معلومة

7.1 ب: الإلكترونات والطاقة - علم الأحياء

7.1 ب: الإلكترونات والطاقة - علم الأحياء



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

يسمح نقل الإلكترونات بين الجزيئات عن طريق الأكسدة والاختزال للخلية بنقل واستخدام الطاقة للوظائف الخلوية.

أهداف التعلم

  • وصف الدور الذي تلعبه الإلكترونات في إنتاج الطاقة وتخزينها

النقاط الرئيسية

  • عندما تضاف الإلكترونات إلى مركب ، يتم تقليل المركب ؛ يسمى المركب الذي يقلل من الآخر بالعامل المختزل.
  • عند إزالة الإلكترونات من المركب ، يعتبر المركب مؤكسدًا ؛ يسمى المركب الذي يؤكسد آخر عامل مؤكسد.
  • يسمح نقل الطاقة على شكل إلكترونات للخلية بنقل الطاقة واستخدامها بطريقة تدريجية.
  • حاملات الإلكترون الرئيسية هي NAD + و NADH لأنها يمكن أن تتأكسد بسهولة وتختزل ، على التوالي.
  • NAD + هو الشكل المؤكسد للنياسين و NADH هو الشكل المختزل بعد قبول إلكترونين وبروتون.

الشروط الاساسية

  • أكسدة: رد فعل تفقد فيه ذرات عنصر الإلكترونات ويزداد تكافؤ العنصر.
  • تخفيض: تفاعل يتم فيه اكتساب الإلكترونات وتقليل التكافؤ ؛ غالبًا عن طريق إزالة الأكسجين أو إضافة الهيدروجين.
  • نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد: (NAD) أنزيم عضوي يشارك في تفاعلات الأكسدة والاختزال البيولوجية.
  • المكوك الإلكتروني: الجزيئات التي تربط وتحمل إلكترونات عالية الطاقة بين المركبات في المسارات الخلوية

الإلكترونات والطاقة

ينتج عن إزالة الإلكترون من الجزيء عبر عملية تسمى الأكسدة انخفاض في الطاقة الكامنة المخزنة في المركب المؤكسد. عندما تحدث الأكسدة في الخلية ، فإن الإلكترون (أحيانًا كجزء من ذرة الهيدروجين) لا يظل غير مرتبط في السيتوبلازم. بدلاً من ذلك ، ينتقل الإلكترون إلى مركب ثانٍ ، مما يقلل من المركب الثاني (تحدث أكسدة أحد الأنواع دائمًا جنبًا إلى جنب مع اختزال نوع آخر).

يؤدي انتقال الإلكترون من مركب إلى آخر إلى إزالة بعض الطاقة الكامنة من المركب الأول (المركب المؤكسد) وزيادة الطاقة الكامنة للمركب الثاني (المركب المختزل). يعتبر نقل الإلكترونات بين الجزيئات عن طريق الأكسدة والاختزال أمرًا مهمًا لأن معظم الطاقة المخزنة في الذرات تكون في شكل إلكترونات عالية الطاقة ؛ هذه هي الطاقة المستخدمة لتغذية الوظائف الخلوية. يسمح نقل الطاقة على شكل إلكترونات للخلية بنقل الطاقة واستخدامها بطريقة تدريجية: في حزم صغيرة بدلاً من دفعة واحدة مدمرة.

ناقلات الإلكترون

في الأنظمة الحية ، تعمل فئة صغيرة من الجزيئات كمكوكات إلكترونية: فهي تربط وتحمل إلكترونات عالية الطاقة بين المركبات في المسارات الخلوية. حوامل الإلكترون الرئيسية التي سننظر فيها مشتقة من مجموعة فيتامين ب ، وهي مشتقات من النيوكليوتيدات. يمكن اختزال هذه المركبات بسهولة (أي أنها تقبل الإلكترونات) أو تتأكسد (تفقد الإلكترونات). مشتق نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد (NAD) من فيتامين ب 3 ، النياسين. NAD+ هو الشكل المؤكسد من النياسين. NADH هو الشكل المصغر بعد قبول إلكترونين وبروتون (وهما معًا ما يعادل ذرة الهيدروجين مع إلكترون إضافي). يشار إلى أن NAD+يجب قبول إلكترونين في وقت واحد ؛ لا يمكن أن يكون بمثابة ناقل لإلكترون واحد.

NAD+ يمكن أن يقبل الإلكترونات من جزيء عضوي وفقًا للمعادلة العامة:

RH (عامل الاختزال) + NAD+ (عامل مؤكسد) → NADH (مخفض) + R (مؤكسد)

عندما تضاف الإلكترونات إلى مركب ، يتم تقليل المركب. يسمى المركب الذي يقلل من الآخر عامل الاختزال. في المعادلة أعلاه ، RH هو عامل مختزل و NAD+ يتم تقليله إلى NADH. عندما تتم إزالة الإلكترونات من المركب ، يتأكسد المركب. في المعادلة أعلاه ، NAD+ هو عامل مؤكسد ويتأكسد ر.

وبالمثل ، فإن فلافين الأدينين ثنائي النوكليوتيد (FAD+) مشتق من فيتامين ب2، ويسمى أيضًا الريبوفلافين. شكله المصغر هو FADH2. يحتوي الشكل الثاني من NAD ، NADP ، على مجموعة فوسفات إضافية. كلاهما NAD+ و FAD+ تستخدم على نطاق واسع في استخراج الطاقة من السكريات ، ويلعب NADP دورًا مهمًا في التفاعلات الابتنائية والتمثيل الضوئي.


علم الأحياء OER

الجلوكوز هو الكربوهيدرات المفضل للخلايا. في الحل ، يمكن أن يتغير من سلسلة خطية إلى حلقة. يتم تخزين الطاقة في روابط الكربوهيدرات. كسر هذه الروابط يطلق تلك الطاقة. ينتج عن تكسير بلورات السكر مجالات كهربائية صغيرة تنبعث منها ضوء فوق بنفسجي غير مرئي. تتأثر المادة الكيميائية الشتوية الخضراء (ميثيل الساليسيلات) بهذه الإلكترونات المتحمسة والفلور في الطول الموجي الأزرق المرئي. هذه الظاهرة تسمى التلألؤ الاحتكاري.


