Información

¿Existe alguna diferencia entre el aceptor de hidrógeno y el portador de hidrógeno?


Como he aprendido, el portador de hidrógeno (NAD + y FAD) obtiene H (H + y e-) de gliceraldehído 3 fosfato deshidrogenasa o piruvato deshidrogenasa, y luego transporta H al ciclo de transporte de electrones.

¿Actúan NAD + y FAD como aceptor de hidrógeno, portador de hidrógeno, aceptor de electrones y portador de electrones?

¿Significa esto aceptor de hidrógeno = portador de hidrógeno = aceptor de electrones = portador de electrones?


En realidad, tanto NAD como FAD aceptan un ion hidruro, H $ ^ - $ (un protón con dos electrones), no un átomo de hidrógeno (un protón con uno electrón). Por esta razón, no me referiría a NAD o FAD como "aceptores de hidrógeno" o "portadores de hidrógeno" en absoluto. Simplemente se vuelve confuso. (Supongo que podría llamarlos "aceptores de hidruros" si lo desea, pero no es una terminología común).

"Aceptador de electrones" es el nombre correcto para NAD y FAD cuando se habla de una reacción redox en la que, de hecho, aceptan electrones, en forma de un ion H $ ^ - $. La piruvato deshidrogenasa que mencionaste es uno de esos ejemplos. Esto no es exclusivo de la biología, es la terminología química estándar: cualquier molécula que acepta electrones en una reacción redox se llama (inteligentemente ;-) un aceptor de electrones. Por ejemplo, el oxígeno es un aceptor de electrones en las reacciones de combustión. Entonces, "aceptor de electrones" es solo un nombre para el papel que desempeña la molécula en una reacción redox.

"Portador de electrones" se refiere al hecho de que NAD (y también NADP, quinonas y algunos citocromos ...) pueden transportar electrones Entre reacciones que ocurren en diferentes lugares. Por ejemplo, después de que NAD recoge un ion H $ ^ - $ en la reacción de piruvato deshidrogenasa para formar NADH, puede llevar los dos electrones al complejo I donde los dona a ubiquinona. (Y aquí, NADH actúa como un electrón donante, mientras que la ubiquinona es el aceptor de electrones). De modo que el término "portador" enfatiza el papel transportador de la molécula. En realidad, el FAD es un poco diferente a este respecto, porque no es soluble; es un grupo protésico unido a ciertas enzimas como el Complejo II y, por lo tanto, no puede llevar nada a ninguna parte, o al menos no muy lejos. Entonces, para ser precisos, personalmente preferiría no llamar a FAD un transportista. Pero tal vez sea solo yo.


Biología AP: comprensión de la cadena de transporte de electrones

¿La respiración celular depende de cuál de los siguientes átomos?

En la respiración celular, el oxígeno es el aceptor final de electrones. El oxígeno acepta los electrones después de que han pasado a través de la cadena de transporte de electrones y la ATPasa, la enzima responsable de crear moléculas de ATP de alta energía. Solo recuerda celular respiración-Respirar significa respirar y no se puede respirar sin oxígeno.

Pregunta de ejemplo n. ° 1: Comprensión de la cadena de transporte de electrones

¿Cuál de las siguientes moléculas es el aceptor final de electrones en la cadena de transporte de electrones durante la respiración celular?

El oxígeno es el aceptor de electrones final en la cadena de transporte de electrones, lo que demuestra la necesidad de condiciones aeróbicas para someterse a dicho proceso. El ATP se produce como producto de la cadena de transporte de electrones, mientras que la glucosa y el CO2 desempeñan un papel en los procesos anteriores de la respiración celular.

Pregunta de ejemplo n. ° 1: Comprensión de la cadena de transporte de electrones

¿Cuántos ATP potenciales se pueden producir cuando una molécula de gliceraldehído-3-fosfato se somete a glucólisis?

El gliceraldehído-3-fosfato se convierte en 1,3-bisfosfoglicerato y también se produce un NADH durante ese paso. NADH entra en la cadena de transporte de electrones y, por lo tanto, vale ATP. Normalmente, un NADH vale alrededor de 2.5 ATP, sin embargo, un NADH producido en la glucólisis solo vale 1.5 ATP porque cuesta 1 ATP mover ese NADH del citoplasma a las mitocondrias. Entonces, en este primer paso, tenemos un total de 1.5 ATP.

A medida que la molécula continúa su camino para convertirse en piruvato, también producirá dos ATP directamente, por lo tanto, tenemos un total neto de 3,5 ATP potenciales.

Pregunta de ejemplo n. ° 2: Comprensión de la cadena de transporte de electrones

¿Qué le sucede a la cadena de transporte de electrones cuando no hay oxígeno disponible?

La fosforilación oxidativa utiliza fuentes de combustible alternativas, como grasas

La fosforilación oxidativa producirá oxígeno a partir del dióxido de carbono disponible.

Cesa la fosforilación oxidativa y la célula vuelve a la fermentación después de la glucólisis.

La fosforilación oxidativa utilizará dióxido de carbono en lugar de oxígeno.

La fosforilación oxidativa puede continuar sin ningún impacto notable.

Cesa la fosforilación oxidativa y la célula vuelve a la fermentación después de la glucólisis.

El oxígeno es el aceptor de electrones final en la cadena de transporte de electrones, lo que permite la fosforilación oxidativa. Sin oxígeno, los electrones se acumularán, lo que eventualmente hará que la cadena de transporte de electrones se detenga. Esto hará que los productos de la glucólisis pasen por la fermentación en lugar de pasar al ciclo del ácido cítrico. Sin oxígeno, la fosforilación oxidativa (la cadena de transporte de electrones) es imposible, pero la fosforilación a nivel de sustrato (glucólisis) continúa.

Pregunta de ejemplo n. ° 2: Comprensión de la cadena de transporte de electrones

¿La mayor parte del ATP producido en la respiración celular proviene de cuál de los siguientes procesos?

La respiración celular suele seguir tres pasos, en condiciones aeróbicas. La glucólisis genera NADH y convierte la glucosa en piruvato, mientras que produce pequeñas cantidades de ATP a través de la fosforilación a nivel de sustrato. El ciclo de los ácidos cítricos, o ciclo de Krebs, utiliza piruvato para generar más NADH y FADH2. Estos NADH y FADH2 Las moléculas donan electrones a la cadena de transporte de electrones, que se utilizan para bombear protones al espacio intermembrana de la mitocondria. Los protones en el espacio intermembrana luego fluyen a través de la ATP sintasa para generar grandes cantidades de ATP a través de la fosforilación oxidativa.

Pregunta de ejemplo n. ° 1: Comprensión de la cadena de transporte de electrones

¿Por qué el oxígeno es esencial para la cadena de transporte de electrones?

Es parte del gradiente quimiosmótico.

Es esencial para transportar piruvato a las mitocondrias.

Sirve como aceptor terminal de electrones.

Sirve como donante primario de electrones.

Sirve como aceptor terminal de electrones.

El oxígeno sirve como aceptor de electrones terminal para la cadena de transporte de electrones. Los electrones son donados por moléculas de NADH y pasan a través de varias proteínas diferentes para generar el gradiente de protones en el espacio intermembrana. Al llegar a la proteína final, el electrón se une a una molécula de oxígeno para crear agua. Sin oxígeno, los electrones no podrían ir a ninguna parte después de ser bombeados a través de la cadena de transporte de electrones, y la respiración celular aeróbica sería imposible.

Pregunta de ejemplo n. ° 85: Respiración celular

¿Cuál de los siguientes procesos requiere un aceptor de electrones?

La cadena de transporte de electrones requiere un aceptor de electrones de oxígeno.

La glucólisis requiere un aceptor de electrones de nitrógeno

El ciclo del ácido cítrico requiere un aceptor de electrones de oxígeno.

La cadena de transporte de electrones requiere un aceptor de electrones de nitrógeno.

La cadena de transporte de electrones requiere un aceptor de electrones de oxígeno.

El oxígeno actúa como aceptor de electrones terminal en la cadena de transporte de electrones (ETC). Esto explica la razón de por qué, cuando las células carecen de oxígeno, el ETC "retrocede" y la célula se desviará al uso de la respiración anaeróbica, como la fermentación. Al final de la cadena de transporte de electrones, el electrón y un protón pasan a una molécula de oxígeno para producir agua.

El ciclo del ácido cítrico depende del oxígeno en un sentido indirecto. El objetivo principal del ciclo es producir donantes de electrones para la cadena de transporte de electrones. Si la cadena no funciona (por falta de oxígeno), el ciclo del ácido cítrico también deja de funcionar. La glucólisis no depende del oxígeno y puede funcionar en entornos anaeróbicos.

Pregunta de ejemplo n. ° 1: Comprensión de la cadena de transporte de electrones

¿El compuesto químico 2,4-dinitrofenol puede interrumpir el proceso de fosforilación oxidativa en la cadena de transporte de electrones mitcondriales causando qué efecto?

Unión a portadores de nucleótidos

Eliminación de la subunidad F0 del complejo ATP sintasa

Dispersión del gradiente de protones

Dispersión del gradiente de protones

En la síntesis de ATP, el gradiente de protones es una forma de energía interconvertible en el transporte de electrones. El 2,4-dinitrofenol es un inhibidor de la producción de ATP en células con mitocondrias. Su mecanismo de acción consiste en transportar protones a través de la membrana mitocondrial, lo que conduce al consumo de energía sin producción de ATP.

Las otras opciones de respuesta no están directamente relacionadas con la generación del gradiente de protones.

Pregunta de ejemplo n. ° 3: Comprensión de la cadena de transporte de electrones

Si la respiración celular fuera 100% eficiente, el proceso debería producir alrededor de ochenta ATP, sin embargo, el rendimiento real es de alrededor de treinta ATP. ¿Qué sucede con el resto de la energía química en la glucosa?

Se utiliza para producir agua a partir de iones de hidrógeno y oxígeno.

Se libera como dióxido de carbono y agua.

Se convierte en almidón

La respiración celular tiene solo un 38% de eficiencia, y el resto de la energía de la glucosa se pierde en forma de calor.

El agua y el dióxido de carbono no se utilizan para almacenar energía. Las grasas se pueden sintetizar a partir de acetil CoA y glicerol, pero generalmente no se crean en grandes cantidades durante la respiración celular. Los almidones se utilizan generalmente para el almacenamiento de energía en las plantas, pero se pueden sintetizar a partir de glucosa; sin embargo, los almidones no son un producto estándar de la respiración celular.

La mayoría de las reacciones en la respiración celular son exotérmicas, para apoyar la reacción espontánea. El resultado es la liberación de energía térmica con la mayoría de los pasos.

