Maklumat

Adakah terdapat perbezaan antara hidrogen akseptor dan hidrogen pembawa?


Seperti yang telah saya pelajari, pembawa hidrogen (NAD + dan FAD) mendapat H (H + dan e-) dari gliseraldehid 3 fosfat dehidrogenase atau Pyruvate dehydrogenase, dan kemudian mengangkut H ke kitaran pengangkutan elektron.

Adakah NAD + dan FAD bertindak sebagai akseptor hidrogen, pembawa hidrogen, akseptor elektron, dan pembawa elektron?

Adakah ini bermaksud hidrogen akseptor = hidrogen pembawa = elektron akseptor = pembawa elektron?


Sebenarnya, kedua-dua NAD dan FAD menerima a ion hidrida, H $ ^ - $ (proton dengan dua elektron), bukan atom hidrogen (proton dengan satu elektron). Atas sebab ini, saya sama sekali tidak menyebut NAD atau FAD sebagai "penerima hidrogen" atau "pembawa hidrogen". Ia hanya membingungkan. (Saya rasa anda boleh memanggil mereka "penerima hidrida" jika anda mahu, tetapi ini bukan istilah biasa.)

"Penerima elektron" adalah nama yang tepat untuk NAD dan FAD ketika membincangkan reaksi redoks di mana mereka sebenarnya menerima elektron, dalam bentuk ion H $ ^ - $. Pyruvate dehydrogenase yang anda nyatakan adalah salah satu contohnya. Ini tidak unik bagi biologi, ini adalah terminologi kimia standard: mana-mana molekul yang menerima elektron dalam tindak balas redoks disebut (pandai ;-) disebut akseptor elektron. Contohnya, oksigen adalah akseptor elektron dalam tindak balas pembakaran. Jadi "akseptor elektron" hanyalah nama untuk peranan molekul tersebut dalam tindak balas redoks.

"Pembawa elektron" merujuk kepada fakta bahawa NAD (dan juga NADP, dan quinones, dan beberapa sitokrom…) dapat membawa elektron antara reaksi yang berlaku di tempat yang berbeza. Sebagai contoh, setelah NAD mengambil ion H $ ^ - $ dalam tindak balas piruvat dehidrogenase untuk membentuk NADH, ia dapat membawa kedua elektron ke kompleks I di mana ia menyumbangkannya ke ubiquinone. (Dan di sini, NADH bertindak sebagai elektron penderma, sementara ubiquinone adalah penerima elektron.) Jadi istilah "pembawa" menekankan peranan pengangkutan molekul. FAD sebenarnya sedikit berbeza dalam hal ini, kerana tidak larut; ia adalah kumpulan prostetik yang terikat dengan enzim tertentu seperti Kompleks II, dan oleh itu ia tidak dapat membawa apa-apa di mana sahaja, atau sekurang-kurangnya tidak terlalu jauh. Jadi tepatnya, saya secara peribadi lebih suka tidak memanggil FAD sebagai pembawa. Tetapi mungkin itu hanya saya.


Biologi AP: Memahami Rantai Pengangkutan Elektron

Pernafasan sel bergantung pada atom berikut?

Dalam pernafasan sel, oksigen adalah akseptor elektron terakhir. Oksigen menerima elektron setelah mereka melalui rantai pengangkutan elektron dan ATPase, enzim yang bertanggungjawab untuk mencipta molekul ATP bertenaga tinggi. Hanya ingat selular pernafasan-pernafasan bermaksud bernafas, dan anda tidak boleh bernafas tanpa oksigen.

Contoh Soalan # 1: Memahami Rantai Pengangkutan Elektron

Antara molekul berikut, yang manakah merupakan akseptor elektron akhir dalam rantai pengangkutan elektron semasa respirasi sel?

Oksigen adalah akseptor elektron terakhir dalam rantai pengangkutan elektron, menunjukkan perlunya keadaan aerobik menjalani proses sedemikian. ATP dihasilkan sebagai produk rantai pengangkutan elektron, sementara glukosa dan CO2 berperanan dalam proses pernafasan sel sebelumnya.

Contoh Soalan # 1: Memahami Rantai Pengangkutan Elektron

Berapa banyak potensi ATP yang dapat dihasilkan apabila satu molekul gliseraldehid-3-fosfat dimasukkan melalui glikolisis?

Glyceraldehyde-3-fosfat ditukarkan menjadi 1,3-bisphosphoglycerate, dan satu NADH juga dihasilkan semasa langkah tersebut. NADH memasuki rantai pengangkutan elektron, dan oleh itu bernilai ATP. Biasanya, NADH bernilai kira-kira 2.5 ATP, NADH yang dihasilkan dalam glikolisis hanya bernilai 1.5 ATP kerana berharga 1 ATP untuk memindahkan NADH itu dari sitoplasma ke mitokondria. Jadi, pada langkah pertama ini, kita mempunyai 1.5 ATP.

Oleh kerana molekul tersebut terus bergerak menjadi piruvat, ia juga akan menghasilkan dua ATP secara langsung oleh itu, kita mempunyai jumlah bersih 3.5 ATP yang berpotensi.

Contoh Soalan # 2: Memahami Rantai Pengangkutan Elektron

Apa yang berlaku pada rantai pengangkutan elektron apabila oksigen tidak tersedia?

Fosforilasi oksidatif menggunakan sumber bahan bakar alternatif, seperti lemak

Fosforilasi oksidatif akan menghasilkan oksigen dari karbon dioksida yang ada

Fosforilasi oksidatif berhenti dan sel kembali menjadi penapaian selepas glikolisis

Fosforilasi oksidatif akan menggunakan karbon dioksida dan bukannya oksigen

Fosforilasi oksidatif dapat berterusan tanpa kesan yang ketara

Fosforilasi oksidatif berhenti dan sel kembali menjadi penapaian selepas glikolisis

Oksigen adalah akseptor elektron terakhir dalam rantai pengangkutan elektron, yang memungkinkan untuk fosforilasi oksidatif. Tanpa oksigen, elektron akan disandarkan, akhirnya menyebabkan rantai pengangkutan elektron terhenti. Ini akan menyebabkan produk glikolisis melalui proses fermentasi dan bukannya pergi ke kitaran asid sitrik. Tanpa oksigen, fosforilasi oksidatif (rantai pengangkutan elektron) tidak mungkin, tetapi fosforilasi tahap substrat (glikolisis) berterusan.

Contoh Soalan # 2: Memahami Rantai Pengangkutan Elektron

Sebilangan besar ATP yang dihasilkan dalam pernafasan selular berasal dari proses berikut?

Respirasi selular mengikuti tiga langkah, dalam keadaan aerobik. Glikolisis menghasilkan NADH dan menukar glukosa menjadi piruvat, sambil menghasilkan sejumlah kecil ATP melalui fosforilasi tahap substrat. Kitaran asid sitrik, atau kitaran Krebs, menggunakan piruvat untuk menghasilkan lebih banyak NADH dan FADH2. Ini NADH dan FADH2 molekul menyumbangkan elektron ke rantai pengangkutan elektron, yang digunakan untuk mengepam proton ke ruang intermembran mitokondria. Proton di ruang antara lapisan kemudian mengalir melalui sintase ATP untuk menghasilkan sejumlah besar ATP melalui fosforilasi oksidatif.

Contoh Soalan # 1: Memahami Rantai Pengangkutan Elektron

Mengapa oksigen penting untuk rantai pengangkutan elektron?

Ia adalah sebahagian daripada kecerunan chemiosmotic

Ini penting untuk mengangkut piruvat ke mitokondria

Ia berfungsi sebagai penerima elektron terminal

Ia berfungsi sebagai penderma elektron utama

Ia berfungsi sebagai penerima elektron terminal

Oksigen berfungsi sebagai penerima elektron terminal untuk rantai pengangkutan elektron. Elektron didermakan oleh molekul NADH dan melewati beberapa protein yang berlainan untuk menghasilkan kecerunan proton di ruang intermembran. Setelah mencapai protein akhir, elektron terikat dengan molekul oksigen untuk menghasilkan air. Tanpa oksigen, tidak ada tempat untuk elektron pergi setelah dipompa melalui rantai pengangkutan elektron, dan pernafasan sel aerobik tidak mungkin dilakukan.

Contoh Soalan # 85: Pernafasan Selular

Antara proses berikut, yang manakah memerlukan akseptor elektron?

Rantai pengangkutan elektron memerlukan akseptor elektron oksigen

Glikolisis memerlukan akseptor elektron nitrogen

Kitaran asid sitrik memerlukan akseptor elektron oksigen

Rantai pengangkutan elektron memerlukan akseptor elektron nitrogen

Rantai pengangkutan elektron memerlukan akseptor elektron oksigen

Oksigen bertindak sebagai penerima elektron terminal dalam rantai pengangkutan elektron (ETC). Ini menjelaskan sebab mengapa, apabila sel-sel kekurangan oksigen, ETC "mundur" dan sel akan beralih menggunakan pernafasan anaerob, seperti fermentasi. Pada akhir rantai pengangkutan elektron, elektron dan proton disalurkan ke molekul oksigen untuk menghasilkan air.

Kitaran asid sitrik bergantung kepada oksigen dalam pengertian tidak langsung. Tujuan utama kitaran ini adalah untuk menghasilkan penderma elektron untuk rantai pengangkutan elektron. Sekiranya rantai tidak berfungsi (kerana kekurangan oksigen), kitaran asid sitrik juga berhenti berfungsi. Glikolisis tidak bergantung pada oksigen, dan dapat berfungsi di lingkungan anaerobik.

Contoh Soalan # 1: Memahami Rantai Pengangkutan Elektron

Sebatian kimia 2,4-dinitrophenol dapat mengganggu proses fosforilasi oksidatif dalam rantai pengangkutan elektron mitchondrial dengan menyebabkan kesan yang mana?

Mengikat pembawa nukleotida

Mengeluarkan subunit F0 dari kompleks synthase ATP

Penyebaran kecerunan proton

Penyebaran kecerunan proton

Dalam sintesis ATP, kecerunan proton adalah bentuk tenaga yang boleh ditukar dalam pengangkutan elektron. 2,4-dinitrophenol adalah penghambat pengeluaran ATP dalam sel dengan mitokondria. Mekanisme tindakannya melibatkan membawa proton melintasi membran mitokondria, yang membawa kepada penggunaan tenaga tanpa pengeluaran ATP.

Pilihan jawapan yang lain tidak berkaitan langsung dengan generasi kecerunan proton.

Contoh Soalan # 3: Memahami Rantai Pengangkutan Elektron

Sekiranya pernafasan selular 100% cekap, prosesnya akan menghasilkan sekitar lapan puluh ATP, namun hasil sebenarnya adalah sekitar tiga puluh ATP. Apa yang berlaku dengan sisa tenaga kimia dalam glukosa?

Ia digunakan untuk membuat air dari ion hidrogen dan oksigen

Ia dibebaskan sebagai karbon dioksida dan air

Ia ditukar menjadi kanji

Pernafasan sel hanya sekitar 38% cekap, dengan selebihnya tenaga dalam glukosa hilang sebagai haba.

Air dan karbon dioksida tidak digunakan untuk menyimpan tenaga. Lemak dapat disintesis dari asetil CoA dan gliserol, tetapi umumnya tidak dihasilkan dalam jumlah besar semasa pernafasan sel. Pati umumnya digunakan untuk penyimpanan tenaga pada tanaman, tetapi dapat disintesis dari glukosa namun, pati bukanlah produk standard pernafasan sel.

Sebilangan besar reaksi dalam pernafasan sel adalah eksotermik, untuk menyokong reaksi spontan. Hasilnya adalah pembebasan tenaga haba dengan kebanyakan langkah.

Contoh Soalan # 1: Memahami Rantai Pengangkutan Elektron

Sepanjang struktur apa elektron dalam rantai pengangkutan elektron (ETC) bergerak?

Membran luar mitokondria

Membran dalaman mitokondria

Membran dalaman mitokondria

Kejadian rantaian pengangkutan elektron berlaku pada membran dalaman mitokondria. Protein transmembran yang digunakan untuk mengasingkan elektron melalui rantai pengangkutan elektron tertanam pada membran dalam. Elektron disumbangkan ke protein ini dan digunakan untuk memindahkan proton ke ruang intermembran dari matriks. Setelah mencapai protein membran dalaman akhir dalam rantai, elektron dipindahkan ke oksigen untuk membentuk air.

