Op zoek naar de klepel

bij dezen en genen

Tag archief: semipermeabel membraan

Het protonengradient

De formulering van de hypothese van het protonengradient gaat terug naar de jaren zestig. Dit gradiënt bestaat in alle cellen en is een universeel kenmerk van het leven net als het DNA en verwanten er de universele informatiedragers van zijn. Hoe komt het dat dit kenmerk zo universeel is? Nick Lane schrijft er een mooi artikel over en laat zien dat dit alles te maken heeft met de plek waar het leven mogelijk is ontstaan.

Image

Protonenkanaal, geassocieerd met ATPsynthetase. Klik op het plaatje om deze animatie te zien.

Een proton is het ion van waterstof en wordt weergegeven als H+. Omdat het elektron ontbreekt is de lading positief en het ion is simpelweg de kern van het waterstofatoom. Een gradiënt van deze protonen betekent een verschil in concentratie van protonen aan weerszijden van een semipermeabel membraan (of een poreuze wand zoals we later zullen zien).

Verschillende concentraties aan weerszijde van een semipermeabel membraan ‘zoeken’ altijd naar een evenwicht. Maar ionen zoals H+ kunnen dit membraan vanwege hun lading niet passeren. Dit heeft te maken met ladingen en hydrofobe en hydrofiele eigenschappen van respectievelijk het membraan en het ion. In de levende membranen zoals we die in cellen kennen bestaan er evenwel kanalen van eiwitten die de ionen laten passeren. Deze turbine wekt energie op die opgeslagen wordt in een molecuul van ATP (het universele ‘energie’-molecuul waarin de fosfaatverbindingen energie vasthouden). Op deze manier wordt het evenwicht wel snel opgeheven, maar door het voortdurend pompen van speciale protonenpompen wordt het evenwicht nooit bereikt. De pompen herstellen voortdurend het gradiënt. Het leven is geen perpetuum mobile dus de werking van deze pompen gaat ten koste van de verbranding van suikers, waarbij het zuurstof als elektronen acceptoor dient en waarbij water en kooldioxide (CO2) gevormd worden.

Dit alles speelt zich af in de mitochondriën, de kleine energie-fabriekjes in ieder van onze cellen. Efraim Racker was reeds in de jaren veertig in staat aan te tonen dat de afbraak in anaerobe condities van suiker te koppelen is aan de productie van ATP. Het gaat hier om pure chemie omdat de fosfaatgroepen direct van het suiker naar het ADP overgebracht worden om ATP te vormen. Het bleek een stoichiometrisch proces te zijn, d.w.z. de afbraak van een suiker leverde 1 of 2 ATP’s op. Tot zover was alles duidelijk. Men heeft daarna op dezelfde manier gekeken naar de aerobe condities waarbij suikers verbrand worden. Het bleek dat er hier geen sprake was van stoichiometrie: het bleek dat een glucose verschillende hoeveelheden ATP produceerden; tussen de 28 en 38 ATP’s en nooit een geheel getal ! Aerobische respiratie is dus niet stoichiometrisch en dus niet chemisch. Op basis van deze gegevens formuleerde Peter Mitchell de ‘proton motive force’ (1961). Men ontdekte pas later de structuur van de eiwit moleculen als die van de turbines en pompen die zich in het membraan bevinden die verantwoordelijk zijn voor deze proton aandrijfkracht.

De protongradienten drijven niet alleen energieproductie in mitochondriën aan (dus van alle dieren- en platencellen) maar ook in bacteriën en archaea. De protongradienten en de bijbehorende kanalen en pompen zijn ook van essentieel belang voor de homeostase van iedere cel. De vraag die Mitchell niet kon beantwoorden is waarom protonen deze universele rol hebben. Het antwoord ligt volgens Michael Russell in de alkalische hydrothermale diepzeebronnen die langs de Mid-Atlantische Rug liggen.

Image

Een half ATP winst bij de reductie van een molecuul CO2

Hier konden zich door de semipermeabele wand van de ‘schoorsteen’ protongradienten vormen. Toen de aarde nog zonder leven was, waren de zeeën licht zuur (pH laag en H+ hoog) vanwege de hoge concentratie van CO2 in de atmosfeer. Het pH ligt in de bronnen wel vier punten hoger en bevat veel minder H+. Ook hier bestond dus een protonengradient met dezelfde polariteit en met ongeveer dezelfde ‘helling’ als die in onze cellen (200mV). Het eerste leven heeft een manier moeten vinden om dit gradiënt te exploiteren. Wat leven doet is CO2 reduceren. Om CO2 te laten reageren moet er een drempel overwonnen worden. Dat kost energie. Die energie is mogelijk uit de natuurlijke protongradienten van de bronnen voortgekomen. Als CO2 helemaal gereduceerd is tot CH4 (methaan) dan komt daar een 0,5 ATP netto uit voort. En dat is de energie die doet leven.