Pregunta de ejemplo n. ° 1: Comprensión de la cadena de transporte de electrones

¿A lo largo de qué estructura se mueven los electrones en la cadena de transporte de electrones (ETC)?

La membrana externa de las mitocondrias.

La membrana interna de las mitocondrias.

La membrana interna de las mitocondrias.

Los eventos de la cadena de transporte de electrones tienen lugar en la membrana interna de las mitocondrias. Las proteínas transmembrana utilizadas para transportar electrones a través de la cadena de transporte de electrones están incrustadas en la membrana interna. Los electrones se donan a estas proteínas y se utilizan para transferir protones al espacio intermembrana desde la matriz. Después de alcanzar la proteína de la membrana interna final en la cadena, el electrón se transfiere al oxígeno para formar agua.

La matriz mitocondrial es donde finalmente se sintetiza el ATP, así como el sitio del ciclo del ácido cítrico. El citoplasma es el sitio de la glucólisis. La membrana mitocondrial externa no participa directamente en la respiración celular.

Todos los recursos de biología AP

Informar un problema con esta pregunta

Si ha encontrado un problema con esta pregunta, háganoslo saber. Con la ayuda de la comunidad podemos seguir mejorando nuestros recursos educativos.


Biología 171

Al final de esta sección, podrá hacer lo siguiente:

  • Explica cómo las plantas absorben la energía de la luz solar.
  • Describir longitudes de onda de luz cortas y largas.
  • Describir cómo y dónde tiene lugar la fotosíntesis dentro de una planta.

¿Cómo se puede utilizar la energía de la luz para producir alimentos? Cuando una persona enciende una lámpara, la energía eléctrica se convierte en energía luminosa. Como todas las otras formas de energía cinética, la luz puede viajar, cambiar de forma y ser aprovechada para realizar un trabajo. En el caso de la fotosíntesis, la energía de la luz se convierte en energía química, que los fotoautótrofos utilizan para construir moléculas básicas de carbohidratos ((Figura)). Sin embargo, los autótrofos solo usan unas pocas longitudes de onda específicas de luz solar.


¿Qué es la energía luminosa?

El sol emite una enorme cantidad de radiación electromagnética (energía solar en un espectro que va desde rayos gamma muy cortos hasta ondas de radio muy largas). Los humanos pueden ver solo una pequeña fracción de esta energía, a la que nos referimos como "luz visible". La forma en que viaja la energía solar se describe como ondas. Los científicos pueden determinar la cantidad de energía de una onda midiendo su longitud de onda (las longitudes de onda más cortas son más poderosas que las longitudes de onda más largas): la distancia entre los puntos de cresta consecutivos de una onda. Por lo tanto, una sola onda se mide desde dos puntos consecutivos, como de cresta a cresta o de vaguada a vaguada ((Figura)).


La luz visible constituye solo uno de los muchos tipos de radiación electromagnética emitida por el sol y otras estrellas. Los científicos diferencian los diversos tipos de energía radiante del sol dentro del espectro electromagnético. El espectro electromagnético es el rango de todas las posibles frecuencias de radiación ((Figura)). La diferencia entre las longitudes de onda se relaciona con la cantidad de energía que transportan.


Cada tipo de radiación electromagnética viaja en una longitud de onda particular. Cuanto más larga es la longitud de onda, menos energía transporta. Las ondas cortas y estrechas son las que transportan la mayor cantidad de energía. Esto puede parecer ilógico, pero piénselo en términos de un trozo de cuerda pesada en movimiento. Una persona necesita poco esfuerzo para mover una cuerda en ondas largas y anchas. Para hacer que una cuerda se mueva en ondas cortas y apretadas, una persona necesitaría aplicar mucha más energía.

El espectro electromagnético ((Figura)) muestra varios tipos de radiación electromagnética que se originan en el sol, incluidos los rayos X y los rayos ultravioleta (UV). Las ondas de mayor energía pueden penetrar los tejidos y dañar las células y el ADN, lo que explica por qué tanto los rayos X como los rayos UV pueden ser dañinos para los organismos vivos.

Absorción de luz

La energía luminosa inicia el proceso de fotosíntesis cuando los pigmentos absorben longitudes de onda específicas de luz visible. Los pigmentos orgánicos, ya sea en la retina humana o en el tilacoide del cloroplasto, tienen un rango estrecho de niveles de energía que pueden absorber. Los niveles de energía más bajos que los representados por la luz roja son insuficientes para elevar un electrón orbital a un estado excitado (cuántico). Los niveles de energía más altos que los de la luz azul romperán físicamente las moléculas, en un proceso llamado blanqueamiento. Nuestros pigmentos retinianos solo pueden "ver" (absorber) longitudes de onda entre 700 nm y 400 nm de luz, un espectro que por lo tanto se llama luz visible. Por las mismas razones, las plantas, las moléculas de pigmento absorben solo luz en el rango de longitud de onda de 700 nm a 400 nm, los fisiólogos de plantas se refieren a este rango para las plantas como radiación fotosintéticamente activa.

La luz visible vista por los humanos como luz blanca existe en realidad en un arco iris de colores. Ciertos objetos, como un prisma o una gota de agua, dispersan la luz blanca para revelar los colores al ojo humano. La porción de luz visible del espectro electromagnético muestra el arco iris de colores, donde el violeta y el azul tienen longitudes de onda más cortas y, por lo tanto, mayor energía. En el otro extremo del espectro hacia el rojo, las longitudes de onda son más largas y tienen menor energía ((Figura)).


Entendiendo los pigmentos

Existen diferentes tipos de pigmentos y cada uno absorbe solo longitudes de onda específicas (colores) de luz visible. Los pigmentos reflejan o transmiten las longitudes de onda que no pueden absorber, haciendo que parezcan una mezcla de los colores de la luz reflejada o transmitida.

Las clorofilas y los carotenoides son las dos clases principales de pigmentos fotosintéticos que se encuentran en las plantas y las algas, cada clase tiene múltiples tipos de moléculas de pigmento. Hay cinco clorofilas principales: a, B, C y D y una molécula relacionada que se encuentra en procariotas llamada bacterioclorofila. Clorofila a y clorofila B se encuentran en los cloroplastos de plantas superiores y serán el foco de la siguiente discusión.

Con docenas de formas diferentes, los carotenoides son un grupo de pigmentos mucho más grande. Los carotenoides que se encuentran en la fruta, como el rojo del tomate (licopeno), el amarillo de las semillas de maíz (zeaxantina) o la naranja de una cáscara de naranja (β-caroteno), se utilizan como anuncios para atraer a los dispersores de semillas. En la fotosíntesis, los carotenoides funcionan como pigmentos fotosintéticos que son moléculas muy eficientes para la eliminación del exceso de energía. Cuando una hoja se expone a pleno sol, se requieren reacciones dependientes de la luz para procesar una enorme cantidad de energía; si esa energía no se maneja adecuadamente, puede causar un daño significativo. Por lo tanto, muchos carotenoides residen en la membrana tilacoide, absorben el exceso de energía y disipan de manera segura esa energía en forma de calor.

Cada tipo de pigmento puede identificarse por el patrón específico de longitudes de onda que absorbe de la luz visible: esto se denomina espectro de absorción. El gráfico de la (Figura) muestra los espectros de absorción de la clorofila. a, clorofila By un tipo de pigmento carotenoide llamado β-caroteno (que absorbe la luz azul y verde). Observe cómo cada pigmento tiene un conjunto distinto de picos y valles, lo que revela un patrón de absorción muy específico. Clorofila a absorbe longitudes de onda de cualquier extremo del espectro visible (azul y rojo), pero no verde. Debido a que el verde se refleja o se transmite, la clorofila aparece verde. Los carotenoides se absorben en la región azul de longitud de onda corta y reflejan las longitudes de onda más largas de color amarillo, rojo y naranja.


Muchos organismos fotosintéticos tienen una mezcla de pigmentos y, al usar estos pigmentos, el organismo puede absorber energía de una gama más amplia de longitudes de onda. No todos los organismos fotosintéticos tienen acceso total a la luz solar. Algunos organismos crecen bajo el agua donde la intensidad y la calidad de la luz disminuyen y cambian con la profundidad. Otros organismos crecen compitiendo por la luz. Las plantas en el suelo de la selva deben poder absorber cualquier parte de la luz que entra, porque los árboles más altos absorben la mayor parte de la luz solar y dispersan la radiación solar restante ((Figura)).


Al estudiar un organismo fotosintético, los científicos pueden determinar los tipos de pigmentos presentes generando espectros de absorción. Un instrumento llamado espectrofotómetro puede diferenciar qué longitudes de onda de luz puede absorber una sustancia. Los espectrofotómetros miden la luz transmitida y calculan a partir de ella la absorción. Al extraer pigmentos de las hojas y colocar estas muestras en un espectrofotómetro, los científicos pueden identificar qué longitudes de onda de luz puede absorber un organismo. Los métodos adicionales para la identificación de pigmentos vegetales incluyen varios tipos de cromatografía que separan los pigmentos por sus afinidades relativas a las fases sólidas y móviles.

Cómo funcionan las reacciones dependientes de la luz

La función general de las reacciones dependientes de la luz es convertir la energía solar en energía química en forma de NADPH y ATP. Esta energía química apoya las reacciones independientes de la luz y alimenta el ensamblaje de moléculas de azúcar. Las reacciones dependientes de la luz se muestran en la (Figura). Los complejos de proteínas y las moléculas de pigmento trabajan juntos para producir NADPH y ATP. La numeración de los fotosistemas se deriva del orden en que fueron descubiertos, no del orden de transferencia de electrones.


El paso real que convierte la energía luminosa en energía química tiene lugar en un complejo multiproteico llamado fotosistema, dos tipos de los cuales se encuentran incrustados en la membrana tilacoide: el fotosistema II (PSII) y el fotosistema I (PSI) ((Figura)). Los dos complejos se diferencian en función de lo que oxidan (es decir, la fuente del suministro de electrones de baja energía) y de lo que reducen (el lugar al que entregan sus electrones energizados).

Ambos fotosistemas tienen la misma estructura básica, una serie de proteínas de antena a las que se unen las moléculas de clorofila rodean el centro de reacción donde tiene lugar la fotoquímica. Cada fotosistema es atendido por el complejo de captación de luz, que pasa la energía de la luz solar al centro de reacción; consta de múltiples proteínas de antena que contienen una mezcla de 300 a 400 clorofila. a y B moléculas así como otros pigmentos como los carotenoides. La absorción de un solo fotón o una cantidad distinta o "paquete" de luz por cualquiera de las clorofilas empuja esa molécula a un estado excitado. En resumen, la energía de la luz ahora ha sido capturada por moléculas biológicas, pero aún no se almacena de ninguna forma útil. La energía se transfiere de la clorofila a la clorofila hasta que finalmente (después de aproximadamente una millonésima de segundo) se envía al centro de reacción. Hasta este punto, solo se ha transferido energía entre moléculas, no electrones.