Matriks mitokondria adalah di mana ATP akhirnya disintesis, dan juga tapak kitaran asid sitrik. Sitoplasma adalah tempat glikolisis. Membran mitokondria luar tidak terlibat secara langsung dalam pernafasan selular.

Semua Sumber AP Biologi

Laporkan masalah dengan soalan ini

Sekiranya anda menemui masalah dengan soalan ini, beritahu kami. Dengan bantuan masyarakat kita dapat terus meningkatkan sumber pendidikan kita.


Biologi 171

Pada akhir bahagian ini, anda akan dapat melakukan perkara berikut:

  • Terangkan bagaimana tumbuhan menyerap tenaga dari cahaya matahari
  • Terangkan panjang gelombang cahaya dan pendek
  • Terangkan bagaimana dan di mana fotosintesis berlaku di dalam kilang

Bagaimana tenaga cahaya boleh digunakan untuk membuat makanan? Apabila seseorang menghidupkan lampu, tenaga elektrik menjadi tenaga cahaya. Seperti semua bentuk tenaga kinetik yang lain, cahaya dapat bergerak, berubah bentuk, dan dimanfaatkan untuk melakukan kerja. Sekiranya fotosintesis, tenaga cahaya diubah menjadi tenaga kimia, yang digunakan oleh photoautotrophs untuk membina molekul karbohidrat asas ((Gambar)). Walau bagaimanapun, autotrof hanya menggunakan beberapa panjang cahaya matahari tertentu.


Apakah Tenaga Cahaya?

Matahari memancarkan sejumlah besar radiasi elektromagnetik (tenaga suria dalam spektrum dari sinar gamma yang sangat pendek hingga gelombang radio yang sangat panjang). Manusia hanya dapat melihat sebilangan kecil tenaga ini, yang kita sebut sebagai "cahaya yang dapat dilihat." Cara perjalanan tenaga suria digambarkan sebagai gelombang. Para saintis dapat menentukan jumlah tenaga gelombang dengan mengukur panjang gelombang (panjang gelombang yang lebih pendek lebih kuat daripada panjang gelombang yang lebih panjang) - jarak antara titik puncak gelombang berturut-turut. Oleh itu, gelombang tunggal diukur dari dua titik berturut-turut, seperti dari puncak ke puncak atau dari palung ke palung ((Gambar)).


Cahaya yang dapat dilihat hanyalah satu daripada banyak jenis sinaran elektromagnetik yang dipancarkan dari matahari dan bintang-bintang lain. Para saintis membezakan pelbagai jenis tenaga terpancar dari matahari dalam spektrum elektromagnetik. Spektrum elektromagnetik adalah julat semua kemungkinan frekuensi radiasi ((Gambar)). Perbezaan antara panjang gelombang berkaitan dengan jumlah tenaga yang dibawa oleh mereka.


Setiap jenis sinaran elektromagnetik bergerak pada panjang gelombang tertentu. Semakin lama panjang gelombang, semakin sedikit tenaga yang dibawanya. Gelombang pendek dan ketat membawa tenaga paling banyak. Ini mungkin kelihatan tidak logik, tetapi fikirkannya dari segi tali yang berat. Diperlukan sedikit usaha oleh seseorang untuk menggerakkan tali dalam gelombang panjang dan lebar. Untuk membuat tali bergerak dalam gelombang pendek dan ketat, seseorang perlu menggunakan lebih banyak tenaga.

Spektrum elektromagnetik ((Gambar)) menunjukkan beberapa jenis sinaran elektromagnetik yang berasal dari matahari, termasuk sinar-X dan sinar ultraviolet (UV). Gelombang tenaga yang lebih tinggi dapat menembusi tisu dan merosakkan sel dan DNA, yang menjelaskan mengapa sinar-X dan sinar UV boleh membahayakan organisma hidup.

Penyerapan Cahaya

Tenaga cahaya memulakan proses fotosintesis apabila pigmen menyerap panjang gelombang cahaya yang dapat dilihat. Pigmen organik, sama ada di retina manusia atau thylakoid kloroplas, mempunyai tahap tahap tenaga yang sempit yang dapat mereka serap. Tahap tenaga yang lebih rendah daripada yang ditunjukkan oleh lampu merah tidak mencukupi untuk menaikkan elektron orbit ke keadaan teruja (kuantum). Tahap tenaga yang lebih tinggi daripada cahaya biru secara fizikal akan merobek molekul, dalam proses yang disebut pemutihan. Pigmen retina kita hanya dapat "melihat" (menyerap) panjang gelombang antara 700 nm dan 400 nm cahaya, spektrum yang oleh itu disebut cahaya tampak. Atas sebab yang sama, tumbuhan, molekul pigmen hanya menyerap cahaya dalam julat panjang gelombang 700 nm hingga 400 nm ahli fisiologi tumbuhan merujuk kepada julat ini untuk tumbuhan sebagai sinaran aktif secara fotosintesis.

Cahaya yang dilihat oleh manusia sebagai cahaya putih sebenarnya wujud dalam pelangi warna. Objek tertentu, seperti prisma atau setetes air, menyebarkan cahaya putih untuk menampakkan warna ke mata manusia. Bahagian cahaya yang dapat dilihat dari spektrum elektromagnetik menunjukkan pelangi warna, dengan ungu dan biru mempunyai panjang gelombang yang lebih pendek, dan oleh itu tenaga yang lebih tinggi. Di hujung spektrum yang lain ke arah merah, panjang gelombang lebih panjang dan mempunyai tenaga yang lebih rendah ((Gambar)).


Memahami Pigmen

Terdapat pelbagai jenis pigmen, dan masing-masing hanya menyerap panjang gelombang tertentu (warna) cahaya yang dapat dilihat. Pigmen mencerminkan atau mengirimkan panjang gelombang yang tidak dapat mereka serap, menjadikannya muncul campuran warna cahaya yang dipantulkan atau dipancarkan.

Klorofil dan karotenoid adalah dua kelas utama pigmen fotosintetik yang terdapat pada tumbuhan dan alga setiap kelas mempunyai pelbagai jenis molekul pigmen. Terdapat lima klorofil utama: a, b, c dan d dan molekul berkaitan yang terdapat dalam prokariota yang disebut bakterioklorofil. Klorofil a dan klorofil b terdapat dalam kloroplas tumbuhan yang lebih tinggi dan akan menjadi tumpuan perbincangan berikut.

Dengan puluhan bentuk yang berbeza, karotenoid adalah kumpulan pigmen yang jauh lebih besar. Karotenoid yang terdapat pada buah — seperti merah tomato (likopena), kuning biji jagung (zeaxanthin), atau jeruk kulit jeruk (β-karoten) —digunakan sebagai iklan untuk menarik penyebar biji. Dalam fotosintesis, karotenoid berfungsi sebagai pigmen fotosintetik yang merupakan molekul yang sangat efisien untuk pembuangan tenaga berlebihan. Apabila daun terkena sinar matahari penuh, reaksi bergantung cahaya diperlukan untuk memproses sejumlah besar tenaga jika tenaga itu tidak ditangani dengan baik, ia dapat menyebabkan kerosakan yang besar. Oleh itu, banyak karotenoid berada dalam membran thylakoid, menyerap tenaga berlebihan, dan membuang tenaga dengan selamat sebagai haba.

Setiap jenis pigmen dapat dikenal pasti dengan corak panjang gelombang tertentu yang diserapnya dari cahaya yang dapat dilihat: Ini disebut spektrum penyerapan. Grafik dalam (Rajah) menunjukkan spektrum penyerapan klorofil a, klorofil b, dan sejenis pigmen karotenoid yang disebut β-karoten (yang menyerap cahaya biru dan hijau). Perhatikan bagaimana setiap pigmen mempunyai set puncak dan palung yang berbeda, menunjukkan corak penyerapan yang sangat spesifik. Klorofil a menyerap panjang gelombang dari kedua hujung spektrum yang kelihatan (biru dan merah), tetapi tidak hijau. Kerana hijau dipantulkan atau dihantar, klorofil kelihatan hijau. Karotenoid menyerap di kawasan biru panjang gelombang pendek, dan mencerminkan panjang gelombang kuning, merah, dan oren yang lebih panjang.


Banyak organisma fotosintesis mempunyai campuran pigmen, dan dengan menggunakan pigmen ini, organisma dapat menyerap tenaga dari jarak panjang gelombang yang lebih luas. Tidak semua organisma fotosintetik mempunyai akses penuh ke cahaya matahari. Beberapa organisma tumbuh di bawah air di mana intensiti dan kualiti cahaya menurun dan berubah dengan kedalaman. Organisma lain tumbuh dalam persaingan cahaya. Tumbuhan di lantai hutan hujan mesti dapat menyerap sedikit cahaya yang keluar, kerana pokok yang lebih tinggi menyerap sebahagian besar cahaya matahari dan menyebarkan sisa sinaran matahari ((Gambar)).


Semasa mengkaji organisma fotosintetik, saintis dapat menentukan jenis pigmen yang ada dengan menghasilkan spektrum penyerapan. Alat yang disebut spektrofotometer dapat membezakan panjang gelombang cahaya yang dapat diserap oleh suatu bahan. Spektrofotometer mengukur cahaya yang dihantar dan menghitung penyerapan daripadanya. Dengan mengekstrak pigmen dari daun dan memasukkan sampel ini ke dalam spektrofotometer, para saintis dapat mengenal pasti panjang gelombang cahaya yang dapat diserap oleh organisma. Kaedah tambahan untuk mengenal pasti pigmen tumbuhan merangkumi pelbagai jenis kromatografi yang memisahkan pigmen dengan pertalian relatifnya dengan fasa pepejal dan bergerak.

Bagaimana Reaksi Bergantung Cahaya Berfungsi

Fungsi keseluruhan tindak balas bergantung cahaya adalah untuk menukar tenaga suria menjadi tenaga kimia dalam bentuk NADPH dan ATP. Tenaga kimia ini menyokong tindak balas bebas cahaya dan mendorong pemasangan molekul gula. Tindak balas bergantung cahaya digambarkan dalam (Rajah). Kompleks protein dan molekul pigmen bekerjasama untuk menghasilkan NADPH dan ATP. Penomboran sistem fotos berasal dari urutan penemuannya, bukan dalam urutan pemindahan elektron.


Langkah sebenarnya yang mengubah tenaga cahaya menjadi tenaga kimia berlaku di kompleks multiprotein yang disebut fotosistem, dua jenisnya terdapat dalam membran thylakoid: fotosistem II (PSII) dan fotosistem I (PSI) ((Gambar)). Kedua kompleks berbeza berdasarkan apa yang mereka mengoksidakan (iaitu sumber bekalan elektron tenaga rendah) dan apa yang mereka mengurangkan (tempat di mana mereka menyampaikan elektron bertenaga mereka).

Kedua-dua sistem fotos mempunyai struktur asas yang sama sejumlah protein antena di mana molekul klorofil terikat mengelilingi pusat tindak balas di mana fotokimia berlaku. Setiap sistem fotos dilayani oleh kompleks penuai cahaya, yang mengalirkan tenaga dari cahaya matahari ke pusat tindak balas yang terdiri daripada pelbagai protein antena yang mengandungi campuran 300 hingga 400 klorofil a dan b molekul serta pigmen lain seperti karotenoid. Penyerapan foton tunggal atau kuantiti yang berbeza atau "paket" cahaya oleh mana-mana klorofil mendorong molekul itu ke keadaan teruja. Ringkasnya, tenaga cahaya kini ditangkap oleh molekul biologi tetapi belum disimpan dalam bentuk berguna. Tenaga dipindahkan dari klorofil ke klorofil sehingga akhirnya (setelah kira-kira sepersejuta saat), ia dihantar ke pusat tindak balas. Hingga tahap ini, hanya tenaga yang dipindahkan antara molekul, bukan elektron.


Apakah sumber elektron awal untuk rantai pengangkutan elektron kloroplas?

Pusat tindak balas mengandungi sepasang klorofil a molekul dengan harta khas. Kedua klorofil tersebut dapat mengalami pengoksidaan semasa pengujaan, mereka sebenarnya dapat melepaskan elektron dalam proses yang disebut photoact. Pada tahap ini di pusat tindak balas semasa fotosintesis, tenaga cahaya diubah menjadi elektron teruja. Semua langkah seterusnya melibatkan membawa elektron ke pembawa tenaga NADPH untuk dihantar ke kitaran Calvin di mana elektron disimpan ke karbon untuk simpanan jangka panjang dalam bentuk karbohidrat. PSII dan PSI adalah dua komponen utama rantai pengangkutan elektron fotosintetik, yang juga merangkumi kompleks sitokrom. Kompleks sitokrom, enzim yang terdiri daripada dua kompleks protein, memindahkan elektron dari molekul pembawa plastoquinone (Pq) ke protein plastocyanin (Pc), sehingga memungkinkan pemindahan proton melintasi membran thylakoid dan pemindahan elektron dari PSII ke PSI.

Pusat tindak balas PSII (disebut P680) menyampaikan elektron bertenaga tinggi, satu demi satu, kepada penerima elektron utama, dan melalui rantai pengangkutan elektron (Pq ke kompleks sitokrom ke plastosianin) ke PSI. Elektron P680 yang hilang digantikan dengan mengeluarkan elektron bertenaga rendah dari air sehingga, air "terbelah" semasa fotosintesis tahap ini, dan PSII dikurangkan semula setelah setiap photoact. Membelah satu H2Molekul O membebaskan dua elektron, dua atom hidrogen, dan satu atom oksigen. Walau bagaimanapun, pemisahan dua molekul diperlukan untuk membentuk satu molekul diatomik O2 gas. Kira-kira 10 peratus oksigen digunakan oleh mitokondria dalam daun untuk menyokong fosforilasi oksidatif. Selebihnya melarikan diri ke atmosfer di mana ia digunakan oleh organisma aerobik untuk menyokong pernafasan.

Semasa elektron bergerak melalui protein yang berada di antara PSII dan PSI, mereka kehilangan tenaga. Tenaga ini digunakan untuk memindahkan atom hidrogen dari sisi stromal membran ke lumen thylakoid. Atom hidrogen tersebut, ditambah dengan atom yang dihasilkan dengan membelah air, terkumpul dalam lumen thylakoid dan akan digunakan untuk mensintesis ATP pada langkah selanjutnya. Oleh kerana elektron telah kehilangan tenaga sebelum tiba di PSI, mereka mesti diaktifkan semula oleh PSI, oleh itu, foton lain diserap oleh antena PSI. Tenaga itu dihantar ke pusat tindak balas PSI (disebut P700). P700 dioksidakan dan menghantar elektron bertenaga tinggi ke NADP + untuk membentuk NADPH. Oleh itu, PSII menangkap tenaga untuk membuat kecerunan proton untuk membuat ATP, dan PSI menangkap tenaga untuk mengurangkan NADP + menjadi NADPH. Kedua-dua sistem fotos berfungsi secara bersamaan, sebahagiannya, untuk menjamin bahawa pengeluaran NADPH hampir sama dengan pengeluaran ATP. Mekanisme lain ada untuk menyesuaikan nisbah itu agar sesuai dengan keperluan tenaga kloroplas yang sentiasa berubah.

Menjana Pembawa Tenaga: ATP

Seperti di ruang intermembran mitokondria semasa respirasi sel, penumpukan ion hidrogen di dalam lumen thylakoid menimbulkan kecerunan kepekatan. Penyebaran pasif ion hidrogen dari kepekatan tinggi (dalam lumen thylakoid) ke kepekatan rendah (dalam stroma) dimanfaatkan untuk mewujudkan ATP, sama seperti dalam rangkaian pengangkutan elektron respirasi sel. Ion membina tenaga kerana penyebaran dan kerana mereka semua mempunyai muatan elektrik yang sama, saling menghalau satu sama lain.

Untuk melepaskan tenaga ini, ion hidrogen akan mengalir melalui bukaan apa pun, mirip dengan air yang mengalir melalui lubang di empangan. Dalam thylakoid, pembukaan itu adalah jalan melalui saluran protein khusus yang disebut ATP synthase. Tenaga yang dikeluarkan oleh aliran ion hidrogen membolehkan sintase ATP melampirkan kumpulan fosfat ketiga ke ADP, yang membentuk molekul ATP ((Gambar)). Aliran ion hidrogen melalui ATP synthase disebut chemiosmosis kerana ion bergerak dari kawasan tinggi ke kawasan berkepekatan rendah melalui struktur semi-telap tylakoid.

Lihat Fotosintesis: Reaksi Cahaya (Animasi kilat) untuk mengetahui lebih lanjut mengenai proses fotosintesis dalam daun.

Ringkasan Bahagian

Pigmen bahagian pertama fotosintesis, tindak balas yang bergantung pada cahaya, menyerap tenaga dari cahaya matahari. Foton menyerang pigmen antena fotosistem II untuk memulakan fotosintesis. Tenaga bergerak ke pusat tindak balas yang mengandungi klorofil a dan kemudian ke rantai pengangkutan elektron, yang mengepam ion hidrogen ke bahagian dalam tiakakoid. Tindakan ini membina kepekatan ion hidrogen yang tinggi. Ion hidrogen mengalir melalui ATP synthase semasa chemiosmosis untuk membentuk molekul ATP, yang digunakan untuk pembentukan molekul gula pada tahap kedua fotosintesis. Fotosistem I menyerap foton kedua, yang menghasilkan pembentukan molekul NADPH, tenaga lain dan pembawa pengurangan untuk tindak balas bebas cahaya.

Sambungan Seni

(Rajah) Apakah sumber elektron untuk rantai pengangkutan elektron kloroplas?


Mengapa Ikatan Hidrogen Berarah?

Cadangan IUPAC baru-baru ini mengenai definisi ikatan hidrogen menunjukkan bahawa arah adalah ciri penentu ikatan hidrogen dan sudut X-H-Y secara amnya linear atau 180 ∘. Ini juga menunjukkan bahawa sudut X-H ⋯ Y lebih besar daripada 110 ∘ agar interaksi dicirikan sebagai ikatan hidrogen tetapi tidak memberikan alasan yang sama. Artikel ini melaporkan alasan untuk membatasi sudut, berdasarkan topologi ketumpatan elektron menggunakan teori kuantum atom dalam molekul. Topologi ketumpatan elektron untuk penderma ikatan hidrogen biasa HF, HCl, HBr, HNC, HCN dan HCCH dilaporkan dalam karya ini. Pengiraan ini membawa kepada pemerhatian yang menarik bahawa lembangan atom atom H dalam semua molekul penderma ini terbatas membenarkan pembatasan sudut ikatan hidrogen. Lebih-lebih lagi, analisis serupa pada beberapa kompleks ikatan hidrogen mengesahkan bahawa di luar sudut ini atom penerima Y mula berinteraksi dengan lembangan atom pada X. Walau bagaimanapun, kesimpulan berdasarkan panjang ikatan dan sudut harus diperlakukan dengan berhati-hati dan sebagaimana cadangan IUPAC menunjukkan bahawa 'bukti untuk pembentukan bon' bebas dalam setiap kes adalah penting.

Lembangan atom, dikira menggunakan teori AIM, dari HF / HCl / HBr menunjukkan bahawa atom akseptor A harus mendekati A-H-X & gt 110 untuk membentuk ikatan hidrogen dengan HX. Ini memberikan alasan untuk menetapkan had sudut ikatan hidrogen, yang selama ini menjadi amalan empirikal.


Menghasilkan hidrogen menggunakan tenaga yang lebih sedikit

Cara sebatian yang diilhami oleh alam menghasilkan hidrogen kini telah dijelaskan secara terperinci untuk pertama kalinya oleh pasukan penyelidik antarabangsa dari University of Jena, Jerman dan University of Milan-Bicocca, Itali. Penemuan ini adalah asas bagi pengeluaran hidrogen yang cekap tenaga sebagai sumber tenaga yang mampan.

Alam sebagai model

Terdapat mikroorganisma yang berlaku secara semula jadi yang menghasilkan hidrogen, menggunakan enzim khas yang disebut hidrogenase. "Apa yang istimewa mengenai hidrogenase ialah mereka menghasilkan hidrogen secara pemangkin. Tidak seperti elektrolisis, yang biasanya dilakukan secara industri menggunakan pemangkin platinum yang mahal, mikroorganisma menggunakan sebatian besi organometallic," jelas Prof Wolfgang Weigand dari Institut Kimia Anorganik dan Analitik di Universiti Jena di Jerman. "Sebagai sumber tenaga, hidrogen secara semula jadi sangat menarik. Itulah sebabnya kami ingin memahami dengan tepat bagaimana proses pemangkinan ini berlaku," tambahnya.

Pada masa lalu, sebilangan besar sebatian telah dihasilkan di seluruh dunia yang dimodelkan secara kimia pada hidrogenase yang berlaku secara semula jadi. Bekerjasama dengan universiti Milan, Weigand dan pasukannya di Jena kini telah menghasilkan kompaun yang telah menghasilkan pandangan baru mengenai proses pemangkinan.

"Seperti di alam, model kami didasarkan pada molekul yang mengandung dua atom besi. Namun, dibandingkan dengan bentuk semula jadi, kami mengubah lingkungan kimia besi dengan cara tertentu. Tepatnya, amina digantikan oleh fosfin oksida dengan sifat kimia yang serupa. Oleh itu, kami menghidupkan unsur fosforus. "

Maklumat terperinci mengenai pengeluaran hidrogen elektrokatalitik

Ini membolehkan Weigand dan pasukannya lebih memahami proses pembentukan hidrogen. Air terdiri daripada proton bermuatan positif dan ion hidroksida bermuatan negatif.

"Tujuan kami adalah untuk memahami bagaimana proton ini membentuk hidrogen. Namun, penderma proton dalam eksperimen kami bukanlah air, tetapi asid," kata Weigand. "Kami memerhatikan bahawa proton asid dipindahkan ke fosfin oksida dari sebatian kami diikuti dengan pelepasan proton ke salah satu atom besi. Proses serupa juga akan dijumpai dalam varian semula jadi molekul," tambahnya. Untuk mengimbangkan muatan positif proton dan akhirnya menghasilkan hidrogen, elektron bercas negatif diperkenalkan dalam bentuk arus elektrik. Dengan bantuan voltammetri siklik dan perisian simulasi yang dikembangkan di University of Jena, langkah-langkah individu di mana proton ini akhirnya dikurangkan menjadi hidrogen bebas diperiksa.

"Semasa percubaan, kami dapat melihat bagaimana gas hidrogen naik dari larutan dalam gelembung kecil," kata Weigand. "Data pengukuran eksperimen dari voltammetri siklik dan hasil simulasi kemudian digunakan oleh pasukan penyelidik di Milan untuk pengiraan kimia kuantum," tambah Weigand. "Ini membolehkan kami mencadangkan mekanisme yang masuk akal untuk bagaimana keseluruhan reaksi berlangsung secara kimia untuk menghasilkan hidrogen - dan ini untuk setiap langkah reaksi masing-masing. Ini belum pernah dilakukan sebelumnya dengan tahap ketepatan ini." Kumpulan itu menerbitkan hasil dan jalan reaksi yang dicadangkan dalam jurnal Pemangkin ACS.

Matlamat: hidrogen melalui tenaga suria

Berdasarkan penemuan ini, Weigand dan pasukannya sekarang ingin mengembangkan sebatian baru yang bukan sahaja dapat menghasilkan hidrogen dengan cara yang cekap tenaga, tetapi juga menggunakan sumber tenaga lestari untuk melakukannya.

"Matlamat Pusat Penyelidikan Kolaborasi Transregio 234 'CataLight', yang merupakan bagian dari penelitian ini, adalah penghasilan hidrogen dengan membelah air dengan penggunaan cahaya matahari," jelas Weigand. "Dengan pengetahuan yang diperoleh dari penyelidikan kami, kami sekarang berusaha merancang dan menyelidiki pemangkin baru berdasarkan hidrogenase, yang akhirnya diaktifkan menggunakan tenaga cahaya."


Bab 2: Asas Semikonduktor

Setelah kita membincangkan kepadatan keadaan dan fungsi pengedaran, kita mempunyai semua alat yang diperlukan untuk mengira kepadatan pembawa dalam semikonduktor.