Uit: Why are cells powered by proton gradients ? by Nick Lane

Nieuwe vormen van duurzame energie

Globale klimaatverbetering in de VS

Dinsdag 16 juni is er door het Witte Huis een document aan de pers gepresenteerd over de impact van globale klimaatverandering in de Verenigde Staten. (Zie video http://www.youtube.com/watch?v=y88sgDM9HmA ) Hier wordt duidelijk in gesteld dat er geen discussie meer kan zijn over of er nu wel of geen klimaatverandering aan de gang is: we hebben nù al te maken met de gevolgen van CO2 steiging, zoals korte maar frequente en hevige regenval, erosie, bosbranden en een stijging van de zeespiegel. Er wordt dan ook gepleit voor een beleid dat gebaseerd is op het opwekken van groene energie. Het is een hele opluchting te horen dat nu ook de VS klimaatverandering serieus neemt.

Windenergie op Amerikaanse bodem kan energie voor de hele wereld opwekken

Vandaag verscheen er interessant nieuws in een artikel over windenergie in het wetenschappelijk tijdschrift PNAS. Daarin wordt uitgerekend dat alleen de VS met windenergie, waarbij molens met een capaciteit van 2,5 Megawatt die niet bij bossen, gletsjers en steden gebouwd worden, met slechts 20% van hun maximum capaciteit, 40 keer in de wereldwijde vraag naar electriciteit kunnen voorzien en 5 keer het globale gebruik van alle vormen van energie kunnen dekken. Goed nieuws, al is het de vraag of er ooit zo’n (altruïstische) investering zal komen.

Osmose

Ondertussen wordt er ook hard gewerkt aan energie die opgewekt kan worden met gebruik van semipermeabile membranen. Deze membranen zijn ontworpen naar de biologische celmembranen die selectief kleine moleculen als water, zuurstof en kooldioxide doorlaten. Zouten, die electrisch geladen zijn, of grotere moleculen kunnen dit membraan niet passeren.
Deze membranen zijn verantwoordelijk voor het fenomeen osmose. Zou een cel teveel zouten bevatten dan zwelt hij op en kan uiteindelijk uiteenspatten. Bevat hij daarentegen te weinig zout dan verliest hij water en krimpt ineen.

Het fenomeen van osmose wordt ook wel gebruikt voor het omzetten van zout in zoet water. Wordt zeewater onder hoge druk door een dergelijk kunstmatig membraan geperst dan blijven de zouten achter en het zoete water komt er aan de andere kant van het membraan uit. Dit proces wordt reverse-osmose genoemd. Zie ook blogbijdrage van Qabouter. Er bestaat wereldwijd industriele toepassing van deze vorm van zoetwaterwinning al kost het opwekken van de druk ook behoorlijk wat energie. Zie hiervoor ook de blogbijdrage van Jim Hasenaar.

Worden dit soort membranen daarentegen aan de monding van een rivier geplaatst dan kan er met het verschil in zoutconcentraties tussen het zeewater en het rivierwater drukverschil opgewekt worden waarmee een turbine aangezwengeld kan worden (zie kort filmpje).

http://c.brightcove.com/services/viewer/federated_f9/2227271001?isVid=1&publisherID=981571807

Een ander Nederlands model gebruikt membranen die selectief negatieve of positieve ionen doorlaten. Het positive natrium passeert het ene membraan en het negatieve chloor passeert het tegenoverliggende membraan. De membranen zijn impermeabel voor water. Daarmee wordt een potentiaalverschil gecreëerd tussen de twee membranen dat aan electroden wordt doorgegeven. Dit project heet ‘Blue Energy’. Bij de Rijnmond zou voor 650.000 huishoudens op deze manier energie opgewekt kunnen worden (Zie ook artikel Veerman).

De technieken die osmose gebruiken zijn nog in ontwikkeling en men gebruikt slechts kleinere prototypen, dus het kan nog wel even duren voordat ze echt toegepast zullen worden, maar het is weer een stap vooruit.


Informatie grotendeels uit New Scientist

Footnotes to Plato

because all (Western) philosophy consists of a series of footnotes to Plato

Zwervende gedachten

Een filosoof over argumentatie, biologie, handelingstheorie en wat hem verder invalt

Jonas Bruyneel

Literatuur/Journalistiek/Muziek

mjusicamanti.wordpress.com/

per amanti della vera musica

SangueVivo

Ancora solo un battito in più - blog personale di Paolo Minucci

Scientia Salon

An archived blog about science & philosophy, by Massimo Pigliucci

Infinite forme bellissime e meravigliose

si sono evolute e continuano a evolversi

Meneer Opinie

Altijd een mening, maar niet altijd gehinderd door kennis van zaken

The Cambrian Mammal

An evo-devo geek's scientific meanderings

Evolutie blog

bij dezen en genen

The Finch and Pea

A Public House for Science

voelsprieten

* wonder van het alledaagse *

kuifjesimon

Just another WordPress.com site

The Amazing Comics Men

Comics by Dutch cartoonists Jan the Stripman & Wim the Mysterious Helpman

Barbara Jansma

Prenten, spotprenten en schilderijen

%d bloggers liken dit: