Rozpuszczanie metalu Me Me+ + e- Na granicy metal-elektrolit zachodzą dwa procesy: -przechodzenie atomóww postaci jonów z metalu do roztworu -równocześnie wydzielanie się z roztworu kationów na powierzchni metali, w postaci atomów.

Metal zanurzony w roztworze swoich jonów ma tendencję do wysyłania swoich kationów do roztworu. W wyniku tego procesu na granicy metal-elektrolit powstaje skok potencjału elektroda metaliczna ładuje się do pewnego potencjałuzwany potencjałem elektrodowym . Veo - potencjał normalny tj. potencjał elektrody zanurzonej w roztworze o stężeniu kationów równym 1 mol/dm3, R - stała gazowa, F - stała Faradaya, T - temperatura bezwzględna, z - wartościowość.

Zmiana entalpii swobodnej DG podczas reakcji w której zachodzi przepływ elektronów jest pracą nieobjętościową i może być wyrażona jako iloczyn napięcie i ładunku. na przykład procesy oksydo-redukcyjne zachodzące na elektrodach. DG = -nE = - n F E n – liczba moli elektronów E – siła elektromotoryczna ogniwa F = eNA – stała Faradaya 96485 C/mol DG (kJ) = -96485 n E (1 mol elektronów porusza się w polu elektrycznym 1 V/cm) 3

Komórka w równowadze termodynamicznej Komórka w stanie stacjonarnym Kanał jonowy jony Cl- i K+ tak muszą się rozłożyć aby ich gradienty stężeń były równe i miały przeciwne kierunki co prowadzi do równowagi Donana -tylko jon Cl- jest blisko równowagi Nernsta -jony Na+ i K+ przechodzą przez membranę -pompa jonowa Na+/K+ utrzymują równowagę -komórka zużywa energię na działanie pomp 4

Komórka w równowadze osmotycznej Zanurzamy komórkę do wody i ona pęka gdyż następuje napływ wody do komórki ze względu na obecność jonu A-. Aby doprowadzić do równowagi osmotycznej musimy wprowadzić po zewnętrznej stronie inny jon, który nie może przekroczyć membrany, np.. Na+ -jony A- nie przechodzą przez membranę -jony K+ przechodzą przez membranę w wyniku dyfuzji -gradient stężenia K+ powoduje przepływ strumienia K+ -przepływ jonów K+ powoduje powstanie gradientu potencjału elektrycznego -nadmiar ładunku ujemnego powstaje tam skąd odpłynęły jony K+ -gradienty elektrostatyczny i stężeniowy wykazują przeciwne działanie -gdy się wyrównają układ znajdzie się w równowadze czyli nie jest wymagana praca aby utrzymać taki stan 5

Potencjał Donana Rozważmy naczynie przedzielone półprzepuszczalną membraną. W jednej części naczynia znajduje się mała ilość soli sodowej białka a po drugiej stronie membrany jest rozpuszczony chlorek sodu, co przedstawia rysunek. Początkowy brak jonów chloru Cl- w lewej części naczynia powoduje ich dyfuzję z prawej strony na lewą, ponieważ membrana jest nieprzepuszczalna tylko dla białka. W wyniku dyfuzji jonów chloru do lewej części przechodzą również jony sodu gdyż wymaga tego warunek zachowania elektrycznej neutralności. W przypadku gdyby przez membranę przechodziły wyłącznie jony chloru to roztwór po lewej stronie naładowałby się ujemnie i dalszy ruch ujemnych jonów chloru byłby niemożliwy, co zatrzymałoby proces dyfuzji. Tak więc do lewego naczynia przechodzą jednocześnie jony chloru i sodu. Trwa to tak długo dopóki nie wyrówna się potencjał chemiczny chlorku sodu po obydwu stronach membrany.

mLNa+ mLCl- = mPNa+ mPCl- mLNaCl = mPNaCl Ponieważ NaCl jest całkowicie zdysocjowany możemy napisać mLNa+ + mLCl- = mPNa+ + mPCl- Pamiętając o tym, że potencjał chemiczny roztworu zależy od stężenia mr = m0 + RT ln xr, gdzie: x to ułamek molowy, po podstawieniu i kolejnych przekształceniach otrzymamy wyrażenie opisujące warunek równowagi w układzie, mLNa+ mLCl- = mPNa+ mPCl- który można zapisać w innej postaci jako: mLNa+ / mPNa+ = mPCl- / mLCl-

Oznacza to, że iloczyn stężeń jonów przeciwnych znaków po obydwu stronach membrany musi być jednakowy. Zauważmy, że zapis ten różni się od wyjściowego warunku równości potencjałów chemicznych chlorku sodu po obydwu stronach membrany. W stanie końcowym w lewym naczyniu pojawi się nadwyżka ładunku dodatniego pochodzącego od jonów sodu, gdyż do neutralnego na początku lewego naczynia przeszły jony sodu z prawego naczynia. Oznacza to, że bilans ładunku dodatniego jest dodatni podczas gdy ładunek wypadkowy po prawej wynosi zero. Z termodynamicznego punktu widzenia dla roztworu korzystniejsze jest przeprowadzenie samorzutnego zjawiska jakim jest dyfuzja niż wydatkowanie energii na utrzymanie rozdziału bądź przenoszenie ładunków elektrycznych przeciwko polu elektrycznemu.