2.6.1 Perbincangan am

Ketumpatan elektron dalam semikonduktor berkaitan dengan ketumpatan keadaan yang ada dan kebarangkalian bahawa setiap keadaan ini diduduki. Ketumpatan keadaan yang diduduki per unit isipadu dan tenaga, n (E),), hanyalah hasil ketumpatan keadaan dalam jalur konduksi, g c(E) dan fungsi kebarangkalian Fermi-Dirac, f (E), (juga disebut fungsi Fermi):

Oleh kerana lubang sesuai dengan keadaan kosong dalam pita valensi, kebarangkalian memiliki lubang sama dengan kebarangkalian keadaan tertentu tidak diisi, sehingga ketumpatan lubang per unit tenaga, p (E), sama dengan:

Di mana g v(E) adalah ketumpatan keadaan dalam jalur valensi. Ketumpatan pembawa kemudian diperoleh dengan mengintegrasikan ketumpatan pembawa per unit tenaga di atas semua kemungkinan tenaga dalam suatu pita. Ungkapan umum diturunkan serta penyelesaian analitik anggaran, yang berlaku untuk semikonduktor yang tidak merosot. Selain itu, kami juga menyajikan pendekatan Joyce-Dixon, penyelesaian perkiraan yang berguna ketika menggambarkan semikonduktor yang merosot.

Ketumpatan keadaan dalam semikonduktor diperoleh dengan menyelesaikan persamaan Schr dinger untuk zarah-zarah dalam semikonduktor. Daripada menggunakan potensi sebenar dan sangat kompleks dalam semikonduktor, kami menggunakan model partikel-in-a-box sederhana, di mana seseorang menganggap bahawa zarah bebas bergerak di dalam bahan.

Untuk elektron yang berkelakuan sebagai zarah bebas dengan jisim berkesan, m *, ketumpatan keadaan diturunkan dalam bahagian 2.4, menghasilkan:

di mana E c adalah bahagian bawah jalur konduksi di mana ketumpatan keadaan adalah sifar. Ketumpatan keadaan untuk lubang pada jalur valensi diberikan oleh:

2.6.2. Pengiraan kamiran Fermi

Ketumpatan pembawa dalam semikonduktor, diperoleh dengan mengintegrasikan produk ketumpatan keadaan dan fungsi ketumpatan kebarangkalian pada semua keadaan yang mungkin. Untuk elektron dalam jalur konduksi, kamiran diambil dari bahagian bawah jalur konduksi, berlabel, E c, ke bahagian atas jalur konduksi:

Di mana g c(E) adalah ketumpatan keadaan dalam jalur konduksi dan f (E) adalah fungsi Fermi.

Ungkapan umum ini digambarkan dengan Rajah 2.6.1 untuk ketumpatan parabola keadaan dengan E c = 0. Rajah menunjukkan ketumpatan fungsi keadaan, g c(E), fungsi Fermi, f (E), dan juga produk keduanya, yang merupakan ketumpatan elektron per unit isipadu dan per unit tenaga, n (E). Integral sepadan dengan kawasan crosshatch.

Rajah 2.6.1: Integriti ketumpatan pembawa. Yang ditunjukkan ialah ketumpatan keadaan, g c(E), ketumpatan per unit tenaga, n (E), dan kebarangkalian penghunian, f (E). Ketumpatan pembawa, n o, sama dengan kawasan bersilang.

Lokasi sebenar bahagian atas konduksi tidak perlu diketahui kerana fungsi Fermi menjadi sifar pada tenaga yang lebih tinggi. Oleh itu, had atas dapat digantikan oleh infiniti. Kami juga melabelkan kepadatan pembawa sebagai no untuk menunjukkan bahawa ketumpatan pembawa adalah ketumpatan pembawa dalam keseimbangan terma.

Dengan menggunakan persamaan (2.6.3) dan (2.5.1) kamiran ini menjadi:

Walaupun kamiran ini tidak dapat diselesaikan secara analitik pada suhu bukan sifar, kita dapat memperoleh penyelesaian berangka atau penyelesaian analitik yang hampir. Begitu juga untuk lubang yang diperoleh:

Pengiraan ketumpatan elektron dan lubang dalam semikonduktor digambarkan lebih jauh oleh Rajah 2.6.2.

Rajah 2.6.2: Ketumpatan keadaan dan ketumpatan pembawa dalam jalur konduksi dan valensi. Yang ditunjukkan ialah ketumpatan elektron dan lubang per unit tenaga, n (E) dan p (E), ketumpatan keadaan dalam jalur konduksi dan valensi, g c(E) dan g v(E) dan kebarangkalian penghunian, f (E). Kawasan palang menunjukkan ketumpatan elektron dan lubang.

Yang ditunjukkan pada gambar adalah ketumpatan keadaan dalam jalur konduksi dan valensi, fungsi pengedaran Fermi dan ketumpatan elektron dan lubang per unit tenaga. Kawasan melintang menunjukkan kepadatan pembawa keseimbangan terma. Dari rajah tersebut, seseorang dapat dengan mudah melihat bahawa ketumpatan elektron akan meningkat apabila tenaga Fermi meningkat. Ketumpatan lubang berkurang dengan peningkatan tenaga Fermi. Apabila tenaga Fermi menurun, ketumpatan elektron berkurang dan ketumpatan lubang meningkat.

2.6.2.1 Ketumpatan pembawa pada Kelvin sifar

Persamaan (2.6.7) dapat diselesaikan secara analitik pada T = 0 K, kerana fungsi Fermi pada T = 0 K sama dengan satu untuk semua tenaga di bawah tenaga Fermi dan 0 untuk semua tenaga yang lebih besar daripada tenaga Fermi. Oleh itu, persamaan (2.6.7) dapat dipermudahkan untuk:

Ungkapan ini dapat digunakan untuk menghitung kepadatan pembawa dalam semikonduktor yang sangat merosot yang disediakan kT E F - E c) > 0

Begitu juga pada lubang untuk lubang:

2.6.2.2 Semikonduktor yang tidak merosot

Semikonduktor bukan degenerasi didefinisikan sebagai semikonduktor yang mana tenaga Fermi berada sekurang-kurangnya 3 kT dari kedua-dua pinggir jalur. Sebab kami membatasi diri kepada semikonduktor yang tidak merosot adalah bahawa definisi ini membolehkan fungsi Fermi diganti dengan fungsi eksponen sederhana, iaitu fungsi pengedaran Maxwell-Boltzmann. Integrasi kepadatan pembawa kemudian dapat diselesaikan secara analitis menghasilkan:

di mana N c adalah ketumpatan berkesan negeri dalam jalur konduksi. Tenaga Fermi, EF , diperoleh dari:

Begitu juga untuk lubang, seseorang dapat menghitung bilangan ketumpatan lubang sebagai:

di mana N v adalah ketumpatan keadaan yang berkesan dalam jalur valensi. Tenaga Fermi, EF , diperoleh dari:

(2.6.18)

Ketumpatan berkesan negeri dalam jalur konduksi germanium sama dengan:

di mana jisim berkesan untuk ketumpatan negeri digunakan (Lampiran 3). Begitu juga dengan ketumpatan berkesan untuk silikon dan gallium arsenide dan pita valensi:

Perhatikan bahawa ketumpatan keadaan yang efektif bergantung pada suhu dan dapat diperoleh dari:

di mana N c(300 K) adalah ketumpatan berkesan negeri pada 300 K.

2.6.2.3 Menurunkan semikonduktor

Ungkapan anggaran yang berguna untuk semikonduktor degenerasi diperoleh oleh Joyce dan Dixon dan diberikan oleh:

Perbandingan pendekatan Joyce-Dixon ditunjukkan dalam Rajah 2.6.3.

Contoh 2.4Hitung ketumpatan berkesan keadaan dalam jalur pengaliran dan valensi germanium, silikon dan gallium arsenide pada 300 K.
Penyelesaian
Rajah 2.6.3: Ketumpatan pembawa (elektron) berbanding tenaga Fermi, untuk Ec = 0 eV. Perbandingan pendekatan Joyce Dixon untuk semikonduktor degenerasi dengan persamaan (2.6.13) yang berasal untuk semikonduktor bukan degenerasi, persamaan (2.6.11) yang berasal untuk T = 0 K dan penyelesaian berangka.

Dibandingkan adalah pendekatan Joyce Dixon dengan penyelesaian yang diperoleh untuk semikonduktor bukan degenerasi, persamaan (2.6.13), penyelesaian untuk integral Fermi pada Kelvin sifar, persamaan (2.6.11), dan penyelesaian berangka. Pendekatan Joyce Dixon mengikuti dengan teliti penyelesaian numerik untuk semua tenaga Fermi hingga 0.1 eV di luar tepi jalur konduksi, dan kepadatan pembawa di atas 10 20 cm -3. Penyelesaian suhu sifar sesuai dengan tenaga yang lebih tinggi dan kepadatan pembawa.

2.6.3. Semikonduktor intrinsik

Semikonduktor intrinsik adalah semikonduktor, yang tidak mengandungi kekotoran. Mereka mengandungi elektron dan juga lubang. Ketumpatan elektron sama dengan ketumpatan lubang kerana pengaktifan terma sebuah elektron dari pita valensi ke pita konduksi menghasilkan elektron bebas di jalur konduksi dan juga lubang bebas di pita valensi. Kami akan mengenal pasti lubang intrinsik dan ketumpatan elektron menggunakan simbol n i, dan menyebutnya sebagai ketumpatan pembawa intrinsik.

2.6.3.1 Ketumpatan pembawa intrinsik

Semikonduktor intrinsik biasanya tidak merosot, sehingga ungkapan untuk ketumpatan elektron (2.6.12) dan lubang (2.6.14) pada semikonduktor bukan degenerasi berlaku. Melabelkan tenaga Fermi bahan intrinsik sebagai E i, kita kemudian dapat menulis dua hubungan antara ketumpatan pembawa intrinsik dan tenaga Fermi intrinsik, iaitu:

Adalah mungkin untuk menghilangkan tenaga Fermi intrinsik dari kedua persamaan, hanya dengan mengalikan kedua persamaan dan mengambil punca kuasa dua. Ini memberikan ungkapan untuk ketumpatan pembawa intrinsik sebagai fungsi dari kepadatan berkesan keadaan dalam jalur konduksi dan valensi, dan tenaga bandgap E g = E c - E v.

Pergantungan suhu ketumpatan pembawa intrinsik didominasi oleh pergantungan eksponen pada jurang tenaga. Di samping itu, seseorang harus mempertimbangkan pergantungan suhu dari ketumpatan keadaan yang berkesan dan jurang tenaga. Plot ketumpatan pembawa intrinsik berbanding suhu ditunjukkan dalam Rajah 2.6.4.

Rajah 2.6.4: Ketumpatan pembawa intrinsik berbanding suhu dalam gallium arsenide (GaAs), silikon dan germanium. Dibandingkan adalah ketumpatan yang dikira dengan (garis pepejal) dan tanpa (garis putus-putus) pergantungan suhu jurang tenaga.

Dibandingkan adalah ketumpatan yang dikira menggunakan persamaan (2.6.22) dengan dan tanpa pergantungan suhu dari jurang tenaga yang dijelaskan oleh persamaan (2.3.5).

Ketumpatan pembawa intrinsik dalam silikon pada 300 K sama dengan:

Begitu juga orang yang mengetahui ketumpatan pembawa intrinsik untuk germanium dan gallium arsenide pada suhu yang berbeza, menghasilkan:

Perhatikan bahawa nilai pada 300 K seperti yang dihitung dalam contoh 2.4b tidak sama dengan yang disenaraikan dalam Lampiran 3. Ini disebabkan oleh pengumpulan andaian dalam derivasi. Nombor dalam Lampiran 3 diperoleh dari pengukuran yang teliti dan oleh itu harus digunakan dan bukannya yang dihitung dalam contoh 2.4b.

2.6.3.2 Undang-undang tindakan massa

Dengan menggunakan pendekatan yang sama seperti pada bahagian 2.6.3.1, seseorang dapat membuktikan bahawa produk ketumpatan elektron dan lubang sama dengan kuadrat ketumpatan pembawa intrinsik untuk mana-mana semikonduktor yang tidak merosot. Dengan mengalikan ungkapan untuk ketumpatan elektron dan lubang dalam semikonduktor yang tidak merosot, seperti dalam persamaan (2.6.13) dan (2.6.16), seseorang memperoleh:

Harta ini disebut sebagai undang-undang tindakan besar-besaran. Ini adalah hubungan yang kuat, yang memungkinkan untuk mencari ketumpatan lubang dengan cepat jika ketumpatan elektron diketahui atau sebaliknya. Hubungan ini hanya berlaku untuk semikonduktor yang tidak merosot dalam keseimbangan terma.

