratsiyali hududdan yuqori konsentratsiyali hududga pompalash uchun ishlatilishi mumkin. (Aytgancha, bu glyukoza/karbamid antiporti - bu mutlaqo sun'iy misol bo'lib, u biologiyada yo'q, men bilganimdek. Biz ko'proq real misollarni keyinroq ko'rib chiqamiz, qachonki biz odatdagi energiya bog'lovchi molekulalar bo'lgan ionlar bilan shug'ullanishimiz mumkin. transportda.) Ikkala reaksiya bog'langanligi sababli, reaktsiya o'z-o'zidan bo'ladimi yoki yo'qligini aniqlash uchun ikkita o'tishning umumiy erkin energiyasini birgalikda hisobga olishim kerak. Avval glyukoza va karbamid tashqarisida 1 mM va ikkala birikmaning ichida 10 mM bo'lsa, nima bo'lishini ko'rib chiqing. Bizning reaktsiyamiz

va kimyoviy potentsiallarning o'zgarishi bilan beriladi

Demak, bu holda glyukoza ichidagi glyukoza va karbamidni membranadan tashqariga o'tkazish uchun erkin energiya nolga teng. O'ylaymanki, agar glyukoza kontsentratsiyasi 10 mM bo'lganida, glyukozaning ichkariga va karbamid tashqariga aniq o'tkazilishi energiya jihatidan qulay bo'lar edi:

E'tibor bering, men bu erda tabiiy jurnallar va log bazasi 10 o'rtasida aylantirdim. RTln(x) iborasi xona harorati uchun elektron voltlardagi erkin energiya (membran energetikasida keng qoʻllaniladigan J/mol kabi erkin energiyaning yana bir birligi, quyida koʻring) boʻyicha oʻn barobar koʻp boʻlishi uchun qulay tarzda baholanadi. ikki tomon orasidagi konsentratsiyaning o'zgarishi 58,6 meV (58,6 millielektron volt yoki 0,0586 eV). Shunday qilib, 58,6 log (x) membrananing ikki tomoni o'rtasidagi konsentratsiyalar nisbati x bo'lganda mavjud bo'lgan erkin energiyaning millielektron voltsdagi qiymatini beradi. Eslatma, Bu faqat xona haroratida yaxshi, boshqa haroratlarda siz RTln(x) tenglamasiga qaytishingiz va buni baholashingiz kerak.

Endi, agar glyukoza tashilishi va karbamid tashilishi bog'lanmagan bo'lsa, unda glyukoza o'z-o'zidan membrana orqali o'tadimi yoki karbamid o'z-o'zidan membrana orqali o'tadimi yoki yo'qligini aniqlash uchun men ikkita reaktsiyani alohida ko'rib chiqqan bo'lardim. Bunday holda, har ikkala birikmaning 1 mM tashqarisida va 10 mM ichida ikkala molekula ham har bir o'tkazish uchun 58,6 meV erkin energiya bilan tashqi yo'nalishda o'z-o'zidan o'tishini ko'rgan bo'lardik. Bu to'g'ri ekanligini ko'rsatish uchun siz yuqorida qilgan muammoni bajarishingiz kerak, ammo aralashmalardan birini (glyukoza yoki karbamid) tashlab qo'yishingiz va uzatish uchun qanday bo'sh energiya olishingizni ko'rishingiz kerak.

Membrananing ikki tomonidagi molekulalar orasidagi konsentratsiyalar muvozanati muammoning birinchi qismini tushuntiradi yoki miqdorini belgilaydi: molekulalarning har ikki tomonda ham teng konsentratsiyaga ega bo'lish tendentsiyasi. Agar barcha molekulalarning kontsentratsiyasi har ikki tomonda bir xil bo'lsa, ularni membrana bo'ylab o'tkazish uchun bo'sh energiya nolga teng. Zaryadlanmagan molekulalar, masalan, glyukoza, membrananing bir tomonidan boshqasiga ko'chirilishi kerak bo'lsa, siz uzatishda qancha energiya yo'qolishini yoki olishini aniqlaysiz. Biroq, ko'pincha biokimyoda biz zaryadlangan turlarni o'tkazish bilan shug'ullanamiz (masalan, biz boshida gapirgan natriy va kaliy ionlari). O'tkazish uchun qancha energiya kerak a zaryadlangan molekula membrananing bir tomonidan boshqa tomoniga? Bu ikkala tomon o'rtasidagi kimyoviy muvozanat va zaryad muvozanatining buzilishiga bog'liq. Agar zaryad nomutanosibligi bo'lmasa, muammo yuqorida tavsiflangan kimyoviy muvozanatga tushadi. Oksidlanish/qaytarilish reaktsiyalarida ko'rganimizdek, zaryadni membrananing bir tomonidan ikkinchi tomoniga o'tkazish uchun zarur bo'lgan energiya miqdori membrananing ikki tomoni orasidagi kuchlanish farqiga to'g'ridan-to'g'ri proportsionaldir.

Bu erda z - o'tkazilayotgan zarrachaning zaryadi (Nernst tenglamasidagi kabi elektronlar soni emas) va F, Faraday doimiysi proportsionallik konstantasi bo'lib, birliklarning ishlashini ta'minlaydi (zaryadning kulonlari va molekulalarning mollari o'rtasidagi o'zgarishlar, Biz ilgari muhokama qilganimizdek). (Aslida biz ko'pincha erkin energiyani elektron volt, eV ko'rinishida ifodalaymiz, bu faqat bitta elektronni ikki tomon o'rtasida bir volt potentsial farqi bo'lgan membrana orqali o'tkazish uchun zarur bo'lgan energiyadir. Bu holda, F = 1,0 eV/Volt. ). Bu, albatta, elektrokimyoda qo'llaniladigan bir xil ibora (siz ionlarni membranalar bo'ylab uzatish va batareyadagi molekulalar orasidagi elektronlarni uzatish o'rtasidagi o'xshashlikni ko'rasizmi?). Ma'lum bo'lishicha, kuchlanish membrana bo'ylab joy almashgan zaryad miqdori bilan to'g'ridan-to'g'ri proportsionaldir. Proportsionallik doimiysi sig'im deb ataladi (ha, bu elektr zanjiridagi sig'im bilan bir xil):