¿Cuál es la fuente inicial de electrones para la cadena de transporte de electrones del cloroplasto?

El centro de reacción contiene un par de clorofila. a moléculas con una propiedad especial. Esas dos clorofilas pueden sufrir oxidación tras la excitación; de hecho, pueden ceder un electrón en un proceso llamado fotoacto. Es en este paso del centro de reacción durante la fotosíntesis que la energía luminosa se convierte en un electrón excitado. Todos los pasos posteriores implican llevar ese electrón al portador de energía NADPH para entregarlo al ciclo de Calvin, donde el electrón se deposita en el carbono para su almacenamiento a largo plazo en forma de carbohidrato. PSII y PSI son dos componentes principales de la cadena de transporte de electrones fotosintéticos, que también incluye la complejo de citocromo. El complejo de citocromo, una enzima compuesta por dos complejos de proteínas, transfiere los electrones de la molécula portadora plastoquinona (Pq) a la proteína plastocianina (Pc), lo que permite tanto la transferencia de protones a través de la membrana tilacoide como la transferencia de electrones de PSII a PSI.

El centro de reacción de PSII (llamado P680) entrega sus electrones de alta energía, uno a la vez, al aceptor de electrones primario, y a través de la cadena de transporte de electrones (Pq a complejo de citocromo a plastocianina) a PSI. El electrón faltante de P680 se reemplaza extrayendo un electrón de baja energía del agua, por lo que el agua se "divide" durante esta etapa de la fotosíntesis y el PSII se vuelve a reducir después de cada fotoacto. Dividiendo una H2La molécula de O libera dos electrones, dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Sin embargo, se requiere dividir dos moléculas para formar una molécula de O diatómico.2 gas. Aproximadamente el 10 por ciento del oxígeno es utilizado por las mitocondrias en la hoja para apoyar la fosforilación oxidativa. El resto escapa a la atmósfera donde es utilizado por organismos aeróbicos para apoyar la respiración.

A medida que los electrones se mueven a través de las proteínas que residen entre PSII y PSI, pierden energía. Esta energía se utiliza para mover átomos de hidrógeno desde el lado estromal de la membrana hasta la luz del tilacoide. Esos átomos de hidrógeno, más los que se producen al dividir el agua, se acumulan en la luz del tilacoide y se utilizarán para sintetizar ATP en un paso posterior. Debido a que los electrones han perdido energía antes de su llegada a PSI, deben ser reactivados por PSI, por lo tanto, la antena de PSI absorbe otro fotón. Esa energía se transmite al centro de reacción de PSI (llamado P700). P700 se oxida y envía un electrón de alta energía a NADP + para formar NADPH. Por lo tanto, PSII captura la energía para crear gradientes de protones para producir ATP, y PSI captura la energía para reducir NADP + en NADPH. Los dos fotosistemas funcionan en conjunto, en parte, para garantizar que la producción de NADPH será aproximadamente igual a la producción de ATP. Existen otros mecanismos para ajustar esa proporción para que coincida exactamente con las necesidades energéticas en constante cambio del cloroplasto.

Generando un portador de energía: ATP

Al igual que en el espacio intermembrana de las mitocondrias durante la respiración celular, la acumulación de iones de hidrógeno dentro de la luz del tilacoide crea un gradiente de concentración. La difusión pasiva de iones de hidrógeno de alta concentración (en la luz del tilacoide) a baja concentración (en el estroma) se aprovecha para crear ATP, al igual que en la cadena de transporte de electrones de la respiración celular. Los iones acumulan energía debido a la difusión y porque todos tienen la misma carga eléctrica, repeliéndose entre sí.

Para liberar esta energía, los iones de hidrógeno se precipitarán a través de cualquier abertura, similar al chorro de agua a través de un agujero en una presa. En el tilacoide, esa abertura es un paso a través de un canal de proteínas especializado llamado ATP sintasa. La energía liberada por la corriente de iones de hidrógeno permite que la ATP sintasa se una a un tercer grupo fosfato al ADP, que forma una molécula de ATP ((Figura)). El flujo de iones de hidrógeno a través de la ATP sintasa se llama quimiosmosis porque los iones se mueven de un área de alta a un área de baja concentración a través de una estructura semipermeable del tilacoide.

Vea Fotosíntesis: reacciones de luz (animación Flash) para obtener más información sobre el proceso de fotosíntesis dentro de una hoja.

Resumen de la sección

Los pigmentos de la primera parte de la fotosíntesis, las reacciones dependientes de la luz, absorben energía de la luz solar. Un fotón golpea los pigmentos de la antena del fotosistema II para iniciar la fotosíntesis. La energía viaja al centro de reacción que contiene clorofila. a y luego a la cadena de transporte de electrones, que bombea iones de hidrógeno al interior del tilacoide. Esta acción genera una alta concentración de iones de hidrógeno. Los iones de hidrógeno fluyen a través de la ATP sintasa durante la quimiosmosis para formar moléculas de ATP, que se utilizan para la formación de moléculas de azúcar en la segunda etapa de la fotosíntesis. El fotosistema I absorbe un segundo fotón, lo que da como resultado la formación de una molécula de NADPH, otra energía y un portador reductor para las reacciones independientes de la luz.

Conexiones de arte

(Figura) ¿Cuál es la fuente de electrones para la cadena de transporte de electrones del cloroplasto?


¿Por qué los enlaces de hidrógeno son direccionales?

La reciente recomendación de la IUPAC sobre la definición de enlace de hidrógeno señala que la direccionalidad es una característica definitoria de un enlace de hidrógeno y el ángulo X-H-Y es generalmente lineal o 180 ∘. También sugiere que el ángulo X-H ⋯ Y sea mayor que 110 ∘ para que una interacción se caracterice como un enlace de hidrógeno, pero no proporciona ninguna justificación para la misma. Este artículo informa una justificación para limitar el ángulo, basado en la topología de densidad de electrones utilizando la teoría cuántica de átomos en moléculas. En este trabajo se informa sobre la topología de densidad electrónica para donantes de enlaces de hidrógeno comunes HF, HCl, HBr, HNC, HCN y HCCH. Estos cálculos conducen a una observación interesante de que las cuencas atómicas del átomo de H en todas estas moléculas donantes son limitadas, lo que justifica la restricción del ángulo del enlace de hidrógeno. Además, un análisis similar en algunos complejos con enlaces de hidrógeno confirma que más allá de este ángulo, el átomo aceptor Y comienza a interactuar con la cuenca atómica en X.Sin embargo, las conclusiones basadas en las longitudes y ángulos de los enlaces deben tratarse con cuidado y, como señala la recomendación de la IUPAC, En todos los casos, es importante contar con "pruebas independientes de la formación de vínculos".

Las cuencas atómicas, calculadas usando la teoría AIM, de HF / HCl / HBr muestran que un átomo aceptor A tiene que acercarse a A-H-X & gt 110 para formar un enlace de hidrógeno con HX. Esto proporciona una justificación para establecer un límite en el ángulo del enlace de hidrógeno, que hasta ahora ha sido una práctica empírica.


Producir hidrógeno usando menos energía

La forma en que un compuesto inspirado en la naturaleza produce hidrógeno ha sido descrita en detalle por primera vez por un equipo de investigación internacional de la Universidad de Jena, Alemania y la Universidad de Milán-Bicocca, Italia. Estos hallazgos son la base para la producción de hidrógeno energéticamente eficiente como fuente de energía sostenible.

La naturaleza como modelo

Hay microorganismos naturales que producen hidrógeno, utilizando enzimas especiales llamadas hidrogenasas. "Lo que tienen de especial las hidrogenasas es que generan hidrógeno catalíticamente. A diferencia de la electrólisis, que generalmente se lleva a cabo industrialmente utilizando un catalizador de platino costoso, los microorganismos usan compuestos de hierro organometálicos", explica el profesor Wolfgang Weigand del Instituto de Química Inorgánica y Analítica de la Universidad de Jena en Alemania. "Como fuente de energía, el hidrógeno es naturalmente de gran interés. Por eso queremos entender exactamente cómo se lleva a cabo este proceso catalítico", añade.

En el pasado, ya se han producido numerosos compuestos en todo el mundo que se modelan químicamente a partir de las hidrogenasas naturales. En cooperación con la universidad de Milán, Weigand y su equipo en Jena han producido un compuesto que ha aportado conocimientos completamente nuevos sobre el proceso de catálisis.

"Como en la naturaleza, nuestro modelo se basa en una molécula que contiene dos átomos de hierro. Sin embargo, en comparación con la forma natural, cambiamos el entorno químico del hierro de una manera específica. Para ser precisos, una amina fue reemplazada por una fosfina óxido con propiedades químicas similares. Por lo tanto, pusimos en juego el elemento fósforo ".

Información detallada sobre la producción de hidrógeno electrocatalítico

Esto permitió a Weigand y su equipo comprender mejor el proceso de formación de hidrógeno. El agua está compuesta de protones cargados positivamente e iones hidróxido cargados negativamente.

"Nuestro objetivo era comprender cómo estos protones forman hidrógeno. Sin embargo, el donante de protones en nuestros experimentos no era agua, sino un ácido", dice Weigand. "Observamos que el protón del ácido se transfiere al óxido de fosfina de nuestro compuesto seguido de la liberación de un protón a uno de los átomos de hierro. Un proceso similar también se encontraría en la variante natural de la molécula", agrega. Para equilibrar la carga positiva del protón y finalmente producir hidrógeno, se introdujeron electrones cargados negativamente en forma de corriente eléctrica. Con la ayuda de voltamperometría cíclica y software de simulación desarrollado en la Universidad de Jena, se examinaron los pasos individuales en los que estos protones finalmente se redujeron a hidrógeno libre.

"Durante el experimento, pudimos ver cómo el gas hidrógeno se elevaba de la solución en pequeñas burbujas", señala Weigand. "Los datos de medición experimental de la voltamperometría cíclica y los resultados de la simulación fueron luego utilizados por el equipo de investigación en Milán para cálculos químicos cuánticos", agrega Weigand. "Esto nos permitió proponer un mecanismo plausible de cómo toda la reacción procede químicamente para producir el hidrógeno, y esto para cada paso individual de la reacción. Esto nunca antes se había hecho con este nivel de precisión". El grupo publicó los resultados y la vía de reacción propuesta en la revista. Catálisis ACS.

El objetivo: hidrógeno a través de la energía solar

Sobre la base de estos hallazgos, Weigand y su equipo ahora quieren desarrollar nuevos compuestos que no solo puedan producir hidrógeno de una manera energéticamente eficiente, sino que también utilicen fuentes de energía sostenibles para hacerlo.

