FUUSIKA6 (731719), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Adenosiin-trifosfaadi (ATP) molekulis on kolm ortofosfaadirühma järjestikku ühendatud hapniku molekuli kaudu. Dissotsieerunud OH rühmad ja reastikku paigutud hapniku aatomid moodustavad rea ligistikku asetsevaid negatiivseid laenguid, mis tõukuvad, kuid ei saa kaugeneda hapniku-sideme tõttu. ATP molekul on energeetiliselt sarnane vedru-püssiga, mille vedru on kokku surutud (negatiivsed laengud ligistikku surutud) ja siis triklisse kinni pandud (O-sillaga seotud). Tarvitseb vaid trikkel päästa (O-sild hüdrolüüsida), kui püssikuul (kolmas fosfaatrühm) lendab suure kiirusega eemale. Selle näite alusel on kerge mõista, et ATP energia aluseks on kokkusurutud tõukejõud, samal ajal kui redoks energia aluseks on lahkutõmmatud tõmbejõud. Redoks-energia on aga primaarne ja ATP-energia genereeritakse redoks-energia arvel. Seda ei tehta mitte otse, sest elektronid ei saa ATP sünteesi ensüümi käivitada, vaid vahepealse energiakandja, prootonite (vesinik-ioonide) abiga. Redoks-energia vabanedes transformeeritakse osa sellest prootonite energiaks, mille abiga lõpuks sünteesitakse ATP.
Prootonite energia seisneb selles, et nende kontsentratsioon ühel pool biomembraani on suurem kui teisel pool. Kuna biomembraan on lipiidne kasik-kiht, mis ei luba ioone läbi liikuda, siis on võimalik prootonite kontsentratsiooni suurendada ühel pool membraani ja vähendada seda teisel pool membraani. Vastavad valgukompleksid, mis töötavad prootonpumpadena kui neid läbib redoks-reaktsiooni elektronvoog, on tuntud nii kloroplastides kui mitokondrites. Tulemusena kogunevad prootonid ühele poole membraani tunduvalt suurema kontsentratsioonis kui teisele poole. Kloroplastides pumbatakse prootonid tülakoidi (membraanist kotikesetaolise moodustise) sisemusse, mitokondrites aga seest välja, tsütoplasmat ja mitokondrit eraldavate kahekordsete membraanide vahele.
Elektrivälja energia membraanil
Kui prootonid liiguvad läbi membraani, siis tekib membraanil otsekohe elektripotentsiaalide vahe, potentsiaal on positiivsem sealpool, kus prootoneid on rohkem. Mitokondri membraanil võib potentsiaalide vahe ulatuda kuni 0.15 V. Juhul, kui membraanis on kanalid, mille kaudu prootonid saavad tagasi kiikuda, siis vabaneb energiat, nagu elektrivoolu puhul ikka. Tuletame meelde elektri põhisuurused ja seosed.
Elektrilaengu ühikuks on Kulon (lühend C, prantsuse teadlase nimest Coulomb), mis võrdub ??? prootoni (või elektroni) laenguga.
Voolutugevus on suurus, mida mõõdetakse elektrijuhet ajaühikus läbinud laenguühikute arvuga. Voolutugevuse ühikuks on Amper (lühend A, prantsuse teadlase nimest Ampere). Voolutugevus on üks A, kui juhet läbib üks C s-1. Tegelikult kulon defineeritaksegi voolutugevuse kaudu. Kui kahte ühe meetri kaugusel asuvat paralleelset juhet läbib vool 1 A, siis mõjub nende vahel magnetjõud 1 N.
Elektrivälja kahe punkti potentsiaalide vahet (rahvakeeles “pinget”) mõõdetakse tööga, mida tuleb teha, et ühikulist laengut viia ühest välja punktist teise. Tööd tehakse siin elektrivälja jõu vastu.
Potentsiaalide vahe ühik on Volt (lühend V, itaalia teadlase nimest Volta). Elektrivälja kahe punkti potentsiaalide vahe on üks V, kui laengu 1 C viimisel ühest punktist teise tehakse tööd 1 J. Näiteks meie elektrivõrgus on kahe juhtme potentsiaalide vahe 220 V, galvaani elemendis on see 1.5V, auto seatina-akus 2V.
Nendest definitsioonidest on selge, et laengu üks C liikumisel läbi mitokondri membraani tehakse tööd 0.15 J, kui potentsiaalide vahe ühel ja teisel pool membraani (lühidalt ka ‘membraanpotentsiaal’) on 0.15 V.
