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Elektrochemische und Konzentrationsgradienten-Verwirrung

Elektrochemische und Konzentrationsgradienten-Verwirrung


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Ich lerne den Membrantransport und habe gelernt, dass es 2 Gradienten gibt, die den passiven und aktiven Transport bestimmen.

Wenn die Konzentration von a Kation ist höher auf der Zytoplasmaseite (daher sollten Ionen passiv aus der Zelle fließen), aber es gibt ein höheres elektrochemisches Potenzial auf der extrazellulären Seite (daher sollten Ionen in die Zelle fließen), auf welcher Seite sollte dieses Ionen fließen, wenn es nur vorhanden ist passiver Transport?

Ich weiß, dass es eine Nernst-Gleichung für das elektrochemische Potenzial gibt, aber ich möchte fragen, ob es Gleichungen zur Berechnung des durch den Konzentrationsgradienten verursachten Potenzials gibt? Da mein Gedanke darin besteht, zu vergleichen, welches die höhere Potenzialdifferenz hat, und daraus abzuleiten, welcher Gradient dominant ist, leite schließlich die Richtung des passiven Nettoflusses dieses Ions ab.

Dankeschön


Alles, was Sie brauchen, ist die Nernst-Gleichung und die Spannung an der Membran.

Die Antwort von Nernst ist das Gleichgewichtspotential für das interessierende Ion. Dies ist das Potential, bei dem die Konzentration und der elektrische Gradient für dieses Ion genau gleich sind. Wenn die Spannung über einer Membran auf dem Nerst-Potential liegt, gibt es keinen passiven Nettofluss des Ions.

Wenn die Spannung vom Nernst-Potential abweicht, bewegt sich das Ion in die Richtung, die dazu tendieren würde, die Spannung in Richtung des Nernst-Potentials zu verschieben. Wenn das Nernst-Potential -90 mV beträgt, das Membranpotential -60 mV und Sie ein positiv geladenes Ion haben, neigt das Ion dazu, sich aus der Zelle zu bewegen, da es dadurch näher an -90 mV heranrücken würde.

Sie können die chemischen und elektrischen Gradienten nicht trennen und summieren oder so, die spezifische Art der Kombination ergibt sich aus der Nernst-Gleichung. Die Nernst-Gleichung dient nicht der Berechnung des elektrischen Potentials getrennt vom Konzentrationsgradienten, sondern der Berechnung des kombinierten Ergebnisses von elektrischen und chemischen Gradienten. Der Weg zu wissen, in welche Richtung ein Ion fließt, ist die Art und Weise, wie ich es beschrieben habe, nicht durch die Bestimmung, welches "dominant" ist.


Elektrochemische Verwirrung und Konzentrationsgradientenverwirrung - Biologie

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Die Zellmembran fungiert als Barriere. Einige Moleküle und Ionen in einer Zelle gefangen halten, während andere draußen bleiben. Ein Merkmal dieser Ressourcenaufteilung innerhalb und außerhalb der Zelle ist die Aufrechterhaltung eines elektrochemischen Gradienten.

Ionen, die für die Zellfunktion entscheidend sind, einschließlich Natrium und Kalium, können nicht durch die Membran diffundieren, sondern verlassen sich stattdessen auf die Bewegung durch Kanäle und Transporter. Unter normalen Bedingungen befindet sich im Allgemeinen mehr Natrium an der Außenseite einer Zelle als im Inneren. Dadurch entsteht ein chemischer oder Konzentrationsgradient, bei dem Natrium von außen nach innen durch die Zellmembran fließen würde, wenn ihm ein Weg gegeben würde. Umgekehrt gibt es eine geringere Kaliumkonzentration außerhalb der Zelle und mehr Kalium innerhalb der Zelle. Sein chemischer Gradient steht also im Gegensatz zum Gradienten von Natrium.

Die Ionenkonzentration ist jedoch nicht der einzige Faktor, der einen Gradienten über die Zellmembran erzeugt. Die Trennung von positiv und negativ geladenen Ionen und Molekülen bedeutet auch, dass ein elektrischer Gradient vorhanden ist. Die Prävalenz von positiv geladenen Natriumionen außerhalb der Zelle und die Häufigkeit von negativ geladenen Proteinen im Inneren sind zwei Hauptfaktoren, die zum Gesamtladungsunterschied über die Membran hinweg beitragen.

Aktiver Transport verwendet Energie, um den elektrochemischen Gradienten durch die Zellmembran aufrechtzuerhalten, wobei spezialisierte Membranproteine ​​Ionen gegen ihre elektrochemischen Gradienten bewegen. Unter bestimmten Bedingungen dürfen sich die Ionen jedoch mit ihren Gradienten bewegen. Erzeugung von Energie für Prozesse wie den Glukosetransport und Bereitstellung eines Mittels für spezialisierte Zellen wie Herz-, Muskel- und Neuronen, um elektrische Impulse zu erzeugen.

5.4: Was ist ein elektrochemischer Gradient?

Adenosintriphosphat oder ATP gilt als die primäre Energiequelle in Zellen. Energie kann aber auch im elektrochemischen Gradienten eines Ions durch die Plasmamembran gespeichert werden, der durch zwei Faktoren bestimmt wird: seinen chemischen und elektrischen Gradienten.

Der chemische Gradient beruht auf Unterschieden in der Häufigkeit einer Substanz außerhalb und im Inneren einer Zelle und fließt von Bereichen mit hoher zu niedriger Ionenkonzentration. Im Gegensatz dazu dreht sich der elektrische Gradient um die elektrische Ladung eines Ions und die Gesamtladungen der intrazellulären und extrazellulären Umgebung.

Der elektrische Gradient eines positiv geladenen Ions fließt von positiven zu negativen Bereichen, während das Gegenteil für negativ geladene Ionen gilt. Es ist die kombinierte Wirkung dieser elektrischen und chemischen Faktoren, die die endgültige Richtung eines elektrochemischen Gradienten bestimmen. Wenn sich ein Ion auf diesem Weg entlang seines elektrochemischen Gradienten bewegt, wird Energie frei, die dann verschiedene biologische Prozesse antreiben kann.