"El objetivo del Centro de Investigación Colaborativa Transregio 234 'CataLight', del que forma parte esta investigación, es la producción de hidrógeno mediante la división del agua con el uso de la luz solar", explica Weigand. "Con el conocimiento adquirido de nuestra investigación, ahora estamos trabajando en el diseño e investigación de nuevos catalizadores basados ​​en las hidrogenasas, que finalmente se activan mediante la energía de la luz".


Capítulo 2: Fundamentos de semiconductores

Ahora que hemos discutido la densidad de estados y las funciones de distribución, tenemos todas las herramientas necesarias para calcular la densidad de portadora en un semiconductor.

2.6.1 Discusión general

La densidad de electrones en un semiconductor está relacionada con la densidad de estados disponibles y la probabilidad de que cada uno de estos estados esté ocupado. La densidad de estados ocupados por unidad de volumen y energía, n (E),), es simplemente el producto de la densidad de estados en la banda de conducción, g C(E) y la función de probabilidad de Fermi-Dirac, f (E), (también llamada función de Fermi):

Dado que los huecos corresponden a estados vacíos en la banda de valencia, la probabilidad de tener un hueco es igual a la probabilidad de que un estado en particular no esté lleno, de modo que la densidad de huecos por unidad de energía, p (E), es igual a:

Donde g v(E) es la densidad de estados en la banda de valencia. La densidad de portadores se obtiene luego integrando la densidad de portadores por unidad de energía sobre todas las energías posibles dentro de una banda. Se deriva una expresión general y una solución analítica aproximada, que es válida para semiconductores no degenerados. Además, también presentamos la aproximación de Joyce-Dixon, una solución aproximada útil para describir semiconductores degenerados.

La densidad de estados en un semiconductor se obtuvo resolviendo la ecuación de Schrödinger para las partículas en el semiconductor. En lugar de utilizar el potencial real y muy complejo del semiconductor, utilizamos el modelo simple de partículas en una caja, donde se supone que la partícula puede moverse libremente dentro del material.

Para un electrón que se comporta como una partícula libre con masa efectiva, m *, la densidad de estados se derivó en la sección 2.4, obteniendo:

donde E C es la parte inferior de la banda de conducción por debajo de la cual la densidad de estados es cero. La densidad de estados para huecos en la banda de valencia viene dada por:

2.6.2. Cálculo de la integral de Fermi

La densidad de portadora en un semiconductor se obtiene integrando el producto de la densidad de estados y la función de densidad de probabilidad sobre todos los estados posibles. Para los electrones en la banda de conducción, la integral se toma de la parte inferior de la banda de conducción, etiquetada como E C, hasta la parte superior de la banda de conducción:

Donde g C(E) es la densidad de estados en la banda de conducción y f (E) es la función de Fermi.

Esta expresión general se ilustra en la figura 2.6.1 para una función de densidad parabólica de estados con E C = 0. La figura muestra la función de densidad de estados, g C(E), la función de Fermi, f (E), así como el producto de ambos, que es la densidad de electrones por unidad de volumen y por unidad de energía, n (E). La integral corresponde al área sombreada.

Figura 2.6.1: La integral de densidad de portadores. Se muestra la densidad de estados, g C(E), la densidad por unidad de energía, n (E), y la probabilidad de ocupación, f (E). La densidad de portadores, n o, es igual al área sombreada.

No es necesario conocer la ubicación real de la parte superior de la banda de conducción, ya que la función de Fermi llega a cero a energías más altas. Por tanto, el límite superior puede sustituirse por infinito. También volvimos a etiquetar la densidad de portadores como norteo para indicar que la densidad del portador es la densidad del portador en equilibrio térmico.

Usando las ecuaciones (2.6.3) y (2.5.1) esta integral se convierte en:

Si bien esta integral no se puede resolver analíticamente a temperaturas distintas de cero, podemos obtener una solución numérica o una solución analítica aproximada. De manera similar, para los agujeros se obtiene:

El cálculo de la densidad de electrones y huecos en un semiconductor se ilustra con más detalle en la Figura 2.6.2.

Figura 2.6.2: La densidad de estados y densidades de portadores en la banda de conducción y valencia. Se muestran la densidad de electrones y huecos por unidad de energía, n (E) yp (E), la densidad de estados en la banda de conducción y valencia, g C(E) yg v(E) y la probabilidad de ocupación, f (E). El área sombreada indica las densidades de electrones y huecos.

En la figura se indican la densidad de estados en la banda de conducción y valencia, la función de distribución de Fermi y las densidades de electrones y huecos por unidad de energía. Las áreas sombreadas indican las densidades de los portadores en equilibrio térmico. En la figura, se puede ver fácilmente que la densidad de electrones aumentará a medida que aumenta la energía de Fermi. La densidad del agujero disminuye al aumentar la energía de Fermi. A medida que disminuye la energía de Fermi, la densidad de los electrones disminuye y la densidad de los huecos aumenta.

2.6.2.1 Densidad de portadores a cero Kelvin

La ecuación (2.6.7) se puede resolver analíticamente en T = 0 K, ya que la función de Fermi en T = 0 K es igual a uno para todas las energías por debajo de la energía de Fermi y 0 para todas las energías mayores que la energía de Fermi. Por tanto, la ecuación (2.6.7) se puede simplificar a:

Esta expresión se puede utilizar para aproximar la densidad de portadores en semiconductores muy degenerados siempre que kT E F - E C) > 0

Del mismo modo, on obtiene para los agujeros:

2.6.2.2 Semiconductores no degenerados

Los semiconductores no degenerados se definen como semiconductores para los cuales la energía de Fermi está al menos a 3 kT de distancia de cualquier borde de banda. La razón por la que nos limitamos a los semiconductores no degenerados es que esta definición permite que la función de Fermi sea reemplazada por una función exponencial simple, es decir, la función de distribución de Maxwell-Boltzmann. La integral de densidad de portadores puede resolverse analíticamente dando:

donde N C es la densidad efectiva de estados en la banda de conducción. La energía de Fermi, EF , se obtiene de:

De manera similar, para los agujeros, se puede aproximar la integral de densidad del agujero como:

donde N v es la densidad efectiva de estados en la banda de valencia. La energía de Fermi, EF , se obtiene de:

(2.6.18)

La densidad efectiva de estados en la banda de conducción del germanio es igual a:

donde se utilizó la masa efectiva para la densidad de estados (Apéndice 3). De manera similar, se encuentran las densidades efectivas para el arseniuro de galio y silicio y las de la banda de valencia:

Tenga en cuenta que la densidad efectiva de estados depende de la temperatura y se puede obtener de:

donde N C(300 K) es la densidad efectiva de estados a 300 K.

2.6.2.3 Semiconductores degenerados

Joyce y Dixon obtuvieron una expresión aproximada útil aplicable a semiconductores degenerados y está dada por:

En la figura 2.6.3 se presenta una comparación de la aproximación de Joyce-Dixon.

Ejemplo 2.4Calcule las densidades efectivas de estados en las bandas de conducción y valencia del germanio, silicio y arseniuro de galio a 300 K.
Solución
Figura 2.6.3: Densidad de portadores (electrones) versus energía de Fermi, para EC = 0 eV. Comparación de la aproximación de Joyce Dixon para semiconductores degenerados con la ecuación (2.6.13) derivada para semiconductores no degenerados, ecuación (2.6.11) derivada para T = 0 K y una solución numérica.

Se comparan la aproximación de Joyce Dixon con la solución derivada para semiconductores no degenerados, la ecuación (2.6.13), la solución de la integral de Fermi a cero Kelvin, la ecuación (2.6.11) y una solución numérica. La aproximación de Joyce Dixon sigue de cerca la solución numérica para todas las energías de Fermi hasta 0,1 eV más allá del borde de la banda de conducción y las densidades de portadora por encima de 10 20 cm -3. La solución de temperatura cero se adapta algo mejor a energías y densidades de portadora más altas.

2.6.3. Semiconductores intrínsecos

Los semiconductores intrínsecos son semiconductores que no contienen impurezas. Contienen electrones además de huecos. La densidad de electrones es igual a la densidad de huecos ya que la activación térmica de un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción produce un electrón libre en la banda de conducción así como un hueco libre en la banda de valencia. Identificaremos el agujero intrínseco y la densidad de electrones usando el símbolo n I, y referirse a ella como la densidad de portadora intrínseca.

2.6.3.1 Densidad de portadores intrínsecos

Los semiconductores intrínsecos generalmente no son degenerados, por lo que se aplican las expresiones para las densidades de electrones (2.6.12) y huecos (2.6.14) en semiconductores no degenerados. Etiquetar la energía de Fermi del material intrínseco como E I, entonces podemos escribir dos relaciones entre la densidad de portadores intrínseca y la energía de Fermi intrínseca, a saber:

Es posible eliminar la energía de Fermi intrínseca de ambas ecuaciones, simplemente multiplicando ambas ecuaciones y sacando la raíz cuadrada. Esto proporciona una expresión para la densidad de portadora intrínseca en función de la densidad efectiva de estados en la banda de conducción y de valencia, y la energía de banda prohibida E gramo = E C - E v.

La dependencia de la temperatura de la densidad de portadora intrínseca está dominada por la dependencia exponencial de la banda prohibida de energía. Además, hay que considerar la dependencia de la temperatura de las densidades efectivas de los estados y la de la banda prohibida de energía. En la figura 2.6.4 se muestra un gráfico de la densidad de portadores intrínseca frente a la temperatura.

Figura 2.6.4: Densidad de portador intrínseco versus temperatura en arseniuro de galio (GaAs), silicio y germanio. Se compara la densidad calculada con (líneas continuas) y sin (líneas de puntos) la dependencia de la temperatura de la banda prohibida de energía.

Se compara la densidad calculada usando la ecuación (2.6.22) con y sin la dependencia de la temperatura de la banda prohibida de energía descrita por la ecuación (2.3.5).

La densidad de portadora intrínseca en silicio a 300 K es igual a:

De manera similar, se encuentra la densidad de portadores intrínseca para el germanio y el arseniuro de galio a diferentes temperaturas, lo que produce:

Tenga en cuenta que los valores a 300 K calculados en el ejemplo 2.4b no son idénticos a los enumerados en el Apéndice 3. Esto se debe a una acumulación de supuestos en la derivación. Los números del Apéndice 3 se obtienen a partir de mediciones cuidadosas y, por lo tanto, deben utilizarse en lugar de los calculados en el ejemplo 2.4b.