ما تتعلمه & # x27ll:

تساعد الروابط الكيميائية بين الذرات على استقرار الروابط الموجودة بين ذرات الجزيئات. يساعد في الحفاظ على مستويات الطاقة في الذرات داخل الجزيء. ستؤثر الطاقات على الترابط والترابط بين الذرات الموجودة في الجزيء. مستوى الطاقة أعلى في الجزيئات المضادة من جزيئات الترابط. للحفاظ على رابطة مستقرة بين الجزيئات ، ستبقى ذرات الرابطة التساهمية في حالة طاقة أقل. يتم تحديد ذلك من خلال الرموز σ أو π. لا يشارك جزيء الذرة غير المترابط في الرابطة التساهمية ولا يؤثر على مستوى الطاقة وهو مستقل عن الذرة المركزية. يتم ترشيح هذه الإلكترونات كمدار ، وتوجد الذرات المرتبطة بها في أزواج طويلة. تشارك حركات اهتزازية مختلفة في الجزيئات متعددة الذرات. تعتمد الطاقة في كل مستوى على حالات الطاقة المحددة. بشكل عام ، مستوى الطاقة هو التأثير المشترك للترجمة. المكونات الدورانية والاهتزازية والنووية ويمكن تعريفها على أنها-


ناقلات الإلكترون

في الأنظمة الحية ، تعمل فئة صغيرة من المركبات كمكوكات إلكترونية: تربط وتحمل إلكترونات عالية الطاقة بين المركبات في المسارات. ناقلات الإلكترون الرئيسية التي سننظر فيها مشتقة من مجموعة فيتامين ب وهي مشتقات من النيوكليوتيدات. يمكن اختزال هذه المركبات بسهولة (أي أنها تقبل الإلكترونات) أو تتأكسد (تفقد الإلكترونات).

مشتق نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد (NAD) (انظر الشكل أدناه) من فيتامين ب 3 ، النياسين. NAD + هو الشكل المؤكسد للجزيء NADH هو الشكل المختزل للجزيء بعد أن يقبل إلكترونين وبروتون (وهما معًا ما يعادل ذرة هيدروجين مع إلكترون إضافي).

يمكن أن يقبل NAD + الإلكترونات من جزيء عضوي وفقًا للمعادلة العامة:

عندما تضاف الإلكترونات إلى مركب ، فإنها تقل. يسمى المركب الذي يقلل من الآخر عامل الاختزال. في المعادلة أعلاه ، RH هو عامل مختزل ، ويتم تقليل NAD + إلى NADH. عندما تتم إزالة الإلكترونات من المركب ، تتأكسد. يسمى المركب الذي يؤكسد آخر عامل مؤكسد. في المعادلة أعلاه ، NAD + هو عامل مؤكسد ، ويتأكسد RH إلى R.

وبالمثل ، فإن فلافين الأدينين ثنائي النوكليوتيد (FAD +) مشتق من فيتامين ب2، ويسمى أيضًا الريبوفلافين. شكله المصغر هو FADH2. يحتوي الشكل الثاني من NAD ، NADP ، على مجموعة فوسفات إضافية. يستخدم كل من NAD + و FAD + على نطاق واسع في استخراج الطاقة من السكريات ، ويلعب NADP دورًا مهمًا في التفاعلات الابتنائية والتمثيل الضوئي.

يظهر الشكل المؤكسد لحامل الإلكترون (NAD +) على اليسار والشكل المختزل (NADH) يظهر على اليمين. تحتوي القاعدة النيتروجينية في NADH على أيون هيدروجين واحد واثنين من الإلكترونات أكثر من NAD +.


يحدد التغيير في الطاقة الحرة & # x00394G اتجاه التفاعل الكيميائي

نظرًا لأن الأنظمة البيولوجية يتم الاحتفاظ بها عمومًا عند درجة حرارة وضغط ثابتين ، فمن الممكن التنبؤ باتجاه تفاعل كيميائي باستخدام مقياس للطاقة الكامنة يسمى الطاقة الحرة ، أو ز بعد الكيميائي الأمريكي العظيم جوشيا ويلارد جيبس ​​(1839 & # x02005 & # x02013 & # x020051903) ، مؤسس علم الديناميكا الحرارية. أظهر جيبس ​​أنه في ظل ظروف الضغط ودرجة الحرارة المستمرين ، كما هو موجود عمومًا في الأنظمة البيولوجية ، تتغير أنظمة الاتصال بطريقة تقلل الطاقة الحرة إلى الحد الأدنى. & # x0201d بشكل عام ، نحن مهتمون بما يحدث للطاقة المجانية عندما يتم تغيير جزيء أو تكوين جزيئي إلى آخر. وبالتالي فإن اهتمامنا بالقيم النسبية ، وليس المطلقة ، للطاقة المجانية & # x02005 & # x02014 & # x02005 على وجه الخصوص ، مع الفرق بين القيم قبل التغيير وبعده. هذا التغيير الحر للطاقة & # x00394جي، حيث تشير & # x00394 إلى الاختلاف ، بالرمز

من الناحية الرياضية ، Gibbs & # x02019s law & # x02005 & # x02014 & # x02005 تتغير الأنظمة لتقليل الطاقة المجانية & # x02005 & # x02014 & # x02005 عبارة عن مجموعة من العبارات حول & # x00394جي:

قيمة & # x00394جي، مثل ثابت التوازن ، مستقل عن آلية ومعدل التفاعل. ردود الفعل السلبية & # x00394جي قد لا تحدث القيم التي لها ثوابت معدل بطيئة جدًا ، لأغراض عملية ، ما لم يكن هناك محفز ، لكن وجود محفز لا يؤثر على قيمة & # x00394جي.


سلسلة نقل الإلكترون

الإنزيمات المختزلة نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد (NADH) و فلافين الأدينين ثنائي النوكليوتيد (FADH2) مكوك الإلكترونات وأيونات الهيدروجين (H +) من دورة كريبس (دورة حامض الستريك) في المصفوفة إلى سلسلة نقل الإلكترون جزءا لا يتجزأ من cristae من الميتوكوندريا.

تؤدي أكسدة ناقلات الإلكترون واختزالها في مجمعات سلسلة نقل الإلكترون إلى إطلاق كميات صغيرة من الطاقة.

