Introduction
dans les cellules vivantes, La membrane plasmique ou la membrane cellulaire est une barrière perméable sélectivement qui permet aux substances sélectives de la traverser. Ainsi, il maintient des concentrations différentes des deux côtés de la membrane. Cela donne lieu à différents gradients de concentration électrique et chimique sur la surface de la membrane qui forment collectivement le gradient électrochimique.
qu’est Ce qu’un Gradient Électrochimique?,
Il est défini comme la différence de charge et de concentration chimique à travers la membrane plasmique en raison de sa perméabilité sélective. La combinaison du gradient de concentration et du gradient de charge électrique qui affecte le mouvement d’un ion particulier à travers la membrane plasmique est connue sous le nom de gradient de concentration.
les gradients de concentration simples ne sont pas aussi complexes qu’ils existent en raison de la concentration différentielle d’une substance à travers une membrane., Mais dans le cas des organismes vivants, les gradients ne sont pas si simples. En plus d’un gradient de concentration, un gradient électrique est également présent à l’intérieur des cellules vivantes car ce ne sont pas seulement les ions qui se déplacent à l’intérieur et à l’extérieur des cellules, mais l’espace intracellulaire des cellules contient également des protéines. La plupart de ces protéines sont modifiées négativement et ne bougent pas à l’extérieur. En conséquence de cela, l’intérieur de la membrane est plus chargée négativement, ce qui provoque un gradient électrique à travers la membrane plasmique en plus d’un gradient de concentration due aux ions., Ces deux gradients électriques et de concentration sont étudiés sous un gradient électrochimique.
pour comprendre cela, considérez le mouvement des ions sodium et potassium à travers la membrane. En plus des protéines chargées négativement présentes à l’intérieur de la cellule, les cellules ont une concentration plus élevée de potassium à l’intérieur de la cellule et une concentration plus élevée de sodium à l’extérieur de la cellule., Le gradient de concentration pompe le sodium à l’intérieur de la cellule (d’une concentration plus élevée à une concentration plus faible) et le gradient électrique entraîne également le sodium à l’intérieur de la cellule en raison de l’Intérieur chargé négativement de la cellule. Cependant, la situation est plus complexe pour le potassium. Le gradient électrique du potassium (un ion positif) le fait se déplacer à l’intérieur de la cellule en raison d’un intérieur chargé négativement, mais le gradient de concentration de potassium le déplace à l’extérieur de la cellule (en raison d’une concentration plus faible de potassium à l’extérieur)., Ce processus de mouvement dû au gradient de concentration et à la charge électrique est appelé gradient électrochimique.
les Composants de Gradient Électrochimique
Il y a deux composantes du gradient électrochimique:
- composant Électrique
- composant Chimique
Le composant électrique des résultats en raison de la différence de charge électrique à travers la membrane plasmique. Et le composant chimique est dû à la différence de concentration des ions à travers la membrane., La combinaison de ces deux prédit la direction thermodynamiquement favorable pour le mouvement des ions à travers la membrane plasmique perméable sélectivement.
Types de mécanismes de Transport actif dans le Gradient électrochimique
Il existe deux types de mécanismes de transport actif pour le mouvement des ions et des substances:
- Transport actif primaire
- Transport actif secondaire
le transport actif primaire aide au mouvement des ions à travers une membrane et établit une différence de gradient qui dépend directement de L’ATP., Alors que le transport actif secondaire est pour le mouvement des substances à la suite du gradient électrochimique créé par le transport actif primaire et ne dépend donc pas directement de L’ATP.
se déplaçant contre le Gradient électrochimique
le mouvement des substances contre le gradient électrochimique se produit en présence d’énergie. L’énergie provient de l’adénosine triphosphate (ATP) qui est générée pendant le métabolisme cellulaire. Les mécanismes de transport actif, collectivement appelés pompes, aident au mouvement des substances contre les gradients électrochimiques., De nombreuses petites substances traversent continuellement la membrane cellulaire. La concentration d’ions et de substances est maintenue par le transport actif. Par conséquent, une grande partie de l’énergie métabolique de la cellule est utilisée pour maintenir ces processus.