2.6.3.2 Ley de acción de masas

Utilizando el mismo enfoque que en la sección 2.6.3.1, se puede probar que el producto de la densidad de electrones y huecos es igual al cuadrado de la densidad de portadora intrínseca para cualquier semiconductor no degenerado. Al multiplicar las expresiones para las densidades de electrones y huecos en un semiconductor no degenerado, como en las ecuaciones (2.6.13) y (2.6.16), se obtiene:

Esta propiedad se conoce como ley de acción masiva. Es una relación poderosa que permite encontrar rápidamente la densidad de huecos si se conoce la densidad de electrones o viceversa. Esta relación solo es válida para semiconductores no degenerados en equilibrio térmico.

2.6.3.3 Energía de Fermi intrínseca

Las ecuaciones anteriores para el electrón intrínseco y la densidad de huecos se pueden resolver para la energía de Fermi intrínseca tomando la relación de las ecuaciones (2.6.21), obteniendo:

La energía intrínseca de Fermi está típicamente cerca de la medio espacio energía, a mitad de camino entre la conducción y el borde de la banda de valencia. La energía de Fermi intrínseca también se puede expresar en función de las masas efectivas de los electrones y los huecos del semiconductor. Para ello utilizamos las ecuaciones (2.6.14) y (2.6.17) para la densidad efectiva de estados en la banda de conducción y valencia, obteniendo:

2.6.3.4 Material intrínseco como referencia

Dividir las expresiones para las densidades de portadoras (2.6.13) y (2.6.16), por las de la densidad intrínseca (2.6.21) permite escribir las densidades de portadoras en función de la densidad intrínseca y la energía de Fermi intrínseca, E I, o:

Utilizaremos principalmente estas dos ecuaciones para encontrar la densidad de electrones y huecos en un semiconductor en equilibrio térmico. Las mismas relaciones también se pueden reescribir para obtener la energía de Fermi de cualquiera de las densidades de portadores, a saber:

2.6.4. Semiconductores dopados

Los semiconductores dopados son semiconductores que contienen impurezas, átomos extraños incorporados en la estructura cristalina del semiconductor. O estas impurezas pueden ser involuntarias, debido a la falta de control durante el crecimiento del semiconductor, o pueden agregarse a propósito para proporcionar portadores libres en el semiconductor.

La generación de portadores libres requiere no solo que estén presentes impurezas, sino también que las impurezas emitan electrones a la banda de conducción en cuyo caso se denominan donantes. Si dan agujeros a la banda de valencia, se llaman aceptadores (ya que en realidad aceptan un electrón de la banda de valencia llena). La ionización de donantes y aceptores superficiales se ilustra en la Figura 2.6.5. Se indican las energías donante y aceptora, E D y E a. El nivel de energía del donante se llena antes de la ionización. La ionización hace que el donante se vacíe, produciendo un electrón en la banda de conducción y un ion donante cargado positivamente. La energía del aceptor está vacía antes de la ionización. La ionización del aceptor corresponde al nivel de aceptor vacío que se llena con un electrón de la banda de valencia llena. Esto es equivalente a un agujero emitido por el átomo aceptor a la banda de valencia.

Un semiconductor dopado con impurezas, que están ionizadas (lo que significa que los átomos de impurezas han donado o aceptado un electrón), por lo tanto, contendrá portadores libres. Impurezas superficiales son impurezas, que requieren poca energía, por lo general alrededor de la energía térmica, kT, o menos - para ionizar. Impurezas profundas requieren energías mucho mayores que la energía térmica para ionizar, de modo que solo una fracción de las impurezas presentes en el semiconductor contribuyan a los portadores libres. Es muy poco probable que las impurezas profundas, que son más de cinco veces la energía térmica alejadas de cualquiera de los bordes de la banda, se ionicen. Estas impurezas pueden ser centros de recombinación efectivos, en los que los electrones y los huecos se capturan y se aniquilan entre sí. Estas impurezas profundas también se llaman trampas.

Los donantes ionizados proporcionan electrones libres en un semiconductor, que luego se llama tipo n, mientras que los aceptores ionizados proporcionan agujeros libres en un semiconductor, al que nos referimos como semiconductor tipo p.

2.6.4.1 Dopantes e impurezas

La ionización de las impurezas depende de la energía térmica y la posición del nivel de impurezas dentro de la banda prohibida de energía, como se describe en las funciones de distribución de impurezas que se analizan en la sección 2.5.3.

Las impurezas poco profundas se ionizan fácilmente de modo que la densidad del portador libre es igual a la concentración de impurezas. Para donantes poco profundos, esto implica que la densidad de electrones es igual a la concentración del donante, o:

Mientras que para los aceptores poco profundos, la densidad del orificio es igual a la concentración del aceptor, o:

Si un semiconductor contiene tanto donantes superficiales como aceptores superficiales, se denomina compensado dado que cantidades iguales de átomos donantes y aceptores se compensan entre sí, sin producir portadores libres. La presencia de donantes superficiales y aceptores superficiales en un semiconductor hace que los electrones emitidos por los átomos donantes caigan en el estado aceptor, que ioniza los átomos aceptores sin producir un electrón libre o un hueco. La densidad del portador resultante en el material compensado es aproximadamente igual a la diferencia entre la concentración del donante y el aceptor si la concentración del donante es mayor, produciendo material de tipo n, o:

Si la concentración del aceptor es mayor que la concentración del donante, la densidad de huecos del material de tipo p resultante es igual a la diferencia entre la concentración del aceptor y el donante, o:

2.6.4.2 Modelo de energía de ionización

La energía necesaria para eliminar un electrón de un átomo donante se puede calcular utilizando un modelo similar al del hidrógeno. Después de todo, el átomo donante consiste en un ión cargado positivamente y un electrón al igual que el protón y el electrón del átomo de hidrógeno. Sin embargo, la diferencia es que la distancia media, r, entre el electrón y el ion donante es mucho mayor ya que el electrón ocupa uno de los orbitales externos. Esto se ilustra en la Figura 2.6.6.

Ejemplo 2.4bCalcule la densidad de portador intrínseca en germanio, silicio y arseniuro de galio a 300, 400, 500 y 600 K.
Solución
Figura 2.6.6: Trayectoria de un electrón unido a un ion donante dentro de un cristal semiconductor. Se utiliza una celosía cuadrada 2-D para facilitar la ilustración.

Para donantes superficiales, esta distancia, r, es mucho mayor que el espaciamiento interatómico del cristal semiconductor. La energía de ionización, E D, se puede estimar modificando la ecuación (1.2.10), que describe la energía del electrón en un átomo de hidrógeno, dando como resultado:

donde m * condes la masa efectiva para los cálculos de conductividad y mi r es la constante dieléctrica relativa del semiconductor. La energía de ionización se calcula como la diferencia entre la energía de un electrón libre y la de un electrón que ocupa el nivel de energía más bajo, E 1.

Usando la masa efectiva para los cálculos de conductividad (Apéndice 3), se encuentra que la energía de ionización para donantes poco profundos en germanio es:

Las energías de ionización calculadas para donantes y aceptores en germanio y silicio se proporcionan a continuación.

Tenga en cuenta que las energías de ionización reales difieren de estos valores y dependen del átomo donante real.

2.6.4.3 Análisis de semiconductores dopados no degeneradamente

El cálculo de la densidad de electrones comienza asumiendo que el semiconductor es neutro, por lo que no hay carga neta en el material. Esta es una suposición razonable ya que una carga neta daría lugar a un campo eléctrico. Este campo eléctrico movería cualquier carga móvil hasta eliminar cualquier desequilibrio de carga.

La densidad de carga en un semiconductor depende de la densidad de huecos y electrones libres y de las densidades de impurezas ionizadas. Los donantes ionizados, que han emitido un electrón, están cargados positivamente. Los aceptores ionizados, que han aceptado un electrón, están cargados negativamente. Por tanto, la densidad de carga total viene dada por:

La concentración de huecos en equilibrio térmico se puede escribir en función de la densidad de electrones utilizando la ley de acción de masas (2.6.23). Esto produce la siguiente relación entre la densidad de electrones y las densidades de impurezas ionizadas:

Tenga en cuenta que el uso de la ley de acción masiva restringe la validez de esta derivación a semiconductores no degenerados como se define en la sección 2.6.2.2. Resolver esta ecuación cuadrática produce una solución para la densidad de electrones, a saber:

La misma derivación se puede repetir para los agujeros, dando como resultado:

Las expresiones anteriores proporcionan las densidades de portadores libres para semiconductores compensados ​​asumiendo que todos los donantes y aceptores están ionizados.

A partir de las densidades de portadores, se obtienen las energías de Fermi utilizando las ecuaciones (2.6.28) y (2.6.29) que se repiten a continuación:

Las energías de Fermi calculadas en silicio de tipo n y tipo p como función de la densidad de dopaje se muestran en la Figura 2.6.7 para diferentes temperaturas:

Ejemplo 2.5Calcule la energía de ionización para donantes y aceptores superficiales en germanio y silicio utilizando el modelo similar al hidrógeno.
Solución
Figura 2.6.7: Energía de Fermi de silicio de tipo n y tipo p, E F, n y E F, p, en función de la densidad de dopaje a 100, 200, 300, 400 y 500 K. Se muestran los bordes de las bandas de conducción y valencia, E C y E v. La energía del intervalo medio se establece en cero.

La figura 2.6.7 ilustra cómo varían las energías de Fermi con la densidad de dopaje. La energía de Fermi varía linealmente, al trazar la densidad en una escala logarítmica, hasta una densidad de dopaje de 10 18 cm -3. Esta simple dependencia requiere que el semiconductor no sea intrínseco ni degenerado y que todos los dopantes estén ionizados. Para material compensado, que contiene sólo dopantes poco profundos, se utiliza la densidad neta de dopaje, | norte D - N a|.

La densidad de electrones se obtiene de la ecuación (2.6.34) y la densidad de huecos se obtiene usando la ley de acción de masas:

Ejemplo 2.6aSe dopa una oblea de germanio con una densidad de donantes poco profunda de 3 n I/ 2. Calcule la densidad de electrones y huecos.
Solución

Dado que el dopaje del aceptor es mucho más grande que la densidad intrínseca y mucho más pequeño que la densidad efectiva de estados, la densidad de huecos es igual a: La densidad de electrones se obtiene usando la ley de acción de masas El enfoque descrito en el ejemplo 2.6a da el mismo resultado.

2.6.4.4 Análisis general

Un análisis más general también tiene en cuenta el hecho de que la ionización de las impurezas no es del 100%, sino que viene dada por las funciones de distribución de impurezas previstas en el apartado 2.5.3.

El análisis nuevamente asume que no hay carga neta en el semiconductor (neutralidad de carga). Esto también significa que la densidad total de partículas cargadas positivamente (huecos y donantes ionizados) debe ser igual a la densidad total de partículas cargadas negativamente (electrones y aceptores ionizados) produciendo:

Las densidades de electrones y huecos se escriben luego en función de la energía de Fermi. Para semiconductores no degenerados se utilizan las ecuaciones (2.6.12) y (2.6.15), mientras que las densidades de impurezas ionizadas son iguales a la densidad de impurezas multiplicada por la probabilidad de ocupación de los aceptores y una menos la probabilidad de ocupación de los donantes. La aproximación de Joyce-Dixon, descrita en la sección (2.6.2.3) se utiliza para calcular las densidades de portadoras degeneradas.

