Zmiana entalpii swobodnej ∆G podczas reakcji w której zachodzi

Zmiana entalpii swobodnej ∆G podczas reakcji w której zachodzi
przepływ elektronów jest pracą nieobjętościową i może być
wyrażona jako iloczyn napięcie i ładunku.
na przykład procesy oksydo-redukcyjne zachodzące na elektrodach.
∆G = -nE = - n F E
n – liczba moli elektronów
E – siła elektromotoryczna ogniwa
F = eNA – stała Faradaya 96485 C/mol
∆G (kJ) = -96485 n E
(1 mol elektronów porusza się w polu
elektrycznym 1 V/cm)
Równanie Nernsta
∆G = ∆G0 + RT ln c
E = E0 – RT/nF ln c
W stanie równowagi ∆G = 0
E0 = RT / nF ln (A+L / A-R)
K+w / K-z = 20
E = 1.987 310 K / 1 mol 96485 C ln 20 = 80 mV
Metal zanurzony w roztworze swoich jonów ma tendencję do wysyłania swoich kationów do
roztworu. Na granicy metal-elektrolit zachodzą dwa procesy: przechodzenie atomów
w postaci jonów z metalu do roztworu oraz równocześnie wydzielanie się z roztworu kationów
na powierzchni metali, w postaci atomów. W wyniku przebiegu tego procesu elektroda metaliczna
ładuje się do pewnego potencjału.
Na granicy metal-elektrolit powstaje skok potencjału zwany potencjałem elektrodowym.
Zaproponowany przez Nernsta mechanizm zjawisk towarzyszących powstawaniu
potencjału elektrodowego prowadzi do wzoru na potencjał Ve elektrody zanurzonej
w roztworze swoich jonów o stężeniu c:
gdzie Veo - potencjał normalny tj. potencjał elektrody zanurzonej w roztworze o stężeniu kationów
równym 1 mol/dm3, R - stała gazowa, F - stała Faradaya, T - temperatura bezwzględna,
z - wartościowość.
Potencjał Donana
Rozważmy naczynie przedzielone półprzepuszczalną membraną. W jednej części naczynia
znajduje się mała ilość soli sodowej białka a po drugiej stronie membrany jest rozpuszczony
chlorek sodu, co przedstawia rysunek. Początkowy brak jonów chloru Cl- w lewej części naczynia
powoduje ich dyfuzję z prawej strony na lewą, ponieważ membrana jest nieprzepuszczalna tylko
dla białka. W wyniku dyfuzji jonów chloru do lewej części przechodzą również jony sodu gdyż
wymaga tego warunek zachowania elektrycznej neutralności. W przypadku gdyby
przez membranę przechodziły wyłącznie jony chloru to roztwór po lewej stronie
naładowałby się ujemnie i dalszy ruch ujemnych jonów chloru byłby niemożliwy,
co zatrzymałoby proces dyfuzji.
mLNaCl = mPNaCl
Ponieważ NaCl jest całkowicie zdysocjowany możemy napisać
mLNa+ + mLCl- =mPNa+ + mPClPamiętając o tym, że potencjał chemiczny roztworu zależy od stężenia
mr = m0 + RT ln xr,
gdzie: x to ułamek molowy, po podstawieniu i kolejnych przekształceniach otrzymamy
wyrażenie opisujące warunek równowagi w układzie,
mLNa+ mLCl- =mPNa+ mPCl-
który można zapisać w innej postaci jako:
mLNa+ / mPNa+ = mPCl- / mLClOznacza to, że iloczyn stężeń jonów przeciwnych znaków po obydwu stronach membrany
musi być jednakowy. Zauważmy, że zapis ten różni się od wyjściowego warunku równości
potencjałów chemicznych chlorku sodu po obydwu stronach membrany.
W stanie końcowym w lewym naczyniu pojawi się nadwyżka ładunku dodatniego
pochodzącego od jonów sodu, gdyż do neutralnego na początku lewego naczynia
przeszły jony sodu z prawego naczynia. Oznacza to, że bilans ładunku dodatniego
jest dodatni podczas gdy ładunek wypadkowy po prawej wynosi zero.
Z termodynamicznego punktu widzenia dla roztworu korzystniejsze jest przeprowadzenie
samorzutnego zjawiska jakim jest dyfuzja niż wydatkowanie energii na utrzymanie rozdziału
bądź przenoszenie ładunków elektrycznych przeciwko polu elektrycznemu.
Tak więc do lewego naczynia przechodzą jednocześnie jony chloru i sodu.
Trwa to tak długo dopóki nie wyrówna się potencjał chemiczny chlorku sodu
po obydwu stronach membrany.
Przykład.
Początkowe stężenie [Na4P-4] wynosi 10-3 M , a stężenie [NaCl] po prawej stronie membrany
wynosi 10-2 M. Oblicz końcowe stężenia składników.
