電気化学的勾配
イオンが細胞膜を通過することで形成される膜電位は、神経伝導、筋収縮、ホルモンの分泌、感覚などの生物学的過程を駆動する。典型的な動物細胞では、細胞内の電位は細胞外に対して-50 mVから-70 mVである。
電気化学的勾配は、ミトコンドリアでの酸化的リン酸化におけるプロトン勾配の形成にも関与している。細胞呼吸の最終段階は電子伝達系である。ミトコンドリアの内膜に埋め込まれた4つの複合体が電子伝達系を構成する。しかし、プロトンをマトリックスから膜間腔(IMS)へ汲み上げるのは複合体I、III、IVのみである。系全体として、マトリックスからIMSへ10個のプロトンが移行し、200 mV以上の電気化学ポテンシャルが形成される。これによってプロトンがATP合成酵素を通ってマトリックスへ戻る流れが作られ、ATP合成酵素はADPに無機リン酸を付加することでATPを産生する。このように、プロトンの電気化学的勾配の形成はミトコンドリアでのエネルギー産生に重要である。電子伝達系全体としての反応式は次のようになる。
NADH + 11 H(matrix) + 1/2 O2 → NAD + 10 H(IMS) + H2O