Ianowski, Juan P. und Michael J. O&rsquoDonnell. &ldquoElektrochemische Gradienten für Na+, K+, Cl&ndash und H+ über die apikale Membran in malpighischen (renalen) Tubuluszellen von Rhodnius Prolixus.&rdquo Zeitschrift für experimentelle Biologie 209, Nr. 10 (15. Mai 2006): 1964&ndash75. [Quelle]


Beispiele für Konzentrationsgradienten

Neuronen und die Natrium-/Kaliumpumpe

Neuronen verbrauchen eine enorme Menge an Energie – beim Menschen etwa 20-25% aller Kalorien des Körpers – um Kalium in ihre Zellen und Natrium heraus zu pumpen. Das Ergebnis ist eine extrem hohe Kaliumkonzentration innerhalb der Nervenzellen und eine sehr hohe Natriumkonzentration außerhalb.

Wenn Zellen kommunizieren, öffnen sie Ionentore, die Natrium und Kalium passieren lassen. Die Konzentrationsunterschiede zwischen Natrium und Kalium sind so stark, dass die Ionen sofort aus der Zelle „stürmen“. Da Ionen elektrisch geladen sind, ändert sich dadurch tatsächlich die elektrische Ladung der Zelle.

Dieses „elektrochemische“ Signal breitet sich viel schneller aus als ein rein chemisches Signal und ermöglicht es uns, schnell wahrzunehmen, zu denken und zu reagieren.

Probleme, die die Natrium-/Kaliumpumpe der Neuronen stören, können sehr schnell zum Tod führen, da der Herzmuskel selbst auf diese elektrochemischen Impulse angewiesen ist, um Blut zu pumpen, um uns am Leben zu erhalten.

Damit ist der Natrium/Kalium-Konzentrationsgradient in Neuronen wohl der wichtigste Konzentrationsgradient für das menschliche Leben!

Glukose-/Natrium-Symport-Pumpe

Die Glucose-Natrium-Symport-Pumpe nutzt auch den Natrium/Kalium-Gradienten.

Eine Herausforderung für Zellen ist der Transport von Glukose – die im Vergleich zu winzigen Natriumionen groß und schwer zu bewegen sind – und die oft gegen ihren Konzentrationsgradienten transportiert werden müssen.

Um dieses Problem zu lösen, haben einige Zellen die Bewegung von Glukose mit der Bewegung von Kalium „gekoppelt“, indem sie Proteine ​​verwenden, die es Natrium ermöglichen, seinen Konzentrationsgradienten hinunterzuwandern – wenn es ein Glukosemolekül mitnimmt.

Dies ist nur ein weiteres Beispiel dafür, wie Zellen die grundlegenden Gesetze der Physik auf innovative Weise nutzen, um die Funktionen des Lebens zu erfüllen.

Lunge und Kiemen

Die häufigsten Beispiele für Konzentrationsgradienten sind in Wasser gelöste Feststoffpartikel. Aber auch Gase können Konzentrationsgradienten aufweisen.

Sowohl die menschliche Lunge als auch die Kiemen von Fischen nutzen Konzentrationsgradienten, um uns am Leben zu erhalten. Da Sauerstoff wie jeder andere Stoff den Gesetzen des Konzentrationsgradienten folgt, neigt er dazu, von Bereichen hoher Konzentration in Bereiche niedriger Konzentration zu diffundieren. Das bedeutet, dass es aus der Luft in unser sauerstoffarmes Blut diffundiert.

Lunge und Kiemen machen diesen Prozess effizienter, indem sie unser am stärksten sauerstoffarmes Blut schnell über die Oberflächen unserer Lungen und Kiemen laufen lassen. Auf diese Weise diffundiert ständig Sauerstoff in die Blutzellen, die ihn am dringendsten benötigen.


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Was passiert mit dem Filtrat in der Henle-Schleife?

Der Sinn der Henle-Schleife besteht darin, die Wassermenge im Filtrat zu reduzieren und so den Wasserverlust zu reduzieren. Die Schlinge ist in drei Schlüsselbereiche unterteilt: Der absteigende Schenkel, der dünne aufsteigende Schenkel und der dicke aufsteigende Schenkel. Zuerst passiert das Filtrat die absteigende Extremität, wo Wasser das Filtrat verlässt und durch Osmose durch Aquaporine in die umgebende Gewebeflüssigkeit diffundiert. Dies geschieht, weil die umgebende Gewebeflüssigkeit eine sehr hohe Konzentration an Natriumchlorid enthält. Das verbleibende Filtrat tritt in den dünnen aufsteigenden Schenkel ein. Der dünne aufsteigende Schenkel ist wasserundurchlässig, aber ionendurchlässig. Aufgrund der hohen Konzentration an Ionen im Filtrat und deren geringer Konzentration in der Gewebeflüssigkeit diffundieren sie passiv aus dem dünnen aufsteigenden Schenkel. Es gibt jedoch eine Reihe von Ionen, die für uns wichtig sind und die wir nicht verlieren möchten. Hier kommt der dicke aufsteigende Schenkel ins Spiel. Dieser Teil der Henle-Schleife ist wie der dünne aufsteigende Schenkel für Wasser undurchlässig, transportiert aber aktiv Natrium- und Kaliumionen in die umgebende Gewebeflüssigkeit. Dies erzeugt einen elektrochemischen Konzentrationsgradienten, bei dem die Außenseite positiver ist als die Innenseite der Schleife. Dadurch verlassen Chlorionen (die negativ sind) passiv die Schleife. Das dicke aufsteigende Glied hat ein letztes Merkmal, es hat Kaliumionenkanäle, die es den Kaliumionen ermöglichen, zurück in die Schleife zu gelangen. Dies erzeugt einen elektrochemischen Gradienten, der andere wichtige Ionen wie Kalzium und Magnesium dazu bringt, den dicken aufsteigenden Ast zu verlassen. Zusammenfassend ist die Henle-Schleife von Gewebeflüssigkeit umgeben, die eine hohe Konzentration an Ionen enthält. Dies führt dazu, dass Wasser durch Osmose aus dem absteigenden Glied austritt. Aufgrund dieses Konzentrationsgradienten wandern Ionen in die Schleife im dünnen aufsteigenden Schenkel. Die wichtigen Ionen (Na+,Cl-,Ca2+ & Mg2+) werden dann aktiv aus dem Filtrat in den dicken aufsteigenden Ast transportiert, um sie im Körper zu halten und den hohen Konzentrationsgradienten aufrechtzuerhalten, der dazu führt, dass dem Filtrat im absteigenden Wasser entzogen wird Glied.

