Un gradiente electroquímico es un gradiente de potencial electroquímico , generalmente para un ion que puede moverse a través de una membrana . El gradiente consta de dos partes, el gradiente químico, o la diferencia en la concentración de soluto a través de una membrana, y el gradiente eléctrico, o la diferencia en la carga a través de una membrana. Cuando hay concentraciones desiguales de un ión a través de una membrana permeable, el ión se moverá a través de la membrana desde el área de mayor concentración al área de menor concentración a través de la difusión simple . Los iones también llevan una carga eléctrica que forma un potencial eléctrico.a través de una membrana. Si hay una distribución desigual de cargas a través de la membrana, entonces la diferencia en el potencial eléctrico genera una fuerza que impulsa la difusión de iones hasta que las cargas se equilibran en ambos lados de la membrana.
Descripción general [ editar ]
El potencial electroquímico es importante en la química electroanalítica y en aplicaciones industriales como baterías y pilas de combustible. Representa una de las muchas formas intercambiables de energía potencial através de las cuales se puede conservar la energía .
En los procesos biológicos, la dirección en que se mueve un ion por difusión o transporte activo a través de una membrana está determinada por el gradiente electroquímico. En las mitocondrias y los cloroplastos , los gradientes de protones se utilizan para generar un potencial quimiosmótico que también se conoce como fuerza motriz de protones . Esta energía potencial se utiliza para la síntesis de ATP por fosforilación oxidativa o fotofosforilación , respectivamente. [2]
Un gradiente electroquímico tiene dos componentes. Primero, el componente eléctrico es causado por una diferencia de carga a través de la membrana lipídica. Segundo, un componente químico es causado por una concentración diferencial de iones a través de la membrana. La combinación de estos dos factores determina la dirección termodinámicamente favorable para el movimiento de un ion a través de una membrana. [1] [3]
Un gradiente electroquímico es análogo a la presión del agua a través de una represa hidroeléctrica . Las proteínas de transporte de membrana , como la bomba de sodio-potasio dentro de la membrana, son equivalentes a las turbinas que convierten la energía potencial del agua en otras formas de energía física o química, y los iones que pasan a través de la membrana son equivalentes al agua que termina en la parte inferior. de la presa. Además, la energía se puede utilizar para bombear agua hacia el lago que se encuentra sobre la presa. De manera similar, la energía química en las células se puede utilizar para crear gradientes electroquímicos. [4] [5]
Química [ editar ]
El término se aplica típicamente en contextos en los que tiene lugar una reacción química , como la que implica la transferencia de un electrón a un electrodo de batería . En una batería, un potencial electroquímico que surge del movimiento de iones equilibra la energía de reacción de los electrodos. El voltaje máximo que puede producir una reacción de la batería a veces se denomina potencial electroquímico estándar de esa reacción (consulte también Potencial de electrodo y Tabla de potenciales de electrodo estándar ). En casos relacionados específicamente con el movimiento de solutos cargados eléctricamente, el potencial a menudo se expresa en unidades de voltios . Ver: célula de concentración .
Contexto biológico [ editar ]
La generación de un potencial eléctrico transmembrana a través del movimiento de iones a través de una membrana celular impulsa procesos biológicos como la conducción nerviosa , la contracción muscular , la secreción de hormonas y los procesos sensoriales . Por convención, una célula animal típica tiene un potencial eléctrico transmembrana de -50 mV a -70 mV dentro de la célula en relación con el exterior. [6]