ثم يتم استخدام هذه الطاقة في الطاقة مضخات البروتون التي تسحب أيونات الهيدروجين عبر الغشاء الداخلي إلى الفضاء بين الغشاء.

هذه الأيونات H + محصورة الآن بين غشاءين من الميتوكوندريا تركيز وتدرجات كهربائية (تدرج كهروكيميائي) بين الفضاء بين الغشاء والمصفوفة.


هل ينفد مصدر للكهرباء من الإلكترونات؟

الجواب على هذا السؤال يعتمد على الموقف. يمكننا تصنيف جميع الأنظمة الكهربائية تقريبًا إلى فئتين: أنظمة الكهرباء الساكنة وأنظمة دوائر الكهرباء. لاحظ أن جميع التأثيرات الكهربائية هي في الواقع جزء من مجموعة موحدة من القوانين الفيزيائية. لذلك فإن هذا التصنيف هو في نهاية المطاف تعسفي ومبسط بشكل مفرط. ومع ذلك ، فإن هذا التصنيف كافٍ لغرضنا الحالي لفهم التيار الكهربائي.

يتضمن نظام الكهرباء الساكنة تدفق التيار الكهربائي نتيجة تراكم الشحنة الكهربائية في مكان ما. مثل هذا النظام لا يتضمن دائرة كهربائية مغلقة. تتضمن أمثلة هذا النوع من الأنظمة البرق والشرر الذي تحصل عليه عند فرك قدميك على سجادة. تتنافر الإلكترونات بشكل طبيعي. عندما تتراكم الكثير من الإلكترونات في مكان واحد ، يمكن أن تضغط على بعضها البعض بقوة لدرجة أن بعض الإلكترونات يتم دفعها بعيدًا عن الجسم. ينتهي بهم الأمر بدفعهم للخارج عبر الهواء أو الماء أو أي شيء يحيط بالجسم. نطلق على مجموعة من الإلكترونات المتحركة تيارًا كهربائيًا ، وبالتالي فإن تراكم الشحنات يمكن أن يقود تيارًا. تتدفق الإلكترونات ببساطة بعيدًا عن الكومة وينتهي بها الأمر في النهاية مرتبطة بالذرات الموجودة في البيئة. بهذه الطريقة ، يمكن أن يكون لدينا تيار كهربائي حتى لو لم يكن لدينا دائرة كهربائية كاملة. في الهواء ، يأخذ التيار الكهربائي شكل التفريغ الداكن أو التفريغ الهالي أو الشرر (اعتمادًا على ما إذا كان التيار ضعيفًا أم متوسط ​​القوة أم قويًا على التوالي). لاحظ أن اسم "الكهرباء الساكنة" هو اسم سيئ لأن الشحنة الكهربائية ليست ثابتة دائمًا في هذا النوع من الأنظمة. الأسماء الأكثر دقة ستكون "كهرباء غير دائرة" أو "كهرباء تراكم الشحن".

نظرًا لأن تراكم الشحن هو سبب التيار الكهربائي في أنظمة الكهرباء الساكنة ، فسيتوقف التيار عن التدفق بمجرد اختفاء التراكم. عندما تتدفق الإلكترونات بعيدًا عن الكومة ، تصبح الكومة أصغر. في النهاية ، تختفي كومة الإلكترونات الزائدة (تظل الإلكترونات اللازمة للحفاظ على الجزيئات محايدة ، لكنها لا تفعل الكثير). بالمعنى الحرفي للكلمة ، تتوقف الكهرباء عن التدفق بسبب نفاد الإلكترونات الزائدة من المصدر. هذا هو السبب وراء اختفاء الصواعق والشرر بين الجوارب المشحونة بشكل ثابت بسرعة. ليس الأمر أن الإلكترونات قد دمرت. بدلاً من ذلك ، يتم تسريبها بعيدًا إلى نقاط بعيدة حتى لا يتبقى منها شيء.

في المقابل ، تتضمن أنظمة الدوائر الكهربائية تدفق التيار الكهربائي عبر حلقة مغلقة. هذا التيار هو نتيجة لمضخة شحن تعمل في مكان ما في الحلقة. تسمى هذه المضخة أيضًا بمصدر الجهد ويمكن أن تأخذ شكل بطارية أو خلية شمسية أو مولد أو سلك من شبكة طاقة. تخلق المضخة فرقًا في الجهد على طول الدائرة التي تدفع الشحنات مثل الإلكترونات عبر الدائرة. يمكن للمضخة إما ضخ الإلكترونات باستمرار في اتجاه واحد ، مما يؤدي إلى تيار مباشر (DC) ، أو يمكنها بشكل دوري إيقاف الاتجاه الذي تضخ فيه الإلكترونات ، مما يؤدي إلى تيار متناوب (AC). من أجل التبسيط ، دعنا نركز على التيار المباشر.

عندما تتدفق الإلكترونات عبر الدائرة ، فإنها تتدفق إلى أسفل منحدر الطاقة الكامنة الناتج عن الجهد. بمجرد وصولها إلى المضخة في نهاية الدائرة ، يتم تعزيز الإلكترونات منخفضة الطاقة مرة أخرى إلى طاقة كامنة عالية حتى تتمكن من البدء في التدفق عبر الدائرة مرة أخرى. الوضع يشبه إلى حد ما شلال اصطناعي في الفناء الخلفي الخاص بك. يتدفق الماء إلى أسفل الشلال وإلى البركة بسبب الجاذبية الطبيعية ، تمامًا مثل كيفية تدفق الإلكترونات عبر الدائرة بسبب سحب الجهد المطبق. تقوم مضخة الماء بعد ذلك بدفع الماء الموجود في البركة مرة أخرى إلى حالة طاقة عالية أعلى الشلال ، تمامًا مثل الطريقة التي تدفع بها البطارية الإلكترونات إلى حالة طاقة أعلى في بداية الدائرة. ثم تتكرر الدورة.

