Introducción
en las células vivas, la membrana plasmática o membrana celular es una barrera selectivamente permeable que permite que sustancias selectivas pasen a través de ella. Por lo tanto, mantiene diferentes concentraciones en ambos lados de la membrana. Esto da lugar a diferentes gradientes de concentración eléctrica y química en la superficie de la membrana que colectivamente forman el gradiente electroquímico.
¿Qué es un Gradiente Electroquímico?,
se define como la diferencia en la carga y la concentración química a través de la membrana plasmática debido a su permeabilidad selectiva. La combinación del gradiente de concentración y el gradiente de carga eléctrica que afecta el movimiento de un ion en particular a través de la membrana plasmática se conoce como gradiente de concentración.
Los gradientes de concentración simples no son tan complejos ya que existen debido a la concentración diferencial de una sustancia a través de una membrana., Pero en el caso de los organismos vivos, los gradientes no son tan simples. Además de un gradiente de concentración, un gradiente eléctrico también está presente dentro de las células vivas porque no solo los iones se mueven dentro y fuera de las células, sino que el espacio intracelular de las células también contiene algunas proteínas. La mayoría de estas proteínas cambian negativamente y no se mueven al exterior. Como resultado de esto, el interior de la membrana está más negativamente cargado, lo que hace que exista un gradiente eléctrico a través de la membrana plasmática, además de un gradiente de concentración debido a los iones., Ambos gradientes eléctricos y de concentración se estudian bajo un gradiente electroquímico.
para entender esto, considere el movimiento de iones de sodio y potasio a través de la membrana. Además de las proteínas cargadas negativamente presentes dentro de la célula, las células tienen una mayor concentración de potasio dentro de la célula y una mayor concentración de sodio fuera de la célula., El gradiente de concentración bombea sodio dentro de la célula (de mayor concentración a menor concentración) y el gradiente eléctrico también impulsa el sodio dentro de la célula debido a la carga negativa del interior de la célula. Sin embargo, la situación es más compleja para el potasio. El gradiente eléctrico de potasio (un ion positivo) hace que se mueva dentro de la célula debido a un interior cargado negativamente, pero el gradiente de concentración de potasio lo mueve fuera de la célula (debido a una menor concentración de potasio fuera)., Este proceso de movimiento debido al gradiente de concentración y la carga eléctrica se conocen como gradiente electroquímico.
Componentes de Gradiente Electroquímico
Hay dos componentes de un gradiente electroquímico:
- componente Eléctrico
- componente Químico
El componente eléctrico de los resultados debido a la diferencia en la carga eléctrica a través de la membrana plasmática. Y el componente químico se debe a la diferencia en la concentración de iones a través de la membrana., La combinación de estos dos predice la dirección termodinámicamente favorable para el movimiento de iones a través de la membrana plasmática selectivamente permeable.
tipos de mecanismos de transporte activo en gradiente electroquímico
Hay dos tipos de mecanismos de transporte activo para el movimiento de iones y sustancias:
- transporte activo primario
- transporte activo secundario
El transporte activo primario ayuda en el movimiento de iones a través de una membrana y establece una diferencia en el gradiente que depende directamente del ATP., Mientras que el transporte activo secundario es para el movimiento de sustancias como resultado del gradiente electroquímico creado por el transporte activo primario y por lo tanto no depende directamente del ATP.
moviéndose contra el gradiente electroquímico
el movimiento de sustancias contra el gradiente electroquímico ocurre en presencia de energía. La energía proviene del trifosfato de adenosina (ATP) que se genera durante el metabolismo celular. Los mecanismos de transporte activo, que se conocen colectivamente como bombas, ayudan en el movimiento de sustancias contra los gradientes electroquímicos., Muchas sustancias pequeñas pasan continuamente a través de la membrana celular. La concentración de iones y sustancias se mantiene mediante el transporte activo. Por lo tanto, una parte importante de la energía metabólica de la célula se utiliza para mantener estos procesos.