Los gradientes electroquímicos también desempeñan un papel en el establecimiento de gradientes de protones en la fosforilación oxidativa en las mitocondrias. El paso final de la respiración celular es la cadena de transporte de electrones . Cuatro complejos incrustados en la membrana interna de la mitocondria forman la cadena de transporte de electrones. Sin embargo, solo los complejos I, III y IV bombean protones desde la matriz al espacio intermembrana (IMS). En total, hay diez protones translocados de la matriz al IMS que genera un potencial electroquímico de más de 200 mV. Esto impulsa el flujo de protones a la matriz a través de la ATP sintasa que produce ATP al agregar un fosfato inorgánico a ADP.. [7] Por lo tanto, la generación de un gradiente electroquímico de protones es crucial para la producción de energía en las mitocondrias. [8] La ecuación total para la cadena de transporte de electrones es:
De manera similar a la cadena de transporte de electrones, las reacciones dependientes de la luz de la fotosíntesis bombean protones a la luz tilacoide de los cloroplastos para impulsar la síntesis de ATP por la ATP sintasa. El gradiente de protones se puede generar a través de una fotofosforilación no cíclica o cíclica. De las proteínas que participan en la fotofosforilación no cíclica, el fotosistema II (PSII), la plastiquinona y el complejo del citocromo b 6 f contribuyen directamente a generar el gradiente de protones. Por cada cuatro fotones absorbidos por PSII, se bombean ocho protones hacia la luz. [10] La ecuación total para la fotofosforilación se muestra:
Varios otros transportadores y canales iónicos desempeñan un papel en la generación de un gradiente electroquímico de protones. Uno es TPK 3 , un canal de potasio que se activa con Ca 2+ y conduce K + desde la luz de los tilacoides hasta el estroma, lo que ayuda a establecer el gradiente de pH . Por otro lado, el antiportador de salida de K + electro-neutro (KEA 3 ) transporta K + a la luz tilacoide y H + al estroma que ayuda a establecer el campo eléctrico . [12]
Gradientes de iones [ editar ]
Dado que los iones están cargados, no pueden pasar a través de la membrana por difusión simple. Dos mecanismos diferentes pueden transportar los iones a través de la membrana: transporte activo o pasivo. Un ejemplo de transporte activo de iones es el Na + -K + -ATPase(NKA). NKA cataliza la hidrólisis de ATP en ADP y un fosfato inorgánico y, por cada molécula de ATP hidrolizada, tres Na + se transportan al exterior y dos K + se transportan dentro de la célula. Esto hace que el interior de la célula sea más negativo que el exterior y, más específicamente, genera una membrana V conpotencial de membrana de aproximadamente -60 mV.[5] Un ejemplo de transporte pasivo son los flujos de iones a través de loscanalesNa + , K + , Ca 2+ y Cl - . Estos iones tienden a bajar su gradiente de concentración. Por ejemplo, dado que hay una alta concentración de Na + fuera de la célula, Na + fluirá a través delcanal deNa +hacia la célula. Dado que el potencial eléctrico dentro de la célula es negativo, la entrada de un ion positivo despolariza la membrana, lo que hace que el potencial eléctrico transmembrana se acerque a cero. Sin embargo, Na +continuará bajando su gradiente de concentración siempre que el efecto del gradiente químico sea mayor que el efecto del gradiente eléctrico. Una vez que el efecto de ambos gradientes es igual (para Na + esto con un potencial de membrana de aproximadamente + 70mV), la afluencia de Na + se detiene porque la fuerza impulsora(ΔG) es cero. La ecuación para la fuerza motriz es: [13] [14]
En esta ecuación, R representa la constante de gas , T representa la temperatura absoluta , z es la carga iónica y F representa la constante de Faraday . [15]
Gradientes de protones [ editar ]
Los gradientes de protones en particular son importantes en muchos tipos diferentes de células como forma de almacenamiento de energía. El gradiente se usa generalmente para controlar la ATP sintasa, la rotación flagelaro el transporte de metabolitos . [16] Esta sección se centrará en tres procesos que ayudan a establecer gradientes de protones en sus respectivas células: bacteriorrodopsina y fotofosforilación no cíclica y fosforilación oxidativa.
