Wie entsteht elektrische Energie durch Konzentration von Ionen auf einer Seite einer Biomembran?

In der Biologie gibt es ein Thema namens oxidative Phosphorylierung .

Im ersten Schritt dieses Prozesses werden Substrate wie Isocitrat oxidiert und die Elektronen auf die Coenzyme NAD+ oder FAD übertragen, um NADH oder FADH2 zu bilden. Diese hochenergetischen Elektronen werden dann durch eine Reihe von Elektronenträgern der Elektronentransportkette übertragen. Die freigesetzte Energie wird verwendet, um Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum zu translozieren, wodurch ein elektrochemischer Protonengradient über die innere Mitochondrienmembran aufgebaut wird .

Im nächsten Schritt bewegen sich die Protonen entlang des elektrochemischen Gradienten durch einen ATP-synthetisierenden Komplex. Die im Gradienten gespeicherte Energie wird zur Synthese von ATP verwendet.Karp-Bild

Wie wird elektrische Energie durch Konzentration von Ionen auf einer Seite einer Biomembran entwickelt?

Danke schön.

Teilchen mit gleicher Ladung stoßen sich ab. Das bedeutet, dass Sie, um gleich geladene Teilchen zusammen zu konzentrieren, auf sie drücken müssen. Die Arbeit, die Sie beim Zusammenschieben verrichten, wird als elektrische potentielle Energie gespeichert (weil die elektrischen Felder die Teilchen weiterhin voneinander abstoßen).
Ich denke, Sie müssen in Ihrer Frage ein wenig mehr Informationen angeben. Meinst du mit elektrischer Energie Energie aus bewegten elektrischen Ladungen? Wenn Sie "entwickelt" sagen, denke ich, dass Sie sich auf die Anhäufung elektrischer Ladungen beziehen und nicht auf die Entwicklung elektrischer Energie. Das Bewegen von Elektronen stellt elektrische Energie dar. Was die Elektronen bewegt, mag das sein, wonach Sie suchen, aber ein subtiler Unterschied zwischen Energie und Ladungen muss unterschieden werden.
Okay, ich gebe noch ein paar Informationen.
Das sieht aus wie ein Kondensator, mit angesammelter +Ladung rechts und 0 links.
@philip_0008 Ich habe deine Erklärung zur Anklageerhebung bekommen. Aber was hat es mit dieser Kondensator-Sache auf sich?
Ich habe versucht, es in meiner Antwort auf einfache Weise zu erklären, indem ich statische Aufladungen verwendete. Aber ein Modell, das die resultierende Kapazität und Entropie des Systems enthält, ist genauer, und ich denke, @Quantum Spaghettification kann es besser erklären. Tatsächlich speichert ein Kondensator auch Energie in Form von Q v , die zur Energie des Systems beiträgt.
Von einem Biologie-Lehrbuch die korrekte Anwendung der Physik zu erwarten, ist ein Schmerz im Arsch! Sie arbeiten mit falschen heuristischen Modellen unseres Universums.

Antworten (2)

Dies kann etwas technischer sein als Sie, kann aber für andere von Nutzen sein.

Hier geht es um zwei Dinge.

  1. Wie von anderen erwähnt, haben Sie die Ladungstrennung durch ein Dielektrikum und daher einen Kondensator. Wenn Sie in einer elektrisch neutralen Situation starten und sich bewegen N Protonen von außerhalb der Membran nach innen eine Spannung von:

    v = e N C
    entwickelt sich über die Membran (Verwendung von Q = C v )

    2. Die andere Sache hat mit Entropie zu tun. Stellen Sie sich vor, Sie hätten eine Kiste davon N Partikel. Wenn Sie in dieses Kästchen schauen, wäre es sehr seltsam, alle Teilchen auf einer Seite zu finden - die Entropie einer solchen Situation ist gering. Wenn Sie Ionen durch die Membran bewegen, schaffen Sie eine Situation wie diese, die eine Menge „freier Energie“ pro Molekül kostet:

    G = k B T ln ⁡ ( C ich N C Ö u T )

Da ich es also erwähnt habe, lassen Sie mich erklären, was „freie Energie“ ist. Freie Energie ist Energie mit der Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Wir können dies in etwas quantifizieren, das als Protonenantriebskraft bezeichnet wird. Dies ist die freie Energie pro Ladung, um ein Proton von außerhalb der Zelle nach innen zu transportieren. Es hat die Form:

P M F = v + G e
= e N C + k B T e ln ⁡ ( C ich N C Ö u T )
Wenn ich also ein Proton durch die Membran bringen würde, würde ich eine Menge an freier Energie verlieren, die gleich ist e × P M F . Und damit diese Menge an nützlicher Energie verlieren.

Wie Sie sehen können, besteht die Protonenantriebskraft aus einem Teil aufgrund der elektrostatischen Anziehung zwischen getrennten Molekülen (in Form eines Kondensators) und einem Teil aufgrund der Entropieänderung, die mit sich bewegenden Ionen verbunden ist.

Wenn es Ihnen nichts ausmacht, ich habe einige Fragen. Erstens, wirkt die Plasmamembran hier wie ein Dielektrikum und wie wirkt das Membran-Proton-System als Kondensator?
@SanjuktaGhosh Das ist richtig, diese Membran hat eine viel höhere Dielektrizitätskonstante als das Wasser (und andere Dinge) um sie herum. Wir können daher das Wasser als Leiter und die Membran als Dielektrikum modellieren und somit einen Kondensator bilden.
Je mehr ich über dieses Thema erfahre, desto verwirrter bin ich.
@SanjuktaGhosh lass es mich noch einmal versuchen, wenn du dieses System mit einem normalen Kondensator vergleichst, hast du die Membran, die wie das Dielektrikum im Kondensator wirkt (dh der Raum zwischen den leitenden Platten). Die Flüssigkeit auf beiden Seiten der Membran wirkt wie die leitenden Oberflächen des Kondensators, und die Protonen wirken als Ladungen, die den Kondensator aufladen.

Nehmen wir an, wir haben bereits eine Anordnung von 3 statischen Ladungen mit Anfangsenergie E 0 .
Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein


Um eine zusätzliche Ladung zu platzieren, müssen wir die Ladung hineinschieben und somit Arbeit (Energie) äquivalent aufbringen
W 4 = k Q 4 ( Q 1 / R 14 + Q 2 / R 24 + Q 3 / R 34 )
Und jetzt hat die ganze Anordnung von 4 Ladungen eine zusätzliche W 4 von Energie:
E T Ö T = E 0 + W 4
Dies ist derselbe Prozess wie die Translokation von Protonen in Schritt 1.
Um in Schritt 2 Energie für die Produktion von ATP bereitzustellen, müssen wir Energie aus der Anordnung von Ladungen freisetzen.
Nehmen wir im Beispiel an, wir veröffentlichen Q 4 , Entfernen der Ladung Q 4 aus der 4-Ladungs-Baugruppe wird gleich Energie freigesetzt E R e l e A S e D = W 4 , und auch das Senken der Energie in der Baugruppe.

Man kann es mit Pfeil und Bogen vergleichen. Das Zurückziehen der Sehne speichert potenzielle Energie, und das Loslassen der Sehne setzt die Energie in Form der Pfeilgeschwindigkeit frei.
Wie entsteht elektrische Energie durch Konzentration von Ionen auf einer Seite einer Biomembran?
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