2.6.3.3 Tenaga Fermi Intrinsik

Persamaan di atas untuk elektron intrinsik dan ketumpatan lubang dapat diselesaikan untuk tenaga Fermi intrinsik dengan mengambil nisbah persamaan (2.6.21), menghasilkan:

Tenaga Fermi intrinsik biasanya dekat dengan pertengahan tenaga, separuh jalan antara tepi konduksi dan jalur valensi. Tenaga Fermi intrinsik juga dapat dinyatakan sebagai fungsi jisim elektron dan lubang yang berkesan pada semikonduktor. Untuk ini kami menggunakan persamaan (2.6.14) dan (2.6.17) untuk ketumpatan keadaan yang berkesan dalam jalur konduksi dan valensi, menghasilkan:

2.6.3.4 Bahan intrinsik sebagai rujukan

Membahagi ungkapan untuk kepadatan pembawa (2.6.13) dan (2.6.16), dengan ungkapan untuk ketumpatan intrinsik (2.6.21) memungkinkan untuk menulis kepadatan pembawa sebagai fungsi kepadatan intrinsik dan tenaga Fermi intrinsik, E i, atau:

Kami akan menggunakan kedua-dua persamaan ini terutamanya untuk mencari ketumpatan elektron dan lubang dalam semikonduktor dalam keseimbangan terma. Hubungan yang sama juga dapat ditulis semula untuk mendapatkan tenaga Fermi dari ketumpatan pembawa, iaitu:

2.6.4. Semikonduktor Doped

Semikonduktor Doped adalah semikonduktor, yang mengandungi kekotoran, atom asing yang dimasukkan ke dalam struktur kristal semikonduktor. Sama ada kekotoran ini tidak disengajakan, kerana kurangnya kawalan semasa pertumbuhan semikonduktor, atau ia dapat ditambahkan dengan tujuan untuk menyediakan pembawa percuma dalam semikonduktor.

Pembentukan pembawa bebas tidak hanya memerlukan kekotoran, tetapi juga kekotoran melepaskan elektron ke jalur pengaliran, di mana ia dipanggil penderma. Sekiranya mereka melepaskan lubang ke jalur valensi, mereka dipanggil akseptor (kerana mereka benar-benar menerima elektron dari jalur valensi yang diisi). Pengionan penderma dan akseptor cetek digambarkan oleh Rajah 2.6.5. Yang ditunjukkan adalah tenaga penderma dan penerima, E d dan E a. Tahap tenaga penderma diisi sebelum pengionan. Pengionan menyebabkan penderma dikosongkan, menghasilkan elektron dalam jalur konduksi dan ion penderma bermuatan positif. Tenaga akseptor kosong sebelum pengionan. Pengionan akseptor sepadan dengan tahap akseptor kosong yang diisi oleh elektron dari jalur valensi yang diisi. Ini bersamaan dengan lubang yang dikeluarkan oleh atom penerima ke pita valensi.

Semikonduktor yang terkena kotoran, yang diionisasi (bermaksud bahawa atom pengotor telah menderma atau menerima elektron), oleh itu akan mengandungi pembawa bebas. Kekotoran cetek adalah kekotoran, yang memerlukan sedikit tenaga - biasanya di sekitar tenaga haba, kT, atau kurang - untuk mengion. Kekotoran mendalam memerlukan tenaga yang jauh lebih besar daripada tenaga terma untuk mengion sehingga hanya sebahagian kecil kekotoran yang terdapat dalam semikonduktor menyumbang kepada pembawa bebas. Kekotoran dalam, yang lebih daripada lima kali tenaga haba dari kedua-dua tepi pita, tidak mungkin mengion. Kekotoran tersebut boleh menjadi pusat pengumpulan semula yang berkesan, di mana elektron dan lubang ditangkap dan saling memusnahkan. Kekotoran yang mendalam juga disebut perangkap.

Penderma berion memberikan elektron bebas dalam semikonduktor, yang kemudian disebut tipe-n, sementara akseptor terionisasi memberikan lubang bebas di semikonduktor, yang kita sebut sebagai semikonduktor jenis-p.

2.6.4.1 Dopan dan kekotoran

Pengionan kekotoran bergantung pada tenaga haba dan kedudukan tahap pengotor dalam jurang jalur tenaga seperti yang dijelaskan oleh fungsi pengagihan pengotor yang dibincangkan dalam bahagian 2.5.3.

Kekotoran cetek mudah terion sehingga ketumpatan pembawa bebas sama dengan kepekatan kotoran. Bagi penderma cetek ini menunjukkan bahawa ketumpatan elektron sama dengan kepekatan penderma, atau:

Sementara untuk akseptor cetek, ketumpatan lubang sama dengan kepekatan akseptor, atau:

Sekiranya semikonduktor mengandungi penderma cetek dan akseptor cetek, ia dipanggil diberi pampasan kerana jumlah atom donor dan akseptor yang sama saling mengimbangi, tidak menghasilkan pembawa percuma. Kehadiran penderma cetek dan akseptor cetek dalam semikonduktor menyebabkan elektron yang dikeluarkan oleh atom penderma jatuh ke dalam keadaan akseptor, yang mengionkan atom penerima tanpa menghasilkan elektron atau lubang bebas. Ketumpatan pembawa yang dihasilkan dalam bahan pampasan kira-kira sama dengan perbezaan antara kepekatan penderma dan penerima jika kepekatan penderma lebih besar, menghasilkan bahan jenis-n, atau:

Sekiranya kepekatan akseptor lebih besar daripada kepekatan penderma, ketumpatan lubang bahan jenis p yang dihasilkan sama dengan perbezaan antara kepekatan akseptor dan penderma, atau:

2.6.4.2 Model tenaga pengionan

Tenaga yang diperlukan untuk mengeluarkan elektron dari atom penderma dapat dihampiri menggunakan model seperti hidrogen. Bagaimanapun, atom penderma terdiri daripada ion bermuatan positif dan elektron seperti proton dan elektron atom hidrogen. Namun perbezaannya ialah jarak purata, r, antara elektron dan ion penderma jauh lebih besar kerana elektron menempati salah satu orbit luar. Ini digambarkan oleh Rajah 2.6.6.

Contoh 2.4bHitung ketumpatan pembawa intrinsik dalam germanium, silikon dan gallium arsenide pada 300, 400, 500 dan 600 K.
Penyelesaian
Rajah 2.6.6: Lintasan elektron yang terikat pada ion penderma dalam kristal semikonduktor. Kisi persegi 2-D digunakan untuk kemudahan ilustrasi.

Untuk penderma cetek, jarak ini, r, jauh lebih besar daripada jarak antara atom kristal semikonduktor. Tenaga pengionan, E d, dapat diperkirakan dengan mengubah persamaan (1.2.10), yang menggambarkan tenaga elektron dalam atom hidrogen, menghasilkan:

di mana m * kondialah jisim berkesan untuk pengiraan kekonduksian dan e r ialah pemalar dielektrik relatif bagi semikonduktor. Tenaga pengionan dikira sebagai perbezaan antara tenaga elektron bebas dan tenaga elektron yang menduduki tahap tenaga terendah, E 1.

Dengan menggunakan jisim berkesan untuk pengiraan kekonduksian (Lampiran 3) seseorang mendapati tenaga pengionan bagi penderma cetek di germanium adalah:

Tenaga pengionan yang dikira untuk penderma dan akseptor dalam germanium dan silikon disediakan di bawah.

Perhatikan bahawa tenaga pengionan sebenarnya berbeza dari nilai-nilai ini dan bergantung pada atom penderma sebenar.

2.6.4.3 Analisis semikonduktor yang tidak terkena degenerasi

Pengiraan ketumpatan elektron dimulakan dengan menganggap bahawa semikonduktor adalah neutral, sehingga tidak ada cas bersih dalam bahan. Ini adalah andaian yang wajar kerana cas bersih akan menghasilkan medan elektrik. Medan elektrik ini akan menggerakkan sebarang cas bergerak sehingga menghilangkan ketidakseimbangan caj.

Ketumpatan cas dalam semikonduktor bergantung pada elektron bebas dan ketumpatan lubang dan pada ketumpatan pengotor terion. Penderma berion, yang mengeluarkan elektron, dikenakan secara positif. Penerima terionisasi, yang telah menerima elektron, dikenakan cas negatif. Oleh itu, jumlah kepadatan cas diberikan oleh:

Kepekatan lubang dalam keseimbangan terma boleh ditulis sebagai fungsi ketumpatan elektron dengan menggunakan undang-undang tindakan massa (2.6.23). Ini menghasilkan hubungan berikut antara ketumpatan elektron dan ketumpatan pengotor terionisasi:

Perhatikan bahawa penggunaan undang-undang tindakan massa membatasi keabsahan derivasi ini kepada semikonduktor yang tidak merosot seperti yang ditentukan dalam bahagian 2.6.2.2. Menyelesaikan persamaan kuadratik ini menghasilkan penyelesaian untuk ketumpatan elektron, iaitu:

Derivasi yang sama dapat diulang untuk lubang, menghasilkan:

Ungkapan di atas memberikan kepadatan pembawa percuma untuk semikonduktor pampasan dengan anggapan bahawa semua penderma dan penerima menerima ion.

Dari ketumpatan pembawa, seseorang kemudian memperoleh tenaga Fermi menggunakan persamaan (2.6.28) dan (2.6.29) yang diulang di bawah:

Tenaga Fermi yang dikira dalam silikon n-jenis dan p-jenis sebagai fungsi kepadatan doping ditunjukkan dalam Rajah 2.6.7 untuk suhu yang berbeza:

Contoh 2.5Hitung tenaga pengionan bagi penderma dan akseptor cetek dalam germanium dan silikon menggunakan model seperti hidrogen.
Penyelesaian
Rajah 2.6.7: Tenaga Fermi silikon n-jenis dan p-jenis, E F, n dan E F, hlm, sebagai fungsi kepadatan doping pada 100, 200, 300, 400 dan 500 K. Yang ditunjukkan adalah tepi jalur konduksi dan valensi, E c dan E v. Tenaga midgap ditetapkan ke sifar.

Rajah 2.6.7 menggambarkan bagaimana tenaga Fermi berbeza dengan ketumpatan doping. Tenaga Fermi berubah secara linear, ketika merancang ketumpatan pada skala logaritmik, hingga kepadatan doping 10 18 cm -3. Pergantungan sederhana ini memerlukan semikonduktor tidak bersifat intrinsik atau merosot dan semua dopan diionisasi. Untuk bahan pampasan, yang hanya mengandungi dopan cetek, seseorang menggunakan kepadatan doping bersih, | N d - N a|.

Ketumpatan elektron diperoleh dari persamaan (2.6.34) dan ketumpatan lubang diperoleh menggunakan undang-undang tindakan massa:

Contoh 2.6aWafer germanium didoping dengan ketumpatan penderma cetek 3 n i/ 2. Hitungkan ketumpatan elektron dan lubang.
Penyelesaian

Oleh kerana doping akseptor jauh lebih besar daripada kepadatan intrinsik dan jauh lebih kecil daripada ketumpatan keadaan efektif, ketumpatan lubang sama dengan: Ketumpatan elektron kemudian diperoleh menggunakan undang-undang tindakan massa Pendekatan yang dijelaskan dalam contoh 2.6a menghasilkan hasil yang sama.

2.6.4.4 Analisis am

Analisis yang lebih umum juga memperhitungkan fakta bahawa pengionan kekotoran tidak 100%, tetapi sebaliknya diberikan oleh fungsi pengedaran kekotoran yang disediakan dalam bahagian 2.5.3.