Bacteriorodopsina [ editar ]
La forma en que la bacteriorrodopsina genera un gradiente de protones en Archaea es a través de una bomba de protones . La bomba de protones se basa en los portadores de protones para impulsar los protones desde el lado de la membrana con una concentración baja de H + hacia el lado de la membrana con una concentración alta de H + . En la bacteriorrodopsina, la bomba de protones se activa mediante la absorción de fotones de 568 nm de longitud de onda que conduce a la isomerización de la base de Schiff (SB) en la retina que forma el estado K. Esto aleja a SB de Asp85 y Asp212, causando H +Transferencia de la SB a Asp85 formando el estado M1. Luego, la proteína cambia al estado M2 al separar Glu204 de Glu194, que libera un protón de Glu204 en el medio externo. La SB es reprotonada por Asp96 que forma el estado N. Es importante que el segundo protón provenga de Asp96, ya que su estado desprotonadoes inestable y se reprotonó rápidamente con un protón del citosol . La protonación de Asp85 y Asp96 que causa la reisomerización de la SB que forma el estado O. Finalmente, la bacteriorrodopsina vuelve a su estado de reposo cuando Asp85 libera su protón a Glu204. [16] [17]
Fotofosforilación [ editar ]
El PSII también depende de la luz para impulsar la formación de gradientes de protones en los cloroplastos, sin embargo, el PSII utiliza la química redox vectorial para lograr este objetivo. En lugar de transportar físicamente protones a través de la proteína, las reacciones que requieren la unión de protones ocurrirán en el lado extracelular, mientras que las reacciones que requieren la liberación de protones ocurrirán en el lado intracelular. La absorción de fotones de longitud de onda de 680 nm se utiliza para excitar dos electrones en P 680 a un nivel de energía más alto . Estos electrones de mayor energía se transfieren a plastoquinona unida a proteínas (PQ A ) y luego a plastoquinona no unida (PQ B ). Esto reduce la plastoquinona (PQ) al plastoquinol (PQH 2).) que se libera del PSII después de obtener dos protones del estroma. Los electrones en P 680 se reponen mediante la oxidación del agua a través del complejo quedesprende oxígeno (OEC). Esto resulta en la liberación de O 2 y H + en el lumen. [16] Se muestra la reacción total:
Después de ser liberado de PSII, PQH 2 viaja al complejo del citocromo b 6 f que luego transfiere dos electrones de PQH 2 a plastocianina en dos reacciones separadas. El proceso que ocurre es similar al ciclo Q en el Complejo III de la cadena de transporte de electrones. En la primera reacción, el PQH 2 se une al complejo en el lado del lumen y un electrón se transfiere al centro de hierro-azufre que luego lo transfiere al citocromo f, que luego lo transfiere a la plastocianina. El segundo electrón se transfiere al hemo b L, que luego lo transfiere al hemo b Hque luego lo transfiere a PQ. En la segunda reacción, un segundo PQH 2 se oxida, agregando un electrón a otra plastocianina y PQ. Ambas reacciones juntas transfieren cuatro protones a la luz. [18] [19]
La fosforilación oxidativa [ editar ]
En la cadena de transporte de electrones, el Complejo I (CI) cataliza la reducción de la ubiquinona (UQ) al ubiquinol (UQH 2 ) mediante la transferencia de dos electrones de la nicotinamida adenina dinucleótido(NADH), que transporta cuatro protones de la matriz mitocondrial a la IMS : [20]
Complejo III (CIII) cataliza la del ciclo Q . La primera etapa que implica la transferencia de dos electrones de la UQH 2 reducida por CI a dos moléculas de oxidada del citocromo c en la Q o sitio. En el segundo paso, dos electrones más reducen la UQ a UQH 2 en el sitio Q i . [20] Se muestra la reacción total:
El complejo IV (CIV) cataliza la transferencia de dos electrones del citocromo c reducido por CIII a la mitad de un oxígeno lleno. El uso de un oxígeno completo en la fosforilación oxidativa requiere la transferencia de cuatro electrones. Luego, el oxígeno consumirá cuatro protones de la matriz para formar agua, mientras que otros cuatro protones se bombean al IMS. [20] Se muestra la reacción total:
potencial electroquímico , μ , a veces abreviado como ECP, es una medida termodinámica del potencial químico que no omite el aporte energético de la electrostática . El potencial electroquímico se expresa en la unidad de J / mol .
Introducción [ editar ]
Cada especie química (por ejemplo, "moléculas de agua", "iones de sodio", "electrones", etc.) tiene un potencial electroquímico (una cantidad con unidades de energía) en cualquier punto del espacio, lo que representa lo fácil o difícil que es Es agregar más de esa especie a esa ubicación. Si es posible, una especie se moverá de áreas con mayor potencial electroquímico a áreas con menor potencial electroquímico; en equilibrio, el potencial electroquímico será constante en todas partes para cada especie (puede tener un valor diferente para diferentes especies). Por ejemplo, si un vaso de agua tiene iones de sodio (Na + ) disueltos uniformemente, y un campo eléctricose aplica a través del agua, luego los iones de sodio tenderán a ser arrastrados por el campo eléctrico hacia un lado. Decimos que los iones tienen energía potencial eléctrica y se están moviendo para reducir su energía potencial. Del mismo modo, si un vaso de agua tiene una gran cantidad de azúcar disuelta en un lado y ninguna en el otro lado, cada molécula de azúcar se difundirá al azar alrededor del agua, hasta que haya una concentración igual de azúcar en todas partes. Decimos que las moléculas de azúcar tienen un " potencial químico ", que es mayor en las áreas de alta concentración, y las moléculas se mueven para disminuir su potencial químico. Estos dos ejemplos muestran que un potencial eléctricoy un potencial químico puede dar el mismo resultado: una redistribución de las especies químicas. Por lo tanto, tiene sentido combinarlos en un único "potencial", el potencial electroquímico , que puede dar directamente a la redistribución neta teniendo en cuenta ambos .
