מבוא לפיזיולוגיה תרגיל מספר 2 פוטנציאל אלקטרוכימי

1. מבוא לפיזיולוגיהתרגיל מספר 2 פוטנציאל אלקטרוכימי

2. הפוטנציאל האלקטרוכימי אנרגיה חופשית ל- 1 mole חומר. מרכיבי הפוטנציאל האלקטרוכימי של חומר X: מרכיב כימי מרכיב חשמלי m ניתן ביחידות של joul/mole המרכיב הכימי: RTlnCx R – קבוע הגזים (R=8.314 joul/mole*oK) T – טמפרטורה מוחלטת (oK=toC+273) Cx- הריכוז של x (ביחידות של M=mole/liter) המרכיב החשמלי: ZxFy Zx – הערכיות של x F – מספר פרדיי Faraday(coulomb / mole) y– הפוטנציאל החשמלי (יחידות – volt)

3. כעת נבדוק מהו הפרש הפוטנציאלים של x משני צידי הממברנה: זו הצורה המקובלת להצגת הפוטנציאל האלקטרוכימי של חומר x משני צידי הממברנה. עבור חומר x, הנמצא משני צידי ממברנה, נגדיר את הפוטנציאל האלקטרוכימי משני הצדדים:

4. המשוואה מתחשבת בגורמים שייקבעו את זרם היון/חלקיק במונחים של ריכוזים ושל פוטנציאל חשמלי. כאשר היון/חלקיק בשו"מ אזי הזרם הנטו הינו אפס.

5. הכוחות מאוזנים והפוכים בכיוונם זהו פוטנציאל שווי המשקל של יון (x) שנקרא גם פוטנציאל נרנסט של יון – Nernst potential. עבור יון חד ערכי (Zx=+1) ניתן לכתוב גם: 58mV כאשר החומר X נמצא בשווי-משקל משני צידי הממברנה: ואז:

6. מתקיים: לדוגמא, במערכת בשווי משקל, המכילה יוני Na+ ויוני Cl-: ניתן לכתיבה גם כפי שנוסח ע"י דונאן ("מכפלת דונאן"): כאשר המערכת כולה נמצאת בשווי משקל: עבור כל חומר x:

7. עקרון האלקטרוניטרליות – ריכוז המטענים החיובים והשליליים בכל מדור שווה! (ברמה המקרוסקופית)

8. האיורים מתוך קנדל, מהדורה רביעית

9. א' א' ב' ב' 100mM NaCl 100mM NaCl 10mM NaCl 1mM NaCl כוח ריכוזי אם נציב במשוואת נרנסט: Dji-o = 58*log(100/10) = 58mV כוח חשמלי ג. הממברנה חדירה ליוני נתרן בלבד ומפל ריכוזי היון גדול יותר: Dji-o = 58*log(100/1) = 116mV כוח ריכוזי אפשר לראות שבמעבר מ-ב' ל-ג' מפל הריכוזים גדל פי 10 והפוטנציאל החשמלי גדל פי 2. כוח חשמלי דוגמאות א. מה יקרה אם הממברנה חדירה לשני היונים במידה שווה? אם נציב במשוואת נרנסט: Dji-o = 58*log(55/55) = 0 ב. מה יקרה אם הממברנה חדירה ליוני נתרן בלבד?

11. זיכרו: • עבור כלור הביטוי יהיה -58*log… • לגבי סידן: תרומתו במנוחה קטנה מאוד, אך עדיין מתקיים לגביו שו"מ ופוטנציאל המחושב ע"י 29*log… • בתאי יונקים T=37o C

15. נתון שהממברנה חדירה רק לאשלגן ולכלור. האם המערכת בשו"מ אלקטרוכימי? אם לא, באיזה כיוון ינוע כל יון? מה רמות השו"מ הסופיות אליהן יגיע כל יון בכל מדור?

16. נבדוק אלקטרוניטרליות: האם מתקיימת? כן. (150 מטענים חיוביים ו 150 מטענים שליליים בכל צד). כל היונים בשו"מ כימי? כלור לא בשו"מ. לאן ינוע? מ II ל I, בדיפוזיה. כמה צריכים לעבור עד לשו"מ? 50 mM כלור צריכים לעבור . אבל אז איזה עיקרון מופר? אלקטרוניטרליות. איך מאזנים? 50 mM אשלגן נוטים לעבור באותו כיוון כדי לאזן את המטען. מה יקרה אז? ואז יופר ריכוז האשלגן והוא יעבור מ I ל II... השו"מ הסופי נתון ע"י חוק דונאן

17. The new concentrations אבל האם כעת מתקיימת אלקטרוניטרליות???

18. לפני שנפתור: האם בכלל אנו מצפים, על סמך התנאים החדשים, שאחד היונים יהיה בעל פוטנציאל שונה מאפס? הרי המערכת בשו"מ. בנוסף, האם המערכת בשו"מ אוסמוטי???

19. Ho*Clo לפי דונן: Hi= =1.68*10-7M Cli כלומר:pHin = 6.77 כדוריות דם אדומות נמצאות בתוך תמיסת HCl. המערכת הגיעה לשווי משקל. נתון: pHout = 6.6Clin/Clout= 1.49Dji-o = +10mV מה ה-pH הפנימי? ולפי נרנסט: מה ה pH הפנימי אם Δφi-o =0mV ?

20. נתון שהממברנה חדירה רק לאשלגן ולכלור. האם המערכת בשו"מ אלקטרוכימי? אם לא, באיזה כיוון ינוע כל יון? מה רמות השו"מ הסופיות אליהן יגיע כל יון בכל מדור? מה יהו Ek ו ECl ?