Gradienti elettrochimici

Introduzione

Nelle cellule viventi, la membrana plasmatica o la membrana cellulare è una barriera selettivamente permeabile che consente alle sostanze selettive di attraversarla. Pertanto, mantiene diverse concentrazioni su entrambi i lati della membrana. Ciò dà origine a diversi gradienti di concentrazione elettrica e chimica sulla superficie della membrana che formano collettivamente il gradiente elettrochimico.

Che cos’è un gradiente elettrochimico?,

È definito come la differenza nella carica e nella concentrazione chimica attraverso la membrana plasmatica a causa della sua permeabilità selettiva. La combinazione del gradiente di concentrazione e del gradiente di carica elettrica che influenza il movimento di un particolare ion attraverso la membrana plasmatica è nota come gradiente di concentrazione.

I gradienti di concentrazione semplici non sono così complessi come esistono a causa della concentrazione differenziale di una sostanza attraverso una membrana., Ma nel caso degli organismi viventi, i gradienti non sono così semplici. Oltre a un gradiente di concentrazione, un gradiente elettrico è presente anche all’interno delle cellule viventi perché non sono solo gli ioni che si muovono all’interno e all’esterno delle cellule, ma lo spazio intracellulare delle cellule contiene anche alcune proteine. La maggior parte di queste proteine sono negativamente cambiate e non si muovono fuori. Come risultato di questo, l’interno della membrana è caricato più negativamente che causa un gradiente elettrico di esistere attraverso la membrana plasmatica oltre ad un gradiente di concentrazione a causa di ioni., Entrambi questi gradienti elettrici e di concentrazione sono studiati sotto un gradiente elettrochimico.

Per capire questo, considera il movimento degli ioni sodio e potassio attraverso la membrana. Oltre alle proteine caricate negativamente presenti all’interno della cellula, le cellule hanno una maggiore concentrazione di potassio all’interno della cellula e una maggiore concentrazione di sodio all’esterno della cellula., Il gradiente di concentrazione pompa il sodio all’interno della cellula (da una concentrazione più elevata a una concentrazione più bassa) e il gradiente elettrico aziona anche il sodio all’interno della cellula a causa dell’interno della cellula caricato negativamente. Tuttavia, la situazione è più complessa per il potassio. Il gradiente elettrico di potassio (uno ion positivo) fa sì che si muova all’interno della cellula a causa di un interno caricato negativamente, ma il gradiente di concentrazione di potassio lo sposta all’esterno della cellula (a causa di una minore concentrazione di potassio all’esterno)., Questo processo di movimento dovuto al gradiente di concentrazione e alla carica elettrica sono indicati come gradiente elettrochimico.

Componenti del gradiente elettrochimico

Esistono due componenti di un gradiente elettrochimico:

1. Componente elettrico
2. Componente chimico

Il componente elettrico risulta dovuto alla differenza di carica elettrica attraverso la membrana plasmatica. E il componente chimico è dovuto alla differenza di concentrazione di ioni attraverso la membrana., La combinazione di questi due predice la direzione termodinamicamente favorevole per il movimento degli ioni attraverso la membrana plasmatica selettivamente permeabile.

Tipi di Meccanismi di Trasporto Attivo in Gradiente Elettrochimico

Ci sono due tipi di meccanismi di trasporto attivo per il movimento di ioni e sostanze:

1. trasporto attivo Primario
2. trasporto attivo Secondario

trasporto attivo Primario aiuta nel movimento di ioni attraverso la membrana e stabilisce una differenza di gradiente, che dipende dalla ATP direttamente., Mentre il trasporto attivo secondario è per il movimento di sostanze come risultato del gradiente elettrochimico creato dal trasporto attivo primario e quindi non dipende direttamente dall’ATP.

Movimento contro gradiente elettrochimico

Il movimento di sostanze contro il gradiente elettrochimico avviene in presenza di energia. L’energia proviene da adenosina trifosfato (ATP) che viene generato durante il metabolismo cellulare. I meccanismi di trasporto attivi, noti collettivamente come pompe, aiutano nel movimento delle sostanze contro i gradienti elettrochimici., Molte piccole sostanze passano continuamente attraverso la membrana cellulare. La concentrazione di ioni e sostanze è mantenuta dal trasporto attivo. Pertanto, una parte importante dell’energia metabolica della cellula viene utilizzata per mantenere questi processi.

