Gradiente electroquímico

Un gradiente electroquímico é un gradiente de potencial electroquímico, xeralmente creado por un ión que se move a través dunha membrana. Cando os ións son protóns (H⁺) é un gradiente de protóns. O gradiente consta de dúas partes: un potencial eléctrico e unha diferenza na concentración química a través da membrana. A diferenza de potenciais electroquímicos pode ser interpretada como un tipo de enerxía potencial química que está dispoñible para funcionar nunha célula. A enerxía almacénase en forma de potencial químico, que se debe a un gradiente de concentración de ións a través dunha membrana da célula, e á enerxía electrostática, que se debe á tendencia dos ións a moverse baixo a influencia do potencial transmembrana.

Introdución

O potencial electroquímico é importante en química electroanalítica e en aplicacións industriais como as baterías e celas de combustible. Representa unha das moitas formas intercambiables de enerxía potencial por medio das cales a enerxía pode conservarse.

En procesos biolóxicos, a dirección en que se move un ión por difusión ou transporte activo a través dunha membrana está determinada polo gadiente electroquímico. Nas mitocondrias e cloroplastos e nas membranas bacterianas, os gradientes de protóns utilízanse para xerar un potencial quimiosmótico que se coñece tamén como forza protón motriz. Esta enerxía potencial utilízase para a síntese de ATP por fosforilación oxidativa.

Un gradiente electroquímico ten dous compoñentes. Primeiro, o compoñente eléctrico do gradiente está causado por unha diferenza de cargas a través da membrana lipídica. Segundo, o compoñente químico está causado por unha diferenza de concentración dunha substancia (ións) a través da membrana. A combinación destes dous factores determina a dirección electroquímica favorable para que se produza o movemento dun ión a través da membrana.

Un gradiente electroquímico é análogo á presión exercida pola auga a través dunha presa hidroeléctrica. As proteínas de transporte de membrana como a bomba de sodio-potasio situada dentro da membrana son equivalentes ás turbinas que converten na presa a enerxía potencial da auga noutras formas de enerxía, e os ións que pasan a través da membrana equivalen á auga que sae da presa. Ademais, a enerxía pode utilizarse nalgúns casos para bombear auga de regreso ao encoro. De maneira similar, a enerxía química das células pode ser utilizada para crear gradientes electroquímicos.

En química

En química o termo aplícase normalmente en contextos nos que ten lugar unha reacción química, como cando está implicada a transferencia dun electrón a un eléctrodo dunha batería. Nunha batería, o potencial electroquímico orixinado polo movemento dos ións equilibra a enerxía de reacción dos eléctrodos. A voltaxe máxima que pode producir a reacción dunha batería chámase ás veces potencial electrodinámico estándar desa reacción (ver tamén potencial de eléctrodo). En casos que teñen que ver especificamente co movemento de solutos electricamente cargados, o potencial exprésase con frecuencia en voltios.

En bioloxía

En bioloxía, o termo úsase ás veces no contexto dunha reacción química, especialmente para describir a fonte de enerxía para a síntese química de ATP. Porén, en xeral, utilízase para caracterizar a tendencia dos solutos de difundir (difusión simple) a través da membrana da célula, un proceso que non implica unha transformación química.

Gradiente iónico

Nunha célula, orgánulo, ou outro compartimento subcelular, a tendencia dun soluto cargado electricamente, como por exemplo o ión potasio (K⁺), a moverse a través da membrana está determinada pola diferenza no seu potencial electroquímico a cada lado da membrana, a cal se orixina por tres factores:

a diferenza na concentración do soluto entre os dous lados da membrana;
a carga ou "valencia" das moléculas de soluto;
a diferenza en voltaxe entre ambos os lados da membrana (é dicir, o potencial transmembrana).

A diferenza de potencial electroquímico dun soluto é cero no seu "potencial inverso", que é a voltaxe transmembrana á cal o fluxo neto de solutos a través da membrana é tamén cero. Este potencial pode predicirse, en teoría, aplicando a ecuación de Nernst (para sistemas cunha especie iónica permeante) ou pola ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz (para máis dunha especie iónica permeante). O potencial electroquímico mídese no laboratorio e no campo utilizando eléctrodos de referencia.