Bu erda Q - umumiy zaryad (zarrachalar soni zarrachaning zaryadiga nisbatan, z) va C - membrananing sig'imi. Yassi membrana uchun (aslida barcha membranalar mahalliy darajada tekis, shuning uchun biz barcha membranalar haqida shu tarzda o'ylashimiz mumkin - fiziklar buni parallel plastinka kondensatori deb atashadi):

Bu erda A - membrananing maydoni, d - membrananing qalinligi va e - proportsionallik doimiysi, uni fiziklar dielektrik o'tkazuvchanlik deb atashadi. Eritma kimyosi uchun bu shunchaki kondensatorning ikki tomoni orasidagi molekulalarning qutbli yoki qutbsiz ekanligi bilan bog'liq. Menimcha, masalan, suv holatida dielektrik o'tkazuvchanligi yuqori ekanligini ko'rishingiz mumkin, chunki qutbli suv molekulalari o'z qutb o'qlarini maydon bo'ylab aylantirib, tekislash orqali elektr maydoniga javob berishi mumkin. Membranlardagi lipidlar kabi uglevodorodlar uchun bu unchalik to'g'ri kelmaydi. Ular boshlash uchun juda ko'p qutblarga ega emaslar va ular har qanday holatda ham o'zlarini qayta tartibga solishda erkin emaslar. Shunday qilib, membrana juda past dielektrik o'tkazuvchanlikka ega. Mumkin bo'lgan eng past dielektrik o'tkazuvchanlik vakuumdir. Bu e 0 deb ataladi va 8,854x10-12 qiymatiga ega. Birliklar har bir metr uchun volt uchun kulondir.Bir mol ma'lum miqdordagi molekulalar bo'lgani kabi, kulon ham ma'lum miqdordagi zaryaddir. Yuqorida aytib o'tganimizdek, fiziklar va kimyogarlar ushbu birliklarni tayinlashda bir-birlari bilan konventsiyalarni muhokama qilishmagan va kulon bir mol zaryad emas. Buning o'rniga bir kulon zaryad 6,2422x10 18 zaryad.

E haqida e 0 ga teng narsa sifatida gapirish odatiy holdir:

bu erda K ga dielektrik doimiy deyiladi. Vakuum uchun K = 1 va suv uchun taxminan 80. Membrana uchun bu vaziyatga qarab taxminan 1 yoki bir oz ko'proq. Bizning maqsadlarimiz uchun biz uni 1 deb hisoblaymiz, ammo esda tutingki, bu membrana bo'ylab zaryadning ma'lum bir uzatilishi tufayli kuchlanishni hisoblashda mumkin bo'lgan xato nuqtasidir.

Xo'sh, membranada kimyoviy gradient va elektr gradienti (ya'ni kuchlanish) bo'lsa nima bo'ladi? Umid qilamanki, siz buni ko'rasiz:

Endi biz faqat zaryadlangan zarralar (masalan, protonlar kabi) bilan ishlayotgan bo'lsak va biz muvozanatga erishgunimizcha protonlar (lekin qarshi ionlar bo'lmasa) membranadan erkin o'tishiga imkon bersak nima bo'ladi. H+ uchun yuqoridagi tenglama quyidagicha ko'rinadi:

Endi muvozanat holatida molyar erkin energiya nolga teng va bizda qiziqarli munosabatlar mavjud:

Qaysi biri Nernst tenglamasining shakllaridan biri (elektrokimyo yana tanishmi?). E'tibor bering, bu endi tashqi kuchlanishga nisbatan ichki kuchlanishdir. Kuchlanish har doim musbat zaryadning bir joydan ikkinchi joyga harakati nuqtai nazaridan o'ylanadi. Shunday qilib, musbat zaryad gradienti ijobiy kuchlanishni beradi. (Kuchlanish elektron kashf etilishidan oldin aniqlangan va o'sha kunlarda odamlar tokni ijobiy zaryadlar nuqtai nazaridan o'ylashgan.)

