Gradiente elettrochimico
Il gradiente elettrochimico determina la direzione in cui uno ione si muove per diffusione o tramite trasporto attivo attraverso una membrana e per spostare sostanze contro una concentrazione o un gradiente elettrochimico in cui la cellula deve usare energia.
Questa energia deriva dall’ATP generato attraverso il metabolismo della cellula e meccanismi di trasporto attivi, o pompe, lavorano contro il gradiente elettrochimico. Il trasporto attivo mantiene le concentrazioni di ioni e altre sostanze di cui le cellule viventi hanno bisogno di fronte a questi movimenti passivi.
La diffusione di ioni attraverso la membrana plasmatica è guidata da due forze ovvero una forza chimica dovuta al il gradiente di concentrazione degli ioni e una forza elettrica dovuta all’effetto del potenziale di membrana sul movimento degli ioni e l’insieme di queste due è chiamato gradiente elettrochimico. I gradienti fisico-chimici sotto forma di gradiente di temperatura, di concentrazione di specie solubili, gradiente osmotici e gradiente elettrochimico sono fondamentali per la funzione e la crescita cellulare.
Oltre che in campo biochimico come la fotosintesi clorofilliana e la respirazione cellulare e alcuni altri processi biologici il gradiente elettrochimico è essenziale per il funzionamento delle batterie e di altre celle elettrochimiche.
Gradiente elettrochimico dei protoni
La respirazione cellulare dipende dall’esistenza di un gradiente elettrochimico di protoni attraverso la membrana del mitocondrio interna dovuto a una differenza di concentrazione di ioni idrogeno attraverso una membrana che produce un gradiente di concentrazione e un gradiente di potenziale elettrico.
Questi gradienti insieme immagazzinano energia potenziale nella cellula che risulta quindi disponibile per il lavoro. La diffusione da un’area di elevata concentrazione di idrogeno a un’area di minore concentrazione di idrogeno non richiede energia.
La catena di trasporto degli elettroni è una serie di proteine e molecole organiche presenti nella membrana interna dei mitocondri. Gli elettroni passano da un membro della catena di trasporto all’altro in una serie di reazioni redox. L’energia rilasciata in queste reazioni viene catturata come gradiente protonico, che viene poi utilizzato per produrre ATP in un processo chiamato chemiosmosi. La catena di trasporto degli elettroni e la chemiosmosi costituiscono la fosforilazione ossidativa.
L’energia rilasciata dagli elettroni che scorrono attraverso questa catena di trasporto, pompa l’idrogeno fuori dallo spazio della matrice attraverso la membrana mitocondriale interna con produzione di un potenziale elettrico attraverso la membrana e una riserva di energia potenziale come gradiente di pH.
Il gradiente creato da questo consente all’idrogeno di tornare attraverso la membrana, attraverso un enzima chiamato ATP sintasi. Questo processo è chiamato chemiosmosi e si verifica durante la respirazione cellulare. Mentre ciò accade, grazie all’attività enzimatica dell’ATP sintasi si ottiene l’adenosina trifosfato, ATP, dall’adenosina difosfato, ADP in una reazione di fosforilazione che è guidata dal flusso di protoni.
Forza motrice elettrochimica
Il movimento di ogni ione è governato da una forza motrice elettrochimica (ECDF) con due sottocomponenti: una forza motrice elettrica (EDF) e una forza motrice chimica o di concentrazione (CDF). Quando due o più ioni contribuiscono al potenziale di membrana Vm attraverso la membrana plasmatica di una cellula, si verifica abitualmente che il potenziale di membrana non sia pari al potenziale di equilibrio Veq ovvero si verifica che Veq ≠ Vm ).
Quando uno ione non è al suo equilibrio, una forza motrice elettrochimica VDF agisce sullo ione, causando il suo movimento netto attraverso la membrana lungo il suo gradiente elettrochimico. La forza motrice è quantificata dalla differenza tra il potenziale di membrana e il potenziale di equilibrio dello ione ovvero:
VDF = Vm – Veq.
L’entità della forza motrice indica quanto uno ione è lontano dal suo equilibrio elettrochimico. Il segno positivo o negativo che assume la forza motrice che agisce su uno ione, unitamente alla conoscenza della valenza dello ione può essere utilizzato per predire la direzione del flusso di ioni attraverso la membrana plasmatica ovvero se esso entra o esce fuori dalla cellula.
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il 9 Agosto 2024