Es (en principio) fácil de medir si dos regiones (por ejemplo, dos vasos de agua) tienen o no el mismo potencial electroquímico para una determinada especie química (por ejemplo, una molécula de soluto): Permitir que la especie retroceda libremente y adelante entre las dos regiones (por ejemplo, conéctelas con una membrana semipermeable que solo permita el paso de esa especie). Si el potencial químico es el mismo en las dos regiones, la especie se moverá de vez en cuando entre las dos regiones, pero en promedio hay tanto movimiento en una dirección como en otra, y no hay migración neta (esto es llamado "equilibrio difusivo"). Si los potenciales químicos de las dos regiones son diferentes, más moléculas se moverán al potencial químico más bajo que la otra dirección.
Además, cuando no hay un equilibrio difusivo, es decir, cuando hay una tendencia a que las moléculas se difundan de una región a otra, entonces hay una cierta energía libre liberada por cada molécula difusora de redes. Esta energía, que a veces se puede aprovechar (un ejemplo simple es una célula de concentración ), y la energía libre por mol es exactamente igual a la diferencia de potencial electroquímico entre las dos regiones.
Terminologías conflictivas [ editar ]
Es común en la electroquímica y en la física del estado sólido discutir tanto el potencial químico como el potencial electroquímico de los electrones . Sin embargo, en los dos campos, las definiciones de estos dos términos a veces se intercambian. En electroquímica, el potencial electroquímico de los electrones (o cualquier otra especie) es el potencial total, que incluye tanto el potencial químico (interno, no eléctrico) como el potencial eléctrico, y es por definición constante a través de un dispositivo en equilibrio, mientras que el potencial químico de Los electrones son iguales al potencial electroquímico menos la energía potencial eléctrica local por electrón. [1]En física del estado sólido, las definiciones son normalmente compatibles con esto, [2] pero ocasionalmente [3] las definiciones se intercambian.
Este artículo utiliza las definiciones de la electroquímica.
Definición y uso [ editar ]
En términos genéricos, el potencial electroquímico es el trabajo mecánico realizado para traer 1 mol de un ion de un estado estándar a una concentración y potencial eléctrico específicos . De acuerdo con la definición de la IUPAC , [4] es la energía Gibbs molar parcial de la sustancia en el potencial eléctrico especificado, donde la sustancia se encuentra en una fase específica. El potencial electroquímico se puede expresar como
dónde:
- μ i es el potencial electroquímico de la especie i , en J / mol,
- μ i es el potencial químico de la especie i , en J / mol,
- z i es la valencia (carga) del ion i , un entero sin dimensiones,
- F es la constante de Faraday , en C / mol,
- Φ es el potencial electrostático local, en V.
En el caso especial de un átomo no cargado, z i = 0, y por lo tanto μ i = μ i .
El potencial electroquímico es importante en los procesos biológicos que involucran la difusión molecular a través de las membranas, en la química electroanalítica y en aplicaciones industriales como baterías y celdas de combustible. Representa una de las muchas formas intercambiables de energía potencial a través de las cuales se puede conservar la energía .
En las membranas celulares , el potencial electroquímico es la suma del potencial químico y el potencial de membrana .
Uso incorrecto [ editar ]
El término potencial electroquímico se usa a veces para significar un potencial de electrodo (ya sea de un electrodo corrosivo, un electrodo con una reacción o corriente neta distinta de cero, o un electrodo en equilibrio). En algunos contextos, el potencial de electrodo de los metales corrosivos se denomina "potencial de corrosión electroquímico", [5] que a menudo se abrevia como ECP, y la palabra "corrosión" a veces se omite. Este uso puede llevar a confusión. Las dos cantidades tienen significados y dimensiones diferentes: la dimensión del potencial electroquímico es la energía por mol, mientras que la del potencial del electrodo es el voltaje (energía por carga).
No hay comentarios:
Publicar un comentario