نظرًا لأن ضخ الشحنة هو سبب التيار الكهربائي في نظام الدائرة الكهربائية ، فلن يتوقف التيار عن التدفق أبدًا طالما ظلت المضخة قيد التشغيل وتظل الدائرة دون انقطاع. لا تخلق الدوائر الإلكترونات أو تدمرها أو تستهلكها أو تفقدها. هم فقط يحملون الإلكترونات في دوائر. لهذا السبب ، لا يمكن أن تنفد الإلكترونات في أنظمة الدوائر الكهربائية. الطاقة التي يتم توصيلها عبر الدائرة ليست نتيجة الإلكترونات الموجودة في الدائرة. توجد الإلكترونات دائمًا في الدائرة كجزء من الذرات والجزيئات التي تشكل الدائرة. الطاقة الكهربائية التي يتم توصيلها هي نتيجة الإلكترونات متحرك من خلال الدائرة. قم بإيقاف تشغيل المضخة (أي افصل البطارية) ، وتتوقف الإلكترونات عن الحركة عبر الدائرة. لكن الإلكترونات لا تختفي. لا يزالون هناك كجزء طبيعي من المواد في الدائرة.

كما قلت من قبل ، فإن تصنيف الأنظمة إلى أنظمة ثابتة ودوائر تعسفية إلى حد ما ومبالغ في تبسيطها. تحتوي الأنظمة الكهربائية الحقيقية على مزيج من كلا التأثيرين. على سبيل المثال ، غالبًا ما تحتوي الدائرة الكهربائية على مكثف. بينما تعمل الدائرة بشكل عام مثل نظام الدائرة الكهربائية ، يعمل المكثف مثل نظام الكهرباء الساكنة. نتيجة لذلك ، يمكن للمكثف أن ينفد بالفعل من الإلكترونات. بمجرد نفاد الإلكترونات في أحد جوانب المكثف ، يتوقف التيار الكهربائي عن التدفق عبر المكثف. في تلك اللحظة ، يتحول جزء الدائرة الذي يحتوي على مكثف من العمل كنظام كهرباء دائري إلى نظام كهرباء ثابت. يحدث هذا بمعنى أن التيار يتوقف الآن بسبب نقص الإلكترونات ، وليس بسبب نقص مضخة الإلكترون أو عدم وجود دائرة كاملة.


حل شبحي: خاصية غريبة في عالم الكم تتيح حصادًا فعالًا للطاقة في جهاز صغير

استغل العلماء في جامعة كولورادو بولدر خاصية الإلكترونات الشبيهة بالروح الشريرة لتصميم أجهزة يمكنها التقاط الحرارة الزائدة من بيئتها - وتحويلها إلى كهرباء قابلة للاستخدام.

قام الباحثون بوصفهم الجديد & # 8220optical rectennas & # 8221 في ورقة بحثية نُشرت اليوم (18 مايو 2021) في المجلة. اتصالات الطبيعة. هذه الأجهزة ، التي تكون صغيرة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة ، أكثر كفاءة بنحو 100 مرة من الأدوات المماثلة المستخدمة في تجميع الطاقة. وقد حققوا هذا الإنجاز من خلال عملية غامضة تسمى & # 8220 resonant tunneling & # 8221 - حيث تمر الإلكترونات عبر المادة الصلبة دون إنفاق أي طاقة.

& # 8220 يذهبون مثل الأشباح ، & # 8221 قالت المؤلفة الرئيسية أمينة بلقادي ، التي حصلت مؤخرًا على درجة الدكتوراه من قسم الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات والطاقة (ECEE).

أوضحت أن Rectennas (اختصار لـ & # 8220 تصحيح الهوائيات & # 8221) ، تعمل قليلاً مثل هوائيات راديو السيارة. ولكن بدلاً من التقاط موجات الراديو وتحويلها إلى نغمات ، تمتص المستقيمات الضوئية الضوء والحرارة وتحولها إلى طاقة.

هم & # 8217re أيضا تغيير قواعد اللعبة المحتملة في عالم الطاقة المتجددة. يمكن ، من الناحية النظرية ، أن تعمل ريتينا على حصاد الحرارة القادمة من مداخن المصانع أو أفران المخابز التي لولا ذلك يمكن أن تذهب سدى. اقترح بعض العلماء حتى تركيب هذه الأجهزة على المناطيد التي من شأنها أن تطير عالياً فوق سطح الكوكب & # 8217s لالتقاط الطاقة المشعة من الأرض إلى الفضاء الخارجي.

ولكن ، حتى الآن ، تمكنت شركة Rectennas ... # 8217t من الوصول إلى الكفاءات اللازمة لتحقيق تلك الأهداف. ربما حتى الآن. في الدراسة الجديدة ، صممت بلقادي وزملاؤها أول ريتينا على الإطلاق قادرة على توليد الطاقة.

& # 8220 أظهرنا لأول مرة أن الإلكترونات تمر بنفق رنيني في مقوم بصري يجمع الطاقة ، & # 8221 قالت. & # 8220 حتى الآن ، كان مجرد احتمال نظري. & # 8221

قال المؤلف المشارك في الدراسة Garret Moddel ، أستاذ ECEE ، إن الدراسة تقدم كبير لهذه التكنولوجيا.

& # 8220 هذا الابتكار يجعل خطوة مهمة نحو جعل الريكتيناس أكثر عملية ، & # 8221 قال. & # 8220 الآن ، الكفاءة منخفضة حقًا ، لكنها ستزداد. & # 8221

مشكلة لا تقهر

إنه تطور كان مودل ، الذي كتب الكتاب حرفياً على هذه الأجهزة ، يتطلع إليه لفترة طويلة. كانت Rectennas موجودة منذ عام 1964 عندما استخدم المهندس William C.Brown الموجات الدقيقة لتشغيل طائرة هليكوبتر صغيرة. إنها أدوات بسيطة نسبيًا ، تتكون من هوائي يمتص الإشعاع ، وصمام ثنائي يحول تلك الطاقة إلى تيارات تيار مستمر.

& # 8220It & # 8217s مثل مستقبل راديو يلتقط الضوء على شكل موجات كهرومغناطيسية ، & # 8221 قال.

ومع ذلك ، تكمن المشكلة في أنه لالتقاط الإشعاع الحراري وليس فقط الموجات الدقيقة ، يجب أن تكون أجهزة الريكتينا صغيرة بشكل لا يصدق - أرق عدة مرات من شعرة الإنسان. وهذا يمكن أن يسبب مجموعة من المشاكل. فكلما كان الجهاز الكهربائي أصغر ، على سبيل المثال ، كلما زادت مقاومته ، مما قد يؤدي إلى تقليص خرج الطاقة من جهاز ريتينا.