As ATPases transmembrana ou proteínas transmembrana con dominios de ATPase utilízanse con frecuencia para crear e utilizar gradientes iónicos. O encima a ATPase de Na+/K+ utiliza o ATP para crear un gradiente iónico de sodio e outro de potasio. O potencial electroquímico utilízase como un almacenamento de enerxía. O acoplamento quimiosmótico é unha das varias formas en que unha reacción termodinamicamente desfavorable pode ser impulsada por outra termodinamicamente favorable. O cotransporte de ións por simportadores e antiportadores utilízase comunmente para mover activamente ións a través de membranas biolóxicas.

Gradiente de protóns

O gradiente de protóns pode utilizarse nas células como unha forma de almacenamento de enerxía intermedia para a produción de calor ou a rotación flaxelar bacteriana. Ademais, é unha forma interconvertible de enerxía no transporte activo, xeración de potenciais eléctricos, síntese de NADPH, e síntese/hidrólise de ATP.

A diferenza de potencial electroquímico entre os dous lados da membrana nas mitocondrias, cloroplastos, bacterias, e outros compartimentos membranosos que interveñen no transporte activo que implica bombas de protóns, chámase ás veces potencial quimiosmótico ou forza protón motriz (ver quimiosmose). Neste contexto, os protóns son a miúdo considerados separadamente utilizando unidades de concentración ou tamén de pH, xa que un gradiente de protóns é un gradiente de pH.

Forza protón motriz

Véxase tamén: Quimiosmose, Fosforilación oxidativa e Fotofosforilación.

Na cadea de transporte de electróns respiratoria expúlsanse dous protóns en cada sitio de acoplamento, xerando a forza protón motriz. O ATP sintetízase indirectamente aproveitando a forza protón motriz como fonte de enerxía.

A ATP sintase F₁F_O é un encima de funcionamento reversible. Aproveitando esta reversibilidade, con cantidades de ATP o suficientemente grandes faise que este encima xere un gradiente de protóns transmembrana. Isto utilízano as bacterias fermentadoras (que non utilizan unha cadea de transporte de electróns, e hidrolizan o ATP para crear un gradiente de protóns) para mover os flaxelos e o transporte de nutrientes ao interior da célula.

Nas bacterias que realizan a respiración celular en condicións normais, a ATP sintase, en xeral, funciona na dirección oposta, producindo ATP usando como fonte de enerxía a forza protón motriz creada pola cadea de transporte de electróns. O proceso conxunto de creación de enerxía desta forma denomínase fosforilación oxidativa. O mesmo proceso ten lugar nas mitocondrias dos eucariotas, nos que a ATP sintase está localizada na membrana mitocondrial interna, de modo que a porción F₁ da ATP sintase asome á matriz mitocondrial, onde ten lugar a síntese de ATP.

Tamén se producen gradientes de protóns nos tilacoides na fotofosforilación da fase luminosa da fotosíntese por un mecanismo quimiosmótico similar ao das mitocondrias. Aquí a porción F₁ da ATP sintase asoma ao interior dos tilacoides.

Algunhas arqueas, principalmente as halobacterias, crean gradientes protónicos ao bombearen protóns fóra da célula coa axuda do encima impulsado pola luz bacteriorrodopsina, o cal se usa aquí para impulsar o motor molecular encimático ATP sintase orixinando os cambios conformacionais necesarios para que se poida sintetizar o ATP.

Tamén crean gradientes protónicos as bacterias ao utilizaren a ATP sintase en sentido inverso, o que utilizan para facer moverse os seus flaxelos.

Notas e referencias

Campbell & Reece (2005). Biology. Pearson Benjamin Cummings. ISBN 0-8053-7146-X.
Stephen T. Abedon, "Important words and concepts from Chapter 8, Campbell & Reece, 2002 (1/14/2005)", for Biology 113 at the Ohio State University