comme ces mécanismes de transport actif dépendent de l’apport d’énergie par le métabolisme de la cellule, tout poison pouvant interférer avec le métabolisme pour arrêter l’apport d’ATP affectera ces mécanismes.,
protéines porteuses pour le Transport actif
le transport actif de substances à travers la membrane est facilité par la présence de protéines porteuses ou de pompes spécifiques. Trois suivants sont les types de protéines transporteurs ou les transporteurs qui sont présentes:
- Uniporters
- Symporters
- Antiporters
Un uniport n’est impliquée dans le transport d’un ion ou d’une molécule. Un symporter transporte deux ions ou molécules différents et les deux dans la même direction., Un antiporter agit comme une protéine porteuse pour deux ou plusieurs ions ou molécules différents, mais dans des directions différentes. Ces transporteurs de protéines sont également responsables du transport de petites molécules non chargées telles que le glucose. Ces trois protéines porteuses ont également un rôle dans la diffusion facilitée, mais dans ce cas, l’ATP n’est pas nécessaire., Certaines de ces pompes ou transporteurs de protéines pour le transport actif sont ci-dessous:
Na+-K+ ATPase: il transporte des ions sodium et potassium
H+-K+ ATPase: il transporte des ions hydrogène et potassium
Ca+ ATPase: il ne transporte que des ions calcium
H+ ATPase: il ne transporte que des ions hydrogène
Les deux premières des pompes mentionnées ci-dessus sont des protéines porteuses antiporter.,
Gradient électrochimique de la pompe de Sodium et de Potassium
La pompe de gradient électrochimique Na+ / K+ qui est établie par le mécanisme de transport actif est un exemple de gradient électrochimique dans les cellules vivantes.
Actif Principal de Transport
actif Principal de transport crée un gradient électrochimique à travers la membrane par le transport des ions. Le processus est piloté par L’utilisation de L’ATP., La pompe de Sodium et de potassium sont l’une des pompes les plus importantes dans les organismes vivants qui maintient un gradient électrochimique à travers la membrane. Cette pompe favorise le mouvement de deux ions potassium dans la cellule et de trois ions sodium à l’extérieur de la cellule. Selon l’orientation vers l’intérieur ou l’extérieur de la cellule et l’affinité pour les deux ions, La Na+-K+ ATPase (pompe de sodium et de potassium) est présente sous deux formes.
le processus est complété par les étapes suivantes:
- initialement, la pompe enzymatique porteuse est orientée vers l’intérieur de la cellule., Le transporteur a une affinité élevée pour le transport des ions sodium et trois ions peuvent s’y lier à la fois.
- La protéine transportée catalyse l’hydrolyse de L’ATP et y attache un groupe phosphate de faible énergie.
- après phosphorylation, la forme du support est modifiée et l’orientation est décalée vers l’extérieur. En conséquence, l’affinité pour le sodium est diminuée et trois ions sodium quittent la pompe.
- Le changement de forme du support favorise également la fixation de deux ions potassium en raison d’une affinité accrue pour les ions potassium., Pour cette raison, le groupe phosphate à faible énergie quitte le transporteur.
- après l’élimination du groupe phosphate et la fixation des ions potassium, la protéine porteuse change de position vers l’intérieur de la cellule.
- En raison de la configuration modifiée, l’affinité pour le potassium diminue et il libère deux ions dans l’espace intracellulaire. Encore une fois, la protéine dans son état initial, a une plus grande affinité pour les ions sodium et le processus recommence.
de Nombreux changements se produisent à la suite de ce processus., À cette position, les ions sodium sont dans une concentration plus élevée en dehors de la cellule qu’à l’intérieur et les ions potassium sont plus dans l’espace intracellulaire de la cellule. À la suite de deux ions potassium déplacement à l’intérieur de la cellule, trois ions potassium se déplacer à l’extérieur. Cela rend l’intérieur de la cellule légèrement plus négatif que l’extérieur. Cette différence est responsable de la création des conditions nécessaires au mécanisme secondaire. La pompe sodium-potassium fonctionne ainsi comme une pompe électrochimique et contribue au potentiel membranaire en établissant un déséquilibre électrique.,
Transport actif secondaire
dans le processus de transport actif secondaire, pour une molécule qui se déplace vers le bas du gradient électrochimique, une autre molécule se déplace vers le haut de son gradient de concentration. Dans ce processus, L’ATP n’est pas directement attaché à la protéine porteuse. Au lieu de cela, la molécule ou l’ion se déplace contre son gradient de concentration qui établit un gradient électrochimique. La molécule requise descend alors le gradient électrochimique. L’ATP est également utilisé dans ce processus pour générer un gradient et l’énergie n’est pas utilisée pour le mouvement d’une molécule à travers la membrane., C’est pourquoi il est connu sous le nom de transport actif secondaire.