Ma'lum bo'lishicha, normal sharoitda zaryadning membrana bo'ylab siljishi natijasida hosil bo'ladigan elektr potentsial (V) H+ kontsentratsiyasidagi farq tufayli kimyoviy potentsialga teng bo'lgunga qadar zaryadning membrana bo'ylab o'tishi juda kam talab qilinadi. membrananing ikki tomonida. Shunday qilib, biz odatda tizimni zaryad muvozanati va kimyoviy nomutanosiblik o'rtasidagi muvozanatga kelishiga ruxsat berish har ikki tomonda ham kontsentratsiyani sezilarli darajada o'zgartirmaydi (boshqacha aytganda, kimyoviy muvozanat jiddiy ravishda yo'qolmaydi) deb taxmin qilamiz. Shunday qilib, agar sizga membrananing bir tomonida protonlar boshqa tomoniga nisbatan 10 baravar ko'pligi aytilsa va siz protonoforni qo'shsangiz (protonlarni membrana orqali o'tkazishga imkon beradigan maxsus narsa, lekin boshqa hech narsa - yaxshi Masalan, nigeritsin -- ba'zi kichik organik kislotalar ham buni amalga oshiradi) va protonlarni kimyoviy va elektr potentsiallari muvozanatlashguncha o'tkazishga imkon beradi, keyin siz odatda ikki tomondagi proton kontsentratsiyasining nisbati 10 dan 1 gacha qoladi deb taxmin qilasiz (chunki arzimas miqdor proton almashinuvi muvozanat kuchlanishi paydo bo'lishidan oldin sodir bo'lgan). E'tibor bering, bu har doim ham yaxshi taxmin emas, lekin odatda shunday. Shunday qilib, membrana kuchlanishini to'g'ridan-to'g'ri hisoblash uchun Nernst tenglamasidan foydalanishingiz mumkin. Aytgancha, F qiymati sizning energiya birliklariga (eV, kkal, va hokazo) bog'liq bo'lib, R kabi. Muayyan ilovalar uchun ularni qidirishingiz kerak bo'ladi. Xona harorati uchun oddiy qoida shundan iboratki, bir zaryadlangan ionning membranasi ichidagi va tashqarisidagi kontsentratsiya o'rtasidagi o'n barobar farqi muvozanatga erishilgandan so'ng taxminan 58,6 mV elektr potentsialiga yoki kuchlanishga olib keladi (o'qing 58,6 millivolt yoki 0,0586). V). Yuqorida muhokama qilinganidek, membrana biokimyosida biz ko'pincha elektron voltlarda erkin energiya haqida gapiramiz. Volt va elektron volt o'rtasidagi farq nima? Volt elektr potentsialining birligi, elektron volt esa energiya birligidir (odatda biz uni membrananing ikki tomoni o'rtasidagi erkin energiya farqi birligi sifatida ishlatamiz, ammo u fizikada boshqa sabablarga ko'ra ham qo'llaniladi). Bir elektron volt - bir voltlik qarama-qarshi elektr potentsiali bo'lgan membrana bo'ylab bir mol bir zaryadlangan musbat ionni o'tkazish uchun zarur bo'lgan erkin energiya miqdori. Masalan, 200 mV transmembran potentsialiga ega bo'lgan membrana bo'ylab bir mol protonni o'tkazish uchun erkin energiya o'zgarishi (pastdan yuqori potentsialga yo'nalishda) 200 meV bo'ladi. Xuddi shu mol elektronni boshqa yo'nalishda (yuqoridan pastgacha potentsialga) o'tkazish 200 meV erkin energiya o'zgarishiga olib keladi.

Membran potentsiallari bilan konventsiyalar haqida eslatma . Afsuski, bu fizik kimyoda ikkita o'zboshimchalik belgisi mavjud bo'lgan vaziyatlardan biridir va sizning belgilaringizni o'rnatishning mantiqiy usuli yo'q. Har ikkala z va V ham ijobiy yoki salbiy bo'lishi mumkin va ionning harakat yo'nalishi ijobiy yoki salbiy bo'lishi mumkin. z yaxshi aniqlangan -- musbat zaryadlar uchun ijobiy, manfiy zaryadlar uchun esa manfiy. Membran potentsiali odatda hujayraning tashqi tomoniga nisbatan o'lchanadi (umumiy yoki manfiy elektrod hujayradan tashqarida), shuning uchun u hujayraning ichki qismida ijobiyroq bo'lsa, odatda ijobiy bo'ladi. Biroq, biz hali ham yo'nalishda qolibmiz. Shubhasiz, agar biz molekulani teskari yo'nalishda tursak, erkin energiya atamasi zFV belgisini aylantirishi kerak bo'ladi. Odatda (hech bo'lmaganda neyrokimyoda) qo'llaniladigan konventsiya shundan iboratki, musbat kuchlanishga qarshi tashqaridan ichkariga o'tadigan musbat ion musbat erkin energiya beradi. Menga kelsak, buni eslab qolish umidsiz, shuning uchun bunday qilmang. Birinchidan, men har doim imtihonda kuchlanish qaysi tomonga yo'naltirilganligini (qaysi tomon ijobiy) aytib beraman. Shundan so'ng, nima qilayotganingizni o'ylab ko'ring va agar zaryad o'ziga o'xshash ko'proq zaryadga ega bo'lgan tomonga ketsa, u bo'sh energiyani (ijobiy erkin energiya) oladi va agar zaryad ko'proq bo'lgan tomonga ketayotganini tushuning. qarama-qarshi zaryadlar, bu erkin energiya (salbiy erkin energiya) chiqaradi.

Muammolar (Muammolarga javoblar bu erda berilgan).

1) a--Agar ichki qismdagi A ning konsentratsiyasi 1 mM va tashqi tomoni 10 mM bo'lsa, bir mol A molekulasini membrana bo'ylab (ichkidan tashqariga) o'tkazish uchun zarur bo'lgan molyar erkin energiyani hisoblang. b--Agar tashqi konsentratsiya 1 mM va ichkarida 10 mM bo'lsa-chi? c - Har ikki joyda ham konsentratsiya 10 mM bo'lsa-chi? d-- Ichida B molekulasining 10 mM konsentratsiyasi va tashqi tomonida 1 mM konsentratsiyasi bo'lsa, bu sizning javoblaringizni b va c ga qanday o'zgartiradi? e-- Agar Ada bitta manfiy zaryad bo'lsa, lekin transmembran kuchlanish bo'lmasa, a, b va c javoblari qanday o'zgaradi? f--Agar membranada 100 mV kuchlanish bo'lsa, lekin A zaryadlanmagan bo'lsa, a, b va c javoblari qanday o'zgaradi? g--Agar membranada 100 mV kuchlanish va A bitta manfiy zaryad bo'lsa, a, b va c javoblari qanday o'zgaradi. Bu muammolarning barchasi uchun ikkala tomon ham cheksiz hajmga ega deb hisoblaymiz.

2) Nazariy jihatdan, 37 C da ATP ishlab chiqarish uchun zarur bo'lgan membrana bo'ylab minimal proton gradienti qancha?

Faraz qilaylik, membrananing yon tomonida ATP ATP = 5 mM, ADP = 10 mM, Pi = 1 mM va pH 7,0 hosil bo'ladi (biologiyada standart holat pH 7,0 standart bo'lgan protonlardan tashqari hamma uchun 1M ekanligini unutmang. ). ADP va fosfatdan ATP ishlab chiqarish bilan bog'liq standart erkin energiya o'zgarishi 37 C da 30kJ / mol ni tashkil qiladi.