Oznaczymy stężenie jonów chloru Cl, które przeszły na lewą stronę jako x wtedy
pozostałe stężenia wynoszą odpowiednio
[Na+]L = 4 10-3 + x
[Na+]P = 10-2 –x
[Cl-]L = x
[Cl-]P = 10-2 – x
Korzystając z równania na warunek równowagi Donana otrzymujemy:
(4 10-3 + x)/(10-2 –x) = (10-2 –x) / x
skąd x = 4.17 10-3 M
[Na+]L = 8.17 10-3
[Cl-]L = 4.17 10-3
[Na+]P = 5.83 10-3
[Cl-]P = 5.83 10-3
Obliczenia pokazują obecność nadmiarowego ładunku dodatniego w lewej części układu
zarówno w stosunku do jonów sodu w prawym naczyniu jak i w stosunku do jonów chloru
w lewym naczyniu.
Powstawanie potencjału czynnościowego
C - dalszy napływ jonów Na+
wyłącza się pompa jonowa K+
wypływ jonów K+ na zewnątrz
D - włącza się pompa jonów Na+
dalszy wypływ jonów K+
E - zmniejsza się stężenie Na+
wewnątrz komórki, dalszy wypływ
jonów K+ na zewnątrz
F - jony Na+ prawie wszystkie
na zewnątrz; włącza się pompa
jonowa dla K+
Przewodnictwo (m mOHm/cm2)
B - wyłączona pompa jonowa
napływ jonów Na+ do wnętrza
Potencjał membranowy (mV)
A - potencjał membranowy
Kanały
Potencjał równowagi
dla Na+
Próg działania
Potencjał równowagi
dla K+
Czas, ms
Przewodnictwo Na+
Przewodnictwo K+
zewnątrz
wewnątrz
zewnątrz
wewnątrz
G - powrót do stanu równowagi
przed wzbudzeniem
Elektroforeza
Ruch elektrycznie naładowanej substancji rozpuszczonej pod
wpływem zewnętrznej różnicy potencjałów.
Zależy od
- ładunku cząsteczki (znaku i wartości),
- rozmiaru
- szybkości dyfuzji.
Większość biomolekuł posiada dużą liczbę labilnych protonów
o różnych wartościach pKa co oznacza, że w zależności od
pH molekuła może być neutralna lub też posiadać ładunek
elektryczny.
Jeżeli molekuła jest naładowana to pod wpływem pola elektrycznego
będzie się ona przesuwać.
Zależność pomiędzy siłą, prędkością i środowiskiem
Cząsteczka o masie m i ładunku q w polu elektrycznym E porusza się ruchem
przyśpieszonym z przyśpieszeniem a.
ma=qE
W roztworze podczas ruchu cząsteczka podlega również działaniu
siły tarcia f proporcjonalnej do prędkości v.
ma=qE–fv
Po włączeniu pola elektrycznego cząsteczka przyśpiesza tak długo dopóki
nie zostanie osiągnięta końcowa czyli gdy pojawi się równowaga pomiędzy
siłą tarcia a siła napędową tego ruchu czyli natężeniem pola elektrycznego.
Warunek ten pozwala obliczyć końcową stałą prędkość z jaką w danych
warunkach porusza się cząsteczka w roztworze.
vk = qE/ f
Z punktu widzenia mikroskopowego zjawisko to wynika z faktu, iż naładowana
cząsteczka podczas swego ruchu wchodzi w wiele zderzeń i innymi cząsteczkami.
W zależności od warunków otoczenia różne będą czas pomiędzy kolejnymi
zderzeniami oraz droga przebyta między zderzeniami.
Wzory który łączą ruchliwość jonu u z natężeniem pola elektrycznego E
i współczynnika dyfuzji D.
u = q D / kT
lub f = kT / D
Dwa zjawiska.
- dyfuzja z cienkiej warstwy o dużym stężeniu opisana równaniem dyfuzji
dm/dt = -D grad c.
- przepływ jonów opisany równaniem
dm/dt = u E c .
Analiza tych zjawisk prowadzi do wniosku, że dyfuzja i ruch jonów są
procesami niezależnymi.
Drogę d przebytą po czasie t od włączenia pola przez jon pod wpływem
pola elektrycznego E można opisać wzorem:
da – db = va t – vb t = (ua – ub) E t
Wzór ten pokazuje liniową zależność pomiędzy drogą przebytą
w żelu a ruchliwością molekuły a ta jest związana z masą cząsteczkową.
Zależność ta została wykorzystana do obliczania masy cząsteczkowej
makromolekuł.
Żel jest stosowany w celu ograniczenia dyfuzji i ma zapobiegać
mieszaniu się rozdzielonych molekuł.
Wyniki elektroforezy białka
Zastosowanie elektroforezy do sekwencjonowania DNA
Technika patch-clamping
CAP - cell attached-patch; IOP - inside-out patch; WC - whole cell;
OOP - outside-out patch; pp WC - permeabilized patch
Ekwiwalent elektryczny pomiaru typu WC (Whole Cell)
Es, Rs, Cs dotyczy napięcia przyłożonego
Ek, Rk, Sk reprezentuje cała komórkę
Rp, Cp reprezentuje pipetę
Pomiary prądowe z pojedynczego kanału dla
układu idealnego a.b
oraz rzeczywistego c,d.
Badanie struktury i funkcji
technika patch-clamp
pipeta
prąd
jonowy
próbka
kamera
CCD
mikroskop konfokalny