Poiché questi meccanismi di trasporto attivi dipendono dalla fornitura di energia da parte del metabolismo cellulare, qualsiasi veleno che possa interferire con il metabolismo per interrompere la fornitura di ATP influenzerà questi meccanismi.,

Proteine carrier per il trasporto attivo

Il trasporto attivo di sostanze attraverso la membrana è facilitato dalla presenza di specifiche proteine carrier o pompe. Di seguito tre sono i tipi di portatori di proteine o trasportatori che sono presenti:

1. Uniporters
2. Symporters
3. Antiporters

Un uniporter è coinvolto nel trasporto di uno specifico ion o molecola. Un symporter trasporta due diversi ioni o molecole ed entrambi nella stessa direzione., Un antiporter agisce come una proteina portante per due o più ioni o molecole diverse, ma in direzioni diverse. Questi vettori proteici sono anche responsabili del trasporto di piccole molecole non caricate come il glucosio. Queste tre proteine portatrici hanno anche un ruolo nella diffusione facilitata, ma in tal caso l’ATP non è necessario., Alcune di queste pompe o vettori di proteine per il trasporto attivo sono i seguenti:

Na+-K+ Atpasi: porta ioni sodio e potassio

H+-K+ Atpasi: trasporti di idrogeno e ioni potassio

Ca+ Atpasi: Si trasporta gli ioni di calcio,

H+ Atpasi: Si trasporta gli ioni di idrogeno

I primi due sopra di pompe trasportatore del vettore proteine.,

Gradiente elettrochimico della pompa di sodio e potassio

Il gradiente elettrochimico Na+ / K+ pompa stabilito dal meccanismo di trasporto attivo è un esempio di gradiente elettrochimico nelle cellule viventi.

Trasporto attivo primario

Il trasporto attivo primario crea un gradiente elettrochimico attraverso la membrana mediante il trasporto di ioni. Il processo è guidato utilizzando ATP., La pompa del potassio e del sodio è una delle pompe più importanti in organismi viventi che mantiene un gradiente elettrochimico attraverso la membrana. Questa pompa favorisce il movimento di due ioni di potassio nella cellula e tre ioni di sodio all’esterno della cellula. A seconda dell’orientamento verso l’interno o l’esterno della cellula e dell’affinità per entrambi gli ioni, l’ATPasi Na+-K+ (pompa di sodio e potassio) è presente in due forme.

Il processo viene completato nei seguenti passaggi:

• Inizialmente, la pompa enzimatica portante è orientata verso l’interno della cellula., Il vettore ha un’alta affinità per il trasporto di ioni di sodio e tre ioni possono legarsi ad esso alla volta.
• La proteina trasportata catalizza l’idrolisi dell’ATP e lega ad essa un gruppo fosfato a bassa energia.
• Dopo la fosforilazione, la forma del vettore viene modificata e l’orientamento viene spostato verso l’esterno. Di conseguenza, l’affinità per il sodio è diminuita e tre ioni di sodio lasciano la pompa.
• Il cambiamento nella forma del vettore favorisce anche l’attaccamento di due ioni di potassio a causa di una maggiore affinità per gli ioni di potassio., A causa di ciò, il gruppo fosfato a bassa energia lascia il vettore.
• Dopo la rimozione del gruppo fosfato e l’attaccamento degli ioni di potassio, la proteina portante cambia posizione verso l’interno della cellula.
• A causa della configurazione modificata, l’affinità per il potassio diminuisce e rilascia due ioni nello spazio intracellulare. Ancora una volta, la proteina nel suo stato iniziale, ha una maggiore affinità per gli ioni sodio e il processo ricomincia.

Molti cambiamenti si verificano come risultato di questo processo., In questa posizione, gli ioni di sodio si trovano in una concentrazione più elevata all’esterno della cellula rispetto all’interno e gli ioni di potassio sono più nello spazio intracellulare della cellula. Come risultato di due ioni di potassio che si muovono all’interno della cellula, tre ioni di potassio si muovono all’esterno. Ciò rende l’interno della cellula leggermente più negativo rispetto all’esterno. Questa differenza è responsabile della creazione delle condizioni necessarie per il meccanismo secondario. La pompa sodio-potassio funziona quindi come una pompa elettrochimica e contribuisce al potenziale di membrana stabilendo uno squilibrio elettrico.,

Trasporto attivo secondario

Nel processo di trasporto attivo secondario, per una molecola che scende il gradiente elettrochimico, un’altra molecola sale il suo gradiente di concentrazione. In questo processo, l’ATP non è direttamente collegato alla proteina portante. Invece, la molecola o lo ion si muove contro il suo gradiente di concentrazione che stabilisce un gradiente elettrochimico. La molecola richiesta si sposta quindi lungo il gradiente elettrochimico. L’ATP viene utilizzato anche in questo processo per generare gradiente e l’energia non viene utilizzata per il movimento di una molecola attraverso la membrana., Ecco perché è noto come trasporto attivo secondario.