& # 8220 أنت بحاجة إلى أن يتمتع هذا الجهاز بمقاومة منخفضة جدًا ، ولكن يجب أيضًا أن يكون مستجيبًا حقًا للضوء ، & # 8221 قال بلقادي. & # 8220 أي شيء تفعله لتحسين الجهاز بطريقة ما سيجعل الآخر أسوأ. & # 8221

بعبارة أخرى ، لعقود من الزمان ، بدت أدوات التصحيح البصري وكأنها سيناريو غير مكسب. كان ذلك حتى توصلت بلقادي وزملاؤها ، بمن فيهم الباحثة ما بعد الدكتوراه آيندرا ويراكودي ، إلى حل: لماذا لا نتجنب هذه العقبة بالكامل؟

حل شبحي

يعتمد نهج الفريق & # 8217s على خاصية غريبة في عالم الكم.

أوضح بلقادي أنه في المقياس التقليدي ، يجب أن تمر الإلكترونات عبر عازل لتوليد الطاقة. تضيف هذه العوازل الكثير من المقاومة للأجهزة ، مما يقلل من كمية الكهرباء التي يمكن للمهندسين الحصول عليها.

لكن في الدراسة الأخيرة ، قرر الباحثون إضافة عازلين إلى أجهزتهم ، وليس عازلاً واحدًا فقط. كان لهذه الإضافة تأثير غير متوقع في خلق ظاهرة نشطة تسمى الكم & # 8220 جيدًا. & # 8221 إذا ضربت الإلكترونات هذا جيدًا بالطاقة المناسبة فقط ، فيمكنها استخدامها في حفر الأنفاق عبر العازلين - لا تواجه أي مقاومة في هذه العملية. إنه & # 8217s لا يختلف عن شبح ينجرف عبر جدار دون قلق. كان طالب دراسات عليا في مجموعة أبحاث Moddel & # 8217 قد افترض سابقًا أن مثل هذا السلوك الطيفي يمكن أن يكون ممكنًا في أجهزة التصحيح البصري ، ولكن حتى الآن ، لم يتمكن أحد من إثبات ذلك.

& # 8220 إذا اخترت المواد الخاصة بك بشكل صحيح وحصلت عليها بالسماكة المناسبة ، فإنها تخلق هذا النوع من مستوى الطاقة حيث لا ترى الإلكترونات مقاومة ، & # 8221 قال بلقادي. & # 8220 هم فقط يذهبون للتكبير. & # 8221

وهذا يعني المزيد من القوة. لاختبار التأثير المخيف ، قامت بلقادي وزملاؤها بتجميع شبكة من حوالي 250000 ريتينا ، على شكل ربطة عنق صغيرة ، على طبق ساخن في المختبر. ثم قاموا برفع الحرارة.

كانت الأجهزة قادرة على التقاط أقل من 1٪ من الحرارة الناتجة عن الصفيحة الساخنة. لكن بلقادي يعتقد أن هذه الأرقام سترتفع فقط.

& # 8220 إذا استخدمنا مواد مختلفة أو قمنا بتغيير العوازل الخاصة بنا ، فقد نتمكن من جعل ذلك أعمق ، & # 8221 قالت. & # 8220 كلما كان البئر أعمق ، زاد عدد الإلكترونات التي تمر عبرها. & # 8221

يتطلع Moddel إلى اليوم الذي تجلس فيه أجهزة الريكتينا فوق كل شيء بدءًا من الألواح الشمسية على الأرض وحتى المركبات الأخف من الهواء في الهواء: & # 8220 إذا كان بإمكانك التقاط الحرارة التي تشع في الفضاء السحيق ، فيمكنك الحصول على الطاقة في أي وقت ، في أي مكان. & # 8221

المرجع: & # 8220 عرض لتأثيرات النفق الرنانة في الثنائيات المعدنية ثنائية العازل والمعدن (MI 2 M) & # 8221 بواسطة أمينة بلقادي وأيندرا ويراكودي وغاريت مودديل ، 18 مايو 2021 ، اتصالات الطبيعة.
DOI: 10.1038 / s41467-021-23182-0


الفسفرة الركيزة

يتم إنشاء ATP من خلال آليتين أثناء انهيار الجلوكوز. يتم إنشاء عدد قليل من جزيئات ATP (أي ، يتم تجديدها من ADP) كنتيجة مباشرة للتفاعلات الكيميائية التي تحدث في المسارات التقويضية. تتم إزالة مجموعة الفوسفات من مادة متفاعلة وسيطة في المسار ، وتستخدم الطاقة الحرة للتفاعل لإضافة الفوسفات الثالث إلى جزيء ADP متاح ، مما ينتج ATP (الشكل). هذه الطريقة المباشرة جدًا للفسفرة تسمى الفسفرة على مستوى الركيزة.

في تفاعلات الفسفرة ، يرتبط فوسفات جاما من ATP بالبروتين.


7 تفاعلات ضوئية كيميائية لعملية التمثيل الضوئي (مع رسم بياني)

غالبًا ما ينطوي امتصاص أي ذرة أو جزيء للطاقة الكهرومغناطيسية على انتقال الإلكترونات من مدار ذري إلى آخر.

يمتلك كل إلكترون طاقة ، ويتم تحديد المقدار من خلال موقع مدار الإلكترون في الفضاء والسرعة التي يتحرك بها الإلكترون.

عندما تمتص ذرة طاقة ضوئية ، إما أن يرتفع الإلكترون إلى مدار ذي مستوى طاقة أعلى أو يتسارع في مداره. في كلتا الحالتين ، هناك حاجة إلى كميات معينة من الطاقة المنفصلة ، لأنه عندما تحتوي الفوتونات الضوئية على طاقة كبيرة جدًا أو قليلة جدًا ، لا يتم امتصاصها.

قد تدور الإلكترونات في أزواج داخل مدار ، تدور أعضاء نفس المدار في اتجاهين متعاكسين. تحتوي معظم الذرات عند أدنى مستوى للطاقة (أي الحالة الأرضية) على إقران جميع إلكتروناتها بهذه الطريقة ويقال إنها في الحالة المفردة (أي ، S). عندما يتم امتصاص فوتون من الضوء وبالتالي يرتفع الإلكترون إلى مدار أعلى غير مشغول ، فقد يستمر في الدوران في الاتجاه المعاكس لاتجاه شريكه السابق (وفي هذه الحالة تظل الذرة في الحالة S) ، أو قد تدور الآن في نفس اتجاه شريكها السابق (في هذه الحالة يُقال أن الذرة في حالة ثلاثية أو T).