Zusammenfassend ist die Henle-Schleife von Gewebeflüssigkeit umgeben, die eine hohe Konzentration an Ionen enthält. Dies führt dazu, dass Wasser durch Osmose aus dem absteigenden Glied austritt. Dadurch entsteht ein konzentrierteres Filtrat, dadurch wandern Ionen aus der Schleife im dünnen aufsteigenden Schenkel. Alle verbleibenden wichtigen Ionen (Na+,Cl-,Ca2+ & Mg2+) werden dann aktiv aus dem Filtrat in den dicken aufsteigenden Ast transportiert, um sie im Körper zu halten und den hohen Konzentrationsgradienten aufrechtzuerhalten, der dazu führt, dass Wasser aus dem Filtrat in der absteigendes Glied.


Elektrochemische Verwirrung und Konzentrationsgradientenverwirrung - Biologie

BIOL 1013 - BIOLOGIE DER ZELLE

Der folgende Text und das folgende Material stellen eine Kopie einiger meiner Notizen dar, die die Grundlage einiger meiner Vorlesungen im dritten Teil des Kurses Biologie der Zelle (BIOL 1013) bildeten. Bitte beachten Sie Ihre eigenen Notizen, Handouts und das Lehrbuch (essentielle Zellbiologie, 2. Auflage, von Alberts et al. 2004 - Leseaufgaben stehen im Lehrplan) für weitere Informationen. Wenn Sie im folgenden Dokument Fehler bemerken, würde ich mich freuen, wenn Sie mich darauf aufmerksam machen. E-Mail-Adresse: [email protected]

VORTRAG PRÜFUNG III AM 19. NOVEMBER 2004

Für eine Zusammenfassung des in der Vorlesung behandelten Materials und in Bezug auf das Lehrbuch (Kapitel 11, 12, 13 und 14) lesen Sie die folgenden Informationen, indem Sie die folgenden Links unten (oder oben auf dieser Webseite) besuchen.

KAPITEL 11 - Membranstruktur - ÜBERSICHT

KAPITEL 12 - Membrantransport - ÜBERSICHT

KAPITEL 13 & 14 - Zellstoffwechsel: Bioenergetik - ÜBERSICHT ( ZELLATMUNG )

Für einige sehr hilfreiche Informationen besuchen Sie die folgende Website: Biologie I Animationen, Filme und interaktive Tutorial-Links. Besuchen Sie die Kategorien: Zelltransport, Zellatmung und Photosynthese. Sehen Sie sich insbesondere die Animationen von McGraw-Hill Publisher an, die auf dieser Site veröffentlicht wurden. Sie können es sehr informativ finden.

MEMBRANENAUFBAU UND FUNKTION

Biologische Membranen bestehen aus einer Phospholipid-Doppelschicht (hydrophobe Schwänze - Fettsäuren und hydrophile Köpfe - Phosphatgruppe) und Proteinen (periphere und integrale oder transmembrane) Proteine ​​==> Fluidmosaikmodell der Membranstruktur.

Wenn Fettsäureschwänze ungesättigt sind, werden sie gebogen, was die Fluidität der Membran erhöht und sie instabiler macht. Andere Lipide wie Cholesterin (Tiere) und Ergosterol (Pilze) werden in die Membran eingebaut.

Eigenschaften biologischer Membranen

  • Membranen sind ölig und können ihre Struktur durch Übereinanderschieben der Phospholipidschichten verändern.
  • Membranen sind auf einer Seite anders als auf der anderen - dies trägt dazu bei, dass ASYMMETRIE.
  • an Kohlenhydrate gebundene Proteine ​​= Glykoproteine ​​sind an der Zell-Zell-Kommunikation beteiligt und erhöhen die Asymmetrie aufgrund ihrer Position auf der Außenseite (exoplasmatische Fläche) der Zellmembran.
  • Membranen sind semipermeabel oder unterschiedlich durchlässig (große ungeladene polare Moleküle wie Glukose und Ionen passieren die Membran nicht, aber Kohlenwasserstoffe, Wasser, Sauerstoff und Kohlendioxid gehen direkt hindurch).
  • Bewegung von Wasser und gelösten Stoffen in und aus Zellen und Organellen.
  • unterschiedliche Durchlässigkeit.
  • Ionenpumpe - K + und H + werden auf Kosten von ATP durch die Membran bewegt.
  • Enzymaktivität aufgrund des Vorhandenseins bestimmter Proteine, zum Beispiel der Stelle der ATP-Synthese.
  • Das Elektronentransportsystem erfolgt über Membranen in den Mitochondrien und Chloroplasten.
  • Zellkommunikation - Bindung bestimmter Chemikalien an die Zellmembran, initiieren metabolische Veränderungen innerhalb der Zelle.
  • Diffusion - zufällige Bewegung von Molekülen in einem Fluid oder Gas von einem Bereich hoher Konzentration zu einem Bereich niedriger Konzentration. [BEISPIELE: Farbstoff in Wasser, Parfüm in der Luft]
  • Die Diffusion erfolgt entlang eines Konzentrationsgradienten. Um einem Konzentrationsgradienten entgegenzuwirken, ist immer ein Energieeintrag erforderlich.

