5.4 : Was ist ein elektrochemischer Gradient?

Die Zellmembran fungiert als Barriere, die einige Moleküle und Ionen in einer Zelle hält, während andere draußen bleiben. Ein Merkmal dieser Ressourcenaufteilung innerhalb und außerhalb der Zelle ist die Aufrechterhaltung eines elektrochemischen Gradienten. Ionen, die für die Zellfunktion kritisch sind, unter anderem Natrium und Kalium, können nicht durch die Membran diffundieren, sondern müssen durch Kanäle und Transporter bewegt werden.

Unter normalen Bedingungen gibt es im Allgemeinen mehr Natrium auf der Außenseite einer Zelle als im Inneren. Dadurch entsteht ein chemischer oder Konzentrationsgradient, wodurch Natrium von außen nach innen durch die Zellmembran fließen würde, wenn es einen Weg haben würde. Umgekehrt gibt es eine geringere Konzentration von Kalium außerhalb der Zelle und mehr Kalium im Inneren, so dass sein chemischer Gradient im Gegensatz zum Gradienten des Natriums steht.

Allerdings ist die Ionenkonzentration nicht der einzige Faktor für die Entstehung eines Gradienten über die Zellmembran hinweg. Die Trennung von Ionen und Molekülen mit positiven und negative Ladungen bedeutet auch, dass ein elektrischer Gradient vorhanden ist. Die Prävalenz von positiv geladenen Natriumionen außerhalb der Zelle und die Fülle negativ geladener Proteine in ihrem Inneren sind zwei Hauptfaktoren, die zur Gesamtdifferenz der Ladung über die Membran hinweg beitragen. Der aktive Transport nutzt Energie, um den elektrochemischen Gradienten über die Zellmembran aufrechtzuerhalten, wobei spezielle Membranproteine Ionen gegen ihre elektrochemischen Gradienten bewegen. Unter bestimmten Bedingungen können sich die Ionen jedoch mit ihren Gradienten bewegen und erzeugen so Energie für Prozesse wie den Glukosetransport und ermöglichen es so für spezialisierte Zellen, etwa Herzmuskel und Neuronen, elektrische Impulse zu erzeugen.