3) (Bu juda qiyin emas, lekin siz tenglamalardan tashqari o'ylashingizni talab qiladi) Aytaylik, sizda quyidagi tarzda ajraladigan birikma bor edi:

pKA 6,0 bilan. Aytaylik, bizda xloroplastlar bilan to'ldirilgan naycha bor (bular fotosintez qiluvchi o'simliklardagi hujayra organellalari). Boshqa usullar bilan biz ushbu xloroplastlarning umumiy ichki hajmini 0,001 ml deb o'lchadik. Naychadagi umumiy hajm 1 ml ni tashkil qiladi. Xloroplastlar tashqarisidagi pH 8,0 da doimiy saqlanadi. Endi yuqorida tavsiflangan kuchsiz kislotani trubaga 0,1 mM konsentratsiyada qo'shamiz (u tashqarida yoki ichkarida pH ni o'zgartirmaydi deb hisoblang). E'tibor bering, zaif kislotaning neytral (A) shakli membranadan passiv o'tishi mumkin, ammo AH + shakli ham, boshqa ion ham membrana orqali passiv ravishda tarqala olmaydi. a) xloroplastlarning ichki va tashqi qismlari o'rtasida pH yoki zaryad farqi yo'q deb faraz qilsak, xloroplastlarning ichida va tashqarisida A va AH + kontsentratsiyasi qanday bo'ladi? b) Endi biz namunaga yorug'lik yoritamiz va fotosintezda yorug'lik bilan ishlaydigan proton pompasi protonlarni membrana bo'ylab tashqaridan ichkariga pompalay boshlaydi. Fotosintetik nasos taxminan 200 meV bo'lgan umumiy proton harakatlantiruvchi kuchini (zaryad va kimyoviy nomutanosiblik tufayli erkin energiya o'zgarishi) yaratishga qodir. Faraz qilaylik, membrana potentsiali yo'q, faqat membrana bo'ylab pH gradienti (ichida past pH). Bu mutlaqo to'g'ri emas, lekin aslida juda yaqin. Endi xloroplastlarning ichida va tashqarisida A va AH + kontsentratsiyasi qanday bo'ladi?

4) Valinomitsin (K+ ning membrana boʻylab oʻtishiga imkon beruvchi ionofor, lekin membrana boʻylab boshqa hech narsa oʻtkazmaydigan ionofor) ishtirokida dastlab ichida 1mM KCl va tashqarida 10mM KCl boʻlgan bir mikron radiusli vesikula uchun yakuniy muvozanat membrana potensialini aniqlang. K + ning ichki qismidagi K + kontsentratsiyasini buzish uchun juda kichik. b) bu ​​taxminni qilmasdan va ichki konsentratsiyani K + kirganda o'zgarishiga imkon beradi. Shuningdek, b qismida K + ning yakuniy ichki konsentratsiyasi qanchaga o'zgarishini aniqlang. Biz sinfda b qismini o'tamiz imtihonda buni qilishingiz shart emas, lekin g'oyalarni tushunishingizni kutaman.

Fotosintezning oksidlanish-qaytarilish reaksiyalari

Kitobdagi ma'lumotlarning aksariyati elektrokimyoviy hujayralar nuqtai nazaridan redoks reaktsiyalariga qaratilgan. Bu kimyoda muhim, ammo biokimyoviy tizimlarda platina elektrodlari mavjud emas. Ammo elektronlarning faza chegaralari bo'ylab o'tishiga olib keladigan redoks reaktsiyalari mavjud. Aslida, bu biologiyadagi barcha energiya almashinuvining muhim jihati. Mitoxondriyangizda nafas olish shunday ishlaydi (membranalar bo'ylab elektronlar almashinuvi proton translokatsiyasi bilan bog'lanib, proton gradientlarini hosil qiladi) va teskari jarayonda fotosintez (bir xil, ammo kislorodni suvga qaytarish o'rniga yorug'lik bilan ishlaydi). Kitob o'simliklardagi chiziqli fotosintez haqida gapiradi, ammo soddaligi uchun men bakterial fotosintez paytida elektronni o'tkazishning tsiklik reaktsiyalariga yopishib olmoqchiman.

Yadro, geotermal, shamol va PV quyosh kabi narsalar bundan mustasno, biz er yuzida foydalanadigan barcha energiya oddiy redoks reaktsiyalaridan kelib chiqadi. Barcha yog'lar bundan kelib chiqqan va barcha ovqatlarimiz bundan kelib chiqadi. Bu reaksiya markazi deb ataladigan biologik qattiq holatdagi optoelektron qurilmada sodir bo'ladi. Agar men ishtiyoqli bo'lsam, bu mening laboratoriyam bu narsalar ustida ishlagani uchundir. Shunday qilib, endi siz muammoga duch kelganingizni bilasiz. Mana eng oddiy reaksiya markazlarining rasmi:

Men bu haqda juda ko'p gapirmoqchi emasman, lekin P kofaktori bir juft bakterioxlorofil molekulasi, B.A Bu bitta bakterioxlorofil molekulasi, HA bakteriofeofitin molekulasi va QA va QB xinonlardir. Biz boshqa narsalar haqida tashvishlanmaymiz. Yorug'lik P tomonidan yutilganda u qo'zg'aluvchan P * holatini hosil qiladi. Bu holat elektronni, ehtimol, B orqali uzatadiA va keyin HA va keyin QA va keyin QB.

P P* (so‘rilgan yorug‘lik energiyasi, 1,4 eV)

Oxirgi ikki reaktsiya juda soddalashtirilgan (elektronlarni uzatish va protonni qabul qilish tartibi unchalik ko'rsatilmagan), ammo ular kontseptual jihatdan to'g'ri.

Sinfda biz quyidagilarni ko'rib chiqamiz:

Biz sodir bo'lgan to'liq reaktsiyalarni yozamiz (masalan, P * BA P + BA - )

Yarim reaksiyalarning potentsiallaridan reaksiya potentsiallarini qanday aniqlash mumkinligini hal qilamiz.