como estos mecanismos de transporte activos dependen del suministro de energía por el metabolismo de la célula, cualquier veneno que pueda interferir con el metabolismo para detener el suministro de ATP afectará estos mecanismos.,
proteínas portadoras para el transporte activo
el transporte activo de sustancias a través de la membrana se ve facilitado por la presencia de proteínas portadoras específicas o bombas. Los siguientes tres son los tipos de portadores o transportadores de proteínas que están presentes:
- Uniporters
- Symporters
- Antiporters
un uniporter está involucrado en el transporte de un ion o molécula específica. Un simporter transporta dos iones o moléculas diferentes y ambos en la misma dirección., Un antiporter actúa como proteína portadora de dos o más iones o moléculas diferentes pero en direcciones diferentes. Estos portadores de proteínas también son responsables del transporte de pequeñas moléculas sin carga, como la glucosa. Estas tres proteínas portadoras también tienen un papel en la difusión facilitada, pero en ese caso, el ATP no es necesario., Algunas de estas bombas o portadores de proteínas para el transporte activo se encuentran a continuación:
Na+-K+ ATPasa: transporta iones de sodio y potasio
H+-K+ ATPasa: transporta iones de hidrógeno y potasio
Ca+ ATPasa: transporta solo iones de calcio
H+ ATPasa: transporta solo iones de hidrógeno
las dos primeras de las bombas mencionadas anteriormente son proteínas transportadoras antiportadoras.,
Bomba de gradiente electroquímico de sodio y potasio
la bomba de gradiente electroquímico Na + / K + establecida por el mecanismo de transporte activo es un ejemplo de gradiente electroquímico en células vivas.
transporte activo primario
El transporte activo primario crea un gradiente electroquímico a través de la membrana por el transporte de iones. El proceso es impulsado por el uso de ATP., La bomba de sodio y potasio es una de las bombas más importantes en los organismos vivos que mantiene un gradiente electroquímico a través de la membrana. Esta bomba favorece el movimiento de dos iones de potasio dentro de la célula y tres iones de sodio fuera de la célula. Dependiendo de la orientación hacia el interior o exterior de la célula y la afinidad por ambos iones, La Na + – K + ATPasa (bomba de sodio y potasio) está presente en dos formas.
el proceso se completa en los siguientes pasos:
- inicialmente, la bomba de enzima portadora está orientada hacia el interior de la célula., El portador tiene una alta afinidad para el transporte de iones de sodio y tres iones pueden unirse a él a la vez.
- La proteína transportada cataliza la hidrólisis de ATP y une un grupo fosfato de baja energía a ella.
- Después de la fosforilación, la forma del portador se cambia y la orientación se desplaza hacia el exterior. Como resultado, la afinidad por el sodio disminuye y tres iones de sodio salen de la bomba.
- El cambio en la forma del portador también favorece la Unión de dos iones de potasio debido al aumento de la afinidad por los iones de potasio., Debido a esto, el grupo fosfato de baja energía sale del portador.
- después de la eliminación del grupo fosfato y la Unión de iones de potasio, la proteína transportadora cambia de posición hacia el interior de la célula.
- debido al cambio de configuración, la afinidad por el potasio disminuye y libera dos iones en el espacio intracelular. Una vez más, la proteína en su estado inicial, tiene una mayor afinidad por los iones de sodio y el proceso comienza de nuevo.
muchos cambios ocurren como resultado de este proceso., En esta posición, los iones de sodio están en una mayor concentración fuera de la célula que en el interior y los iones de potasio están más en el espacio intracelular de la célula. Como resultado de dos iones de potasio moviéndose dentro de la célula, tres iones de potasio se mueven fuera. Esto hace que el interior de la célula sea ligeramente más negativo que el exterior. Esta diferencia es responsable de crear las condiciones necesarias para el mecanismo secundario. La bomba sodio-potasio funciona como una bomba electroquímica y contribuye al potencial de membrana al establecer un desequilibrio eléctrico.,
transporte activo secundario
en el proceso de transporte activo secundario, para una molécula que se mueve hacia abajo en el gradiente electroquímico, otra molécula se mueve hacia arriba en su gradiente de concentración. En este proceso, el ATP no se une directamente a la proteína transportadora. En su lugar, la molécula o ion se mueve contra su gradiente de concentración que establece un gradiente electroquímico. La molécula requerida luego se mueve hacia abajo en el gradiente electroquímico. El ATP se utiliza en este proceso, así como para la generación de gradiente y la energía no se utiliza para el movimiento de una molécula a través de la membrana., Es por eso que se conoce como transporte activo secundario.