Gedankenexperiment: Ein Becher mit 2% Saccharose wird vorsichtig in einen größeren Becher mit destilliertem Wasser gegeben. Saccharose neigt dazu, entlang eines Konzentrationsgradienten aus dem kleinen Becher in den größeren Becher zu diffundieren. Wasser neigt auch dazu, von einem Bereich hoher Konzentration (um destilliertes Wasser herum) zu einem Bereich niedriger Konzentration (das Wasser wird durch die Anwesenheit eines gelösten Stoffes – Saccharose) verdrängt, in das Becherglas zu diffundieren.

Wenn Sie eine semipermeable Membran (d. h. durchlässig für Wasser, aber undurchlässig für Saccharose) über die Oberfläche des kleinen Bechers legen, kann Saccharose die Barriere nicht überwinden, aber Wasser kann! Osmose ist die Bewegung von Wasser durch eine differentiell permeable Membran entlang eines Konzentrationsgradienten.

Potentielle (gespeicherte) Wasserenergie = Wasserpotential, ausgedrückt in Druckeinheiten (bar oder Megapascal - Mpa). Wenn Wasser dazu neigt, sich von einem Bereich höherer Konzentration (höheres Potenzial) in einen Bereich niedrigerer Konzentration (oder niedrigerem Potenzial) zu bewegen, wird dies als . bezeichnet Wasserpotential. Fügen Sie eine Membran hinzu, dies heißt osmotisches Potenzial.

TONIZITÄT (tonos = Spannung)

  • Hypotonisch - niedrige Konzentration des gelösten Stoffes im Vergleich zu einer anderen Lösung.
  • Hypertonisch - hohe Konzentration des gelösten Stoffes im Verhältnis zu einer anderen Lösung.
  • Isotonisch - Die Konzentration des gelösten Stoffes entspricht der einer anderen Lösung.

hypoton =============> hyperton

hypoton ============> hyperton

TURGOR-DRUCK - Wasser, das in die Zelle eindringt, drückt die Zellmembran gegen die Zellwand und verursacht Turgordruck. Wasserverlust aus der Vakuole/Zytoplasma führt zu einer Schrumpfung des Zellinhalts oder PLASMOLYSE. Wasserverlust aus Pflanzenzellen führt zu welkem Gewebe!

Rote Blutkörperchen oder Erythrozyten oder Erythrozyten:

  • Wenn externe Lösung isotonisch ist (0,9 % Natriumchloridlösung) ==> keine Veränderung des Zellvolumens.
  • Wenn die externe Lösung hypertonisch ist ==> Zellen schrumpfen (daher das Sprichwort, wenn es auf See ohne trinkbares Wasser verloren geht, "Wasser überall Wasser, aber kein Tropfen zu trinken!").
  • Wenn externe Lösung hypoton ist ===> Zellen schwellen an und explodieren!

Die erleichterte Diffusion erfolgt durch ein Kanal- oder Trägerprotein, das Tor öffnet und schließt sich oder das Tor bleibt ständig geöffnet. Prozess arbeitet entlang eines Konzentrationsgradienten und erfordert keine Energiezufuhr ==> PASSIVER TRANSPORT!.

AKTIVEN TRANSPORT ==> Transport eines Stoffes durch die Membran entgegen dem Konzentrationsgradienten und erfordert den Einsatz von Energie (hochenergetische Bindung von ATP).

Die Einrichtung für Mittransport erfordert normalerweise eine Energieinvestition durch die Zelle. Kanalprotein lässt eine Substanz durch, die eine andere durchzieht. Beide Stoffe können sich gemeinsam (Symport) oder gegenläufig (Antiport) über die Membran bewegen.

Ionenpumpen verwenden einen elektrochemischen Gradienten, um Substanzen durch die Membran zu treiben.

Exozytose - umgeht den Membrantransport und ermöglicht die Bewegung großer Moleküle und Mengen durch die Membran in die Zelle.

  • Phagozytose - kommt in Amöben und weißen Blutkörperchen vor, um Bakterien und andere Mikroben einzufangen.
  • Pinozytose - unspezifische Aufnahme von Flüssigkeitsstückchen und gelösten Molekülen.
  • Rezeptor-vermittelte Endozytose - spezifische Aufnahme von Substanzen, die von Rezeptorproteinen auf der Plasmamembran erkannt werden.

Zellatmung - die Umwandlung von chemischer Energie (die in den chemischen Bindungen gefunden wird, die das Glukosemolekül zusammenhalten) in chemische Bindungen, die die Phosphatgruppen zu Adenosintriphosphat (ATP) halten. Der Prozess ist ein schrittweiser Abbau von Zucker, der bei jedem Schritt durch ein spezifisches Enzym vermittelt wird.

ATP = Energiewährung. Analog zu der Situation, dass, wenn Glukose ein Ein-Dollar-Schein wäre, ATP ein Haufen Nickel oder Pfennige wäre.

Die Zellatmung kann in Gegenwart oder Abwesenheit von Sauerstoff auftreten:

Anaerober Stoffwechsel (Sauerstoffmangel) = Fermentation (alkoholische oder Milchsäuregärung).

Aerober Stoffwechsel (Anwesenheit von Sauerstoff ist erforderlich) = oxidative Phosphorylierung.

