Elektrohemijski gradijent

thumb|Dijagram koncentracije iona i naboja kroz polupropusnu ćelijsku membranu.
**Elektrohemijski gradijent** je gradijent elektrohemijskog potencijala, obično za ion koji se može kretati preko membrana. Gradijent se sastoji od dva dijela, hemijskog gradijenta ili razlike u koncentraciji rastvorene tvari preko membrane, i električnog gradijenta, ili razlike u punjenju preko membrane. Kada postoje nejednake koncentracije iona kroz propusnu membranu, ion će se kretati preko membrane iz područja veće koncentracije u područje niže koncentracije jednostavnom difuzijom. Ioni također nose električni naboj koji formira električni potencijal preko membrane. Ako postoji nejednaka distribucija naboja preko membrane, tada razlika u električnom potencijalu stvara silu koja pokreće difuziju oona sve dok se naboji ne izbalansiraju na obje strane membrane.
 
Elektrohemijski gradijenti su neophodni za rad baterije i drugih elektrohemijskih ćelija, fotosinteza i ćelijskog disanja, i određenih drugih bioloških procesa.
 
## Pregled
Elektrohemijska energija jedan je od mnogih zamjenjivih oblika potencijalne energije pomoću kojih se energija može očuvati. Pojavljuje se u elektroanalitičkoj hemiji i ima industrijsku primjenu kao što su baterije i gorivne ćelije. U biologiji, elektrohemijski gradijenti omogućavaju ćelijama da kontrolišu smjer kretanja iona kroz membrane. U mitohondrijama i hloroplastima, protonski gradijenti stvaraju **hemiosmotski potencijal** koji se koristi za sintezu ATP, a natrij-kalij gradijent pomaže nervnoj sinapsi da brzo prenesu informacije.
 
Elektrohemijski gradijent ima dvije komponente: diferencijalnu koncentraciju električnog naboja preko membrane i diferencijalnu koncentraciju hemijske vrste na istoj membrani. U prvom efektu, koncentrirani naboj privlači naboje suprotnog predznaka; u potonjem, koncentrirana vrsta ima tendenciju da difundira preko membrane kako bi izjednačila koncentracije. Kombinacija ova dva fenomena određuje termodinamički preferirani smjer za kretanje iona kroz membranu.
 
Kombinovani efekt može se kvantifikovati kao gradijent u termodinamičkom elektrohemijskom potencijalu
:\nabla\overline{\mu}_i = \nabla \mu_i(\vec{r}) + z_i\mathrm{F}\nabla\varphi(\vec{r})\text{,} with 
 hemijski potencijal ionske vrste 
 naboj po ionu vrste 
, Faradayeva konstanta (elektrohemijski potencijal se implicitno mjeri na bazi po molu)
, lokalnog električnog potentiala.
  Ponekad se termin "elektrohemijski potencijal" zloupotrebljava da bi se opisao električni potencijal "generisan" gradijentom ionske koncentracije; odnosno . Ovaj članak neće slijediti tu konvenciju.
 
Elektrohemijski gradijent je analogan pritisku vode preko hidroelektrane. Rute koje deblokira membrana (npr. membranski transportni protein ili elektrode odgovaraju turbinama koje pretvaraju potencijalnu energiju vode u druge oblike fizičke ili hemijske energije, a ioni koji prolaze kroz membranu odgovaraju vodi koja putuje u donji tok rijeke. Suprotno tome, energija se može koristiti za pumpanje vode u jezero iznad brane, a hemijska energija može se koristiti za stvaranje elektrohemijskih gradijenata.
 
Lancu transporta elektrona, reakcije zavisne od svjetlosti fotosinteza pumpaju protone u tilakoidni lumen hloroplasta, kako bi pokrenule sintezu ATP-a. Gradijent protona može se generirati bilo kroz necikličku ili cikličnu fotofosforilaciju. Od proteina koji učestvuju u necikličnoj fotofosforilaciji, fotosistem II (PSII), plastikvinon i citohrom b6f kompleks direktno doprinose za generiranje protonskog gradijenta. Za svaka četiri fotona koje apsorbuje PSII, osam protona se upumpava u lumen.
 
## Ionski gradijenti
Budući da su ioni nabijeni, ne mogu proći kroz ćelijske membrane jednostavnom difuzijom. Dva različita mehanizma mogu transportovati ione kroz membranu: aktivni ili pasivni transport.
 
Primjer aktivnog transporta jona je Na+-K+-ATPaza (NKA). NKA se pokreće hidrolizom ATP-a u ADP i neorganski fosfat; za svaku hidrolizovanu molekulu ATP-a, tri Na+ se transportuju van, a dva K+ se transportuju unutar ćelije. Ovo čini unutrašnjost ćelije negativnijom od spoljašnjosti i preciznije generiše membranski potencijal *V*membrane od oko .
 
Primjer pasivnog transporta je tok iona kroz kanale Na+, K+, Ca2+ i Cl−. Za razliku od aktivnog transporta, pasivni transport pokreće aritmetički zbir osmoza (koncentracijski gradijent) i električno polje (transmembranski potencijal). Formalno, molarna Gibbsova slobodna energija promjena povezana s uspješnim transportom je  \Delta G = RT\ln{\!\left(\frac{c_{ \rm unutra}}{c_{\rm van}}\right)} + (Fz)V_{\rm membrana} gdje  predstavlja plinsku konsgtantu,  predstavlja apsolutnu temperaturu,  je naboj po ionu, a  je Faradayeva konstanta. Ovaj odeljak će fokusira se na tri procesa koji pomažu u uspostavljanju gradijenta protona u njihovim ćelijama: bakteriorhodopsin i neciklička fotofosforilacija i oksidativna fosforilacija.
 
