Как образуется электрическая энергия путем концентрации ионов на одной стороне биомембраны?

В биологии есть такая тема, как окислительное фосфорилирование .

На первом этапе этого процесса субстраты, такие как изоцитрат, окисляются, и электроны передаются коферментам НАД+ или ФАД с образованием НАДН или ФАДН2. Эти высокоэнергетические электроны затем переносятся через серию электронных переносчиков электрон-транспортной цепи. Высвобождаемая энергия используется для перемещения протонов из матрикса в межмембранное пространство, создавая протонный электрохимический градиент через внутреннюю митохондриальную мембрану .

На следующем этапе протоны движутся по электрохимическому градиенту через комплекс синтеза АТФ. Энергия, запасенная в градиенте, используется для синтеза АТФ.Изображение карпа

Как вырабатывается электрическая энергия путем концентрации ионов на одной стороне биомембраны?

Спасибо.

Частицы с одинаковым зарядом отталкиваются друг от друга. Это означает, что для того, чтобы собрать частицы с одинаковым зарядом вместе, вы должны надавить на них. Работа, которую вы выполняете, сталкивая их вместе, сохраняется в виде электрической потенциальной энергии (поскольку электрические поля продолжают отталкивать частицы друг от друга).
Я думаю, вам нужно предоставить немного больше информации в вашем вопросе. Под электрической энергией вы подразумеваете энергию движущихся электрических зарядов? Когда вы говорите «развитые», это заставляет меня думать, что вы имеете в виду скопление электрических зарядов, а не выработку электрической энергии. Движущиеся электроны составляют электрическую энергию. То, что заставляет электроны двигаться, может быть тем, что вы ищете, но необходимо различать тонкую разницу между энергией и зарядами.
Хорошо, я предоставлю дополнительную информацию.
Это похоже на конденсатор с накопленным зарядом + справа и 0 слева.
@philip_0008 Я получил твое объяснение по сборке зарядов. Но что это за конденсатор?
Я попытался объяснить это простым способом в своем ответе, используя статические заряды. Но модель, которая включает результирующую емкость и энтропию системы, является более точной, и я думаю, что @Quantum spaghettification может лучше объяснить. Действительно, конденсатор также хранит энергию в виде д В , что добавляет энергии системе.
Ожидать правильного использования физики из учебника биологии — это заноза в заднице! Они работают с неправильными эвристическими моделями нашей вселенной.

Ответы (2)

Это может быть немного более техническим, чем вам нужно, но может быть полезным для других.

Здесь происходит две вещи.

  1. Как упоминалось другими, у вас есть разделение заряда диэлектриком и, следовательно, есть конденсатор. Если вы начинаете в электрически нейтральной ситуации и двигаетесь н протонов снаружи мембраны внутрь при напряжении:

    В "=" е н С
    будет развиваться через мембрану (использование Вопрос "=" С В )

    2. Другое дело с энтропией. Представьте, что у вас есть коробка Н частицы. Если посмотреть, куда смотреть в этом ящике, то было бы очень странно обнаружить все частицы в одной стороне — энтропия в такой ситуации мала. При перемещении ионов через мембрану вы создаете подобную ситуацию, что будет стоить некоторого количества «свободной энергии» на молекулу:

    г "=" к Б Т п ⁡ ( С я н С о ты т )

Так как я упомянул об этом, позвольте мне объяснить, что такое «свободная энергия». Свободная энергия – это энергия, способная совершать работу. Мы можем количественно выразить это в так называемой протонной движущей силе. Это свободная энергия на один заряд, необходимая для переноса одного протона извне клетки внутрь. Он принимает форму:

п М Ф "=" В + г е
"=" е н С + к Б Т е п ⁡ ( С я н С о ты т )
Итак, если бы я перенес один протон через мембрану, я потерял бы количество свободной энергии, равное е × п М Ф . И, следовательно, потерять это количество полезной энергии.

Как видите, движущая сила протона состоит из части, обусловленной электростатическим притяжением между разделенными молекулами (в виде конденсатора), и части, обусловленной изменением энтропии, связанным с движущимися ионами.

Если вы не возражаете, у меня есть несколько вопросов. Во-первых, действует ли здесь плазматическая мембрана как диэлектрик и как мембранно-протонная система действует как конденсатор?
@SanjuktaGhosh Правильно, эта мембрана имеет гораздо более высокую диэлектрическую проницаемость, чем вода (и другие материалы) вокруг нее. Таким образом, мы можем моделировать воду как проводник, а мембрану как диэлектрик, образуя таким образом конденсатор.
Чем больше я узнаю об этой теме, тем больше я путаюсь.
@SanjuktaGhosh позвольте мне попробовать еще раз, если вы сравните эту систему с обычным конденсатором, у вас есть мембрана, которая действует как диэлектрик в конденсаторе (то есть пространство между проводящими пластинами). Жидкость по обе стороны мембраны действует как проводящие поверхности конденсатора, а протоны действуют как заряды, заряжающие конденсатор.

Допустим, у нас уже есть сборка из 3 статических зарядов с начальной энергией Е 0 .
введите описание изображения здесь


Чтобы поместить дополнительный заряд, нам нужно протолкнуть заряд, таким образом применяя работу (Энергию), эквивалентную
Вт 4 "=" к д 4 ( д 1 / р 14 + д 2 / р 24 + д 3 / р 34 )
А теперь вся сборка из 4-х зарядов имеет доп. Вт 4 энергии:
Е т о т "=" Е 0 + Вт 4
Это тот же процесс, что и перемещение протонов на этапе 1.
На этапе 2, чтобы обеспечить энергию для производства АТФ, нам нужно высвободить энергию от сборки зарядов.
В примере, скажем, мы выпускаем д 4 , снятие заряда д 4 из 4-зарядной сборки выделится Энергия, равная Е р е л е а с е г "=" Вт 4 , а также понижение энергии в сборке.

Его можно сравнить с луком и стрелами. Натяжение струны сохраняет потенциальную энергию, а отпускание струны высвобождает энергию в виде скорости стрелы.
Как образуется электрическая энергия путем концентрации ионов на одной стороне биомембраны?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v