Đề tài Độ chênh lệch điện hóa

KHOA SINH-CÔNG NGHỆ ĐHQNTSHD: VÕ VĂN TOÀNNĂNG LƯỢNG SINH HỌCBÀI DỊCH: ĐỘ CHÊNH LỆCH ĐIỆN HÓAChênh lệch điện hóa là một dạng không gian biến thiên của điện áp và nồng độ hóa học qua màng. Cả hai thành phần luôn do sự chênh lệch ion, nhất là sự chênh lệch proton, và kết quả có thể là một dạng năng lượng có sẵn trong tế bào. Điều này có thể được xem như một thước đo nhiệt động học gọi là thế năng điện hóa, kết hợp với các khái niệm về năng lượng được dự trữ dưới dạng thế năng hóa học. Điều đó giải thích sự chênh lệch nồng độ của ion qua màng tế bào và tĩnh điện, giải thích khuynh hướng của ion luôn dịch chuyển tương đối đến thế năng của màng. TSHD: VÕ VĂN TOÀNNĂNG LƯỢNG SINH HỌCKHÁI QUÁT Thế điện hóa rất quan trọng trong hóa phân tích và các ngành công nghiệp ứng dụng như ắc quy và các tế bào nhiên liệu. Thế điện hóa thể hiện một trong nhiều hình thức chuyển hóa năng lượng mà qua đó năng lượng có thể được dự trữ. Trong các quá trình sinh học, hướng dịch chuyển ion bằng sự khuếch tán hoặc vận chuyển tích cực qua màng được xác định bằng độ chênh lệch điện hóa. TSHD: VÕ VĂN TOÀNNĂNG LƯỢNG SINH HỌCTrong ty thể và lạp lục, sự chênh lệch proton được sử dụng để tạo ra một thế chemiosmotic (tạm dịch là thế hiệu điện hóa or Hóa thẩm thấu) cũng được biết đến như là động lực proton. Năng lượng này được sử dụng cho việc tổng hợp ATP bằng sự phosphoryl hoá. KHÁI QUÁT TSHD: VÕ VĂN TOÀNNĂNG LƯỢNG SINH HỌCĐộ chênh lệch điện hóa có hai thành phần. Thành phần thứ nhất là thành phần điện được gây ra bởi điện tích khác nhau qua màng lipid. Thành phần thứ hai là thành phần hóa học được gây ra bởi sự chênh lệch nồng độ Ion qua màng. Sự kết hợp của hai nhân tố này xác định hướng dịch chuyển nhiệt động học có lợi cho sự chuyển động của Ion qua màng. KHÁI QUÁT TSHD: VÕ VĂN TOÀNNĂNG LƯỢNG SINH HỌCHóa học(Độ chênh lệch điện hóa) Thuật ngữ này thường được áp dụng trong các tình huống xảy ra phản ứng hóa học như sự chuyển dời điện tử tại điện cực ắc quy. Trong ắcquy, thế điện hóa xuất hiện từ sự dịch chuyển các Ion làm cân bằng năng lượng phản ứng của các điện cực. Điện áp tối đa mà một phản ứng của ắc quy có thể đem lại đôi khi được gọi là thế năng điện hóa tiêu chuẩn của phản ứng đó (Xem Thế năng điện cực và bảng Thế năng điện cực chuẩn). Trong các trường hợp có liên quan đến sự dịch chuyển của Ion trong dung dịch điện phân (electrically charged solute), thế năng thường được thể hiện bằng Volt (Xem Nồng độ tế bào)TSHD: VÕ VĂN TOÀNNĂNG LƯỢNG SINH HỌCSinh họcTrong sinh học, độ chênh lệch điện hóa đôi khi được sử dụng trong phản ứng hóa học, cụ thể là để mô tả nguồn năng lượng cho sự tổng hợp ATP. Một cách tổng quát, độ chênh lệch điện hóa được sử dụng để mô tả xu hướng của các chất tan khuếch tán đơn giản qua màng, một quá trình không liên quan đến sự biến đổi hóa học. TSHD: VÕ VĂN TOÀNNĂNG LƯỢNG SINH HỌCCHÊNH LỆCH NỒNG ĐỘ IONĐối với tế bào, bào quan, hoặc các thành phần khác của tế bào, xu hướng của một Ion trong dung dịch điện phân (electrically charged solute: dịch nôm na chỗ này là chất tan mang điện hay ion tan), như ion Kali, di chuyển qua màng tế bào được quyết định bởi sự khác biệt thế điện hóa của nó ở hai bên màng. Điều đó phát sinh từ 3 nhân tố sau: TSHD: VÕ VĂN TOÀNNĂNG LƯỢNG SINH HỌCSự khác nhau về nồng độ chất tan hai bên màng. Điện tích hoặc hóa trị của phân tử chất tan. Điện thế hai bên màng khác nhau. CHÊNH LỆCH NỒNG ĐỘ IONĐiều đó phát sinh từ 3 nhân tố sau:TSHD: VÕ VĂN TOÀNNĂNG LƯỢNG SINH HỌCTSHD: VÕ VĂN TOÀNNĂNG LƯỢNG SINH HỌCCHÊNH LỆCH NỒNG ĐỘ IONSự khác biệt thế điện hóa của chất tan bằng 0 ở điện áp nghịch đảo (reversal potential) của chính nó. Điện áp vận chuyển chất tan xuyên qua màng cũng bằng 0Theo lý thuyết, thế năng này được tính toán theo phương trình Nernst (Nernst equation) (cho các hệ thống một dạng Ion thấm) hay phương trình Goldman-Hodgkin-Katz (cho nhiều hơn một dạng ion thấm). Thế năng điện hóa được đo trong phòng thí nghiệm và trong lĩnh vực sử dụng điện cực tham chiếu (reference electrodes).TSHD: VÕ VĂN TOÀNNĂNG LƯỢNG SINH HỌCMàng chuyển vận ATPases hoặc màng chuyển vận protein với các lĩnh vực ATPase thường được dùng cho việc thực hiện và sử dụng độ chênh lệch ion. Enzyme Na+/K+ ATPase sử dụng ATP để tạo ra độ chênh lệch ion natri và ion kali. Thế năng điện hóa được sử dụng để dự trữ năng lượng. CHÊNH LỆCH NỒNG ĐỘ IONTSHD: VÕ VĂN TOÀNNĂNG LƯỢNG SINH HỌCTSHD: VÕ VĂN TOÀNNĂNG LƯỢNG SINH HỌCHóa thẩm thấu khớp nối là một trong nhiều cách mà phản ứng nhiệt động bất lợi có thể được điều khiển bởi một phản ứng nhiệt động có ích. Sự vận chuyển đồng thời các ion qua màng bởi protein vận chuyển và prôtêin xuyên màng. Protein thường được sử dụng để di chuyển các ion qua các màng sinh học một cách tích cực. CHÊNH LỆCH NỒNG ĐỘ IONTSHD: VÕ VĂN TOÀNNĂNG LƯỢNG SINH HỌCTSHD: VÕ VĂN TOÀNNĂNG LƯỢNG SINH HỌCĐộ chênh lệch nồng độ ProtonĐộ chênh lệch proton có thể được sử dụng làm trung gian dự trữ năng lượng cho việc sinh nhiệt và xoay các tiêm mao (flagellar.) Ngoài ra, nó là một hình thức chuyển hóa năng lượng trong vận chuyển tích cực, sự phát sinh điện tử, tổng hợp NADPH, và tổng hợp ATP / thủy phân. TSHD: VÕ VĂN TOÀNNĂNG LƯỢNG SINH HỌCChênh lệch nồng độ Proton tăng cường sự tổng hợp của ATPTSHD: VÕ VĂN TOÀNNĂNG LƯỢNG SINH HỌCCác thế điện hóa khác nhau giữa hai bên màng trong ty thể, lạp lục, vi khuẩn, và các vách ngăn khác có tham gia vào vận tải tích cực liên quan đến máy bơm proton, đôi khi được gọi là thế hiệu điện hoá hoặc động lực proton Trong trường hợp này, các proton thường được xem một cách riêng biệt bằng cách sử dụng các đơn vị của nồng độ hoặc độ pHĐộ chênh lệch nồng độ ProtonTSHD: VÕ VĂN TOÀNNĂNG LƯỢNG SINH HỌCĐộng lực Proton Hai proton bị bật ra ở mỗi vị trí khớp nối, tạo ra những động lực proton (PMF). ATP được tạo ra 1 cách gián tiếp bằng cách sử dụng PMF như một nguồn năng lượng. Mỗi cặp proton sinh ra một ATP. TSHD: VÕ VĂN TOÀNNĂNG LƯỢNG SINH HỌCTSHD: VÕ VĂN TOÀNNĂNG LƯỢNG SINH HỌCMột số loại siêu virus (archaea), đáng chú ý nhất là các siêu virus dạng que (halobacteria), tạo ra độ chênh lệch proton bằng cách bơm proton từ môi trường với sự trợ giúp của enzym solar-driven bacteriorhodopsin , ở đây nó được sử dụng để điều khiển các động cơ phân tử enzyme ATP để thực hiện những thay đổi định hình (cấu hình - conformational) cần thiết để tổng hợp ATP. Động lực ProtonTSHD: VÕ VĂN TOÀNNĂNG LƯỢNG SINH HỌCSự chênh lệch Proton cũng được tạo ra bởi vi khuẩn bằng cách sử dụng enzyme xúc tác tiến trình tổng hợp ATP theo chiều ngược lại, và được sử dụng để điều khiển flagella. Enzyme xúc tác tiến trình tổng hợp F1 F0 ATP là một enzym đảo ngược. Một số lượng đủ lớn của ATP làm nó tạo ra sự chênh lệch màng chuyển vận proton . Nó được sử dụng bởi các vi khuẩn lên men – là loại không có chuỗi vận chuyển điện tử và thủy phân ATP để tạo ra một độ chênh lệch proton - cho flagella và vận chuyển các chất dinh dưỡng vào bên trong tế bào. Động lực ProtonTSHD: VÕ VĂN TOÀNNĂNG LƯỢNG SINH HỌCỞ các loài vi khuẩn háo khí (vi khuẩn hô hấp) ở các điều kiện sinh lý học, enzyme xúc tác tiến trình tổng hợp ATP, nói chung, hoạt động ở hướng ngược lại, tạo ra ATP trong khi sử dụng động lực proton tạo ra bởi chuỗi vận chuyển điện tử như một nguồn năng lượng. Toàn bộ quá trình của việc tạo ra năng lượng theo kiểu này được gọi là phosphoryl hoá. Quá trình tương tự diễn ra trong ty thể, nơi enzyme xúc tác tiến trình tổng hợp ATP nằm ở bên trong màng ti thể, do đó phần F 1 chọc vào thể mẹ (ma trận – matrix) ti thể nơi tổng hợp ATP xảy ra. Động lực ProtonTSHD: VÕ VĂN TOÀNNĂNG LƯỢNG SINH HỌCTSHD: VÕ VĂN TOÀNNĂNG LƯỢNG SINH HỌC