Kvėpavimas, fotosintezė ir elektrocheminiai gradientai

Jonas kerta ir cheminį, ir elektrinį skirtumą

Pernešant joną iš išorės į vidų pagal tą patį atskaitos susitarimą, jo elektrocheminių potencialų skirtumas yra Δμ̃=RT ln(a_in/a_out)+zF(ψ_in−ψ_out). Aktyvumų santykis bedimensis, z yra krūvio skaičius su ženklu, o ψ – elektrinis potencialas. Abu nariai yra energijos vienam pernešamų jonų moliui.

Vien koncentracijų skirtumo įelektrintam tirpiniui nepakanka. Įtampa gali sustiprinti cheminį indėlį arba jam priešintis, o sukeitus kryptį pasikeičia abiejų narių ženklai. Ši termodinaminė išraiška pateikia varančiosios energijos skirtumą, o ne visą pernašos srauto lygtį ar greitį per membraną.

Elektronų pernaša kvėpavimo sistemose ir šviesos varomi procesai deguonį išskiriančioje fotosintezėje gali prisidėti prie elektrocheminių gradientų, kuriuos naudoja susieti molekuliniai mechanizmai, kūrimo. Tikrosios membranos, nešikliai, susiejimas ir sąlygos lemia apskaitą; šis teiginys nepateikia universalaus gradiento ar ATP kiekio vienam deguonies kiekiui.

Apskaičiuokite abi dedamąsias su ženklais

Tarkime, kad išgalvotuose skyriuose palaikoma T=310 K, pH_out=7.00, pH_in=8.00 ir Δψ=ψ_in−ψ_out=−0.120 V. Protonų pernašai out→in, z=+1 ir a_in/a_out=10⁻⁸/10⁻⁷=0.100 pagal nurodytą pH apibrėžimą aktyvumu.

Cheminis indėlis yra RT ln(0.100)=−5934.87488 J mol⁻¹. Elektrinis indėlis F×(−0.120)=−11578.2399 J mol⁻¹. Jų suma yra −17513.1147 J mol⁻¹, atitinkanti Δμ̃/F=−0.181510644 V šioms vienvalenčių protonų pernašoms.

Palikite pH skirtumą, bet pakeiskite Δψ į +0.120 V. Suma tampa +5643.36497 J mol⁻¹: elektrinis pasipriešinimas persveria palankų cheminį narį. Pavaizduota tiesė keičia tik priskirtą įtampą. Neigiama suma yra termodinaminė varančioji energija nurodyta kryptimi, o ne konkretaus pernašos greičio įrodymas.

Energetinis minimumas nėra variklio matavimas

Priskirkite ATP sintezės įvykio energiją +48000 J mol⁻¹ suderinamomis palaikomomis vidinio skyriaus sąlygomis toje pačioje temperatūroje. Numačius sąsają su n ankstesnių protonų pernašų į vidų, modelis sudeda ΔG_net=48000+n(−17513.1147) J mol⁻¹.

Kai n=3, grynasis pokytis yra −4539.34421 J mol⁻¹. Mažiausias sveikasis skaičius, tenkinantis šį duotą idealų energijos biudžetą, yra trys, nes 48000/17513.1147≈2.7408. Tai energetinė išgalvoto įvykio riba, o ne išmatuota susiejimo stechiometrija ar garantija, kad įvykis vyksta.

Jei įvykį pasiekia tik numatyti 85.0% protonų varančiosios energijos, trys pernašos duoda +3341.55742 J mol⁻¹ ir šiame energijos modelyje yra nepakankamos; keturios duoda −11544.5901 J mol⁻¹. Mechanizmo geometrija, kitos pernašos sąnaudos ir kinetiniai ribojimai lieka atskiri. Priskirta sintezės energija nėra tyliai perkelta iš ankstesnio ATP pavyzdžio kitoje temperatūroje ir kitoje sudėtyje.

Duotam srautų biudžetui reikia tikrojo susiejimo modelio

Atskirame sintetiniame F tipo variklio modelyje numatykite dvylika jonus pernešančių žiedo vietų, po vieną protoną vietai per visą apsisukimą ir tris ATP įvykius per apsisukimą. Geometrinis skaičiavimas yra dvylika / trys = 4 protonai vienam ATP įvykiui. Jis skiriasi nuo energetinio minimumo ir nėra universali rotoriaus geometrija.

Duokite pastovų siurblio srautą 100 protonų s⁻¹ ir nuotėkio srautą 20 protonų s⁻¹, darant prielaidą apie pakankamą palaikomą varančiąją energiją ir glaudų produktyvų susiejimą. Produktyvus srautas yra 80 protonų s⁻¹. Tai užtikrina 80/12=6.66666667 apsisukimų s⁻¹ ir 20.0 ATP įvykių s⁻¹ priskirtame variklio biudžete.

Tikras siurblys nebūtinai išlaiko tą patį srautą, kai keičiasi gradientai ar nuotėkiai. Tirtose sistemose rotorių stechiometrijos skiriasi, o ATP gamyba taip pat priklauso nuo pernašos ir kitų procesų. Šis supaprastintas modelis negali nustatyti viso ląstelinio ATP ir deguonies santykio.