Keyin biz muvozanat haqidagi bilimlarimizdan foydalanib, har bir reaksiyaning energetikasini aniqlash uchun tajriba tuzamiz.

Har bir reaksiyaning ushbu umumiy energetikasidan biz reaksiya markazidagi barcha komponentlarning oksidlanish potentsiallarini aniqlaymiz.


Birlamchi faol transport

Natriy-kaliy nasosi natriyni hujayra ichiga va kaliyni tashqariga o'tkazish orqali tirik hujayralarning elektrokimyoviy gradientini saqlaydi.

O'quv maqsadlari

Hujayra natriy va kaliyni qanday qilib elektrokimyoviy gradientga qarshi hujayradan tashqariga va ichiga o'tkazishini tasvirlab bering.

Asosiy xulosalar

Asosiy fikrlar

  • Natriy-kaliy nasosi har ikki K+ ioni uchun uchta Na+ nisbatida Na+ harakatlanayotganda K+ ni hujayra ichiga olib kiradi.
  • Natriy-kaliy-ATFaza fermenti hujayra ichiga ishora qilganda, u natriy ionlari uchun yuqori yaqinlikka ega va ulardan uchtasini bog'laydi, ATPni gidrolizlaydi va shaklini o'zgartiradi.
  • Ferment shaklini o'zgartirganda, u o'zini hujayraning tashqi tomoniga yo'naltiradi va uchta natriy ioni ajralib chiqadi.
  • Fermentning yangi shakli ikkita kaliyni bog'lash va fosfat guruhini ajratish imkonini beradi va tashuvchi oqsil hujayraning ichki qismiga o'zini qayta joylashtiradi.
  • Ferment yana shaklini o'zgartirib, kaliy ionlarini hujayra ichiga chiqaradi.
  • Kaliy hujayra ichiga chiqarilgandan so'ng, ferment uchta natriy ionini bog'laydi, bu jarayonni qaytadan boshlaydi.

Asosiy shartlar

  • elektrogen nasos: Faoliyati natijasida aniq zaryad oqimini hosil qiluvchi ion nasosi.
  • Na+-K+ ATPaz: Barcha hayvonlar hujayralarining plazma membranasida joylashgan ferment, kaliyni hujayralarga pompalayotib, hujayralardan natriyni haydab chiqaradi.

Birlamchi faol transport

Natriy va kaliyning faol tashilishi bilan ishlaydigan birlamchi faol transport ikkilamchi faol transportning paydo bo'lishiga imkon beradi. Ikkilamchi transport usuli hali ham faol hisoblanadi, chunki u birlamchi transport kabi energiyadan foydalanishga bog'liq.

Natriy va kaliyning faol tashilishi: Birlamchi faol transport ionlarni membrana bo'ylab harakatlantirib, elektrokimyoviy gradient (elektrogen transport) hosil qiladi.

Hayvonlar hujayralaridagi eng muhim nasoslardan biri tirik hujayralardagi elektrokimyoviy gradientni (va Na + va K + ning to'g'ri konsentratsiyasini) saqlaydigan natriy-kaliy nasosi (Na + -K + ATPaz) hisoblanadi. Natriy-kaliy nasosi hujayradan ikkita K + ni harakatga keltiradi va uchta Na + ni hujayradan chiqaradi. Na+-K+ ATPaza hujayraning ichki yoki tashqi qismiga yo'naltirilganligiga va natriy yoki kaliy ionlariga yaqinligiga qarab ikki shaklda mavjud. Jarayon quyidagi olti bosqichdan iborat:

  • Ferment hujayraning ichki qismiga yo'naltirilganligi sababli, tashuvchining natriy ionlariga yuqori yaqinligi bor. Uch natriy ioni oqsil bilan bog'lanadi.
  • ATP oqsil tashuvchisi tomonidan gidrolizlanadi va unga past energiyali fosfat guruhi biriktiriladi.
  • Natijada, tashuvchi shaklini o'zgartiradi va o'zini membrananing tashqi tomoniga qayta yo'naltiradi. Proteinning natriyga yaqinligi pasayadi va uchta natriy ioni tashuvchini tark etadi.
  • Shaklning o'zgarishi tashuvchining kaliy ionlariga yaqinligini oshiradi va ikkita bunday ion oqsilga biriktiriladi. Keyinchalik, kam energiyali fosfat guruhi tashuvchidan ajralib chiqadi.
  • Fosfat guruhi olib tashlanishi va kaliy ionlari biriktirilishi bilan tashuvchi oqsil o'zini hujayraning ichki qismiga qayta joylashtiradi.
  • Yangi konfiguratsiyada tashuvchi oqsilning kaliyga yaqinligi pasayadi va ikkita ion sitoplazmaga chiqariladi. Protein endi natriy ionlariga nisbatan yuqoriroq yaqinlikka ega va jarayon yana boshlanadi.

Bu jarayon natijasida bir qancha voqealar yuz berdi. Bu vaqtda hujayraning tashqarisida ichkariga qaraganda ko'proq natriy ionlari va tashqariga qaraganda ko'proq kaliy ionlari mavjud. Har uch natriy ioni tashqariga chiqib, ikkita kaliy ioni ichkariga kiradi. Bu ichki qismning tashqi ko'rinishga nisbatan biroz salbiyroq bo'lishiga olib keladi. Bu mas'uliyatli farq ikkinchi darajali jarayon uchun zarur shart -sharoitlarni yaratishda muhim ahamiyatga ega. Shunday qilib, natriy-kaliy pompasi elektrogen nasos (zaryad nomutanosibligini yaratuvchi nasos) bo'lib, membrana bo'ylab elektr muvozanatini keltirib chiqaradi va membrana potentsialiga hissa qo'shadi.