Analisis sekali lagi mengandaikan bahawa tidak ada cas bersih dalam semikonduktor (cas berkecuali). Ini juga bermaksud bahawa jumlah ketumpatan zarah bermuatan positif (lubang dan penderma terion) mesti sama dengan jumlah ketumpatan zarah bermuatan negatif (elektron dan akseptor terion) yang menghasilkan:

Ketumpatan elektron dan lubang kemudian ditulis sebagai fungsi tenaga Fermi. Untuk semikonduktor yang tidak merosot seseorang menggunakan persamaan (2.6.12) dan (2.6.15), sementara ketumpatan pengotor yang diionkan sama dengan ketumpatan pengotor yang berlipat kali ganda dengan kebarangkalian penghunian bagi akseptor dan satu tolak kebarangkalian penghunian bagi penderma. Pendekatan Joyce-Dixon, yang dijelaskan di bahagian (2.6.2.3) digunakan untuk menghitung kepadatan pembawa degenerasi.

Penyelesaian grafik untuk persamaan (2.6.39) di atas dapat diperoleh dengan memplot kedua sisi persamaan sebagai fungsi tenaga Fermi seperti yang digambarkan dalam Rajah 2.6.8.

Contoh 2.6bWafer silikon didoping dengan doping akseptor dangkal 10 16 cm -3. Hitungkan ketumpatan elektron dan lubang.
Penyelesaian
Rajah 2.6.8: Penyelesaian grafik tenaga Fermi berdasarkan analisis umum. Nilai tenaga Fermi dan ketumpatan pembawa bebas diperoleh di persimpangan dua lengkung, yang mewakili jumlah positif dan jumlah negatif negatif dalam semikonduktor. N a sama dengan 10 16 cm -3 dan N d sama dengan 10 14 cm -3.

Rajah 2.6.8 menunjukkan ketumpatan cas positif dan negatif serta ketumpatan elektron dan lubang sebagai fungsi tenaga Fermi. Garis putus-putus menunjukkan kedudukan tenaga penerima dan penderma. Tenaga Fermi diperoleh di persimpangan kedua lengkung seperti yang ditunjukkan oleh anak panah.

Penyelesaian grafik ini adalah alat yang sangat berguna untuk meneroka tenaga Fermi sebagai fungsi kepadatan doping, tenaga ionisasi dan suhu.

Pengoperasian peranti pada julat suhu yang luas memerlukan pengetahuan terperinci mengenai kepadatan pembawa sebagai fungsi suhu. Pada suhu antara, ketumpatan pembawa kira-kira sama dengan doping bersih, | N a - N d|. Semikonduktor, yang memenuhi syarat ini, juga disebut semikonduktor ekstrinsik. Ketumpatan pembawa bebas meningkat pada suhu tinggi di mana ketumpatan intrinsik mendekati kepadatan doping bersih dan menurun pada suhu rendah kerana pengionan dopan yang tidak lengkap. Ketumpatan pembawa dan tenaga Fermi ditunjukkan dalam Rajah 2.6.9 untuk silikon yang didoping dengan 10 16 cm -3 penderma dan 10 15 cm -3 penerima:

Rajah 2.6.9: Ketumpatan elektron dan tenaga Fermi sebagai fungsi suhu dalam silikon dengan N d = 10 16 cm -3, N a = 10 14 cm -3 dan E c - E d = E a - E v = 50 meV. Tenaga pengaktifan pada 70 K sama dengan 27.4 meV.

Pada suhu tinggi, kepadatan pembawa sama dengan kepekatan pembawa intrinsik, sementara pada suhu rendah kepadatan pembawa didominasi oleh pengionan penderma.

Pergantungan suhu berkaitan dengan tenaga pengaktifan dengan menyesuaikan kepadatan pembawa berbanding 1 / T pada skala semi-logaritmik ke garis lurus dari bentuk n o(T) = C exp (- E A/ kT), di mana C adalah pemalar. Pada suhu tinggi, tenaga pengaktifan ini sama dengan separuh tenaga bandgap atau E A = E g/2.

Pergantungan suhu pada suhu rendah agak lebih rumit kerana bergantung pada apakah bahan tersebut diberi pampasan atau tidak. Rajah 2.6.9 dikira untuk silikon yang mengandungi kedua-dua penderma dan akseptor. Pada 70 K ketumpatan elektron berada di bawah ketumpatan penderma tetapi masih lebih besar daripada ketumpatan akseptor. Dalam keadaan seperti itu, tenaga pengaktifan, E A, sama dengan separuh tenaga pengionan penderma atau (E c - E d) / 2. Pada suhu yang lebih rendah di mana ketumpatan elektron lebih rendah daripada ketumpatan akseptor, tenaga pengaktifan sama dengan tenaga pengionan atau E c - E d. Tingkah laku ini dijelaskan oleh fakta bahawa tenaga Fermi dalam bahan pampasan tetap pada tenaga penderma. Tahap penderma selalu kosong sebahagiannya kerana elektron dikeluarkan dari atom penderma untuk mengisi tahap tenaga akseptor. Sekiranya ketumpatan akseptor lebih kecil daripada ketumpatan elektron seperti yang berlaku untuk bahan tanpa pampasan - tenaga Fermi berubah dengan suhu dan tenaga pengaktifan menghampiri separuh daripada tenaga pengionan.

Semikonduktor yang terkena cahaya mengalami pembekuan pada suhu yang agak tinggi. Semikonduktor dengan tahap tinggi membeku pada suhu yang lebih rendah. Semikonduktor berdopup tinggi tidak mengandungi tenaga penderma tunggal, melainkan jalur pengotor yang bertindih dengan jalur konduksi atau valensi. Pertindihan kedua band menghasilkan pembawa percuma walaupun pada Kelvin sifar. Doping semikonduktor secara beransur-ansur menghilangkan kesan pembekuan.

2.6.4.5 Pergantungan suhu ketumpatan pembawa pada bahan yang tidak merosot

Analisis semikonduktor yang tidak merosot dapat diperluas lagi untuk memasukkan pembekuan pembawa di hadapan penderma dan juga akseptor. Persamaan (2.6.39) boleh ditulis sebagai:

Untuk bahan jenis-n (Nd > Na , persamaan ini dapat dipermudahkan untuk:

di mana ketumpatan lubang, hlmo , telah diabaikan dan akseptor dianggap sepenuhnya terionisasi kerana tenaga Fermi diharapkan berada di atas tenaga bahkan penerima yang paling dalam. Ketumpatan N * diberikan oleh:

Penyelesaian untuk persamaan kuadratik adalah:

  1. Hitungkan ketumpatan elektron pada 300 K.
  2. Hitung ketumpatan lubang pada 300 K setelah menambahkan 2 x 10 18 cm atom atom aluminium (E a - E c = 220 meV). Gunakan N v = 1.6 x 10 20 cm -3.

Ketumpatan elektron bebas kemudian diperoleh dari:

Akibatnya 21.5% penderma diionisasi

di mana faktor 4 disebabkan oleh band valensi degenerasi berganda. Ketumpatan lubang bebas kemudiannya diperoleh dari:

2.6.5. Ketumpatan pembawa bukan keseimbangan

Sehingga kini, kami hanya mempertimbangkan ketumpatan pembawa keseimbangan terma, n o dan hlm o. Walau bagaimanapun, kebanyakan alat yang menarik tidak berada dalam keseimbangan terma. Perlu diingat bahawa suhu pemalar persekitaran yang berterusan bukanlah keadaan yang mencukupi untuk keseimbangan terma. Sebenarnya, menerapkan voltan bukan sifar ke peranti atau menerangi dengan cahaya akan menyebabkan keadaan tidak seimbang, walaupun suhu tetap.

Untuk menerangkan sistem yang tidak berada dalam keseimbangan terma kita menganggap bahawa setiap pengedaran pembawa masih dalam keseimbangan dengan dirinya sendiri. Anggapan sedemikian dibenarkan berdasarkan bahawa elektron mudah berinteraksi antara satu sama lain dan berinteraksi dengan lubang hanya pada skala waktu yang lebih lama. Akibatnya ketumpatan elektron masih dapat dikira menggunakan fungsi pengedaran Fermi-Dirac, tetapi dengan nilai yang berbeza untuk tenaga Fermi. Jumlah ketumpatan pembawa untuk semikonduktor yang tidak merosot kemudian dijelaskan oleh:

Di mana d n ialah ketumpatan elektron berlebihan dan F n adalah tenaga kuasi-Fermi bagi elektron. Begitu juga, ketumpatan lubang dapat dinyatakan sebagai:

Di mana d p adalah lebihan ketumpatan lubang dan F hlm adalah tenaga kuasi-Fermi untuk lubang.


5. Kesimpulan

Berdasarkan spektroskopi dielektrik jalur lebar (BDS), kami mencatat kekonduksian semasa kitaran suhu dan menentukan dua atribut. Pertama, penyejukan dan pemanasan mempengaruhi kekonduksian DC oleh beberapa susunan besar, seperti yang sering diperhatikan untuk pengangkutan lompat. 25,31,32,73 Kedua, pada suhu yang sama σ 0 berbeza untuk ketumpatan ikatan H yang berbeza (dengan faktor 3) ketumpatan yang lebih besar mengakibatkan (20%) kekonduksian yang lebih rendah. Oleh itu, untuk kes tertentu PAAPS ditunjukkan bahawa pengaktifan termal fluktuasi molekul mempengaruhi pengangkutan cas ke tahap yang jauh lebih besar daripada ikatan H. Selanjutnya, pada suhu yang sama dan pengaktifan terma yang sama, peningkatan ketumpatan ikatan-H mengurangkan kekonduksian.

Kajian pertama yang menggabungkan pengukuran spektroskopi FTIR dan BDS semasa kitaran suhu untuk menyiasat pembentukan ikatan-H dalam poli protik memberikan hasil terperinci mengenai ikatan H-spesifik dan kekonduksian makroskopik serta kaitannya. Sampel yang dikaji memberikan kekonduksian DC kedua tertinggi pada 300 K untuk poliida anhidrat 31 yang menarik, poliil anhidrat dengan kekonduksian DC tertinggi yang diterbitkan pada 300 K mempunyai unsur serupa dalam struktur kimianya. 37 Oleh itu, dalam kerangka hasil ini konsep pengangkutan muatan dalam kelas bahan ini mungkin perlu dibentuk semula. Kekonduksian DC mungkin disesuaikan melalui T g pengurangan, sedangkan sifat mekanik dapat disesuaikan melalui ketumpatan ikatan-H dengan perbelanjaan kekonduksian yang jauh lebih sedikit.


Apakah molekul pembawa elektron dalam fotosintesis?

Kompleks berikut terdapat dalam rantai pengangkutan elektron fotosintesis: Fotosistem II, Cytochrome b6-f, Fotosistem I, Ferredoxin NADP Reductase (FNR), dan kompleks yang menjadikan ATP, ATP Synthase.

Kedua, molekul bas ulang-alik elektron yang manakah pembawa elektron dalam fotosintesis? Ia disebut sebagai bas ulang-alik elektron kerana ia mengambil elektron/ menjadi berkurang apabila lain molekul dioksidakan dan kemudian memindahkan elektron kepada yang lain molekul.

Begitu juga, ditanya, apa molekul pembawa elektron?

pembawa elektron. Mana-mana dari pelbagai molekul yang mampu menerima satu atau dua elektron dari satu molekul dan menderma mereka kepada yang lain dalam proses elektron pengangkutan. Sebagai elektron dipindahkan dari satu pembawa elektron ke tahap yang lain, tahap tenaga mereka menurun, dan tenaga dibebaskan.

Apakah pembawa elektron dalam respirasi sel dan fotosintesis?

Dalam pernafasan selular, ada dua yang penting pembawa elektron, nikotinamid adenine dinucleotide (disingkat NAD + dalam bentuk teroksidasi) dan flavin adenine dinucleotide (disingkat FAD dalam bentuk teroksidasi).


Langkah demi langkah Penjelasan Sistem Pengangkutan Elektron

Sistem pengangkutan elektron dapat diringkaskan menjadi langkah-langkah berikut:

Langkah 1: Penjanaan daya motif proton

Pada langkah pertama rantai pengangkutan elektron, NADH + dan FADH2 molekul glikolisis dan kitaran Kreb dioksidakan menjadi NAD + dan FAD, masing-masing, bersamaan dengan pelepasan elektron dan proton bertenaga tinggi. Elektron meresap ke dalam membran mitokondria dalaman yang terdiri daripada rangkaian kompleks protein besar.

