Gradiente electroquímico

Un gradiente es, básicamente, una serie de vectores asociados a determinados puntos del espacio (campo vectorial), que indican cuáles son las direcciones de mayor cambio en un campo escalar (esto es una serie de puntos en el espacio con determinados valores escalares asociados).

Para entender el caso particular del potencial electroquímico se puede pensar en principio en un mapa de líneas de nivel de una zona geográfica determinada, este será nuestro "campo"; donde a cada coordenada espacial (latitud, longitud) se le asocia una determinada altura (valor escalar). el gradiente sería como una serie de flechas paralelas (tangentes en realidad) a la superficie que indicarían en que dirección se inclina más esa superficie.

Y aproximándonos aún más, podemos imaginarnos una habitación lo suficientemente grande (campo tridimensional), en la que hay un gas desigualmente distribuido. En las zonas donde hay más gas la presión (valor escalar) ejercida por el mismo es mayor que en las zonas donde hay menos gas. Aquí podemos imaginarnos el gradiente de presión como flechas que indican las direcciones en las cuales hay mayor diferencia de presión dentro del espacio tridimensional de la habitación.

Si arrojamos un pequeño cristal de azúcar dentro de un vaso que contiene agua, podemos ver que al principio el cristal parece no experimentar cambios, pero si esperamos un tiempo suficientemente largo, el cristal se disuelve completamente y se puede demostrar que las moléculas de azúcar se han distribuido uniformemente dentro del volumen del líquido. Entre la situación inicial y la final existe todo un proceso durante el cual las moléculas de azúcar se encuentran desigualmente distribuidas dentro del volumen del líquido. Cerca de la superficie del cristal hay una gran cantidad de moléculas de azúcar en relación con la cantidad de moléculas de agua (alta concentración); mientras que lejos de la superficie del cristal hay muy pocas moléculas de azúcar (baja concentración) entre ambos puntos existe todo un degradé de concentraciones. En este escenario existe un gradiente efectivo de concentración entre la zona cercana al cristal de azúcar y la zona más alejada. El concepto de gradiente es importante para comprender como es que a pesar de que el movimiento de cada una de las moléculas de azúcar dentro del líquido es aleatorio, existe un flujo neto de moléculas (difusión) desde la zona más cercana al cristal hacia las zonas más alejadas. Esto que es simplemente una consecuencia estadística de la suma de un gran número de movimientos aleatorios, se produce siguiendo las líneas de mayor diferencia de concentración, es decir de acuerdo al gradiente de concentración del azúcar dentro de la solución.

Con respecto a una célula, un orgánulo o un compartimento subcelular, la tendencia de un soluto con carga eléctrica, como un ion potasio K+, para moverse a través de la membrana, se decide en función de la diferencia de potencial electroquímico a ambos lados de la membrana, teniendo en cuenta tres factores:

• La diferencia en la concentración de soluto a ambos lados de la membrana.
• La valencia de la molécula de soluto.
• La diferencia de voltaje entre ambos lados de la membrana (potencial de membrana o Vm).

La diferencia de potencial electroquímico de un soluto es igual a cero en su “potencial de inversión”, voltaje transmembrana en el que el flujo neto del soluto a través de la membrana es también igual a cero. Este potencial se obtiene teóricamente de dos maneras posibles: o bien por la ecuación de Nernst (para los sistemas de una especie de iones permeables) o por la ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz (utilizado cuando hay presencia de más de una especie de iones permeables). El potencial electroquímico se mide en el laboratorio utilizando electrodos de referencia.

A menudo se utilizan ATPasas transmembrana o proteínas transmembrana con dominios ATPasa para la elaboración y la utilización de gradientes iónicos. La enzima Na+/K+ ATPasa utiliza ATP para crear un gradiente de iones de sodio y un gradiente de iones de potasio. El potencial electroquímico es utilizado para almacenar energía. El acoplamiento quimiosmótico es una de las múltiples maneras por las que una reacción termodinámicamente desfavorable puede ser conducida por una reacción termodinámicamente favorable. El cotransporte de iones por simportadores y antiportadores es comúnmente utilizado para mover de forma activa iones a través de las membranas.

El gradiente de protones puede ser utilizado como medio de almacenamiento energético para la producción de calor y rotación flagelar. Además, es una forma de energía interconvertible en transporte activo, generación de potencial electrónico, síntesis de NADPH y síntesis/hidrólisis de ATP.

La diferencia de potencial electroquímico a ambos lados de la membrana en mitocondrias, cloroplastos, bacterias y otros compartimentos de membrana que realizan transporte activo utilizando bombas de protones, es a veces llamada potencial quimiosmótico o fuerza motriz de protones (ver quimiosmosis). En este contexto, los protones se suelen considerar por separado utilizando las unidades de concentración o de pH.

Fuerza motriz protónica

En cada lugar de acoplamiento son expulsados dos protones, generando la fuerza motriz de protones (PMF). El ATP se crea indirectamente utilizando el PMF como fuente de energía. Cada par de protones produce una molécula de ATP.

Algunas arqueas (las más notables entre ellas son las halobacterias), crean gradientes de protones mediante el bombeo de protones del medio ambiente con la ayuda de la enzima bacteriorodopsina solar impulsada, que se utiliza en este caso para impulsar el motor molecular enzima ATP sintetasa para hacer los cambios necesarios en la conformación para que pueda ser sintetizado ATP. Las bacterias pueden crear también gradientes de protones mediante la utilización de la ATLP sintetasa en sentido inverso, y se utilizan para conducir los flagelos.

El F1F0 ATP sintetasa es una enzima reversible. Cantidades de ATP suficiente hacen que cree un gradiente de protones a ambos lados de la membrana. Este proceso es utilizado por bacterias que realizan la fermentación, las cuales no tienen una cadena de transporte electrónica, e hidrolizan ATP para crear un gradiente de protones (para los flagelos y el transporte de nutrientes al interior de la célula).

En bacterias que respiran bajo condiciones fisiológicas, la ATP sintetasa suele ir en dirección opuesta, creando ATP al tiempo que utiliza la fuerza motriz protónica creada por la cadena de transporte de electrones como fuente de energía. El proceso global de creación de energía de esta manera se llama fosforilación oxidativa. El mismo proceso tiene lugar en las mitocondrias, donde la ATP sintetasa se encuentra en la membrana mitocondrial interna, de modo que la parte F1 se une a la matriz mitocondrial, donde tiene lugar la síntesis de ATP.