### Bakteriorodopsin 
Način na koji bakteriorhodopsin generiše protonski gradijent u Archaea je putem protonske pumpe. Protonska pumpa se oslanja na nosioce protona za pokretanje protona sa strane membrane sa niskom koncentracijom H+ na stranu membrane sa visokom koncentracijom H+. Kod bakteriorodopsina, protonska pumpa se aktivira apsorpcijom fotona od 568&nbsp;nm talasna dužine što dovodi do izomerizacija Schiffove baze (SB) u mrežnjačama, formirajući K stanje. Ovo udaljava SB od Asp85 i Asp212, uzrokujući prijenos H+ sa SB na Asp85. formirajući stanje M1. Protein zatim prelazi u stanje M2, odvajanjem Glu204 od Glu194 koji oslobađa proton iz Glu204 u vanjski medij. SB je reprotoniran od strane Asp96 koji formira N-stanje. Važno je da drugi proton dolazi iz Asp96 jer je njegovo deprotonirano stanje nestabilno i brzo se reprotonira protonom iz citosola. Protonacija Asp85 i Asp96 izaziva ponovnu izomerizaciju SB, formirajući O stanje. Konačno, bakteriorodopsin se vraća u stanje mirovanja kada Asp85 otpusti svoj proton u Glu204.
 
### Fotofosforilacija 
thumb|Pojednostavljeni dijagram fotofosforilacije.
PSII se također oslanja na svjetlost da pokreće formiranje protonskih gradijenata u hloroplastima, međutim PSII koristi vektorsku  redoksnu hemiju da bi postigao ovaj cilj. Umjesto da se fizički transportuju protoni kroz protein, reakcije koje zahtijevaju vezivanje protona će se dogoditi na vanćelijskoj strani, dok će se reakcije koje zahtijevaju oslobađanje protona dogoditi na unuarćedlijskoj strani. Apsorpcija fotona talasne dužine 680&nbsp;nm se koristi za pobuđivanje dva elektrona u P680 na viši energetski nivo. Ovi elektroni veće energije se prenose na plastokinon vezan za protein (PQA), a zatim na nevezani plastokinon (PQB). Ovo reducira plastokinon (PQ) u plastokinol (PQH2) koji se oslobađa iz PSII nakon što dobije dva protona iz strome. Elektroni u P680 se obnavljaju oksidacijom vode kroz kompleks koji razvija kiseonik (OEC). Ovo rezultira oslobađanjem O2 i H+ u lumen, za ukupnu reakciju od
 
### Oksidativna fosforilacija 
ma.]]
U lancu transporta elektrona, kompleks I (CI) katalizuje redukciju ubikinona (UQ) u ubikinol (UQH 2), prijenosom dva elektrona iz reduciranog nikotinamid-adenin dinukleotida (NADH) koji translocira četiri protona iz mitohondrijalnog matriksa u IMS:
\ce{NADH} + \ce{H^+} + \ce{UQ} + 4\underbrace{\ce{H^+}}_{\mathrm{matrix}} \longrightarrow \ce{NAD^+} + \ce{UQH_2} + 4\underbrace{\ce{H^+}}_{\mathrm{IMS}}
 
Kompleks III (CIII) katalizira Q-ciklus. Prvi korak koji uključuje prijenos dva elektrona iz UQH2 redukovanog CI na dvije molekule oksidiranog citohroms c na Qo mjestu. U drugom koraku, još dva elektrona smanjuju UQ na UQH2 na Qi mjestu. Ukupna reakcija je:
2\underbrace{\text{cytochrome c}}_{\text{oxidized}}+\ce{UQH_2}+2\underbrace{\ce{H^+}}_{\text{matrix}}\longrightarrow2\underbrace{\text{cytochrome c}}_{\text{reduced}}+\ce{UQ}+4\underbrace{\ce{H^+}}_{\text{IMS}}
 
Kompleks IV (CIV) katalizira prijenos dva elektrona iz citohroma c redukovanog CIII na polovinu punog kisika. Korištenje jednog punog kisika u oksidativnoj fosforilaciji zahtijeva prijenos četiri elektrona. Kisik će zatim potrošiti četiri protona iz matrice da bi formirao vodu, dok se još četiri protona upumpavaju u IMS, da bi se dobila ukupna reakcija
 
:2\text{cytochrome c}(\text{reduced})+4\ce{H+}(\text{matrix})+\frac{1}{2}\ce{O2}\longrightarrow2\text{cytochrome c}(\text{oxidized})+2\ce{H+}(\text{IMS})+\ce{H2O}
 
## Također pogledajte
*Koncentraciona ćelija
*Transmembranska razlika potencijala
*Akcioni potencijal
*Ćelijski potencijal
*Elektrodifuzija
*Galvanska ćelija
*Elektrohemijska ćelija
*Membrana za izmjenu protona
*Potencijal preokreta
 
## Reference
*
*Stephen T. Abedon, "Important words and concepts from Chapter 8, Campbell & Reece, 2002 (1/14/2005)", for Biology 113 at the Ohio State University
 
## Vanjski linkovi
Kategorija:Ćelijsko disanje
Kategorija:Elektrohemijski koncepti
Kategorija:Elektrofiziologija
Kategorija:Membranska biologija
Kategorija:Fizikalne veličine
Kategorija:Termodinamika