Se puede obtener una solución gráfica de la ecuación (2.6.39) anterior trazando ambos lados de la ecuación en función de la energía de Fermi, como se ilustra en la figura 2.6.8.

Ejemplo 2.6bUna oblea de silicio se dopa con un dopaje de aceptor superficial de 10 16 cm -3. Calcule la densidad de electrones y huecos.
Solución
Figura 2.6.8: Solución gráfica de la energía de Fermi basada en el análisis general. El valor de la energía de Fermi y la densidad del portador libre se obtiene en la intersección de las dos curvas, que representan la carga total positiva y la carga negativa total en el semiconductor. norte a es igual a 10 16 cm -3 y N D es igual a 10 14 cm -3.

La figura 2.6.8 muestra las densidades de carga positiva y negativa, así como las densidades de electrones y huecos en función de la energía de Fermi. Las líneas punteadas indican la posición de las energías aceptora y donante. La energía de Fermi se obtiene en la intersección de ambas curvas como lo indica la flecha.

Esta solución gráfica es una herramienta muy útil para explorar la energía de Fermi en función de las densidades de dopaje, las energías de ionización y la temperatura.

El funcionamiento de dispositivos en un amplio rango de temperaturas requiere un conocimiento detallado de la densidad de portadores en función de la temperatura. A temperaturas intermedias, la densidad de portadores es aproximadamente igual al dopaje neto, | norte a - N D|. Los semiconductores, que satisfacen esta condición, también se denominan semiconductores extrínsecos. La densidad del portador libre aumenta a altas temperaturas para las cuales la densidad intrínseca se acerca a la densidad neta de dopaje y disminuye a bajas temperaturas debido a la ionización incompleta de los dopantes. La densidad del portador y la energía de Fermi se muestran en la Figura 2.6.9 para silicio dopado con 10 donantes de 16 cm -3 y 10 aceptores de 15 cm -3:

Figura 2.6.9: Densidad electrónica y energía de Fermi en función de la temperatura en silicio con N D = 10 16 cm -3, N a = 10 14 cm -3 y E C - E D = E a - E v = 50 meV. La energía de activación a 70 K es igual a 27,4 meV.

A altas temperaturas, la densidad del portador es igual a la concentración intrínseca del portador, mientras que a bajas temperaturas, la densidad del portador está dominada por la ionización de los donantes.

La dependencia de la temperatura está relacionada con una energía de activación ajustando la densidad del portador versus 1 / T en una escala semilogarítmica a una línea recta de la forma n o(T) = C exp (- E A/ kT), donde C es una constante. A altas temperaturas, esta energía de activación es igual a la mitad de la energía de banda prohibida o E A = E gramo/2.

La dependencia de la temperatura a bajas temperaturas es algo más compleja ya que depende de si se compensa o no el material. La figura 2.6.9 se calculó para silicio que contenía tanto donantes como aceptores. A 70 K, la densidad de electrones está por debajo de la densidad del donante pero aún mayor que la densidad del aceptor. En tales condiciones, la energía de activación, E A, es igual a la mitad de la energía de ionización de los donantes o (E C - E D) / 2. A temperaturas más bajas donde la densidad de electrones es menor que la densidad del aceptor, la energía de activación es igual a la energía de ionización o E C - E D. Este comportamiento se explica por el hecho de que la energía de Fermi en el material compensado se fija en la energía donante. Los niveles de los donantes siempre están parcialmente vacíos, ya que los electrones se eliminan de los átomos donantes para llenar los niveles de energía del aceptor. Si la densidad del aceptor es menor que la densidad de electrones, como ocurre con el material no compensado, la energía de Fermi cambia con la temperatura y la energía de activación se acerca a la mitad de la energía de ionización.

Los semiconductores ligeramente dopados sufren congelación a temperaturas relativamente altas. Los semiconductores más dopados se congelan a temperaturas más bajas. Los semiconductores altamente dopados no contienen una sola energía donante, sino más bien una banda de impurezas que se superpone con la banda de conducción o de valencia. La superposición de las dos bandas da como resultado portadores libres incluso a cero Kelvin. Por tanto, el dopado degenerado de un semiconductor elimina los efectos de congelación.

2.6.4.5 Dependencia de la temperatura de la densidad del portador en material no degenerado

El análisis de semiconductores no degenerados se puede ampliar aún más para incluir la congelación del portador en presencia de donantes y aceptores. La ecuación (2.6.39) se puede escribir como:

Para material de tipo n (ND > Na ), esta ecuación se puede simplificar a:

donde la densidad del agujero, po , se ha ignorado y se supone que los aceptores están completamente ionizados, ya que se espera que la energía de Fermi esté por encima de la energía incluso de los aceptores más profundos. La densidad N * viene dada por:

La solución de la ecuación cuadrática es:

  1. Calcule la densidad de electrones a 300 K.
  2. Calcule la densidad de huecos a 300 K después de agregar 2 x 10 18 cm -3 átomos aceptores de aluminio (E a - E C = 220 meV). Utilice N v = 1,6 x 10 20 cm -3.

La densidad de electrones libres se obtiene a partir de:

Como resultado, el 21,5% de los donantes están ionizados.

donde el factor 4 se debe a la banda de valencia doblemente degenerada. A continuación, la densidad del agujero libre se obtiene a partir de:

2.6.5. Densidades portadoras fuera de equilibrio

Hasta ahora, solo hemos considerado las densidades de portadoras de equilibrio térmico, n o y P o. Sin embargo, la mayoría de los dispositivos de interés no se encuentran en equilibrio térmico. Tenga en cuenta que una temperatura ambiente constante no es una condición suficiente para el equilibrio térmico. De hecho, aplicar un voltaje distinto de cero a un dispositivo o iluminarlo con luz provocará una condición de desequilibrio, incluso si la temperatura es constante.

Para describir un sistema que no está en equilibrio térmico, asumimos que cada una de las distribuciones de portadores todavía está en equilibrio consigo misma. Tal suposición se justifica sobre la base de que los electrones interactúan fácilmente entre sí e interactúan con los huecos solo en una escala de tiempo mucho más larga. Como resultado, la densidad de electrones todavía se puede calcular utilizando la función de distribución de Fermi-Dirac, pero con un valor diferente para la energía de Fermi. La densidad de portadora total para un semiconductor no degenerado se describe a continuación mediante:

Donde D norte es el exceso de densidad de electrones y F norte es la energía cuasi-Fermi de los electrones. De manera similar, la densidad de agujeros se puede expresar como:

Donde d p es el exceso de densidad de agujeros y F pag es la energía cuasi-Fermi para los agujeros.


5. Conclusión

Sobre la base de la espectroscopia dieléctrica de banda ancha (BDS), registramos la conductividad durante los ciclos de temperatura y determinamos dos atributos. En primer lugar, el enfriamiento y el calentamiento afectan la conductividad de CC en varios órdenes de magnitud, como se observa con frecuencia en el transporte por salto. 25,31,32,73 Segundo, a la misma temperatura σ 0 difiere para diferentes densidades de enlaces H a (en un factor de 3) una mayor densidad da como resultado una conductividad (20%) más baja. Así, para el caso particular de PAAPS se demuestra que la activación térmica de las fluctuaciones moleculares afecta el transporte de carga en mucha mayor medida que los enlaces H. Además, a la misma temperatura y la misma activación térmica, una mayor densidad de enlace H reduce la conductividad.

Este primer estudio que combina mediciones espectroscópicas de FTIR y BDS durante el ciclo de temperatura para investigar la formación de enlaces H en poliIL próticos proporciona resultados detallados sobre la conductividad macroscópica y los enlaces H específicos de la fracción, así como su interrelación. La muestra en estudio proporciona la segunda conductividad de CC más alta publicada a 300 K para poliIL 31 anhidro. Curiosamente, el poliIL anhidro con la conductividad de CC más alta publicada a 300 K tiene elementos similares en su estructura química. 37 Por lo tanto, en el marco de estos resultados, el concepto de transporte de carga en esta clase de materiales puede necesitar una nueva forma. La conductividad de CC se puede ajustar mediante T gramo reducción, mientras que las propiedades mecánicas se pueden personalizar a través de la densidad del enlace H con un gasto mucho menor de conductividad.


¿Cuáles son las moléculas portadoras de electrones en la fotosíntesis?

Los siguientes complejos se encuentran en la cadena de transporte de electrones de la fotosíntesis: Fotosistema II, Citocromo b6-f, Fotosistema I, Ferredoxina NADP Reductasa (FNR) y el complejo que produce ATP, ATP sintasa.

En segundo lugar, ¿qué molécula del autobús lanzadera de electrones es el portador de electrones en la fotosíntesis? Se llama un autobús de enlace de electrones porque recoge electrones/ se reduce cuando otro molécula se oxida y luego transfiere el electrones a otro molécula.

De manera similar, se pregunta, ¿qué son las moléculas portadoras de electrones?

portador de electrones. Cualquiera de varios moléculas que sean capaces de aceptar uno o dos electrones de uno molécula y donarlos a otro en el proceso de electrón transporte. Como el electrones son transferidos de uno portador de electrones a otro, su nivel de energía disminuye y se libera energía.

¿Cuáles son los portadores de electrones en la respiración celular y la fotosíntesis?

En respiración celular, hay dos importantes portadores de electrones, dinucleótido de nicotinamida y adenina (abreviado como NAD + en su forma oxidada) y dinucleótido de flavina y adenina (abreviado como FAD en su forma oxidada).


Explicación paso a paso del sistema de transporte de electrones

El sistema de transporte de electrones se puede resumir en los siguientes pasos:

Paso 1: Generación de fuerza motriz de protones

En el primer paso de la cadena de transporte de electrones, el NADH + y FADH2 La molécula de glucólisis y el ciclo de Kreb se oxida en NAD + y FAD, respectivamente, junto con la liberación de electrones y protones de alta energía. Los electrones se difunden en el membrana mitocondrial interna que consta de una serie de grandes complejos proteicos.

El paso de electrones de una proteína transportadora a otra da como resultado la pérdida de algo de energía o ATP. Luego, los complejos de proteínas utilizan el ATP para mover los protones desde la matriz al espacio intermembrana. Por lo tanto, la difusión de protones a través de la membrana mitocondrial interna está mediada por quimiosmosis, que crea una fuerza motriz del protón a través del gradiente electroquímico.

