¿Cómo se desarrolla la energía eléctrica mediante la concentración de iones en un lado de una biomembrana?

Question

En biología hay un tema llamado fosforilación oxidativa .

En el primer paso de este proceso se oxidan sustratos como el isocitrato y los electrones se transfieren a las coenzimas NAD+ o FAD para formar NADH o FADH2. A continuación, estos electrones de alta energía se transfieren a través de una serie de portadores de electrones de la cadena de transporte de electrones. La energía liberada se utiliza para translocar protones de la matriz al espacio intermembranal estableciéndose un gradiente electroquímico de protones a través de la membrana mitocondrial interna .

En el siguiente paso, los protones descienden por el gradiente electroquímico a través de un complejo sintetizador de ATP. La energía almacenada en el gradiente se utiliza para sintetizar ATP.

¿Cómo se desarrolla la energía eléctrica mediante la concentración de iones en una cara de una biomembrana?

Gracias, señor.

Answer 1

Esto puede ser un poco más técnico de lo que usted busca, pero puede ser útil para otros.

Aquí pasan dos cosas.

1. Como ya han dicho otros, la carga se separa mediante un dieléctrico y, por tanto, tenemos un condensador. Si empiezas en una situación eléctricamente neutra y te mueves $n$ protones desde el exterior de la membrana hacia el interior un voltaje de: $$V=\frac{en}{C}$$ se desarrollará a través de la membrana (uso de $Q=CV$ )

   2.La otra cosa tiene que ver con la entropía. Imagina que tienes una caja de $N$ partículas. Si miráramos en esta caja, sería muy impar encontrar todas las partículas en un solo lado - la entropía de tal situación es baja. Al mover iones a través de la membrana estás creando una situación como ésta, algo que va a costar una cantidad de "energía libre" por molécula: $$G=k_BT \ln\left( \frac{C_{in}}{C_{out}}\right)$$

Ya que lo he mencionado, permítanme explicar qué es la "energía libre". La energía libre es energía con capacidad de realizar trabajo. Podemos cuantificarla en algo llamado fuerza motriz protónica. Es la energía libre por carga para llevar un protón desde el exterior de la célula al interior. Toma la forma: $$PMF=V+\frac{G}{e}$$ $$=\frac{en}{C}+\frac{k_BT}{e} \ln\left( \frac{C_{in}}{C_{out}} \right)$$ Así que si yo llevara un protón a través de la membrana perdería una cantidad de energía libre igual a $e \times PMF$ . Y por lo tanto perder esta cantidad de energía útil.

Como puede verse, la fuerza motriz de los protones se compone de una parte debida a las atracciones electrostáticas entre moléculas separadas (en forma de condensador) y otra debida al cambio de entropía asociado al movimiento de los iones.

Answer 2

Supongamos que ya tenemos un conjunto de 3 cargas estáticas, con energía inicial $E_0$ .

Para colocar una carga adicional, necesitamos empujar la carga hacia dentro, aplicando así un trabajo (Energía) equivalente a
$W_4 = kq_4(q_1/r_{14} + q_2/r_{24} + q_3/r_{34})$
Y ahora, todo el conjunto de 4 cargos tiene un adicional $W_4$ de energía:
$E_{tot} = E_0 + W_4$
Este es el mismo proceso que la translocación de protones en el paso 1.
En el paso 2, para proporcionar energía para la producción de ATP, necesitamos liberar energía del ensamblaje de cargas.
En el ejemplo, digamos que liberamos $q_4$ eliminando la carga $q_4$ del conjunto de 4 cargas liberará Energía igual a $E_{released}=W_4$ y también disminuyendo la energía en el montaje.