Les antiporteurs et les symporteurs sont impliqués dans le transport actif secondaire. Ce processus est responsable du mouvement du sodium et de certaines autres substances dans la cellule. Les autres substances comprennent de nombreux acides aminés et le glucose ainsi. Il est également responsable du maintien d’une concentration élevée d’ions hydrogène dans les mitochondries des plantes et des animaux pour générer de l’ATP.,
rôle du Gradient électrochimique dans le processus biologique
le gradient électrochimique détermine la direction du mouvement des substances dans les processus biologiques par diffusion et transport actif. La diffusion et le transport actif génèrent un potentiel électrochimique à travers la membrane. Le potentiel électrochimique est dû à:
- Gradient D’ions
- Gradient de protons
Gradient D’ions
le potentiel électrochimique résultant du gradient électrochimique détermine la capacité des ions à traverser la membrane., La membrane peut être de cellule ou d’organite ou de toute autre entité de sous-cave. Ce potentiel est généré essentiellement en raison de la différence de concentration d’ions à l’intérieur et à l’extérieur de la membrane, de la charge présente sur les ions ou les molécules et de la différence de tension qui existe à travers la membrane.
Les ATPases transmembranaires sont souvent responsables du maintien des gradients d’ions. Le gradient D’ions Sodium et potassium est maintenu par Na + / K + ATPase.
Gradient de Protons
Le gradient de protons est établi par un transport actif par des pompes à protons., Ce gradient électrochimique des protons est responsable de la génération du potentiel chimiosmotique (force motrice des protons) dans la photosynthèse et la respiration cellulaire. Le gradient de protons est également responsable du stockage de l’énergie pour produire de la chaleur et la rotation des flagelles.
ce gradient de protons est formé au cours de la chaîne de transport d’électrons dans les mitochondries ou les chloroplastes par le pompage des protons à travers la membrane par un mécanisme de transport actif.
gradient Électrochimique dans la Bactériorhodopsine
gradient Électrochimique provoque la génération du gradient de protons dans la Bactériorhodopsine., Par l’absorption de photons à une longueur d’onde de 568 nm, une pompe à protons est activée, ce qui provoque le mouvement des ions hydrogène d’une concentration plus élevée à une concentration plus faible. Après le processus complet de pompage de protons en raison du changement conformationnel dans la rétine, la Bactériorhodopsine restaure l’état de repos initial.
Gradient électrochimique dans la Phosphorylation
le gradient électrochimique est également utile pour générer un gradient de protons pendant le processus de phosphorylation dans les mitochondries., Dans ce processus, les protons sont transportés de la matrice mitochondriale à l’espace transmembranaire. Les protons, qui sont transférés, comprennent les protons I, III et IV. Pour générer un potentiel électrochimique, un total de dix protons sont transportés de la matrice vers l’espace transmembranaire. Le potentiel électrochimique est important pour la génération D’ATP en présence d’ATP synthase. Sans le gradient électrochimique des protons, la production d’énergie ne se produit pas dans les mitochondries.,
Gradient électrochimique dans la Photophosphorylation
la Photophosphorylation, cyclique et Non cyclique, implique la conversion de L’ADP en ATP en présence de lumière solaire par activation du PSII. Le gradient de protons est généré par l’absorption du photon comme dans le cas de la Bactériorhodopsine. Les électrons se déplacent dans la chaîne de transport d’électrons et L’ATP se forme en présence d’ATP synthase. Les électrons sont transportés des molécules de haute énergie aux molécules de basse énergie dans la chaîne de transport d’électrons., Dans la Photophosphorylation, un gradient de potentiel électrochimique transmembranaire est établi par le mouvement des protons du stroma vers l’espace thylakoïde.
Importance du Gradient électrochimique
l’importance du gradient électrochimique est soulignée par les points suivants:
- L’adénosine triphosphate, ou ATP, est connue comme la source d’énergie primaire dans les cellules vivantes. Cependant, en plus de L’ATP, l’énergie est également stockée dans le gradient électrochimique d’une molécule ou d’un ion à travers la membrane cellulaire, ce qui aide à conduire les processus des organismes vivants.,
- certains des principaux processus biologiques dus au potentiel électrochimique ou au gradient comprennent la conduction de l’influx nerveux, la contraction musculaire, la sécrétion hormonale et certains processus sensoriels.
- Le processus de phosphorylation oxydative dans les mitochondries est dû au gradient de protons qui est le résultat d’un gradient électrochimique. Le gradient électrochimique des photons est essentiel à la production d’énergie dans les mitochondries.
chez les plantes, lors des réactions photosynthétiques dépendantes de la lumière, un gradient électrochimique de protons est établi., C’est essentiel pour l’achèvement du processus. Dans les mitochondries et les chloroplastes, le gradient électrochimique du proton génère un potentiel chimiosmotique, également connu sous le nom de force motrice du proton. Cette énergie potentielle est impliquée dans la synthèse de L’ATP par phosphorylation oxydative et photophosphorylation.