في جزيء ما ، تدور بعض الإلكترونات حول نواة ذرية محددة ، ويمكن مشاركة بعض الإلكترونات بين نواتين لتشكيل رابطة (تسمى موضعية أو إلكترونات) ، أو قد تدور حول عدة نوى (تسمى غير محددة أو إلكترونات). قد يؤدي امتصاص الفوتون الخفيف إلى تحريك إلكترون إلى موضع π. عادة ما يكون الكلوروفيل مفردة في حالتها الأرضية. على الرغم من أن امتصاص الضوء يتسبب في رفع بعض إلكترونات x إلى مدار π ، إلا أن الكلوروفيل يظل في حالة واحدة.

عندما يتم امتصاص الضوء الأحمر (680 نانومتر) ، يرتفع الإلكترون إلى مدار Sπ أعلى. يمتلك الضوء الأزرق (430 نانومتر) طاقة لكل فوتون أكثر من الضوء الأحمر ، وامتصاصه يرفع الإلكترون إلى حالة طاقة أعلى (ولكن لا تزال Sπ). تم تلخيص هذه التحولات في الشكل 17-11.

بمجرد أن يمتص الجزيء الطاقة الضوئية ويكون في حالة الإثارة ، يمكن إعادة الحالة الأرضية بثلاث طرق مختلفة:

(1) يمكن إعادة إطلاق الطاقة في شكل إشعاع ذو طول موجي أطول (أي التألق)

(2) يمكن تحويل الطاقة إلى حرارة و

(3) قد ينقل الجزيء المثير طاقته الزائدة إلى جزيء آخر.

غالبًا ما ينطوي نقل الطاقة من جزيء إلى آخر على تبادل إلكترون عالي الطاقة بواحد من طاقة أقل. بالإشارة إلى الشكل 17-11 ، يرفع الضوء الأزرق الذي يمتصه الكلوروفيل إلكترونًا إلى الحالة S b. من خلال فقدان الطاقة على شكل حرارة ، يمكن لهذا الإلكترون & # 8220drop & # 8221 العودة إلى الحالة S a. يمكن أن يتراجع الإلكترون بعد ذلك من الحالة S a إلى الحالة Sπ (أي الحالة الأرضية) عن طريق الفقد الفوري للطاقة مثل الحرارة أو التألق.

يوجد احتمال آخر أيضًا ، لأن الإلكترون يمكن أن ينخفض ​​من الحالة S a إلى حالة ثلاثية (أي Tπ) بفقدان الحرارة ثم إلى الحالة الأرضية إما عن طريق الفسفرة (تأخر التألق) أو فقدان الحرارة. سوف تتألق المحاليل المركزة من الكلوروفيل المستخلص باللون الأحمر بشدة عند وضعها في شعاع من ضوء الشمس أو الأشعة فوق البنفسجية.

أخيرًا ، تجدر الإشارة أيضًا إلى أنه إذا كان جزيء الكلوروفيل متحمسًا بدرجة كافية ، فقد لا يعود إلى الحالة الأرضية بفقدان الحرارة أو إعادة الإشعاع بدلاً من ذلك ، فقد يتم نقل الإلكترون المثير إلى جزيء آخر ، تاركًا الكلوروفيل في حالة مؤكسدة مؤقتة .

الأحداث الكيميائية الضوئية الأولية في التمثيل الضوئي:

كما هو موضح في الشكل 17-11 ، يمتص الكلوروفيل كلاً من الضوء الأزرق والأحمر ، وهذا يرفع الإلكترونات إلى حالات S b π أو S a. عودة الإلكترون من الحالة S b إلى الحالة S a سريعة للغاية (حوالي 10-12 ثانية) ولا تتيح فرصة فقدان الطاقة عن طريق التألق أو عن طريق الانتقال إلى جزيء آخر. وبالتالي ، تُفقد الطاقة على شكل حرارة.

يسمح تحلل الإلكترون من الحالة S a بنقل الطاقة إلى جزيء آخر ، وهذا هو الحدث الذي يبدأ عملية التمثيل الضوئي. وبالتالي ، فإن فوتون من الضوء الأحمر له نفس الفعالية في بدء عملية التمثيل الضوئي مثل فوتون من الضوء الأزرق ، على الرغم من أن الأول أقل نشاطًا بكثير.

تحتوي البلاستيدات الخضراء على العديد من جزيئات الصباغ المختلفة (الكلوروفيل ، والكاروتينات ، والفيكوبيلينات الأخرى ، وما إلى ذلك) ويمكن أن تتأثر إلكترونات هذه الجزيئات بحالات طاقة مختلفة عن طريق امتصاص الضوء. عندما تعود جزيئات الصبغة الملحقة المثارة هذه إلى الحالة الأرضية ، يتم نقل الطاقة الناتجة إلى جزيئات الكلوروفيل أ ، مما يتسبب في إثارة هذه الجزيئات. نظرًا لأن جزيئات الكلوروفيل أ الموجودة في الثايلاكويد تختلف في أقصى امتصاص لها ، فإن كميات مختلفة من الطاقة مطلوبة لرفع إلكتروناتها إلى الحالة S a. يُعتقد أن الجزيء الذي يتطلب أقل قدر من الطاقة هو صبغة تمتص أطوال موجات حمراء طويلة ، وهي P700 مركب. (يمكن التعرف على الصبغات بحرف [على سبيل المثال ، & # 8220P & # 8221] متبوعًا برقم سفلي رقمي.

يشير الرمز السفلي إلى الطول الموجي للضوء الذي يمتصه الصباغ.) يبدو من المعقول أن الطاقة الضوئية التي تلتقطها الصبغات الإضافية وتنتقل إلى الكلوروفيل a تنتقل بدورها من الأخير إلى P700. يمكن لكل صبغة ملحقة أو جزيء كلوروفيل أن يمرر طاقته فقط إلى الأصباغ التي لها أقصى امتصاص بطول موجي أطول لأن هذه تتطلب طاقة أقل ليتم تنشيطها في الحالة S a. لأن P700 يمتص الحد الأقصى من الامتصاص عند أطول طول موجي ، وهو بمثابة مصيدة الطاقة النهائية في جزء من الوحدة الضوئية الاصطناعية يسمى مركز التفاعل. هناك نوعان من مراكز التفاعل ، يحتوي كل منهما على جزيء الكلوروفيل الذي يحتجز الطاقة في نهاية المطاف. واحد هو P700 والآخر هو P.680.