Laengu ühik C tuletati elektrivoolu magnetjõu kaudu, sidudes selle mehaanikas defineeritud jõu ühikuga. Sellest tulenevalt osutus täiesti juhuslikult, et ühes Kulonis on ???? prootonit (või elektroni). Keemias aga kasutatakse molekulide hulga mõõtmiseks suurust mool, mis sisaldab Avogadro arvu (Na = 6.02 1023 ) molekuli. Neid arve võrreldes leiame, et üks mool prootoneid kannab laengut 96500 kulonit. Seega, kui üks mool prootoneid läbib elektrivälja potentsiaalide vahe 1 V, siis tehakse tööd 96500 J mol-1 = 96.5 kJ mol-1. Seda arvu nimetatakse Faraday arvuks (lühend F, inglise teadlase nimest). Membraanpotentsiaalide vahe puhul 0.15 V on vastav töö 14.5 kJ mol-1 . Niiviisi arvutamegi membraanpotentsiaali energiat (tööd) membraani läbivate prootonite mooli kohta:
kus Ee tähistab membraani energia elektrilist komponenti, on membraanpotentsiaal (V), F on Faraday arv ja n tähistab ionisatsiooniastet. Viimane tegur on juurde toodud selleks, et valem oleks õige ka ioonide jaoks, mis kannavad kahte või enamat laengut ja mille jaoks n= 2 või enam. Prootoni jaoks n = 1.
Mõnedes membraanides (näiteks tülakoidides kloroplastis) on ioone juhtivad kanalid, mis lasevad läbi Mg2+ ioone kuid ei lase läbi prootoneid. Prootonite transportimisel tekkiv membraanpotentsiaali vahe sunnib siis Mg ioone likuma vastassuunas läbi nende kanalite, iga kahe prootoni vastu üks Mg2+ ioon. Niiviisi tasakaalustatakse prootonite elektriväli samanimeliste ioonidega teisel pool membraani ja membraanil ei tekigi suurt potentsiaalide vahet (umbes 10 mV siiski jääb, mis tõukab Mg ioone). Niisugusel membraanil elektriväljast tingitud energia praktiliselt puudub, kuid seevastu prootonite kontsentratsioonide vahe võib kasvada väga suureks, sest puudub vastutöötav elektrijõud. Ka molekulide (ioonide) kontsentratsioonide vahe membraaniga lahutatud ruumiosades sisaldab energiat, sest difusiooni tõttu püüavad molekulid kõrgema kontsentratsiooniga ruumiosast madalama kontsentratsiooniga ruumiosasse liikuda.
Kontsentratsioonide erinevuse energia
Selleks, et koguda prootoneid ühele poole membraani tuleb ilmselt teha tööd. Vastupidi, kui kontsentratsioonide erinevus on olemas, siis see on võimeline tööd tegema. Tuletame valemi kontsentratsioonide erinevuse potentsiaalse energia arvutamiseks.
Kujutleme, nagu osmoosi puhulgi, et prootonid on gaas, mis on erineva tihedusega ühel ja teisel pool membraani. Võtame lihtsustuseks suure mudeli, kus kummalgi pool membraani on üks mool prootongaasi, kuid erineva tihedusega. Kontsentratsioonide (tiheduste) erinevuse potentsiaalne enrgia on niisama suur kui suur on töö, mida tuleb teha, et see erinevus kaotada, näiteks surudes hõredamat gaasi kokku (tehes välist tööd) või lastes tihedamat gaasi paisuda (lastes gaasil tööd teha). Gaasi kokkusurumise tööd saab aga arvutada kui rõhu ja ruumala muutuse korrutist. Kahjuks aga ei jää rõhk ruumala muutudes konstantseks vaid suureneb ruumala vähenedes. Seega tuleb rõhk avaldada ruumala funktsioonina gaaside võrrandist ja siis töö arvutada integraalina.
Elelentaartöö
Arvutame rõhu:
ja asendame töö valemisse
Töö, mille teeme surudes gaasi kokku ruumalalt V1 ruumalale V2 leiame integraalina
Arvestades, et
saame
kus C tähistab juba lahustunud aine (prootonite) kontsentratsioone.
Seega on kontsentratsioonide erinevusest tingitud töö ühe mooli kohta määratud kontsentratsioonide suhtega, mitte nende vahega. Kui membraanil on nii kontsentratsioonide erinevus kui ka potentsiaalide erinevus, on summarne energia
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