Peralihan elektron dari satu protein pembawa ke protein yang lain mengakibatkan kehilangan tenaga atau ATP. ATP kemudian digunakan oleh kompleks protein untuk memindahkan proton dari matriks ke ruang intermembran. Oleh itu, penyebaran proton melintasi membran mitokondria dalaman dimediasi melalui chemiosmosis, yang mencipta a daya motif proton merentasi kecerunan elektrokimia.

Langkah 2: Sintesis molekul tenaga tinggi ATP

Ion H + menghasilkan daya motif proton yang memfasilitasi menuruni bukit pergerakan melintasi kecerunan kepekatan membran mitokondria dalaman. Ion H + cenderung meresap kembali ke dalam matriks mitokondria melalui saluran protein melalui a enzim transmembran (ATP synthase), dan dengan itu menghasilkan ATP.

Langkah 3: Pengurangan oksigen

Untuk kesinambungan sistem pengangkutan elektron, elektron yang tidak bertenaga mesti dilepaskan melalui akseptor elektron O2molekul. Oksigen menerima elektron dari kompleks keempat. Akhirnya, pembawa oksigen berkait dengan proton percuma dan mengurangkan hasil H2O.

Komponen ETS

Sistem pengangkutan elektron adalah gabungan unsur-unsur berikut:

Kompleks I

Ia terdiri daripada protein flavon mononucleotide dan besi-sulfur. Kompleks I atau "NADH dehidrogenase"Mengoksidakan NADH + ke NAD + dan membebaskan dua elektron dan empat proton. NADH dehydrogenase mengepam empat proton dari matriks kepada sitosol dan memindahkan dua elektron dalam membran mitokondria dalam. Oleh itu, NADH dehidrogenase menghasilkan kepekatan ion H + yang tinggi merentasi kecerunan elektrokimia.

Koenzim-Q atau “Ubiquinone"Menghubungkan kompleks I dan II. Ubiquinone adalah kompleks larut lipid, yang dapat bergerak bebas di kawasan teras hidrofobik membran mitokondria. Q mengurangkan menjadi QH2 dan menghantar elektronnya ke kompleks ketiga. Coenzyme-Q menerima elektron yang dibebaskan dari NADH dan FADH2 molekul.

Kompleks II

Ini terdiri daripada enzim, "Dehidrogenase succinate", Dan mengandung zat besi dan suksinat. Kompleks II mengoksidakan FADH2 ke dalam FAD + . Succinate dehydrogenase plus FADH2 secara langsung memindahkan elektron ke ETC, melewati kompleks I. Ia tidak memberi tenaga kepada kompleks I dan menghasilkan beberapa ATP.

Kompleks III

Sitokrom-b, Oxidoreductase atau kompleks III terdiri daripada protein Fe-S dengan pusat Rieske (2Fe-Fs). Dalam sitokrom, kumpulan prostetik adalah heme, membawa elektron. Semasa elektron berlalu, besi dikurangkan menjadi Fe 2+ dan teroksidasi menjadi Fe 3+. Oleh itu, sitokrom-b memindahkan elektron ke kompleks seterusnya, iaitu sitokrom c.

Sitokrom c

Cytochrome-c juga mengandungi Protein Fe-S dan kumpulan heme prostetik. Ia hanya menerima satu elektron pada satu masa dan seterusnya mengangkut elektron ke kompleks keempat.

Kompleks IV

Ia terdiri daripada Sitokrom a dan a3, yang mengandungi dua kumpulan heme (satu dalam setiap kumpulan). Sitokrom-a3 terdiri daripada tiga ion tembaga (dua CuA dan satu CuB). Fungsi kompleks IV adalah menahan pembawa oksigen dengan kuat antara ion besi dan tembaga sehingga pengurangan oksigen menjadi molekul air. Oksigen bergabung dengan dua proton molekul dan membebaskan air dengan mengekalkan potensi ion membran.

Kompleks V

Ia adalah saluran ion protein yang terdiri daripada enzim transmembran (ATP-sintase atau kompleks ATP-synthase). Kompleks V membolehkan laluan proton dari kepekatan tinggi ke rendah terhadap kecerunan berpotensi. Laluan chemiosmotic proton menghasilkan putaran molekul enzim ATP synthase dan dengan itu menyebabkan pembebasan ATP.

Ringkasan Rantai Pengangkutan Elektron

ETS merujuk kepada sistem yang menghasilkan tenaga dalam bentuk ATP melalui rangkaian tindak balas kimia. ETS terletak di membran dalaman mitokondria, mengandungi kompleks protein pembawa elektron, pembawa elektron dan protein saluran. Elektron berpindah dari satu kompleks ke kompleks lain oleh tindak balas redoks.

Tenaga bebas semasa pemindahan elektron ditangkap sebagai kecerunan proton dan digunakan oleh sintase ATP untuk menghasilkan ATP. Pembawa elektron Co-Q menerima elektron yang terbentuk oleh pengurangan FADH2 dan NADH. Coenzyme-Q mengurangkan menjadi QH2 dan mengalirkan elektron ke kompleks protein ketiga (cyt-b).

Kompleks III mengandungi kumpulan heme, di mana Fe 3+ menjadi Fe 2+ setelah menerima elektron yang berasal dari Co-Q. Kompleks ketiga selanjutnya memindahkan elektron ke cyt-c, di mana Fe 3+ berkurang menjadi Fe 2+ dan memindahkan elektron ke kompleks keempat.

Kompleks IV menerima elektron dan memindahkannya ke pembawa oksigen. Oksigen membawa elektron yang tidak bertenaga dan bergabung dengan proton bebas dalam matriks, dan membebaskan sisa dalam bentuk air.

Mekanisme Sistem Pengangkutan Elektron

Rangkaian pengangkutan elektron kadang-kadang merujuk kepada "Rantai pernafasan", Yang merupakan peringkat ketiga atau terakhir pernafasan selular. Ia memerlukan kehadiran oksigen untuk menjalankan pernafasan sel. Tenaga dihasilkan semasa pemindahan elektron dari satu pembawa ke pembawa yang lain.

Sel memanfaatkan kehilangan tenaga semasa pengangkutan elektron untuk mengepam proton ke sitosol. Ia mewujudkan kecerunan chemiosmotic. Kecerunan chemiosmotic dikenakan oleh tenaga berpotensi elektron. Akhirnya, tenaga keupayaan bertukar menjadi tenaga kimia (ATP) oleh kompleks synthase ATP.

Oleh itu, sistem pengangkutan elektron adalah mekanisme penghasilan tenaga, yang mematuhi prinsip “Membawa tenaga untuk menghasilkan tenaga" ETS mempunyai rangkaian tindak balas redoks di mana elektron kehilangan tenaga. Membran menggunakan kehilangan tenaga semasa penyebaran proton kembali ke matriks dan menghasilkan molekul tenaga tinggi, ATP.

Lokasi ETS

Sistem pengangkutan elektron dan kompleks proteinnya, bersama dengan protein saluran sintase ATP, terletak di membran mitokondria dalaman. Dalam rajah, kita dapat melihat tapak rantai pengangkutan elektron, yang terdapat di antara sitosol dan matriks.

Disana ada empat besar kompleks protein dalam rantaian pengangkutan elektron, yang memediasi pemindahan elektron. Sebagai tambahan kepada kompleks protein, terdapat pembawa elektron individu seperti Co-Q dan Cyt-C.

Kedua-dua koenzim-Q dan sitokrom-C adalah pembawa elektron yang dapat disebarkan, yang dapat bergerak dalam membran. Selain itu, ada satu protein saluran ion (ATP-synthase) yang memediasi pengangkutan proton ke arah kecerunan konsentrasi dengan menghasilkan ATP.

Persamaan ETC

Tindak balas keseluruhan dalam rantai pengangkutan elektron dapat disamakan dengan cara yang diberikan dalam gambar. Dalam rantai pengangkutan elektron, setiap molekul glukosa dapat menghasilkan 34 molekul ATP, seperti yang diberikan dalam persamaan di bawah:


Oleh itu, pengeluaran tenaga bersih dalam rantai pengangkutan elektron adalah 34 ATP molekul.


7.4 Fosforilasi Oksidatif

Di bahagian ini, anda akan meneroka soalan berikut:

  • Bagaimana elektron bergerak melalui rantai pengangkutan elektron dan apa yang berlaku pada tahap tenaga mereka?
  • Bagaimanakah kecerunan proton (H +) dibentuk dan dikekalkan oleh rantai pengangkutan elektron dan berapa molekul ATP yang dihasilkan oleh chemiosmosis?

Sambungan untuk Kursus AP ®

Rantai pengangkutan elektron (ETC) adalah tahap respirasi aerob yang menggunakan oksigen bebas sebagai akseptor elektron akhir elektron yang dikeluarkan semasa metabolisme glukosa dalam glikolisis dan kitaran asid sitrik. ETC terletak di membran cristae mitokondria, kawasan dengan banyak lipatan yang meningkatkan luas permukaan yang tersedia untuk reaksi kimia. Elektron dibawa oleh NADH dan FADH2 dihantar ke protein akseptor elektron yang tertanam dalam membran ketika bergerak ke arah penerima elektron akhir, O2, membentuk air. Elektron melewati serangkaian tindak balas redoks, menggunakan tenaga bebas pada tiga titik untuk mengangkut ion hidrogen melintasi membran. Proses ini menyumbang kepada pembentukan kecerunan H + yang digunakan dalam chemiosmosis. Oleh kerana proton digerakkan ke bawah kecerunan kepekatannya melalui sintase ATP, ATP dihasilkan dari ADP dan fosfat anorganik. Dalam keadaan aerobik, tahap pernafasan sel boleh menghasilkan 36-38 ATP.

Maklumat yang disajikan dan contoh-contoh yang diketengahkan dalam bahagian mendukung konsep yang digariskan dalam Idea Besar 2 Kerangka Kurikulum Biologi AP ®, seperti yang ditunjukkan dalam jadual. Seperti yang ditunjukkan dalam tabel, konsep yang dibahas dalam bagian ini juga sejajar dengan Objektif Pembelajaran yang tercantum dalam Kerangka Kurikulum yang memberikan landasan yang transparan untuk kursus Biologi AP ®, pengalaman makmal berdasarkan pertanyaan, kegiatan instruksional, dan pertanyaan ujian AP ®. Objektif Pembelajaran menggabungkan kandungan yang diperlukan dengan satu atau lebih daripada tujuh Praktik Sains.

Idea Besar 2 Sistem biologi menggunakan tenaga bebas dan blok bangunan molekul untuk tumbuh, berkembang biak, dan mengekalkan homeostasis yang dinamik.
Kefahaman Berkekalan 2.A Pertumbuhan, pembiakan dan pemeliharaan sistem hidup memerlukan tenaga dan bahan bebas.
Pengetahuan Penting 2.A.1 Semua sistem hidup memerlukan input tenaga bebas yang berterusan.
Amalan Sains 1.4 Pelajar boleh menggunakan perwakilan dan model untuk menganalisis situasi atau menyelesaikan masalah secara kualitatif dan kuantitatif.
Amalan Sains 3.1 Pelajar boleh mengemukakan soalan saintifik.
Objektif pembelajaran 2.4 Pelajar dapat menggunakan perwakilan untuk mengemukakan soalan saintifik mengenai mekanisme dan ciri struktur apa yang membolehkan organisma menangkap, menyimpan, dan menggunakan tenaga bebas.
Pengetahuan Penting 2.A.1 Semua sistem hidup memerlukan input tenaga bebas yang berterusan.
Amalan Sains 6.2 Pelajar dapat membina penjelasan fenomena berdasarkan bukti yang dihasilkan melalui amalan saintifik.
Objektif pembelajaran 2.5 Pelajar dapat membina penjelasan mengenai mekanisme dan ciri struktur sel yang membolehkan organisma menangkap, menyimpan, atau menggunakan tenaga bebas.

Sokongan Guru

Memperkenalkan fosforilasi oksidatif menggunakan visual seperti video ini.

Mintalah pelajar membuat gambaran visual yang menunjukkan gambaran keseluruhan glikolisis dan kitaran asid sitrik dan bagaimana kitaran saling berkaitan antara satu sama lain.

Contohnya digambarkan di sini.

