Gradient elektrochemiczny

Gradientu elektrochemicznego jest gradient do potencjału elektrochemicznego :

${\ Displaystyle \ nabla {\ overline {\ mu}} _ {i} = \ nabla \ mu _ {i} ({\ vec {r}}) + \ nabla z_ {i} \ mathrm {F} \ varphi ( {\ vec {r}})}$

• ${\ displaystyle z_ {i}}$ Numer ładunku jonu
• F, stała Faradaya , F = 96485,33 C / mol
• ${\ displaystyle \ varphi}$, Lokalny potencjał elektryczny

Ten gradient służy do rejestrowania przestrzennych różnic w stężeniu chemicznym ( gradient stężeń ) i różnic w potencjale elektrycznym ( napięcie elektryczne ). Dlatego może być również używany do opisu zmian w rozmieszczeniu naładowanych cząstek, takich jak jony, w przestrzeni cieczy w obecności pola elektrycznego. Przy gradiencie elektrochemicznym = 0 dla określonego jonu, te naładowane cząstki są statystycznie rozmieszczone w taki sposób, że gradienty elektryczne i chemiczne są w równowadze. Innymi słowy: gradient elektrochemiczny znika w równowadze.

Ponieważ jony niosą ładunek, oba gradienty występują łącznie, gdy są rozprowadzane.

• Gradient chemiczny - gradient stężenia w przestrzeni dystrybucji ma tendencję do wyrównywania się z powodu zależnego od temperatury losowego ruchu cząstek ( ruch molekularny Browna ). Jeśli występuje nierównomierny rozkład typu jonów, wiąże się z nim również gradient elektryczny.
• Gradient elektryczny - różnica potencjałów w polu elektrycznym ma tendencję do spadku napięcia ze względu na zrównoważony rozkład ładunku. Jeśli istnieje nierównomierny rozkład naładowanych cząstek jednego typu jonów, wiąże się to również z gradientem chemicznym.

Gradienty elektrochemiczne w układach biologicznych

W układach biologicznych gradient elektrochemiczny ma znaczenie dla membran .

Przykładami tego są:

• gradientu protonów (H ⁺ gradient) drugiej mitochondriów oraz chloroplastowych membran, które przyczynia się do powstawania ATP w łańcuchu oddechowym oraz w czasie fotosyntezy .
• gradient elektrochemiczny K ^{+ w} poprzek błony komórek nerwowych , który jest ważny dla potencjału spoczynkowego w przewodzeniu wzbudzenia .

Gradient protonów w poprzek błony mitochondrialnej

→ Główny artykuł: łańcuch oddechowy

Zdecydowanie najważniejsze systemy regeneracji ATP w organizmach oparte są na gradientach protonów , czyli w łańcuchu oddechowym i podczas fotosyntezy . Bogate w energię jedzenie lub światło słoneczne dostarcza organizmowi elektronów , których energia jest najpierw przekształcana w potencjał protonowy przez wewnętrzną błonę mitochondrialną. Odpowiedzialny za to jest łańcuch oddechowy, w którym zastosowano pompy H ^+, które są zasilane elektronami o wysokiej energii. Siła napędowa protonów spowodowana gradientem protonów napędza teraz tworzenie ATP.

Gradient K ⁺ na błonie komórek nerwowych

→ Główny artykuł: Spoczynkowy potencjał błonowy komórek nerwowych pobudliwych elektrycznie

W tym miejscu wykorzystano przykład, aby wyjaśnić, w jaki sposób dwa gradienty (gradient elektryczny i gradient stężenia) współpracują ze sobą.

W komórce nerwowej K + jest bliski swojej równowagi elektrochemicznej i jest głównie odpowiedzialny za tworzenie spoczynkowego potencjału elektrycznego -70 mV w poprzek błony.

W komórce znajdują się ujemnie naładowane cząsteczki organiczne, na przykład wiele białek i enzymów. Załóżmy, że w komórce jest tak dużo jonów K ⁺ , że po prostu kompensują ten ładunek ujemny, a potencjał błony wynosi 0 mV. K ⁺ teraz podąża za siłą napędową gradientu stężeń i dlatego chce opuścić komórkę. Im więcej jonów K ⁺ opuszcza komórkę, tym bardziej elektryczna siła napędowa ujemnie naładowanych cząsteczek organicznych w komórce działa na K ⁺ . To stara się przyciągnąć K ^{+ z} powrotem do komórki.

Wkrótce ustala się równowaga między dwoma przeciwstawnymi siłami napędowymi. Gradient elektrochemiczny K ⁺ jest wtedy równy 0, a przepływ netto K + przez membranę zostaje zatrzymany. Skutkuje to potencjałem błonowym -70 mV i wyższym stężeniem K + w komórce niż poza nią. Ten przykład pokazuje różnicę między gradientem stężenia, gradientem elektrycznym (który jest równy napięciu elektrycznemu ) i gradientem elektrochemicznym .

Zobacz też

• Potencjał elektrochemiczny
• Elektrochemiczna siła napędowa

literatura

• Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer : Biochemistry. 6. wydanie, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2007. ISBN 978-3-8274-1800-5 .
• Donald Voet, Judith G. Voet: Biochemistry. Wydanie trzecie, John Wiley & Sons, Nowy Jork 2004. ISBN 0-471-19350-X .
• Bruce Alberts , Alexander Johnson, Peter Walter, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts: Molecular Biology of the Cell , 5th Edition, Taylor & Francis 2007, ISBN 978-0815341062 .