6.6: Gradientlarni hosil qilish: bog'langan reaktsiyalar va nasoslardan foydalanish - Biologiya

BCH 4053 Biokimyo I
2001 yil kuzi
Dr.
Maykl Blaber

Passiv diffuziya, osonlashtirilgan diffuziya, ATP tomonidan boshqariladigan transport jarayonlari

  • Hujayralar termodinamikdir ochiq tizimlar va ba'zi vositalarga ega bo'lishi kerak importni tartibga soladi ozuqa moddalari va eksport chiqindilar va boshqa birikmalar
  • Barcha hujayralar gradientlarni saqlang ularning membranalari bo'ylab turli noorganik ionlarning. Bu omon qolish uchun talab qilinadi yoki signal uzatishda yoki potentsial energiya manbai sifatida ishlatiladi.

Muhim nuqta shundaki, yuqorida sanab o'tilgan molekulalarning aksariyati qutbli yoki ionli bo'lib, ammo ularning hujayra membranasi orqali o'tishi ularning hidrofobik muhitdan o'tishini talab qiladi. .

  • Bu tashish o'ziga xos ichki yoki tomonidan amalga oshiriladi integral membrana oqsillari
  • Termodinamik nuqtai nazardan transport jarayonlarining faqat uchta turi mavjud:
    • Passiv diffuziya
    • Osonlashtirilgan diffuziya
    • Faol transport
    • Eng oddiy transport jarayoni
    • Molekula hech qanday maxsus transport tizimining yordamisiz membrana bo'ylab harakatlanadi
    • Molekulalar membrana bo'ylab harakatlanadi va o'rnatiladi konsentratsiyaning muvozanati (entropiyani hisobga olgan holda)

    Agar membrananing ikkala tomonida konsentratsiya teng bo'lmasa, erkin energiya farqi bir tomon va ikkinchi tomon o'rtasidagi faqat bir funktsiyadir konsentratsiyadagi farq

    • D G - bu kimyoviy potentsial farq
    • The konsentratsiya gradyani ko'rib chiqilayotgan molekulaning konsentratsiyalar orasidagi farq yoki [C2] - [C1]

    Zaryadlangan molekulalar yoki ionlar

    Zaryadlangan turning membrana bo'ylab passiv tarqalishiga nafaqat kontsentratsiya gradienti, balki membrana bo'ylab elektr potentsiali (qarama-qarshi zaryadlar tortadi, xuddi zaryadlarni qaytaradi)

    • a uchun membrana bo'ylab D G zaryadlangan turlar deb ataladi elektrokimyoviy potentsial

    D G = G2 - G1 = R*T* ln [C2]/[C1] + Z*F* D y

      • Z tashilayotgan ion turlarining zaryadidir
      • F Farraday doimiysi (96 485 joul/volt * mol)
      • Dy membranadagi kuchlanish farqidir

      F doimiy bo'lgani uchun ning ta'siri Z* D G ga F* D y atamasi kattaligi va belgisiga bog'liq Z va D y

      • Yuqoridagi diagrammada kontsentratsiya gradienti bo'ladi emas 1-tomondagi anionning 2-tomonga qarab harakatlanishiga yordam beradi. elektrokimyoviy potentsial bo'ladi.
        • Z = -1
        • D y =y2 -y1 = (katta musbat kuchlanish - kichik musbat kuchlanish) = Ijobiy qiymat
        • ning hissasi Z*F* D y termini D G = (salbiy) * F * (ijobiy) = manfiy qiymat (spontanlikni yoki zaryadlangan ionning 1-tomondan 2-tomonga harakatlanishini yoqlaydi)

        E'tibor bering, agar Z nolga yaqinlashsa, D G ning ta'rifi zaryadlanmagan turlar uchun berilgan bilan bir xil bo'ladi.

        Osonlashtirilgan diffuziya

        Passiv diffuziya ma'lum bir molekula uchun termodinamik jihatdan qulay bo'lishi mumkin bo'lsa-da, kinetik jihatdan bu juda sekin bo'lishi mumkin tirik tizim uchun jarayon (termodinamika bizga jarayonning o'z-o'zidan sodir bo'lishini aytadi, lekin uning sodir bo'lish tezligi haqida bizga xabar bermaydi). Ba'zi integral membrana oqsillari qobiliyatiga ega muvozanatli tashish tezligini tezlashtirish membrana bo'ylab molekulalar.

        • Bunday transport muvozanat termodinamikasini buzmaydi va faqat davom etishi mumkinDG < 0 (D G =0 bo'lganda, tashish jarayoni muvozanatda va yo'q to'r membrana bo'ylab tashish amalga oshirilishi mumkin)
        • Yengillashtirilgan diffuziya uchun mas'ul bo'lgan integral membrana oqsillari mavjud maxsus bog'lanish yaqinligi tashilayotgan molekulalar uchun

        Osonlashtirilgan diffuziya talab qiladi maxsus membrana transport oqsillari.

        • Bunday membranaviy transport oqsillari soni cheklanganligi sababli, ular to'yingan bo'lishi mumkin agar tashiladigan molekulalarning konsentratsiyasi yuqori bo'lsa.
        • Shunday qilib, osonlashtirilgan diffuziya yuqori "substrat" konsentratsiyasida to'yinganlikning xarakterli xususiyatiga ega.
        • Passiv diffuziya bunday transport oqsillariga tayanmaydi va shuning uchun yuqori substrat konsentratsiyasida bunday to'yinganlikni ko'rsatmaydi ("substrat" tashilayotgan molekulaga ishora qiladi)

        Eritrotsitlarda glyukoza tashilishi

        Eritrotsitlarda (qizil qon tanachalari) glyukoza tashish osonlashtirilgan diffuziya orqali amalga oshiriladi.

        • Glyukoza tashuvchi molekula membranani 12 marta bosib o'tish uchun oldinga va orqaga buklanadigan 12 a - spiralli ajralmas membrana oqsilidir.
        • Ushbu tuzilma glyukozaning eritrotsitlar membranasi bo'ylab passiv tarqalishi uchun kanalni ta'minlaydi.
        • Glyukoza tashuvchi molekulalar sonining kamayishi yoki to'g'ri ishlashiga to'sqinlik qiladigan mutatsiyalar diabetik holatga olib kelishi mumkin.
        • Ba'zi qo'ziqorin oqsillari (masalan, Cytochalasin B) glyukoza tashuvchi molekulasini inhibe qilishi va bu zarur oziq moddalarning hujayralarga kirishiga to'sqinlik qilishi mumkin.