Sowohl der anaerobe als auch der aerobe Stoffwechsel oder die Atmung beginnen damit, einen Zucker mit sechs Kohlenstoffatomen (Glukose) in zwei Moleküle einer Drei-Kohlenstoff-Verbindung namens Pyruvat aufzuspalten. Dieser Prozess wird GLYKOLYSE (Zuckerbrechende Reaktionen) genannt und beginnt im Zytoplasma,Zwei ATP sind notwendig, um die Glykolyse in Gang zu bringen, und 4 werden als Ergebnis produziert, wodurch die Nettoausbeute an ATP gleich 2 ATP ist. Pyruvat kann zur aeroben Atmung (mit Sauerstoff) verwendet werden, um viele ATP-Moleküle (34 ATP) zu ergeben, oder in der Fermentation (ergibt nur 2 ATP + 2 NADH). Nur Organismen, die eukaryotische Zellen mit Mitochondrien besitzen, können in Gegenwart von Sauerstoff atmen. Bestimmte Arten von Bakterien und Hefen können Pyruvat in Ethanol (Alkohol) und ein Kohlendioxidmolekül (in Bier, Wein und aufgehendem Brotteig) umwandeln. Andere Arten von Bakterien und tierischen Zellen können Pyruvat in Milchsäure umwandeln (die in Joghurt, Sauerkraut und überarbeiteten Muskeln enthalten ist). Da Glukose nur teilweise abgebaut wird, wird wenig Energie in Form von ATP (insgesamt 2 ATP und 2 NADH) aufgenommen. Wir wissen das, weil beim Verbrennen von Alkohol Energie in Form von Wärme und Licht freigesetzt wird.

Die Gesamtgleichung für die aerobe Atmung lautet:

Pyruvat (eine 3-Kohlenstoff-Verbindung), das durch Glykolyse hergestellt wird, wird durch andere enzymvermittelte chemische Reaktionen weiter abgebaut, bis es in nichts anderes als Wasser und Kohlendioxid zerlegt wird. Dies geschieht während eines Prozesses namens KREBS-ZYKLUS (auch TCA-Zyklus genannt - Tricarbonsäurezyklus und Zitronensäurezyklus). Während dieses Prozesses Moleküle von 6NADH, 2FADH2, und 2ATP erzeugt. Die chemischen Reaktionen des Krebs-Zyklus produzieren Produkte, die sich weiterhin selbst ernähren, solange zu Beginn des Prozesses eine kontinuierliche Zufuhr von Acetyl-CoA aus Pyruvat (das ein NADH produziert) zur Verfügung steht. Die Produkte des Krebs-Zyklus (NADH, FADH2) werden verwendet, um den nächsten Schritt der Atmung, die Elektronentransport-oxidative Phosphorylierung, zu versorgen. Elektronen und Wasserstoffionen werden freigesetzt (ergibt NAD + , FAD + ). Die Elektronen werden von einem Elektronenakzeptormolekül zum anderen bewegt. Diese Elektronenakzeptoren sind in die innere Membran des Mitochondriums eingebettet. Während diese sich durch die Membran hin und her bewegen, wird die in diesen Elektronen enthaltene Energie verwendet, um zusätzlichen Wasserstoff durch die Membran in das äußere Kompartiment zu transportieren. Aus NADH und FADH . freigesetzte Wasserstoffe2, diese Konzentration noch weiter erhöhen. Wasserstoffionen werden aus dem inneren Kompartiment entfernt, wenn diese sich mit Elektronen und Sauerstoff (dem letzten Elektronenakzeptor) zu Wasser verbinden. Dadurch entsteht ein elektrochemischer Konzentrationsgradient zwischen den äußeren und inneren Kompartimenten des Mitochondriums. Diese Ionen können schließlich durch die Membran zurück in das innere Kompartiment diffundieren, indem sie das a-Kanalprotein (ATPase oder ATP-Synthase) passieren - dieser Vorgang wird Chemiosmose genannt. Wenn Wasserstoffionen dieses Kanalprotein passieren, koppeln sie eine chemische Reaktion zwischen ADP und Pi, um ATP zu produzieren. Es wird geschätzt, dass jedes NADH-Molekül für die Bildung von 3 ATP-Molekülen FADH . verantwortlich ist2 = 2 ATP.

BEACHTUNG: AUFGRUND ZEITLICHER RAHMENBEDINGUNGEN WÄHREND DES VORTRAGS, DIE KEINE ANGEMESSENE ABDECKUNG DES MATERIALS ZUR PHOTOSYNTHE ZULASSEN, WERDEN SIE AUF DIE FOLGENDEN MATERIALIEN BEZÜGLICH DER PHOTHOSYNTHESE NICHT GETESTET. FYI FYI FOLGENDES DARGESTELLT.

Autotrophs - "Selbstfütterer". Beispiele sind photosynthetische Organismen (z. B. Cyanobakterien, Grünalgen und Pflanzen).

Heterotrophe - "andere Feeder". Beispiele umfassen Bakterien, einige Protisten (z. B. Amöben, Paramecia, Schleimpilze), Pilze, nicht-photosynthetische parasitäre Pflanzen (z. B. Dodder, Indische Pfeife) und Tiere.

Stoffwechsel - Fähigkeit, Energie zu erwerben und zu verwenden.

Bei jeder Energieübertragung geht ein Teil der Energie in Form von Wärme verloren.

Photosynthese - eine Reihe von enzymvermittelten Reaktionen, bei denen Lichtenergie von der Sonne in die chemische Bindungsenergie von Glukose und ATP umgewandelt wird.

Die chemische Gesamtreaktion für die Photosynthese ist:

Bei Eukaryoten ist die mit der Photosynthese verbundene Organelle der Chloroplast. Chlorophylle a und b, die lichtabsorbierenden Pigmente (zusammen mit akzessorischen Pigmenten wie den Carotinoiden) sind in die Thylakoidmembran eingebettet, die das Grana- und Membransystem (Thylakoidinneres - pH 5,0) innerhalb des Chloroplasten bilden. Das Grana- und Thylakoidmembransystem sind vom Stroma (pH-Wert 8,0) umgeben.

