Elektrochemischer Gradient
Der elektrochemische Gradient entsteht durch unterschiedliche Konzentrationen geladener Teilchen (Ionen).
Wegen der Ladung der Ionen treten zwei Gradienten kombiniert auf:
- Chemischer Gradient (Konzentrationsgefälle): Teilchen bewegen sich zufällig und tendieren zu gleichmäßiger Verteilung (brownsche Molekularbewegung).
- Elektrischer Gradient (Elektrische Spannung): Spannungsunterschiede tendieren zu einem Ausgleich.
Ist der elektrochemische Gradient eines Ions gleich null, so ist das Ion selbst bei bestehendem Konzentrationsgefälle oder/und bestehendem elektrischem Gefälle nicht bestrebt, einem dieser Gefälle zu folgen. Dies resultiert aus der Gegenläufigkeit der beiden Gefälle (Gradienten) und deren Gleichgewicht.
Elektrochemische Gradienten in biologischen Systemen
In biologischen Systemen tritt der elektrochemische Gradient an Membranen auf.
Beispiele hierfür sind:
- der Protonengradient (pH-Gradient) über Mitochondrien und Chloroplasten, welcher in der Atmungskette und bei der Photosynthese zur Regeneration von ATP beiträgt.
- der elektrochemische Gradient von K+ über die Membran von Nervenzellen, welcher für das Ruhepotential bei der Erregungsleitung wichtig ist.
Protonengradient über die Mitochondrienmembran
→ Hauptartikel: Atmungskette
Die mit Abstand wichtigsten Systeme der ATP-Regeneration von Organismen basieren auf Protonengradienten, und zwar in der Atmungskette und bei der Photosynthese. Energiereiche Nahrung oder auch Sonnenlicht verschafft dem Organismus Elektronen, deren Energie zunächst in ein Protonenpotential über die innere Mitochondrienmembran umgewandelt wird. Verantwortlich hierfür ist die Atmungskette, bei welcher H+-Pumpen eingesetzt werden, die mit energiereichen Elektronen betrieben werden. Die durch den Protonengradient hervorgerufene Triebkraft der Protonen treibt nun die ATP-Synthase an, welche ATP erzeugt.
K+ Gradient an der Membran von Nervenzellen
→ Hauptartikel: Ruhemembranpotential elektrisch erregbarer Nervenzellen
Hier soll an einem Beispiel erklärt werden, wie die beiden Gradienten (elektrisches Gefälle und Konzentrationsgefälle) zusammen wirken.
K+ liegt in der Nervenzelle nahe seines elektrochemischen Gleichgewichts vor und ist hauptverantwortlich für das Zustandekommen des elektrischen Ruhepotentials von -70 mV über die Membran.
In der Zelle gibt es negativ geladene organische Moleküle, zum Beispiel viele Proteine und Enzyme. Nehmen wir an in einer Zelle liegen so viele K+ Ionen vor, dass sie diese negative Ladung gerade kompensieren und das Membranpotential 0 mV beträgt. K+ folgt nun der Triebkraft des Konzentrationsgradienten und ist daher bestrebt, die Zelle zu verlassen. Je mehr K+ Ionen die Zelle verlassen, desto mehr wirkt auch die elektrische Triebkraft der negativ geladenen organischen Moleküle in der Zelle auf K+. Diese ist bestrebt, K+ zurück in die Zelle zu ziehen.
Es stellt sich bald ein Gleichgewicht zwischen den beiden gegenläufig wirkenden Triebkräften ein. Der elektrochemische Gradient von K+ ist dann gleich 0 und der Nettofluss von K+ über die Membran kommt zum Stillstand. Daraus resultiert das Membranpotential von -70 mV und eine höhere Konzentration von K+ in der Zelle als außerhalb der Zelle. Dieses Beispiel zeigt also den Unterschied auf zwischen Konzentrationsgradient, elektrischem Gradient (was der elektrischen Spannung gleich kommt) und dem elektrochemischen Gradient.
Siehe auch
- Elektrochemisches Potential
- Elektrochemische Triebkraft