نظامان للصور:

عندما تتعرض بعض النباتات للضوء الذي يحتوي فقط على أطوال موجية تبلغ 690 نانومتر أو أطول ، تنخفض كفاءة التمثيل الضوئي. التأثير يسمى القطرة الحمراء (الشكل 17-12). لأن الطاقة الممتصة يتم توجيهها إلى P.700فمن المتوقع أن يمتص الضوء بواسطة الأصباغ الملحقة ، الكلوروفيل أ ، أو حتى الفسفور700 يجب أن تكون فعالة بنفس القدر. يمكن زيادة الكفاءة من خلال إضافة إشعاعات ذات أطوال موجية أقصر.

يمكن أن تؤدي ظاهرة التحسين هذه إلى زيادة معدل التمثيل الضوئي بنسبة 30 إلى 40٪ فوق المعدل الذي تم الحصول عليه إما عن طريق الطول الموجي القصير أو الطول الموجي الطويل وحده. أدى التأثير التآزري للطولين الموجيين المختلفين إلى استنتاج الباحثين الأوائل وجود تفاعلين كيميائيين ضوئيين متميزين.

في واحدة من هذه (تسمى نظام الصور الأول ، PS-I) ، ص700 يعمل كمصيدة طاقة نهائية أو مركز تفاعل ، في الآخر (يسمى نظام ضوئي II ، PS-II) ، مركز التفاعل النهائي هو الكلوروفيل الذي يمتص الحد الأقصى لامتصاصه عند 680 نانومتر ويسمى P680. داخل نظامي الصور الأول والثاني ، يشكل تنظيم الأصباغ المساعدة والكلوروفيل مجمعات الهوائي. تعمل هذه المجمعات على توجيه الطاقة الضوئية إلى جزيئات مركز التفاعل P.700 و ص680.

في النباتات العليا ، النظام الضوئي الأول عبارة عن وحدة تحتوي على عدة مئات من جزيئات الكلوروفيل (معظمها الكلوروفيل أ) ، وحوالي 50 كاروتينات ، وسيتوكروم و ، وواحد بلاستوسيانين ، واثنان من السيتوكروم 6564 جزيئات ، واحد أو اثنين من جزيئات الفيروكسين ، وجزيء واحد أو ثنائي كلوروفيل P700. يحتوي نظام الصور الثاني على حوالي 200 جزيء من الكلوروفيل أ و ب يمتص الضوء بطول موجي أقل من 680 نانومتر ، 50 كاروتينات ، واحد P680 جزيء أو ديمر (المتبرع الأساسي للإلكترون) ، وهو مستقبل إلكترون أولي وهو كينون ، وأربعة بلاستوكينون ، وست ذرات منجنيز ، واثنين من السيتوكروم 6559 الجزيئات.

تسلسل تدفق الطاقة (الإلكترون):

امتصاص الضوء بواسطة الكلوروفيل P.700 أو ص680 يغير حالة الإلكترونات التي تدور في المدار ، وإذا لم تضيع الطاقة عن طريق إعادة الإشعاع أو الحرارة ، يمكن نقل الإلكترونات المثارة إلى مركب آخر. مثل فقدان الإلكترون & # 8220bleaches & # 8221 الكلوروفيل ويتركه في حالة مؤكسدة. مؤكسد P700 يمكن تقليله عن طريق امتصاص إلكترون من نظام ضوئي II ، في حين أن تقليل الكلوروفيل المؤكسد للنظام الضوئي II يحدث عن طريق أكسدة الماء (الشكل 17-13).

في عام 1938 ، أظهر R. Hill أن البلاستيدات الخضراء المعزولة المعرضة للضوء يمكن أن تطور الأكسجين وتقلل مجموعة متنوعة من المركبات دون استهلاك ثاني أكسيد الكربون. بعد ثلاث سنوات ، تمكن S. Ruben و M. Kamen ، باستخدام النظير 18 0 ، من إظهار أن الأكسجين الذي تم تحريره خلال عملية التمثيل الضوئي للنبات بالكامل مشتق من جزيئات الماء ، أي ،

الطريقة التي يتم بها تقسيم جزيئات الماء غير معروفة ، على الرغم من أن أربعة جزيئات ماء مطلوبة لتطور جزيء أكسجين واحد وأربعة كمات من الضوء ضرورية:

قد تكون هناك حاجة أيضًا إلى Mn 2+ المرتبط بالبروتين و CI & # 8221. تم تلخيص بعض ردود الفعل هذه في الشكل 17-13.

تفاعلات الأكسدة والاختزال:

الإلكترونات المنبعثة من الكلوروفيل P700 ويمر البيزو من واحد إلى آخر في سلسلة من جزيئات نقل الإلكترون في الصفائح. Each of these mol­ecules has a specific electrical potential called a redox potential. The relative values of the redox potentials of the molecules involved in the transfer of electrons determine the order in which each molecule participates in the transfer.

During electron transfer, the molecules accept electrons from less positive (more negative) molecules and donate electrons to more positive (less negative) molecules. When a molecule accepts electrons, it is said to be re­duced, and when electrons are given up, the molecule is said to be oxidized. The transfer of electrons follow­ing the absorption of light energy by chlorophyll therefore involves a sequence of oxidation-reduction reactions. This sequence is shown in Figure 17-14, which also identifies the intermediate electron accep­tors and their redox potentials.

Photosystem I is located in the membranes of both the grana thylakoids and stroma thylakoids, whereas photosystem II is found only in the membranes of the grana thylakoids. Therefore, photosystem I functions independently in the stroma thylakoids but functions in conjunction with photosystem II in the grana thyla­koids.