Soalan Cabaran Amalan Sains mengandungi soalan ujian tambahan untuk bahagian ini yang akan membantu anda mempersiapkan diri untuk menghadapi peperiksaan AP. Soalan-soalan ini menyentuh standard berikut:
[APLO 2.5] [APLO 2.15] [APLO 2.18] [APLO 2.22]

Anda baru sahaja membaca mengenai dua jalur Memperkenalkan katabolisme glukosa - glikolisis dan kitaran asid sitrik - yang menghasilkan ATP. Sebilangan besar ATP yang dihasilkan semasa katabolisme aerobik glukosa, bagaimanapun, tidak dihasilkan secara langsung dari jalur ini. Sebaliknya, ia berasal dari proses yang bermula dengan elektron bergerak melalui rangkaian pengangkut elektron yang mengalami reaksi redoks. Ini menyebabkan ion hidrogen terkumpul di dalam ruang antara. Oleh itu, suatu bentuk kecerunan konsentrasi di mana ion hidrogen meresap keluar dari ruang intermembran ke dalam matriks mitokondria dengan melewati sintase ATP. Arus ion hidrogen menguatkan tindakan pemangkin sintase ATP, yang fosforilasi ADP, menghasilkan ATP.

Rantai Pengangkutan Elektron

Rantai pengangkutan elektron (Rajah 7.11) adalah komponen terakhir respirasi aerobik dan merupakan satu-satunya bahagian metabolisme glukosa yang menggunakan oksigen atmosfera. Oksigen terus menerus meresap ke dalam tumbuhan pada haiwan, ia memasuki badan melalui sistem pernafasan. Pengangkutan elektron adalah satu siri tindak balas redoks yang menyerupai perlumbaan relay atau brigade baldi di mana elektron dilalui dengan cepat dari satu komponen ke komponen berikutnya, ke titik akhir rantai di mana elektron mengurangkan oksigen molekul, menghasilkan air. Terdapat empat kompleks yang terdiri daripada protein, berlabel I hingga IV pada Gambar 7.11, dan penggabungan empat kompleks ini, bersama dengan pembawa elektron aksesori mudah alih yang berkaitan, disebut rantai pengangkutan elektron. Rantai pengangkutan elektron terdapat dalam banyak salinan dalam membran mitokondria dalaman eukariota dan membran plasma prokariota.

Kompleks I

Untuk memulakan, dua elektron dibawa ke kompleks pertama di atas NADH. Kompleks ini, berlabel I, terdiri daripada flavin mononucleotide (FMN) dan protein yang mengandungi besi-sulfur (Fe-S). FMN, yang berasal dari vitamin B2, juga disebut riboflavin, adalah salah satu daripada beberapa kumpulan prostetik atau faktor bersama dalam rantai pengangkutan elektron. Kumpulan prostetik adalah molekul bukan protein yang diperlukan untuk aktiviti protein. Kumpulan prostetik adalah molekul bukan peptida organik atau bukan organik yang terikat pada protein yang memudahkan fungsinya kumpulan prostetik merangkumi co-enzim, yang merupakan kumpulan prostetik enzim. Enzim dalam kompleks I adalah NADH dehidrogenase dan terdiri daripada 44 rantai polipeptida yang berasingan. Kompleks I dapat mengepam empat ion hidrogen melintasi membran dari matriks ke ruang antarmembran, dan dengan cara inilah kecerunan ion hidrogen dibuat dan dikekalkan di antara dua petak yang dipisahkan oleh membran mitokondria dalaman.

Q dan Kompleks II

Kompleks II secara langsung menerima FADH2, yang tidak melalui kompleks I. Kompaun yang menghubungkan kompleks pertama dan kedua dengan yang ketiga adalah ubiquinone (Q). Molekul Q larut dalam lipid dan bebas bergerak melalui teras hidrofobik membran. Setelah dikurangkan, (QH2, ubiquinone menghantar elektronnya ke kompleks seterusnya dalam rangkaian pengangkutan elektron. Q menerima elektron yang berasal dari NADH dari kompleks I, dan elektron yang berasal dari FADH2 dari kompleks II. Enzim ini dan FADH2 membentuk kompleks kecil yang menyampaikan elektron terus ke rantai pengangkutan elektron, melewati kompleks pertama. Oleh kerana elektron ini memintas dan dengan itu tidak memberi tenaga pam proton di kompleks pertama, molekul ATP yang lebih sedikit dibuat dari FADH2 elektron.Bilangan molekul ATP yang akhirnya diperoleh berkadar terus dengan jumlah proton yang dipam melintasi membran mitokondria dalam.

Kompleks III

Kompleks ketiga terdiri daripada sitokrom b, protein Fe-S lain, pusat Rieske (pusat 2Fe-2S), dan protein sitokrom c kompleks ini juga disebut sitokrom oksidoreduktuktase. Protein sitokrom mempunyai kumpulan prostetik dari heme. Molekul heme mirip dengan heme dalam hemoglobin, tetapi membawa elektron, bukan oksigen. Akibatnya, ion besi di terasnya berkurang dan teroksidasi ketika melewati elektron, berubah-ubah antara keadaan pengoksidaan yang berbeza: Fe ++ (dikurangkan) dan Fe +++ (teroksidasi). Molekul heme di sitokrom mempunyai ciri yang sedikit berbeza kerana kesan protein yang berbeza mengikatnya, memberikan ciri yang sedikit berbeza pada setiap kompleks. Kompleks III mengepam proton melalui membran dan menyebarkan elektronnya ke sitokrom c untuk dibawa ke kompleks keempat protein dan enzim (sitokrom c adalah penerima elektron dari Q namun, sedangkan Q membawa pasangan elektron, sitokrom c hanya dapat menerima satu di masa).

Kompleks IV

Kompleks keempat terdiri daripada protein sitokrom c, a, dan a3. Kompleks ini mengandungi dua kumpulan heme (satu di setiap dua sitokrom, a, dan a3) dan tiga ion tembaga (sepasang CuA dan satu CuB dalam sitokrom a3). Sitokrom menahan molekul oksigen dengan erat antara ion besi dan tembaga sehingga oksigen benar-benar berkurang. Oksigen yang dikurangkan kemudian mengambil dua ion hidrogen dari medium sekitarnya untuk membuat air (H2O). Penyingkiran ion hidrogen dari sistem menyumbang kepada kecerunan ion yang digunakan dalam proses chemiosmosis.

Chemiosmosis

Dalam chemiosmosis, tenaga bebas dari rangkaian tindak balas redoks yang baru saja dijelaskan digunakan untuk mengepam ion hidrogen (proton) ke seluruh membran. Penyebaran ion H + yang tidak merata melintasi membran menetapkan kecerunan konsentrasi dan elektrik (oleh itu, kecerunan elektrokimia), kerana muatan positif ion hidrogen dan pengagregatannya pada satu sisi membran.

Sekiranya membran terbuka untuk difusi oleh ion hidrogen, ion cenderung meresap kembali ke dalam matriks, didorong oleh kecerunan elektrokimia mereka. Ingat bahawa banyak ion tidak dapat meresap melalui kawasan nonpolar membran fosfolipid tanpa bantuan saluran ion. Begitu juga, ion hidrogen di ruang matriks hanya dapat melalui membran mitokondria dalaman melalui protein membran integral yang disebut ATP synthase (Gambar 7.12). Protein kompleks ini bertindak sebagai penjana kecil, yang dipusingkan oleh kekuatan ion hidrogen yang meresap melaluinya, ke bawah kecerunan elektrokimia mereka. Pemusingan bahagian mesin molekul ini memudahkan penambahan fosfat ke ADP, membentuk ATP, menggunakan tenaga berpotensi kecerunan ion hidrogen.

Sambungan Visual

  1. DNP menghilangkan kecerunan proton dalam matriks, menghalang pengeluaran ATP. Tubuh kemudian meningkatkan kadar metabolisme, yang menyebabkan penurunan berat badan.
  2. DNP menurunkan kecerunan proton di ruang mitokondria dalaman, menyebabkan pengambilan asetil-CoA yang cepat, yang menyebabkan penurunan berat badan.
  3. DNP menyekat pergerakan proton melalui sintase ATP, menghentikan pengeluaran ATP. Tenaga yang tersimpan hilang sebagai panas, menyebabkan penurunan berat badan.
  4. DNP melepaskan pengeluaran ATP dengan meningkatkan kecerunan proton dalam matriks. Tenaga yang tersimpan hilang sebagai panas, menyebabkan penurunan berat badan.

Chemiosmosis (Gambar 7.13) digunakan untuk menghasilkan 90 peratus ATP yang dibuat semasa katabolisme glukosa aerobik. Ia juga merupakan kaedah yang digunakan dalam reaksi cahaya fotosintesis untuk memanfaatkan tenaga cahaya matahari dalam proses fotofosforilasi. Ingatlah bahawa penghasilan ATP menggunakan proses chemiosmosis pada mitokondria disebut fosforilasi oksidatif. Hasil keseluruhan tindak balas ini adalah penghasilan ATP dari tenaga elektron yang dikeluarkan dari atom hidrogen. Atom-atom ini pada mulanya merupakan bahagian molekul glukosa. Pada akhir laluan, elektron digunakan untuk mengurangkan molekul oksigen menjadi ion oksigen. Elektron tambahan pada oksigen menarik ion hidrogen (proton) dari medium sekitarnya, dan air terbentuk.

Sambungan Visual

  1. Kepekatan proton ruang antarmembran akan menurun, menghentikan pengeluaran ATP.
  2. Kepekatan proton ruang antarmembran akan meningkat, menyebabkan pembentukan ATP.
  3. Kepekatan ion hidrogen pada ruang antara membran akan menurun, menyebabkan pengeluaran ATP yang tinggi.
  4. Kepekatan proton ruang antara lapisan akan meningkat, menyebabkan pengeluaran ATP dalam jumlah besar.

Hasil ATP

Bilangan molekul ATP yang dihasilkan dari katabolisme glukosa berbeza-beza. Sebagai contoh, bilangan ion hidrogen yang dapat dipam oleh kompleks rantai pengangkutan elektron melalui membran berbeza antara spesies. Punca varians lain berpunca dari aliran elektron melintasi membran mitokondria. (NADH yang dihasilkan dari glikolisis tidak dapat memasuki mitokondria dengan mudah.) Oleh itu, elektron diambil di bahagian dalam mitokondria oleh NAD + atau FAD +. Seperti yang telah anda ketahui sebelumnya, molekul FAD + ini dapat mengangkut ion yang lebih sedikit akibatnya, lebih sedikit molekul ATP dihasilkan ketika FAD + bertindak sebagai pembawa. NAD + digunakan sebagai pengangkut elektron di hati dan FAD + bertindak di otak.

Faktor lain yang mempengaruhi penghasilan molekul ATP yang dihasilkan dari glukosa adalah hakikat bahawa sebatian perantaraan dalam laluan ini digunakan untuk tujuan lain. Katabolisme glukosa menghubungkan dengan jalan yang membina atau memecah semua sebatian biokimia lain dalam sel, dan hasilnya agak lebih buruk daripada situasi ideal yang dijelaskan setakat ini. Contohnya, gula selain glukosa dimasukkan ke dalam jalur glikolitik untuk pengambilan tenaga. Lebih-lebih lagi, gula lima karbon yang membentuk asid nukleik terbuat dari perantaraan dalam glikolisis. Asid amino tidak penting tertentu boleh dibuat dari perantaraan kedua glikolisis dan kitaran asid sitrik. Lipid, seperti kolesterol dan trigliserida, juga dibuat dari perantaraan di jalur ini, dan kedua-dua asid amino dan trigliserida dipecah untuk tenaga melalui jalur ini. Secara keseluruhan, dalam sistem hidup, jalur katabolisme glukosa ini mengekstrak sekitar 34 peratus tenaga yang terdapat dalam glukosa.

Sambungan Amalan Sains untuk Kursus AP®

Aktiviti

Gunakan kertas pembinaan dan bahan seni lain untuk membuat rajah anda sendiri mengenai rangkaian pengangkutan elektron (ETC). Pastikan untuk memasukkan semua bahagian rantai pengangkutan elektron, serta elektron itu sendiri, NAD + dan NADH, dan oksigen. Pada rajah anda, labelkan semua bahagian ETC yang memindahkan tenaga bebas dari elektron ke bentuk lain. Kemudian, gunakan model anda untuk membuat ramalan mengenai setiap perkara berikut. Kemudian, kongsi jawapan anda dengan kelas.


Tonton videonya: mengenal HIDROGEN #seri ensiklopedia unsur- 1 (Januari 2022).