5.4: Cos'è un gradiente elettrochimico?

L'adenosina trifosfato, o ATP, è considerata la fonte primaria di energia nelle cellule. Tuttavia, l'energia può anche essere immagazzinata nel gradiente elettrochimico di uno ione attraverso la membrana plasmatica, che è determinata da due fattori: i suoi gradienti chimici ed elettrici.

Il gradiente chimico si basa sulle differenze nell'abbondanza di una sostanza all'esterno rispetto all'interno di una cellula e scorre da aree di alta a bassa concentrazione di ioni. Al contrario, il gradiente elettrico ruota intorno alla carica elettrica di uno ione e alle cariche complessive degli ambienti intracellulari ed extracellulari.

Il gradiente elettrico di uno ione caricato positivamente passa da regioni positive a regioni negative, mentre il contrario è vero per gli ioni caricati negativamente. È l'azione combinata di questi fattori elettrici e chimici che determinano la direzione finale di un gradiente elettrochimico. Quando uno ione si muove lungo questo percorso, lungo il suo gradiente elettrochimico, viene liberata energia che può quindi alimentare diversi processi biologici.

La membrana cellulare funziona come una barriera,

tenendo molecole e ioni intrappolati dentro una cellula,

mantenendo gli altri fuori.

Una caratteristica di questa divisione delle risorse dentro

e all'esterno della cellula è il mantenimento

di un gradiente elettrochimico.

Gli ioni che sono critici per la funzione cellulare,

tra cui sodio e potassio,

non sono in grado di disinnescare attraverso la membrana,

basandosi invece sul movimento di canali e trasportatori.

In condizioni normali,

c'è generalmente più sodio all'esterno

di una cellula che all'interno.

Questo crea un gradiente chimico o di concentrazione,

in cui il sodio scorre attraverso la membrana cellulare

dall'esterno verso l'interno se gli viene dato un percorso.

Viceversa, c'è una minore concentrazione di potassio

all'esterno della cellula e più potassio all'interno,

quindi il suo gradiente chimico

è in opposizione al gradiente del sodio.

Tuttavia, la concentrazione di ioni

non è l'unico fattore che crea

un gradiente attraverso la membrana cellulare.

La separazione di ioni e molecole con cariche positive

e negative significa anche

che è presente un gradiente elettrico.

La prevalenza di ioni sodio caricati positivamente fuori

della cellula e l'abbondanza

di proteine caricate dentro negativamente sono due fattori

principali che contribuiscono alla differenza complessiva

di carica attraverso la membrana.

Il trasporto attivo utilizza l'energia

per mantenere il gradiente elettrochimico attraverso

la membrana cellulare, con

proteine di membrana specializzate che muovono gli ioni

contro i loro gradienti elettrochimici.

In condizioni specifiche,

ma, gli ioni possono muoversi con i loro gradienti,

generando energia per processi

come il trasporto del glucosio e fornendo un mezzo

per cellule specializzate, come muscolo cardiaco e neuroni,

per generare impulsi elettrici.