Warum sind Pflanzen grün? Das Vorhandensein des Pigments Chlorophyll (a und b) im Thylakoid lässt den Chloroplasten grün erscheinen. Sonnenlicht, innerhalb des sichtbaren Spektrums des elektromagnetischen Spektrums, besteht aus verschiedenen Wellenlängen oder Lichtfarben. Wenn Licht auf ein Blatt trifft, wird ein Teil des Lichts absorbiert, ein Teil geht durch das Blatt oder wird durch das Blatt geleitet (wie Licht durch einen Filter) und der Rest wird reflektiert. Der Grund dafür, dass Blätter grün sind, liegt daran, dass Farben wie Rot und Blau absorbiert werden, während Grün und Gelb zu Ihnen zurückreflektiert werden. Wenn Licht auf die Netzhaut Ihres Auges trifft, nimmt Ihr Gehirn dies als Farbe Grün wahr. Dieses Phänomen erklärt auch, warum wir jedes Objekt als eine Farbe gegenüber einer anderen betrachten. Objekte, die rot sind, reflektieren die roten Wellenlängen des Lichts und absorbieren alle anderen Wellenlängen Objekte, die schwarz sind, reflektieren wenig Licht zurück, das meiste Licht wird absorbiert, während Objekte, die weiß erscheinen, das meiste Licht reflektieren, wenig Licht wird absorbiert.

Sonnenlicht enthält Energie, die unter den richtigen Bedingungen in andere Energieformen umgewandelt werden kann: z.B. chemische Bindungsenergie, Elektrizität, kinetische Energie, Wärme usw.

Licht besitzt sowohl wellen- als auch teilchenähnliche Eigenschaften. Energiepakete, die Photonen genannt werden. Je kürzer die Wellenlänge des Lichts ist, desto mehr Energie enthält es pro Photon. Je länger die Wellenlänge des Lichts ist, desto weniger Energie enthält es pro Photon. Wellenlängen des Lichts werden in sehr kleinen Einheiten, den Nanometern, gemessen.

Die Photosynthese verläuft in zwei Hauptschritten: (1) Während der lichtabhängigen Reaktionen wird Lichtenergie von Pigmenten in Chloroplasten eingefangen und Wasser wird gespalten, um Wasserstoffionen, Elektronen und Sauerstoff zu ergeben. Trifft Licht auf die Elektronen des Magnesiumatoms, wird es angeregt. Elektronen werden auf ein höheres Energieniveau gesprungen und die Energie durch Fluoreszenz (über Photonen mit längeren Wellenlängen und geringerer Energie) von einem Pigmentmolekül zum nächsten in einem Antennenkomplex übertragen, bis sie im Reaktionszentrum "eingefangen" wird. Dieses energetische Elektron wird zu einem Elektronentransportsystem geleitet, das in die Thylakoidmembran des Chloroplasten eingebettet ist. Die Elektronen stammen aus dem Zerfall von Wasser (Photolyse), bei dem Wasserstoffionen und Sauerstoff freigesetzt werden. Die Elektronen bewegen sich in der Thylakoidmembran von einem Elektronenakzeptor zum anderen, beginnend am Photosystem II (P680) und durch das Photosystem I (P700). Die energetischen Elektronen und Wasserstoffionen werden verwendet, um ATP durch nichtzyklische Photophosphorylierung und Chemiosmose (Wasserstoff passiert das Kanalprotein, ATPase oder ATP-Synthase) und NADPH (aus NADP + ) zu erzeugen. Die Energie, die ursprünglich im Licht lag, ist jetzt in den chemischen Bindungen vorhanden, die mit ATP und NADPH verbunden sind. Die oben genannte Methode (nichtzyklische Photophosphorylierung) tritt bei eukaryontischen Pflanzen auf - Algen, Moosen, Farnen, Koniferen und Blütenpflanzen. In Prokaryoten (Cyanobakterien) findet eine zyklische Photophosphorylierung statt, wobei immer wieder Elektronen verwendet werden. Beachten Sie, dass bei der zyklischen Photophosphorylierung kein Sauerstoff oder NADPH erzeugt wird.

(2) Die lichtabhängigen Reaktionen sind mit dem Thylakoidmembransystem verbunden. Die Energie in ATP und NADPH wird während der lichtunabhängigen Reaktionen verwendet, um den Kohlenstoff in CO . zu "fixieren". 2 durch die Herstellung eines komplexeren Kohlenhydrats. Die Reihe enzymvermittelter chemischer Reaktionen, die für das Einfangen und den Einbau von "gasförmigem Kohlenstoff" in "feste" Kohlenstoffverbindungen verantwortlich sind, wird als CALVIN-BENSON-ZYKLUS (auch als C . bezeichnet) bezeichnet3 Photosynthese). Das Enzym, das den Prozess zunächst durch die Reaktion mit CO . startet 2 wird Ribulose-Bisphosphat-Carboxylase genannt. Dies ist das am häufigsten vorkommende natürlich vorkommende Protein, das auf der Erde produziert wird.

In Blattpflanzen wird Glucose als Saccharose oder Stärke gespeichert. Glukose wird durch Phloem (nahrungsführendes Gefäßgewebe) transportiert. Eine weitere Art von Gefäßgewebe, das in Blättern, Stängeln und Wurzeln vorkommt, ist das wasserleitende Xylem. Pflanzen haben ein Körperdesign, das den Prozess der Photosynthese verbessert und koordiniert. Oberirdisch sind diese Pflanzen stark verzweigt, um die Oberfläche für die Aufnahme von Sonnenlicht und CO . zu vergrößern 2 . Unterirdisch haben Pflanzen ein stark verzweigtes Wurzelsystem, um die Pflanze zu verankern und die Oberfläche für die Wasseraufnahme zu erhöhen. Glukose und die darin gespeicherte chemische Energie werden verwendet, um komplexere organische Verbindungen (z. B. Polysaccharide, Lipide, Proteine, Nukleotide) aufzubauen. Die in Glukose enthaltene Energie wird bei Bedarf (z. B. Keimung von Samen und Wachstum, nachts, wenn keine Photosynthese möglich ist, in unterirdischen Wurzeln) von den Mitochondrien durch aerobe Atmung freigesetzt.