Antiporter e symporter sono coinvolti nel trasporto attivo secondario. Questo processo è responsabile del movimento del sodio e di alcune altre sostanze nella cellula. Le altre sostanze includono molti aminoacidi e glucosio pure. È anche responsabile del mantenimento di un’elevata concentrazione di ioni idrogeno nei mitocondri di piante e animali per la generazione di ATP.,

Ruolo del gradiente elettrochimico nel processo biologico

Il gradiente elettrochimico determina la direzione del movimento delle sostanze nei processi biologici per diffusione e trasporto attivo. La diffusione e il trasporto attivo generano un potenziale elettrochimico attraverso la membrana. Il potenziale elettrochimico è dovuto a:

1. Gradiente ionico
2. Gradiente protonico

Gradiente ionico

Il potenziale elettrochimico come risultato del gradiente elettrochimico determina la capacità degli ioni di attraversare la membrana., La membrana può essere di cellula o organello o qualsiasi altra entità sub-cantina. Questo potenziale è generato fondamentalmente a causa della differenza di concentrazione di ioni all’interno e all’esterno della membrana, della carica presente su ioni o molecole e della differenza di tensione che esiste attraverso la membrana.

Le ATPASI transmembrane sono spesso responsabili del mantenimento dei gradienti di ioni. Il gradiente di ioni sodio e potassio è mantenuto da Na + / K + ATPasi.

Gradiente protonico

Il gradiente protonico viene stabilito mediante trasporto attivo da pompe protoniche., Questo gradiente elettrochimico del protone è responsabile della generazione del potenziale chemiosmotico (forza motrice del protone) nella fotosintesi e nella respirazione cellulare. Il gradiente protonico è anche responsabile per immagazzinare energia per la produzione di calore e la rotazione dei flagelli.

Questo gradiente protonico si forma durante la catena di trasporto degli elettroni nei mitocondri o nel cloroplasto mediante il pompaggio di protoni attraverso la membrana mediante un meccanismo di trasporto attivo.

Gradiente elettrochimico in Bacteriorhodopsin

Gradiente elettrochimico provoca la generazione del gradiente protonico in Bacteriorhodopsin., Con l’assorbimento di fotoni ad una lunghezza d’onda di 568 nm, viene attivata una pompa protonica che provoca il movimento degli ioni idrogeno da una concentrazione più alta a una concentrazione più bassa. Dopo il completo processo di pompaggio del protone dovuto allo spostamento conformazionale nella retina, la batteriorodopsina ripristina lo stato di riposo iniziale.

Gradiente elettrochimico nella fosforilazione

Il gradiente elettrochimico è anche utile per generare un gradiente protonico durante il processo di fosforilazione nei mitocondri., In questo processo, i protoni vengono trasportati dalla matrice mitocondriale allo spazio transmembrana. I protoni, che vengono trasferiti, includono I, III e IV protoni. Per generare un potenziale elettrochimico, un totale di dieci protoni vengono trasportati dalla matrice allo spazio transmembrana. Il potenziale elettrochimico è importante per la generazione di ATP in presenza di ATP sintasi. Senza il gradiente elettrochimico protonico, la produzione di energia non si verifica nei mitocondri.,

Gradiente elettrochimico in fotofosforilazione

La fotofosforilazione, ciclica e non ciclica, comporta la conversione di ADP in ATP in presenza di luce solare mediante attivazione di PSII. Il gradiente protonico è generato a causa dell’assorbimento del fotone come nel caso di Bacteriorhodopsin. Gli elettroni si muovono nella catena di trasporto degli elettroni e l’ATP si forma in presenza di ATP sintasi. Gli elettroni vengono trasportati da molecole ad alta energia a molecole a bassa energia nella catena di trasporto degli elettroni., Nella fotofosforilazione, un gradiente di potenziale elettrochimico transmembrana viene stabilito dal movimento dei protoni dallo stroma allo spazio tilacoide.

Importanza del gradiente elettrochimico

L’importanza del gradiente elettrochimico è evidenziata dai seguenti punti:

1. L’adenosina trifosfato, o ATP, è nota come fonte di energia primaria nelle cellule viventi. Tuttavia, oltre all’energia ATP viene anche immagazzinata nel gradiente elettrochimico di una molecola o di uno ion attraverso la membrana cellulare che aiuta a guidare i processi degli organismi viventi.,
2. Alcuni dei principali processi biologici dovuti al potenziale elettrochimico o al gradiente includono la conduzione dell’impulso nervoso, la contrazione muscolare, la secrezione ormonale e alcuni processi sensoriali.
3. Il processo di fosforilazione ossidativa nei mitocondri è dovuto al gradiente protonico che è il risultato di un gradiente elettrochimico. Il gradiente elettrochimico del fotone è essenziale per la produzione di energia nei mitocondri.

Nelle piante, durante le reazioni dipendenti dalla luce della fotosintesi, viene stabilito un gradiente elettrochimico protonico., Questo è fondamentale per il completamento del processo. Sia nei mitocondri che nel cloroplasto, il gradiente elettrochimico del protone genera un potenziale chemiosmotico che è anche noto come forza motrice del protone. Questa energia potenziale è coinvolta nella sintesi di ATP mediante fosforilazione ossidativa e fotofosforilazione.