Los Antiportadores y simportadores están involucrados en el transporte activo secundario. Este proceso es responsable del movimiento del sodio y algunas otras sustancias en la célula. Las otras sustancias incluyen muchos aminoácidos y glucosa también. También es responsable de mantener una alta concentración de iones de hidrógeno en las mitocondrias de plantas y animales para generar ATP.,
papel del gradiente electroquímico en el proceso biológico
El gradiente electroquímico determina la dirección del movimiento de sustancias en procesos biológicos por difusión y transporte activo. La difusión y el transporte activo generan un potencial electroquímico a través de la membrana. El potencial electroquímico es debido a:
- Gradiente Iónico
- Gradiente de Protones
Gradiente Iónico
El potencial electroquímico como resultado del gradiente electroquímico determina la capacidad de los iones para atravesar la membrana., La membrana puede ser de célula u orgánulo o cualquier otra entidad sub-bodega. Este potencial se genera básicamente debido a la diferencia en la concentración de iones dentro y fuera de la membrana, la carga presente en iones o moléculas, y la diferencia de voltaje que existe a través de la membrana.
Las Atpasas Transmembranas son a menudo responsables de mantener los gradientes de iones. El gradiente iónico de sodio y potasio es mantenido por Na + / K + ATPasa.
gradiente de protones
El gradiente de protones se establece mediante el transporte activo por bombas de protones., Este gradiente electroquímico de protones es responsable de generar potencial quimiosmótico (fuerza motriz de protones) en la fotosíntesis y la respiración celular. El gradiente de protones también es responsable de almacenar energía para producir calor y rotación de flagelos.
este gradiente de protones se forma durante la cadena de transporte de electrones en las mitocondrias o cloroplastos por el bombeo de protones a través de la membrana por un mecanismo de transporte activo.
gradiente electroquímico en Bacteriorodopsina
El gradiente electroquímico causa la generación del gradiente de protones en Bacteriorodopsina., Por la absorción de fotones a una longitud de onda de 568 nm, se activa una bomba de protones que causa el movimiento de iones de hidrógeno de una concentración más alta a una concentración más baja. Después del proceso completo de bombeo de protones debido al cambio conformacional en la retina, la Bacteriorodopsina restaura el estado de reposo inicial.
gradiente electroquímico en la fosforilación
el gradiente electroquímico también es útil para generar un gradiente de protones durante el proceso de fosforilación en las mitocondrias., En este proceso, los protones son transportados desde la matriz mitocondrial al espacio transmembrana. Los protones, que se transfieren, incluyen los protones I, III y IV. Para generar un potencial electroquímico, un total de diez protones son transportados desde la matriz al espacio transmembrana. El potencial electroquímico es importante para la generación de ATP en presencia de ATP sintasa. Sin el gradiente electroquímico de protones, la producción de energía no ocurre en las mitocondrias.,
gradiente electroquímico en la fotofosforilación
La fotofosforilación, cíclica y no cíclica, implica la conversión de ADP a ATP en presencia de luz solar mediante la activación de PSII. El gradiente de protones se genera debido a la absorción del fotón como en el caso de la Bacteriorodopsina. Los electrones se mueven en la cadena de transporte de electrones y el ATP se forma en presencia de ATP sintasa. Los electrones son transportados de moléculas de alta energía a moléculas de baja energía en la cadena de transporte de electrones., En la fotofosforilación, un gradiente de potencial electroquímico transmembrana se establece por el movimiento de protones desde el estroma hasta el espacio tilacoide.
importancia del gradiente electroquímico
la importancia del gradiente electroquímico se destaca por los siguientes puntos:
- el trifosfato de adenosina, o ATP, se conoce como la fuente de energía primaria en las células vivas. Sin embargo, además de la energía ATP también se almacena en el gradiente electroquímico de una molécula o ion a través de la membrana celular que ayuda a impulsar los procesos de los organismos vivos.,
- Algunos de los principales procesos biológicos que se deben al potencial electroquímico o gradiente incluyen la conducción del impulso nervioso, la contracción muscular, la secreción hormonal y algunos procesos sensoriales.
- El proceso de fosforilación oxidativa en las mitocondrias se debe al gradiente de protones que es el resultado de un gradiente electroquímico. El gradiente electroquímico de fotones es esencial para la producción de energía en las mitocondrias.
en las plantas, durante las reacciones dependientes de la luz de la fotosíntesis, se establece un gradiente electroquímico de protones., Esto es crucial para completar el proceso. Tanto en las mitocondrias como en los cloroplastos, el gradiente electroquímico de protones genera potencial quimiosmótico que también se conoce como fuerza motriz de protones. Esta energía potencial está involucrada en la síntesis de ATP por fosforilación oxidativa y fotofosforilación.