Weitere Details finden Sie unter den folgenden Links:

KAPITEL 13 & 14 - Zellstoffwechsel: Bioenergetik - ÜBERSICHT ( PHOTOSYNTHESE )


Die protonenmotorische Kraft

In allen Zellen beinhaltet die Chemiosmose die Protonenbewegungskraft (PMF) in einem Schritt. Dies kann als Energiespeicherung als Kombination eines Protons und eines Spannungsgradienten über eine Membran beschrieben werden. Die chemische potentielle Energie bezeichnet den Konzentrationsunterschied der Protonen und die elektrische potentielle Energie infolge der Ladungstrennung (wenn sich die Protonen ohne Gegenion bewegen).

In den meisten Fällen wird die protonenmotorische Kraft durch eine Elektronentransportkette erzeugt, die sowohl als Elektronen- als auch als Protonenpumpe fungiert und Elektronen in entgegengesetzte Richtungen pumpt, wodurch eine Ladungstrennung entsteht. In Mitochondrien wird freie Energie, die von der Elektronentransportkette freigesetzt wird, verwendet, um Protonen von der mitochondrialen Matrix in den Zwischenmembranraum des Mitochondriums zu bewegen. Das Verschieben der Protonen in die äußeren Teile des Mitochondriums erzeugt eine höhere Konzentration an positiv geladenen Teilchen, was zu einer leicht positiven und einer leicht negativen Seite führt (dann beträgt der elektrische Potentialgradient etwa -200 mV (innerhalb negativ). Dieser Ladungsunterschied führt zu einem elektrochemischer Gradient. Dieser Gradient besteht sowohl aus dem pH-Gradienten als auch dem elektrischen Gradienten. Der pH-Gradient ist das Ergebnis der Konzentrationsdifferenz der H+-Ionen. Zusammen ist der elektrochemische Gradient von Protonen sowohl eine Konzentrations- als auch eine Ladungsdifferenz und wird oft als Protonenmotiv bezeichnet Kraft (PMF). In Mitochondrien besteht das PMF fast vollständig aus der elektrischen Komponente, aber in Chloroplasten besteht das PMF hauptsächlich aus dem pH-Gradienten. In beiden Fällen muss der PMF etwa 50 kJ/mol betragen, damit die ATP-Synthase ATP herstellen können.


Die protonenmotorische Kraft

In allen Zellen beinhaltet die Chemiosmose die Protonenbewegungskraft (PMF) in einem Schritt. Dies kann als Energiespeicherung als Kombination eines Protons und eines Spannungsgradienten über eine Membran beschrieben werden. Die chemische potentielle Energie bezeichnet den Konzentrationsunterschied der Protonen und die elektrische potentielle Energie als Folge der Ladungstrennung (wenn sich die Protonen ohne Gegenion bewegen).

In den meisten Fällen wird die protonenmotorische Kraft durch eine Elektronentransportkette erzeugt, die sowohl als Elektronen- als auch als Protonenpumpe fungiert und Elektronen in entgegengesetzte Richtungen pumpt, wodurch eine Ladungstrennung entsteht. In Mitochondrien wird freie Energie, die von der Elektronentransportkette freigesetzt wird, verwendet, um Protonen von der mitochondrialen Matrix in den Zwischenmembranraum des Mitochondriums zu bewegen. Die Bewegung der Protonen in die äußeren Teile des Mitochondriums erzeugt eine höhere Konzentration an positiv geladenen Teilchen, was zu einer leicht positiven und einer leicht negativen Seite führt (dann beträgt der elektrische Potentialgradient etwa -200 mV (innerhalb negativ). Dieser Ladungsunterschied führt zu einem elektrochemischer Gradient. Dieser Gradient besteht sowohl aus dem pH-Gradienten als auch dem elektrischen Gradienten. Der pH-Gradient ist das Ergebnis der Konzentrationsdifferenz der H+-Ionen. Zusammen ist der elektrochemische Gradient von Protonen sowohl eine Konzentrations- als auch eine Ladungsdifferenz und wird oft als Protonenmotiv bezeichnet Kraft (PMF). In Mitochondrien besteht das PMF fast vollständig aus der elektrischen Komponente, aber in Chloroplasten besteht das PMF hauptsächlich aus dem pH-Gradienten. In beiden Fällen muss der PMF etwa 50 kJ/mol betragen, damit die ATP-Synthase ATP herstellen können.


Aerobe Atmung: Zitronensäurezyklus und oxidative Phosphorylierung

In eukaryotischen Zellen werden die am Ende der Glykolyse produzierten Pyruvatmoleküle in die Mitochondrien transportiert, die Orte der Zellatmung sind. Wenn Sauerstoff verfügbar ist, wird die aerobe Atmung fortgesetzt. Es gibt zwei Hauptprozesse der aeroben Atmung: Der Zitronensäure-Zyklus (oder der Kreb-Zyklus) und die oxidative Phosphorylierung.

Der Zitronensäurezyklus

In den Mitochondrien wird Pyruvat in eine Zwei-Kohlenstoff-Acetylgruppe umgewandelt (durch Entfernen eines Kohlendioxidmoleküls), die von einer Trägerverbindung namens Coenzym A (CoA), die aus Vitamin B hergestellt wird, aufgenommen wird5. Die resultierende Verbindung wird Acetyl-CoA genannt. (Abbildung 6). Acetyl-CoA kann von der Zelle auf verschiedene Weise verwendet werden, seine Hauptfunktion besteht jedoch darin, die vom Pyruvat abgeleitete Acetylgruppe zum nächsten Stoffwechselweg im Glukosekatabolismus zu transportieren.

Abbildung 6. Pyruvat wird in Acetyl-CoA umgewandelt, bevor es in den Zitronensäurezyklus eintritt.