Przykład. Początkowe stężenie [Na4P-4] wynosi 10-3 M , a stężenie [NaCl] po prawej stronie membrany wynosi 10-2 M. Oblicz końcowe stężenia składników. Oznaczymy stężenie jonów chloru Cl, które przeszły na lewą stronę jako x wtedy pozostałe stężenia wynoszą odpowiednio [Na+]L = 4 10-3 + x [Na+]P = 10-2 –x [Cl-]L = x [Cl-]P = 10-2 – x Korzystając z równania na warunek równowagi Donana otrzymujemy: (4 10-3 + x)/(10-2 –x) = (10-2 –x) / x skąd x = 4.17 10-3 M [Na+]L = 8.17 10-3 [Na+]P = 5.83 10-3 [Cl-]L = 4.17 10-3 [Cl-]P = 5.83 10-3 Obliczenia pokazują obecność nadmiarowego ładunku dodatniego w lewej części układu zarówno w stosunku do jonów sodu w prawym naczyniu jak i w stosunku do jonów chloru w lewym naczyniu.

W = e2/8pe0a {1/e1 - 1/e2} - e2/4pe0 e2d ln{2e1/(e1 + e2)} Transfer jonów przez membranę Przewodzenie jonów przez medium jest zależne od: stężenia przewodnictwa elektrycznego ośrodka e odległości d rozmiaru jonu (przekroju poprzecznego) a Dokładnie zależności te określa równanie Borna. W = e2/8pe0a {1/e1 - 1/e2} - e2/4pe0 e2d ln{2e1/(e1 + e2)} Określa ono ilość energii W potrzebną do przeniesienia jednowartościowego, sferycznego, niepolaryzowalnego jonu o ładunku e z fazy wodnej o stałej dielektrycznej e1 do środka dwuwarstwy lipidowej posiadającej stałą dielektryczną e2 o grubości d

Powstawanie potencjału czynnościowego Potencjał równowagi dla Na+ Czas, ms Potencjał membranowy (mV) Przewodnictwo Na+ Próg działania Przewodnictwo K+ Kanały zewnątrz wewnątrz dla K+ A - potencjał membranowy B - wyłączona pompa jonowa napływ jonów Na+ do wnętrza C - dalszy napływ jonów Na+ wyłącza się pompa jonowa K+ wypływ jonów K+ na zewnątrz D - włącza się pompa jonów Na+ dalszy wypływ jonów K+ E - zmniejsza się stężenie Na+ wewnątrz komórki, dalszy wypływ jonów K+ na zewnątrz Przewodnictwo (m mOHm/cm2) F - jony Na+ prawie wszystkie na zewnątrz; włącza się pompa jonowa dla K+ G - powrót do stanu równowagi przed wzbudzeniem

Elektroforeza Ruch elektrycznie naładowanej substancji rozpuszczonej pod wpływem zewnętrznej różnicy potencjałów. Zależy od - ładunku cząsteczki (znaku i wartości), - rozmiaru - szybkości dyfuzji. Większość biomolekuł posiada dużą liczbę labilnych protonów o różnych wartościach pKa co oznacza, że w zależności od pH molekuła może być neutralna lub też posiadać ładunek elektryczny. Jeżeli molekuła jest naładowana to pod wpływem pola elektrycznego będzie się ona przesuwać.

Zależność pomiędzy siłą, prędkością i środowiskiem Cząsteczka o masie m i ładunku q w polu elektrycznym E porusza się ruchem przyśpieszonym z przyśpieszeniem a. m a = q E W roztworze podczas ruchu cząsteczka podlega również działaniu siły tarcia f proporcjonalnej do prędkości v. m a = q E – f v Po włączeniu pola elektrycznego cząsteczka przyśpiesza tak długo dopóki nie zostanie osiągnięta końcowa czyli gdy pojawi się równowaga pomiędzy siłą tarcia a siła napędową tego ruchu czyli natężeniem pola elektrycznego. Warunek ten pozwala obliczyć końcową stałą prędkość z jaką w danych warunkach porusza się cząsteczka w roztworze. vk = qE/ f

Z punktu widzenia mikroskopowego zjawisko to wynika z faktu, iż naładowana cząsteczka podczas swego ruchu wchodzi w wiele zderzeń i innymi cząsteczkami. W zależności od warunków otoczenia różne będą czas pomiędzy kolejnymi zderzeniami oraz droga przebyta między zderzeniami. Wprowadzimy pojęcie ruchliwość jonu u związane z natężeniem pola elektrycznego E i współczynnika dyfuzji D. u = q D / kT lub f = kT / D Dwa zjawiska. - dyfuzja z cienkiej warstwy o dużym stężeniu opisana równaniem dyfuzji dm/dt = -D grad c. - przepływ jonów pod wpływem pola elektrycznego opisany równaniem dm/dt = u E c . Analiza tych zjawisk prowadzi do wniosku, że dyfuzja i ruch jonów są procesami niezależnymi.

Drogę d przebytą po czasie t od włączenia pola przez jon pod wpływem pola elektrycznego E można opisać wzorem: da – db = va t – vb t = (ua – ub) E t Wzór ten pokazuje liniową zależność pomiędzy drogą przebytą w żelu a ruchliwością molekuły a ta jest związana z masą cząsteczkową. Zależność ta została wykorzystana do obliczania masy cząsteczkowej makromolekuł. Żel jest stosowany w celu ograniczenia dyfuzji i ma zapobiegać mieszaniu się rozdzielonych molekuł.

Metoda elektroforezy dwuwymiarowej - duża m. cz. mała + I etap II etap

Wyniki elektroforezy białka Oznacza masy cząsteczkowe białek

Zastosowanie elektroforezy do sekwencjonowania DNA Odpowiednie enzymy tną DNA przy określonych zasadach. Przyłączone sondy promieniotwórcze lub fluorescencyjne określają kolejność położenia na żelu