Paso 2: Síntesis de la molécula de ATP de alta energía

Los iones H + generan una fuerza motriz de protones que facilita la cuesta abajo movimiento a través de gradiente de concentración de la membrana mitocondrial interna. Los iones H + tienden a difundirse de nuevo en la matriz mitocondrial a través de las proteínas del canal a través de un enzima transmembrana (ATP sintasa) y, por lo tanto, produce ATP.

Paso 3: Reducción de oxígeno

Para la continuación del sistema de transporte de electrones, los electrones desenergizados deben liberarse a través de un aceptor de electrones. O2molécula. El oxígeno acepta los electrones del cuarto complejo. Finalmente, el transportador de oxígeno se asocia con el protones libres y se reduce a ceder H2O.

Componentes de ETS

El sistema de transporte de electrones es la combinación de los siguientes elementos:

Complejo I

Está compuesto por mononucleótido de flavina y proteína de hierro-azufre. Complejo I o "NADH deshidrogenasa”Oxida NADH + en NAD + y libera dos electrones y cuatro protones. NADH deshidrogenasa bombea cuatro protones del matriz al citosol y transfiere dos electrones en la membrana mitocondrial interna. Por tanto, la NADH deshidrogenasa crea una alta concentración de iones H + a través del gradiente electroquímico.

Coenzima-Q o "Ubiquinona”Conecta el complejo I y II. La ubiquinona es un complejo liposoluble que puede moverse libremente en el núcleo hidrofóbico de la membrana mitocondrial. Q se reduce a Ayuda rápida2 y entrega su electrón al tercer complejo. La coenzima Q recibe el electrón liberado del NADH y FADH2 moléculas.

Complejo II

Consiste en una enzima, "Succinato deshidrogenasa”, Y contiene hierro y succinato. El complejo II oxida FADH2 dentro FAD + . Succinato deshidrogenasa más FADH2 transfiere directamente los electrones al ETC, sin pasar por el complejo I. No energiza el complejo I y produce algunos ATP.

Complejo III

Citocromo-b, Oxidorreductasa o complejo III consta de proteína Fe-S con centro de Rieske (2Fe-Fs). En los citocromos, el grupo protésico es hemo, transportando electrones. A medida que pasan los electrones, el hierro se reduce a Fe 2+ y se oxida a Fe 3+. Por lo tanto, el citocromo b transfiere electrones al siguiente complejo, es decir, el citocromo c.

Citocromo c

El citocromo-c también contiene Proteína Fe-S y grupo hemo protésico. Solo acepta un electrón a la vez y transporta electrones al cuarto complejo.

Complejo IV

Se compone de Citocromo a y a3, que contiene dos grupos hemo (uno en cada uno). Citocromo-a3 consta de tres iones de cobre (dos CuA y uno CuB). La función del complejo IV es mantener firmemente el portador de oxígeno entre los iones de hierro y cobre hasta que el oxígeno se reduzca a una molécula de agua. El oxígeno se combina con el dos protones moléculas y libera agua manteniendo el potencial iónico de la membrana.

Complejo V

Es el canal de iones de proteínas que consta de una enzima transmembrana (ATP-sintasa o complejo ATP-sintasa). El complejo V permite el paso de protones de alta a baja concentración. contra el gradiente potencial. El paso quimiosmótico de los protones da como resultado rotación molecular de la enzima ATP sintasa y, por lo tanto, provoca una liberación de ATP.

Resumen de la cadena de transporte de electrones

ETS se refiere a un sistema que produce energía en forma de ATP a través de una serie de reacciones químicas. El ETS se encuentra en la membrana interna de las mitocondrias y contiene complejos de proteínas transportadoras de electrones, transportadores de electrones y proteínas de canal. Los electrones pasan de un complejo a otro por reacciones redox.

La energía libre durante la transferencia de electrones se captura como un gradiente de protones y la ATP sintasa la utiliza para derivar ATP. El portador de electrones Co-Q recibe los electrones formados por la reducción de FADH2 y NADH. La coenzima Q se reduce a QH2 y pasa los electrones al tercer complejo proteico (cyt-b).

El Complejo III contiene un grupo hemo, donde el Fe 3+ se reduce a Fe 2+ después de aceptar los electrones provenientes de Co-Q. El tercer complejo transfiere aún más los electrones a cyt-c, donde Fe 3+ se reduce a Fe 2+ y transfiere electrones al cuarto complejo.

El complejo IV acepta los electrones y los transfiere al transportador de oxígeno. El oxígeno transporta los electrones desenergizados y se combina con los iones de protones libres en la matriz y libera desechos en forma de agua.

Mecanismo del sistema de transporte de electrones

La cadena de transporte de electrones a veces se refiere a la "Cadena respiratoria”, Que es la tercera o última etapa de respiración celular. Requiere la presencia de oxígeno para realizar la respiración celular. La energía se produce durante la transferencia de electrones de un portador a otro.

Una célula aprovecha la pérdida de energía durante el transporte de electrones para bombear protones al citosol. Crea un gradiente quimiosmótico. Un gradiente quimiosmótico se carga con la energía potencial de los electrones. Finalmente, el energía potencial se convierte en energía química (ATP) por el complejo ATP sintasa.

Así, el sistema de transporte de electrones es un mecanismo productor de energía, que obedece al principio de “Toma energía para producir energía”. El ETS posee una serie de reacciones redox donde los electrones pierden energía. La membrana utiliza la pérdida de energía durante la difusión de los protones de regreso a la matriz y crea una molécula de alta energía. ATP.

Ubicación de ETS

El sistema de transporte de electrones y sus complejos proteicos, junto con la proteína del canal de ATP sintasa, se encuentran en el membrana mitocondrial interna. En un diagrama, podríamos ver el sitio de la cadena de transporte de electrones, que está presente entre el citosol y la matriz.

Existen cuatro grande complejos proteicos en la cadena de transporte de electrones, que median la transferencia de electrones. Además de los complejos de proteínas, existen portadores de electrones individuales presentes como Co-Q y Cyt-C.

Tanto la coenzima Q como el citocromo C son portadores de electrones difusibles, que pueden viajar dentro de la membrana. Además de esto, hay uno proteína del canal iónico (ATP-sintasa) que media el transporte de protones por el gradiente de concentración generando ATP.

Ecuación de ETC

La reacción general en la cadena de transporte de electrones se puede equiparar de la manera que se muestra en una imagen. En la cadena de transporte de electrones, por molécula de glucosa puede producir 34 moléculas de ATP, como se indica en la siguiente ecuación:


Por tanto, la producción neta de energía en la cadena de transporte de electrones es 34 ATP moléculas.


7.4 Fosforilación oxidativa

En esta sección, explorará las siguientes preguntas:

  • ¿Cómo se mueven los electrones a través de la cadena de transporte de electrones y qué sucede con sus niveles de energía?
  • ¿Cómo se establece y mantiene un gradiente de protones (H +) mediante la cadena de transporte de electrones y cuántas moléculas de ATP se producen mediante la quimiosmosis?

Conexión para cursos AP ®

La cadena de transporte de electrones (ETC) es la etapa de la respiración aeróbica que utiliza oxígeno libre como aceptor de electrones final de los electrones eliminados durante el metabolismo de la glucosa en la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico. El ETC está ubicado en la membrana de las crestas mitocondriales, un área con muchos pliegues que aumentan la superficie disponible para reacciones químicas. Electrones transportados por NADH y FADH2 se envían a las proteínas aceptoras de electrones incrustadas en la membrana a medida que se mueven hacia el aceptor de electrones final, O2, formando agua. Los electrones atraviesan una serie de reacciones redox, utilizando energía libre en tres puntos para transportar iones de hidrógeno a través de la membrana. Este proceso contribuye a la formación del gradiente de H + utilizado en la quimiosmosis. A medida que los protones descienden de su gradiente de concentración a través de la ATP sintasa, se genera ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico. En condiciones aeróbicas, las etapas de la respiración celular pueden generar 36-38 ATP.

La información presentada y los ejemplos resaltados en la sección apoyan los conceptos descritos en la Gran Idea 2 del Marco del Currículo de Biología AP ®, como se muestra en la tabla. Como se muestra en la tabla, los conceptos cubiertos en esta sección también se alinean con los Objetivos de aprendizaje enumerados en el Marco del plan de estudios que proporcionan una base transparente para el curso de Biología AP®, una experiencia de laboratorio basada en la investigación, actividades de instrucción y preguntas del examen AP®. Un objetivo de aprendizaje combina el contenido requerido con una o más de las siete prácticas científicas.

Gran idea 2 Los sistemas biológicos utilizan energía libre y bloques de construcción moleculares para crecer, reproducirse y mantener la homeostasis dinámica.
Comprensión duradera 2.A El crecimiento, la reproducción y el mantenimiento de los sistemas vivos requieren energía y materia libres.
Conocimiento esencial 2.A.1 Todos los sistemas vivos requieren un aporte constante de energía libre.
Práctica de la ciencia 1.4 El alumno puede utilizar representaciones y modelos para analizar situaciones o resolver problemas de forma cualitativa y cuantitativa.
Práctica de la ciencia 3.1 El alumno puede plantear cuestiones científicas.
Objetivo de aprendizaje 2.4 El estudiante puede usar representaciones para plantear preguntas científicas sobre qué mecanismos y características estructurales permiten que los organismos capturen, almacenen y usen energía libre.
Conocimiento esencial 2.A.1 Todos los sistemas vivos requieren un aporte constante de energía libre.
Práctica de la ciencia 6.2 El alumno puede construir explicaciones de fenómenos basados ​​en evidencia producida a través de prácticas científicas.
Objetivo de aprendizaje 2.5 El estudiante es capaz de construir explicaciones de los mecanismos y características estructurales de las células que permiten a los organismos capturar, almacenar o utilizar energía libre.

Apoyo a los profesores

Introduzca la fosforilación oxidativa con imágenes como este video.

Haga que los estudiantes creen una representación visual que muestre una descripción general de la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico y cómo los ciclos se relacionan entre sí.

Aquí se ilustra un ejemplo.

Las preguntas del desafío de práctica científica contienen preguntas de prueba adicionales para esta sección que lo ayudarán a prepararse para el examen AP. Estas preguntas abordan los siguientes estándares:
[APLO 2.5] [APLO 2.15] [APLO 2.18] [APLO 2.22]

Acaba de leer acerca de dos vías que introducen el catabolismo de la glucosa, la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico, que generan ATP. Sin embargo, la mayor parte del ATP generado durante el catabolismo aeróbico de la glucosa no se genera directamente a partir de estas vías. Más bien, se deriva de un proceso que comienza con el movimiento de electrones a través de una serie de transportadores de electrones que experimentan reacciones redox. Esto hace que los iones de hidrógeno se acumulen dentro del espacio intermembranoso. Por lo tanto, se forma un gradiente de concentración en el que los iones de hidrógeno se difunden fuera del espacio intermembranoso hacia la matriz mitocondrial al pasar a través de la ATP sintasa. La corriente de iones de hidrógeno impulsa la acción catalítica de la ATP sintasa, que fosforila el ADP y produce ATP.