Vandens oksidacija ir sugertų fotonų įvykiai yra skirtingos apskaitos

Deguonį išskiriančios fotosintezės kontekste formali pusreaktė 2H₂O → O₂+4H⁺+4e⁻ išlaiko atomų ir krūvio tvermę. Ji skaičiuoja keturis elektronų pernašos ekvivalentus vienam O₂ įvykiui. Tai oksidacijos kryptis; visiškai atvirkštinei deguonies redukcijai taip pat reikia keturių elektronų, o ne dviejų visai O₂ molekulei.

Sąmoningai idealioje sužadinimo apskaitoje numatykite du sužadinimo etapus vienam perneštam elektronui ir vieną sugertą fotoną etapui. Todėl vienas priskirtas O₂ įvykis su keturiomis elektronų pernašomis atitinka aštuonis sugertų fotonų įvykius. Tai nėra išmatuota kvantinė išeiga ar pakankamas visas biudžetas vienai heksozei pagaminti.

Ciklinis elektronų srautas grąžina elektronus per grandinę, nesuteikdamas tokio pat papildomo vandens oksidacijos masto. Todėl keturi numatyti papildomi ciklai savaime neprideda O₂ įvykio. Anglies fiksacijai taip pat reikia anglies įvesties, ATP, redukcijos ekvivalentų ir atnaujinamų tarpinių junginių. „Tamsinė reakcija“ nereiškia nepriklausomumo nuo šviesos varomų procesų sukurtos pasiūlos, o deguonies neišskiriančioms fotosintetinėms sistemoms reikia kitokios donorų apskaitos.

Visai išeigai reikia daugiau nei vieno vietinio skaičiavimo

Gradiento energijos skaičiavimas, energetinė susiejimo riba, žiedo vietų biudžetas ir ideali fotonų apskaita atsako į skirtingus klausimus. Norint juos sujungti į teiginį apie ląstelinę išeigą, reikėtų suderinamų sąlygų ir visos elektronų donorų, akceptorių, nešiklių šaudyklinių sistemų, pernašos, nuotėkių ir kitų panaudojimų apskaitos.

Taikykite iš tikrųjų nagrinėtą biologinę apimtį. Aukštesniųjų augalų chloroplastų ir mitochondrijų aprašai nenusako visų organizmų mechanizmų. Šiuose išgalvotuose pavyzdžiuose nėra išmatuoto membranos gradiento, universalaus fotosintezės efektyvumo ar tikros ATP išeigos.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Pabandykite patys

1. Išlaikykite pH skirtumą, bet nustatykite Δψ=+0.120 V. Raskite pernašos į vidų energiją; tada apgręžkite pradinę −0.120 V pernašos kryptį.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Priešinamos pernašos į vidų vertė +5643.36497 J mol⁻¹; apgręžus pradinę kryptį, gaunama +17513.1147 J mol⁻¹.

   Iš naujo sudėkite cheminį narį su nauju elektrinio nario ženklu. Apgręžus pradinę kryptį, abiejų pradinių indėlių ženklai pasikeičia į priešingus.

2. +48000 J mol⁻¹ įvykiui prieinama tik 85.0% protonų varančiosios energijos. Palyginkite tris ir keturias pernašas.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Trys pernašos duoda +3341.55742 J mol⁻¹ ir yra energetiškai nepakankamos; keturios duoda −11544.5901 J mol⁻¹.

   Prieš skaičiuodami pernašas, prieinamą varančiąją energiją padauginkite iš 0.850. Energetinis pakankamumas čia nėra variklio mechanizmo įrodymas.

3. Padidinkite nuotėkį iki keturiasdešimties protonų s⁻¹ esant tam pačiam numatytam šimto protonų siurblio srautui. Raskite priskirto variklio ATP įvykių srautą.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   15.0 ATP įvykių s⁻¹.

   Šešiasdešimt produktyvių protonų per sekundę padalijus iš keturių vienam ATP, gaunama penkiolika. Tikro siurblio atsakas į pakitusį gradientą nepateiktas.

4. Pridėkite keturis numatytus ciklinius elektronų ciklus be papildomos vandens oksidacijos. Koks papildomas O₂ kiekis iš to išplaukia ir ar heksozės gamyba nustatyta?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Iš šių ciklų neišplaukia joks papildomas O₂; heksozės gamyba nenustatyta.

   Nepridėta jokio papildomo vandens oksidacijos masto ar anglies fiksacijos, ATP ir reduktoriaus biudžeto. Nepaverskite elektronų ciklų skaičiaus visa biosintezės išeiga.

Ką verta įsidėmėti

• Prieš priskirdami gradientų ženklus, apibrėžkite pernašos kryptį.
• Cheminis ir elektrinis nariai gali vienas kitą sustiprinti arba vienas kitam priešintis.
• Energetinės ribos skiriasi nuo tikrosios susiejimo stechiometrijos.
• Produktyvų srautą apskaičiuokite iš bendro srauto atimdami nurodytus nuotėkius.
• Deguonį išskiriančios fotosintezės fotonų ir elektronų skaičiavimas yra tik dalis visos išeigos apskaitos.