Absorption of light energy by P700 of photosys­tem I causes the loss of electrons first to an intermedi­ate iron-sulfur protein and then to a molecule of ferredoxin imbedded in the thylakoid membrane (i.e., “bound ferredoxin” in Fig. 17-14). Bound ferredoxin is reoxidized by the transfer of electrons either to a soluble ferredoxin bound to the FAD-containing en­zyme ferredoxin-NADP reductase or to cytochrome b563 (انظر أدناه). Ferredoxin-NADP reductase trans­fers the electrons to FAD, which also accepts H + (from water) and reduces the NADP + , that is,

NADP + + 2 (H + + e – ) → NADPH + H +

The NADPH and H + spill into the stroma, where the NADPH is reoxidized during the dark reactions of photosynthesis.

In the alternative pathway leading to the reoxida- tion of bound ferredoxin, electrons are transferred to cytochrome b563. Cytochrome b563 initiates a sequence of redox reactions, passing the electrons on to cyto­chrome f (also called cytochrome b552), plastocyanin (PC), and ultimately to P700, completing a cycle. This cyclic set of redox reactions is coupled to the phospho­rylation of ADP (cyclic photophosphorylation, de­scribed below).

In the grana lamellae the P700 oxidized by the ab­sorption of light can be reduced by the cyclic return of the electrons from ferredoxin or by the transfer of electrons from photosystem II. Light energy absorbed by the accessory pigments of the reaction center of photosystem II is ultimately transferred to chloro­phyll P680 (Fig. 17-14). The ejected electrons are ab­sorbed by an electron acceptor called “Q,” whose identity is still uncertain but which is believed to be plastoquinone (PQ).

This photoevent initiates another set of redox reactions in which the electrons pass from Q to PQ, cytochrome b559, cytochrome /, plastocyanin, and ultimately to P700. The electrons in photosystem II do not cycle back to chlorophyll P680 but their trans­fer through the redox reactions to P700 is coupled to phosphorylation of ADP (noncyclic photophosphoryla­tion, described below).

The reduction of the oxidized P680 chlorophyll is brought about by the oxidation of water via an enzyme system that is closely associated with the structure of the thylakoid and that also produces molecular oxy­gen. The enzyme system presumably processes four protons simultaneously to produce 02.

Mn 2+ is known to be a cofactor in the system. The electrons produced act to reduce the light-oxidized P680, and the H + forms a pool available for the reduc­tion of NADP +

Cyclic and Noncyclic Photophosphorylation:

Phosphorylation of ADP occurs in chloroplasts during the light reactions and is called photophosphoryla­tion. The photophosphorylation occurs in the lamellae of the stroma and grana thylakoids as a part of both photosystems I and II. There is a clear similarity be­tween the mechanism of photophosphorylation in chloroplasts and electron transport system phospho­rylation in mitochondria.

In both organelles, the mechanism is closely associated with a membrane and with a compartment separated from the rest of the organelle. In the chloroplast, the com­partment is the loculus of the thylakoid in the mito­chondrion, it is the inner membrane-encapsulated matrix. In both organelles, the phosphorylation that occurs is coupled to electron transport through a se­quence of redox reactions. Several of the molecules that participate in the redox reactions are similar, in­cluding the quinones and cytochromes.

Cyclic photophosphorylation occurs when elec­trons released from P700 following the absorption of light energy are cycled back to P700 “through ferredoxin, cytochrome b563, cytochrome f, and plastocyanin. The energy from these exergonic redox reac­tions is coupled to phosphorylation.

Noncyclic photophosphorylation occurs when electrons re­leased from P680 of photosystem II are shuttled via plastoquinone, cytochrome f, and plastocyanin to P700 of photosystem I. The energy from these noncyclic ex­ergonic redox reactions is also coupled to phosphorylation.

At the present time, the mechanism of coupling is not completely understood, although much evidence supports the concept that a proton gradient generated across the thylakoid membrane supports chemiosmotic coupling for mitochondria and illustrated in Figure 17-15.

Chloroplasts illuminated in an un-buffered medium quickly cause the medium to become alkaline, imply­ing that protons are transported from the medium into the thylakoid. In darkness the system reequilibrates. If the medium is made alkaline, phosphorylation of ADP occurs in the dark. Compounds that degrade the thylakoid membrane (such as detergents) also cause leakage of protons from the thylakoid and pre­vent phosphorylation.

The standard free energy change that takes place when ATP is formed from ADP and Pأنا is about 30.5 kJ/mole (7.3 kcal/mole) this is equivalent to a redox potential of about 0.45 to 0.61V. Most of the measure­ments that have been made indicate that one molecule of ATP is produced for each pair of electrons moved from photosystem II to photosystem I (i.e., non- cyclic photophosphorylation).

Several recent studies strongly suggest that more than one molecule of ATP is produced by the reactions that begin with the split­ting of water (i.e., photolysis) and end with the reduc­tion of NADP + . The second ADP phosphorylation is believed to be coupled to the photolysis. If the number of ATP molecules produced during the light reactions is to balance the number consumed by the dark reac­tions, then three ATP must be produced for each pair of electrons transported from H2O to NADP + . The third ATP may be generated by cyclic photophos­phorylation.

Another light-induced phosphorylation of ADP called pseudocyclic photophosphorylation occurs when reduced ferredoxin transfers electrons through a series of reactions to O2 (not to NADP + or P700), with the result that water and ATP are formed.

Summary of the Light Reactions:

Two photosystems function during the light reactions of photosynthesis. As each system absorbs four quanta of light energy, chlorophylls P680 (photosystem II) and P700 (photosystem I) are excited, releasing two pairs of electrons to acceptor molecules. Chlorophyll P680 is returned to its reduced state by the oxidation of two water molecules, and in the process one molecule of oxygen is evolved. ص700 is returned to its reduced state by electrons that are derived from photosystem II.

The transfer of two pairs of electrons from water through photosystem II to photosystem I is coupled to the photosphosphorylation of two ADP molecules, thereby producing two molecules of ATP and two mol­ecules of water. The two pairs of electrons released from P700 of photosystem I reduce two NADP + form­ing two NADPH and two H + . Therefore, the net result is

The two ATP and two NADPH molecules produced by the light reactions occurring in the grana lamellae are used in the synthetic (dark) reactions that take place in the stroma. The latter reactions fix C02 into sugars. For each CO2 fixed, two NADPH (and two H + ) and three ATP molecules are required (see be­low). Where the third ATP molecule is formed is not yet clear it may be obtained from cyclic photophos­phorylation or pseudocyclic photophosphorylation.


شاهد الفيديو: Bioenergetic 3. electron transport chain (أغسطس 2022).