        Eritrositlarda anion tashuvchisi

        Yengillashtirilgan diffuziyaning yana bir misoli anion tashuvchi membrana oqsilidir

        • Anion tashuvchi oqsilda membranani kesib o'tuvchi 14 ta spiral mavjud
        • Bu Cl - va HCO ni tez muvozanatlash imkonini beradi3 - (bikarbonat) ionlari. Bu ionlar bir vaqtning o'zida qarama-qarshi yo'nalishlarda tashiladi, shuning uchun transport elektr neytral.
        • Cl - va HCO ning oqim yo'nalishi3 - ionlar shunchaki membrana bo'ylab bu ionlarning nisbiy kontsentratsiyasi gradientlari bilan harakatlanadi. Biroq, qizil qon hujayralari HCO ni to'playdi3 - nafas oluvchi to'qimalar hududida (konsentratsiyasi yuqori bo'lgan joyda) va uni o'pkaga (kontsentratsiyasi past bo'lgan joyda) chiqaradi.

        Faol transport tizimlari

        Passiv va osonlashtirilgan diffuziya tizimlari kontsentratsiya yoki elektrokimyoviy potentsiallarga oddiygina bo'ysunadi va molekulyar harakat jarayoni shunchaki pastga tushadigan energiya jarayonidir. Biroq, ba'zi transport jarayonlari yuqoriga ko'tariladigan energiya jarayonini ifodalaydi (ya'ni, ba'zida hujayra molekulalarni harakatga keltirishi kerak). pastdan yuqori konsentratsiyaga qadar yoki ionlarni harakatga keltirishi kerak elektrokimyoviy potentsialga qarshi).

        • Bunday jarayonlar transportni ifodalaydi, natijada a yuqoriroq potentsial energiya holati (ya'ni energetik ravishda yuqoriga ko'tariladi, bu saqlangan potentsial energiya shaklini anglatadi)
        • Shunday qilib, termodinamik jihatdan bu transport jarayonlari bo'ladi energiya kiritishni talab qiladi yuzaga kelishi uchun
        • Shuning uchun bunday transport jarayonlari deyiladi faol transport tizimlar ("faol transport" atamasi "faol diffuziya" emas, chunki transport oddiy diffuziya yoki muvozanat qonunlariga bo'ysunmaydi).

        Faol transport tizimlari odatda chiqaradigan energiyadan foydalanadi ATP gidrolizi a ichida qo'shilgan reaktsiya molekulaning membrana orqali (energiya talab qiluvchi) faol transporti bilan. Shu bilan birga, boshqa energiya manbalaridan foydalanish mumkin, jumladan:

        • Engil energiya
        • Ion gradientlarida saqlanadigan energiya. Bunday holda, birinchi navbatda, bunday gradientni hosil qilish uchun alohida faol transport jarayoni mavjud bo'lishi kerak. asosiy faol transport). Bunday mavjud ion gradientidan boshqa transport jarayoni tomonidan foydalanish a deb ataladi ikkilamchi faol transport jarayon.
        • Ion gradientining yana bir muhim jihati: eritrotsitlardagi anion tashuvchisi passiv va shuning uchun Cl- va HCO2 ning tashilishi.3 - muvofiqlashtirilgan va elektr neytral hisoblanadi. Faqat energiya sarflanishi bilan a to'r elektr zaryadining gradient bo'ylab harakatlanishi amalga oshiriladi (ya'ni, u faol transportni talab qiladi). Bunday transport jarayonlari deyiladi elektrojenik (ular elektr gradientini hosil qiladi)

        Barcha faol transport jarayonlari qo'shilgan reaktsiyalar

        • ATP gidrolizi bilan bog'langan molekulyar transportdan foydalaniladi kimyoviy energiya amalga oshirish ish (molekulani membrana bo'ylab harakatlantirish)
        • Boshqa jarayonlar ishni bajarish uchun yorug'lik energiyasini birlashtiradi

        ATP tomonidan boshqariladigan transport jarayonlari

        Bir valentli Kation transporti: Na+, K+ - ATPaz

        • Hayvonlarning barcha hujayralari faol ravishda tashiladi Na + ionlarihujayradan tashqarida, va faol tashish K + ionlarihujayra ichiga. Ushbu ikkala transport jarayoni ham tomonidan boshqariladi Na+, K+ - ATPaz nomi bilan ham tanilgan natriy pompasi (ajralmas membrana oqsili)
        • K + dan foydalanadigan hujayra ichidagi biokimyoviy reaktsiyalar Na + tomonidan inhibe qilinadi, shuning uchun Na + hujayrada past konsentratsiyada saqlanishi kerak.
        • Na + va K + ning hujayra membranasidagi ionli gradientlari (va Cl - ionlari) nerv hujayralari tomonidan nerv hujayrasi uzunligi bo'ylab signal yuborish uchun ishlatiladi.
        • Ion kontsentratsiyasi hujayra ichidagi osmotik bosimga ta'sir qiladi (ya'ni hajmni saqlash)
        • Na + va K + gradientlari boshqa birikmalarning (masalan, aminokislotalar, nukleotidlar va shakar) tashish jarayonlarini boshqarish uchun ishlatiladi.
        • O'rtacha hujayradagi energiyaning 20-40% (va nerv hujayralarida 70% gacha) oddiygina N + , K + ion gradientini saqlash uchun sarflanadi!