Cadena de transporte de electrones

La cadena de transporte de electrones (figura 7.11) es el último componente de la respiración aeróbica y es la única parte del metabolismo de la glucosa que utiliza oxígeno atmosférico. El oxígeno se difunde continuamente en las plantas de los animales, ingresa al cuerpo a través del sistema respiratorio. El transporte de electrones es una serie de reacciones redox que se asemejan a una carrera de relevos o una brigada de cubos en la que los electrones pasan rápidamente de un componente al siguiente, hasta el punto final de la cadena donde los electrones reducen el oxígeno molecular, produciendo agua. Hay cuatro complejos compuestos de proteínas, etiquetadas de I a IV en la figura 7.11, y la agregación de estos cuatro complejos, junto con los portadores de electrones accesorios móviles asociados, se denomina cadena de transporte de electrones. La cadena de transporte de electrones está presente en múltiples copias en la membrana mitocondrial interna de eucariotas y la membrana plasmática de procariotas.

Complejo I

Para empezar, se transportan dos electrones al primer complejo a bordo del NADH. Este complejo, etiquetado como I, está compuesto por mononucleótido de flavina (FMN) y una proteína que contiene hierro-azufre (Fe-S). FMN, que se deriva de la vitamina B2, también llamada riboflavina, es uno de varios grupos protésicos o cofactores en la cadena de transporte de electrones. Un grupo protésico es una molécula no proteica necesaria para la actividad de una proteína. Los grupos protésicos son moléculas orgánicas o inorgánicas no peptídicas unidas a una proteína que facilitan su función. Los grupos protésicos incluyen coenzimas, que son los grupos prostéticos de enzimas. La enzima del complejo I es NADH deshidrogenasa y está compuesta por 44 cadenas polipeptídicas separadas. El complejo I puede bombear cuatro iones de hidrógeno a través de la membrana desde la matriz al espacio intermembrana, y de esta manera se establece y mantiene el gradiente de iones de hidrógeno entre los dos compartimentos separados por la membrana mitocondrial interna.

Q y Complejo II

El complejo II recibe directamente FADH2, que no atraviesa el complejo I. El compuesto que conecta el primer y segundo complejos al tercero es la ubiquinona (Q). La molécula Q es soluble en lípidos y se mueve libremente a través del núcleo hidrófobo de la membrana. Una vez que se reduce, (QH2), la ubiquinona entrega sus electrones al siguiente complejo en la cadena de transporte de electrones. Q recibe los electrones derivados de NADH del complejo I, y los electrones derivados de FADH2 del complejo II. Esta enzima y FADH2 forman un pequeño complejo que entrega electrones directamente a la cadena de transporte de electrones, sin pasar por el primer complejo. Dado que estos electrones se desvían y, por lo tanto, no energizan la bomba de protones en el primer complejo, se producen menos moléculas de ATP a partir de la FADH.2 electrones.El número de moléculas de ATP que se obtienen finalmente es directamente proporcional al número de protones bombeados a través de la membrana mitocondrial interna.

Complejo III

El tercer complejo está compuesto por el citocromo b, otra proteína Fe-S, el centro de Rieske (centro 2Fe-2S) y las proteínas del citocromo c, este complejo también se denomina citocromo oxidorreductasa. Las proteínas del citocromo tienen un grupo protésico de hemo. La molécula de hemo es similar al hemo de la hemoglobina, pero transporta electrones, no oxígeno. Como resultado, el ion de hierro en su núcleo se reduce y se oxida a medida que pasa los electrones, fluctuando entre diferentes estados de oxidación: Fe ++ (reducido) y Fe +++ (oxidado). Las moléculas de hemo en los citocromos tienen características ligeramente diferentes debido a los efectos de las diferentes proteínas que las unen, dando características ligeramente diferentes a cada complejo. El complejo III bombea protones a través de la membrana y pasa sus electrones al citocromo c para su transporte al cuarto complejo de proteínas y enzimas (el citocromo c es el aceptor de electrones de Q, sin embargo, mientras que Q transporta pares de electrones, el citocromo c puede aceptar solo uno en un momento).

Complejo IV

El cuarto complejo está compuesto por las proteínas del citocromo c, ay a3. Este complejo contiene dos grupos hemo (uno en cada uno de los dos citocromos, ay un3) y tres iones de cobre (un par de CuA y uno CuB en el citocromo a3). Los citocromos mantienen una molécula de oxígeno muy apretada entre los iones de hierro y cobre hasta que el oxígeno se reduce por completo. El oxígeno reducido luego recoge dos iones de hidrógeno del medio circundante para producir agua (H2O). La eliminación de los iones de hidrógeno del sistema contribuye al gradiente de iones utilizado en el proceso de quimiosmosis.

Quimiosmosis

En la quimiosmosis, la energía libre de la serie de reacciones redox que se acaban de describir se utiliza para bombear iones de hidrógeno (protones) a través de la membrana. La distribución desigual de iones H + a través de la membrana establece gradientes de concentración y eléctricos (por lo tanto, un gradiente electroquímico), debido a la carga positiva de los iones de hidrógeno y su agregación en un lado de la membrana.

Si la membrana estuviera abierta a la difusión por los iones de hidrógeno, los iones tenderían a difundirse de nuevo a través de la matriz, impulsados ​​por su gradiente electroquímico. Recuerde que muchos iones no pueden difundirse a través de las regiones apolares de las membranas de fosfolípidos sin la ayuda de los canales iónicos. De manera similar, los iones de hidrógeno en el espacio de la matriz solo pueden atravesar la membrana mitocondrial interna a través de una proteína de membrana integral llamada ATP sintasa (Figura 7.12). Esta proteína compleja actúa como un generador minúsculo, impulsado por la fuerza de los iones de hidrógeno que se difunden a través de ella, en su gradiente electroquímico. El torneado de piezas de esta máquina molecular facilita la adición de un fosfato al ADP, formando ATP, utilizando la energía potencial del gradiente de iones de hidrógeno.

Conexión visual

  1. El DNP disipa el gradiente de protones en la matriz, evitando la producción de ATP. Luego, el cuerpo aumenta su tasa metabólica, lo que lleva a la pérdida de peso.
  2. El DNP disminuye el gradiente de protones en el espacio mitocondrial interno, lo que lleva a un consumo rápido de acetil-CoA, lo que provoca pérdida de peso.
  3. DNP bloquea el movimiento de protones a través de la ATP sintasa, deteniendo la producción de ATP. La energía almacenada se disipa en forma de calor, provocando pérdida de peso.
  4. El DNP desacopla la producción de ATP aumentando el gradiente de protones en la matriz. La energía almacenada se disipa en forma de calor, provocando pérdida de peso.

La quimiosmosis (figura 7.13) se utiliza para generar el 90 por ciento del ATP producido durante el catabolismo aeróbico de la glucosa; también es el método utilizado en las reacciones luminosas de la fotosíntesis para aprovechar la energía de la luz solar en el proceso de fotofosforilación. Recuerde que la producción de ATP mediante el proceso de quimiosmosis en las mitocondrias se llama fosforilación oxidativa. El resultado general de estas reacciones es la producción de ATP a partir de la energía de los electrones extraídos de los átomos de hidrógeno. Estos átomos eran originalmente parte de una molécula de glucosa. Al final de la ruta, los electrones se utilizan para reducir una molécula de oxígeno a iones de oxígeno. Los electrones adicionales en el oxígeno atraen iones de hidrógeno (protones) del medio circundante y se forma agua.

Conexión visual

  1. La concentración de protones del espacio intermembrana disminuiría, deteniendo la producción de ATP.
  2. La concentración de protones del espacio intermembrana aumentaría, dando lugar a la formación de ATP.
  3. La concentración de iones de hidrógeno del espacio intermembrana disminuiría, provocando una alta producción de ATP.
  4. La concentración de protones del espacio intermembrana aumentaría, provocando la producción de ATP en grandes cantidades.

Rendimiento de ATP

El número de moléculas de ATP generadas por el catabolismo de la glucosa varía. Por ejemplo, el número de iones de hidrógeno que los complejos de la cadena de transporte de electrones pueden bombear a través de la membrana varía entre especies. Otra fuente de variación proviene de la lanzadera de electrones a través de las membranas de las mitocondrias. (El NADH generado a partir de la glucólisis no puede ingresar fácilmente a las mitocondrias). Por lo tanto, los electrones son recogidos en el interior de las mitocondrias por NAD + o FAD +. Como aprendió anteriormente, estas moléculas de FAD + pueden transportar menos iones, en consecuencia, se generan menos moléculas de ATP cuando FAD + actúa como portador. NAD + se utiliza como transportador de electrones en el hígado y FAD + actúa en el cerebro.

Otro factor que afecta el rendimiento de las moléculas de ATP generadas a partir de la glucosa es el hecho de que los compuestos intermedios de estas vías se utilizan para otros fines. El catabolismo de la glucosa se conecta con las vías que construyen o descomponen todos los demás compuestos bioquímicos en las células, y el resultado es algo más complicado que las situaciones ideales descritas hasta ahora. Por ejemplo, los azúcares distintos de la glucosa se introducen en la vía glucolítica para la extracción de energía. Además, los azúcares de cinco carbonos que forman los ácidos nucleicos se obtienen a partir de intermedios en la glucólisis. Ciertos aminoácidos no esenciales pueden obtenerse a partir de intermedios tanto de la glucólisis como del ciclo del ácido cítrico. Los lípidos, como el colesterol y los triglicéridos, también se elaboran a partir de intermediarios en estas vías, y tanto los aminoácidos como los triglicéridos se descomponen para obtener energía a través de estas vías. En general, en los sistemas vivos, estas vías de catabolismo de la glucosa extraen alrededor del 34 por ciento de la energía contenida en la glucosa.

Conexión de práctica científica para cursos AP®

Actividad

Utilice papel de construcción y otros materiales artísticos para crear su propio diagrama de la cadena de transporte de electrones (ETC). Asegúrese de incluir todas las partes de la cadena de transporte de electrones, así como los propios electrones, NAD + y NADH, y oxígeno. En su diagrama, etiquete todas las partes del ETC que transfieren la energía libre de los electrones a otra forma. Luego, usa tu modelo para hacer predicciones sobre cada uno de los siguientes. Luego, comparta sus respuestas con la clase.


Ver el vídeo: Πέτρος Ζωγράφος: Γεννήτρια μετατρέπει τη βαρυτική ενέργεια σε ηλεκτρική (Enero 2022).