Wie die Umwandlung von Pyruvat zu Acetyl-CoA findet der Zitronensäurezyklus in eukaryontischen Zellen in der Matrix der Mitochondrien statt. Im Gegensatz zur Glykolyse ist der Zitronensäurekreislauf ein geschlossener Kreislauf: Der letzte Teil des Stoffwechselweges regeneriert die im ersten Schritt verwendete Verbindung. Die acht Schritte des Zyklus sind eine Reihe chemischer Reaktionen, die zwei Kohlendioxidmoleküle, ein ATP-Molekül (oder ein Äquivalent) und reduzierte Formen (NADH und FADH .) produzieren2) von NAD + und FAD + , wichtige Coenzyme in der Zelle. Ein Teil davon wird als aerober Weg (sauerstoffbedarf) angesehen, da NADH und FADH2 erzeugt werden, müssen ihre Elektronen auf den nächsten Pfad im System übertragen, der Sauerstoff verwendet. Wenn kein Sauerstoff vorhanden ist, findet diese Übertragung nicht statt.

Von jeder Acetylgruppe kommen zwei Kohlenstoffatome in den Zitronensäurezyklus. Bei jeder Umdrehung des Zyklus werden zwei Kohlendioxidmoleküle freigesetzt, diese enthalten jedoch nicht die gleichen Kohlenstoffatome, die von der Acetylgruppe in dieser Umdrehung des Stoffwechselwegs beigesteuert werden. Die beiden Acetyl-Kohlenstoffatome werden auf diese Weise in späteren Zyklen schließlich freigesetzt, alle sechs Kohlenstoffatome des ursprünglichen Glucosemoleküls werden schließlich als Kohlendioxid freigesetzt. Es dauert zwei Zyklen des Zyklus, um das Äquivalent eines Glukosemoleküls zu verarbeiten. Jede Umdrehung des Zyklus bildet drei energiereiche NADH-Moleküle und ein energiereiches FADH2 Molekül. Diese hochenergetischen Träger verbinden sich mit dem letzten Teil der aeroben Atmung, um ATP-Moleküle zu produzieren. In jedem Zyklus wird auch ein ATP (oder ein Äquivalent) hergestellt. Mehrere der Zwischenverbindungen im Zitronensäurezyklus können bei der Synthese nicht-essentieller Aminosäuren verwendet werden, daher ist der Zyklus sowohl anabol als auch katabol.

Oxidative Phosphorylierung

Sie haben gerade über zwei Wege im Glukosekatabolismus gelesen – die Glykolyse und den Zitronensäurezyklus –, die ATP erzeugen. Der größte Teil des während des aeroben Katabolismus von Glukose erzeugten ATP wird jedoch nicht direkt aus diesen Stoffwechselwegen erzeugt. Es leitet sich vielmehr von einem Prozess ab, der damit beginnt, Elektronen durch eine Reihe chemischer Reaktionen zu einem endgültigen Elektronenakzeptor, Sauerstoff, zu leiten. Diese Reaktionen finden in spezialisierten Proteinkomplexen statt, die sich in der inneren Membran der Mitochondrien eukaryontischer Organismen und im inneren Teil der Zellmembran prokaryontischer Organismen befinden. Die Energie der Elektronen wird geerntet und verwendet, um einen elektrochemischen Gradienten über die innere Mitochondrienmembran zu erzeugen. Die potentielle Energie dieses Gradienten wird verwendet, um ATP zu erzeugen. Die Gesamtheit dieses Prozesses wird als oxidative Phosphorylierung bezeichnet.

Die Elektronentransportkette (Abbildung 7a) ist die letzte Komponente der aeroben Atmung und der einzige Teil des Stoffwechsels, der Luftsauerstoff verwendet. Dazu diffundiert ständig Sauerstoff in die Pflanzen. Bei Tieren gelangt Sauerstoff über die Atemwege in den Körper. Der Elektronentransport ist eine Reihe chemischer Reaktionen, die einer Eimer-Brigade ähneln, bei der Elektronen schnell von einer Komponente zur nächsten weitergeleitet werden, zum Endpunkt der Kette, wo Sauerstoff der letzte Elektronenakzeptor ist und Wasser produziert wird.

Die Elektronentransportkette sind vier Komplexe, die aus Proteinen und akzessorischen Elektronenträgern bestehen. Die Elektronentransportkette ist in der inneren Mitochondrienmembran von Eukaryoten mehrfach vorhanden. Bei jeder Übertragung eines Elektrons durch die Elektronentransportkette verliert das Elektron Energie, aber bei einigen Übertragungen wird die Energie als potentielle Energie gespeichert, indem sie verwendet wird, um Wasserstoffionen durch die innere Mitochondrienmembran in den Zwischenmembranraum zu pumpen, wodurch ein elektrochemischer Gradient entsteht . Dieser Vorgang heißt Chemiosmose (7c).

Abbildung 7. (a) Die Elektronentransportkette besteht aus einer Reihe von Molekülen, die eine Reihe von Oxidations-Reduktions-Reaktionen unterstützen. (b) ATP-Synthase ist eine komplexe, molekulare Maschine, die einen H+-Gradienten verwendet, um ATP aus ADP zu regenerieren. (c) Chemiosmose beruht auf der potentiellen Energie, die durch den H+-Gradienten durch die Membran bereitgestellt wird.

Chemiosmose

Chemiosmose ist die Bewegung von Ionen durch eine semipermeable Membran entlang ihres elektrochemischen Gradienten. Wasserstoffionen oder Protonen werden von einem Bereich hoher Protonenkonzentration zu einem Bereich niedrigerer Protonenkonzentration diffundieren. Dieser elektrochemische Konzentrationsgradient von Protonen kann verwendet werden, um ATP herzustellen.

ATP-Synthase ist das Enzym, das durch Chemiosmose ATP herstellt. Es lässt Protonen durch die Membran und nutzt die Differenz der freien Energie, um Adenosindiphosphat (ADP) zu phosphorylieren, wodurch ATP entsteht. Die Energie aus der Elektronenbewegung durch die Elektronentransportketten zur ATP-Synthase ermöglicht es dem Proton, die ATP-Synthase zu passieren, um ADP zu photophosphorylieren, wodurch ATP entsteht.


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