        N + , K + - ATPazaning tuzilishi va funktsiyasi

        • Ikkita kichik birlik mavjud: katta (120kDa) a -kichik birlik va kichikroq (35kDa) b -kichik birlikdir.
        • Ushbu membrana oqsili har bir gidrolizlangan ATP uchun hujayradan uchta Na + ionini va hujayra ichiga ikkita K + ionini haydab chiqaradi:

        ATP 4- + H2O + 3Na + (ichki) + 2K + (tashqi) ADP 3- + HPO4 2- + H + + 3Na + (tashqi) + 2K + (ichkarida)

        • Kationlarning hujayradan aniq harakati bo'lsa-da, ATP ning ADP ga gidrolizlanishi protonni chiqaradi. Shuning uchun hujayra ichidagi ion konsentratsiyasi doimiy bo'lib qoladi.
        • a -kichik bo'linmada membranani qamrab oluvchi 10 ta transmembran a - spiral mavjud. 4 va 5 spirallar orasiga kiritilgan sitoplazmatik ATP bog'lovchi domeni mavjud bo'lib, u ATP gidrolizi paytida teskari fosforillanishi mumkin bo'lgan aspartik kislota yon zanjirini o'z ichiga oladi.
        • Fermentlar E1 va E2 deb nomlanuvchi ikki xil konformatsiyalar orasida aylanishi taklif qilingan.
          • E1 ning Na+ ionlari va ATP ga yaqinligi yuqori. U ATP gidroliziga qo'shilish orqali fosforlangan bo'lib, konformatsiyani hosil qiladi. E1-P unda membrananing sitoplazmatik tomonidan olingan uchta bog'langan Na + ionlari mavjud.
          • Konformatsion o'zgarish hosil qiladi E2-P konformatsiya. Bu Na+ ga nisbatan past, ammo K+ ga yuqori yaqinlikka ega. E2-P holati 3Na+ ionlarini chiqaradi va hujayraning tashqi tomonida ikkita K+ ni bog'laydi.
          • Defosforilatsiyani tark etadi E2-K2 ikkita bog'langan K+ ionlari bilan hosil bo'ladi. ATP ning bog'lanishi hujayraning ichki qismidagi K + ionlarini chiqaradi va fermentni E1 holatiga qaytaradi (bog'langan ATP yana fosforlanishga tayyor bo'lgan holda)

          Muhim nuqta shundaki, ATP bilan bog'lanish va keyingi fosforillanish/defosforilatsiya natriy nasos oqsilining konformatsiyasini o'rtasida o'zgartiradi. yuqori Na+/past K+ yaqinligi va past Na+/yuqori K+ yaqinligi holat va bu ionlarning bog'lanishi va chiqishi membrananing o'zgaruvchan tomonlarida sodir bo'ladi

          Na+, K+ - ATPaz yurak glikozidlari tomonidan inhibe qilinadi

          Ba'zi o'simlik va hayvonlar steroidlari (masalan, Ouabain) Na +, K + - ATPazani inhibe qiladi va shuning uchun ionlarning tashishini oldini oladi.

          • Ushbu moddalar odatda deyiladi yurak glikozidlari
          • Yurak glikozidlari E2-P konformatsiyasida bo'lganida Na+, K+ - ATPazning hujayradan tashqari hududi bilan bog'lanadi.
          • bilan odamlar yuqori qon bosimi odatda bor yuqori darajalar ba'zi turdagi Na+, K+ - ATPaz oqsilining inhibitori . Qon tomirlari devorlarini qoplaydigan hujayralarda Na + ning to'planishi gipertenziyaga olib kelishi mumkin
          • Shifokorlar Na+, K+ - ATPazning tegishli ion kontsentratsiyasini tiklashga yordam berish uchun Na+ tarkibida past va K+da yuqori bo‘lgan parhezni tavsiya qiladilar.

          Kaltsiyni tashish: Ca 2+ - ATPaz

          Kaltsiy - bu ba'zi turdagi ionlar vazifasini bajaradi uyali signal deyarli barcha hujayralarda. Mushak hujayralarida u hujayraning qisqarishi haqida signal beradi.

            Tinchlanadigan mushaklarda mushak tolalari yaqinida Ca 2+ kontsentratsiyasi ancha past (

          Oshqozon H+, K+ - ATPaz

          Oshqozondagi yuqori kislotali muhit (yuqori [H + ]) ovqat hazm qilish uchun zarurdir. Oshqozonning pH qiymati 0,8 dan 1,0 gacha. Shu bilan birga, oshqozon shilliq qavatining parietal hujayralarining pH qiymati (ya'ni, oshqozon shilliq qavatini tashkil etuvchi) juda odatiy fiziologik pH 7,4 ga ega.

          • Shuning uchun shilliq qavatning hujayra membranasi bo'ylab pH gradienti 6,6 ga teng (har qanday turdagi hujayralar uchun ma'lum bo'lgan eng katta transmembran gradienti)
          • Bu [H + ] gradienti tomonidan saqlanadi H +, K+ - ATPaz. Ushbu membrana oqsili hujayradan H + va K + ning hujayra ichiga pompalanishi uchun ATP gidrolizini birlashtiradi. Har bir pompalangan K+ uchun bitta H+ pompalanganligi sababli, tashish jarayoni elektr neytral hisoblanadi (ya'ni, u elektr emas, balki kontsentratsiya gradientiga qarshi kurashishi kerak)
          • K+ ioni Cl - ioni bilan birga boshqa elektr neytral jarayonda bog'langan membrana tashish tizimi yordamida chiqariladi. Aniq natija - bu hujayralar tomonidan oshqozonga HCl sekretsiyasi! (K+ samarali tarzda qayta ishlanadi).
          • Oshqozon H + , K+ - ATPazalar aminokislotalar ketma-ketligi va tuzilishi jihatidan Na+, K+ - ATPazaga o'xshaydi.

          Osteoklast proton nasoslari yordamida suyaklarni qayta qurish

          Inson tanasidagi suyak massasining 5% ga yaqini har qanday vaqtda qayta qurishga uchraydi. Suyakning o'sishi va erishi o'rtasidagi gomeostastga teskari ta'sir orqali erishiladi osteoblastlar (suyak ishlab chiqaruvchi hujayralar) va osteoklastlar (suyak rezorbsiyasi hujayralari).