Obrázek 1. Elektrochemické gradienty vznikají kombinací účinků koncentračních gradientů a elektrických gradientů. (credit: modification of work by „Synaptitude“/Wikimedia Commons)
Probírali jsme jednoduché koncentrační gradienty – rozdílné koncentrace látky v prostoru nebo na membráně – ale v živých systémech jsou gradienty složitější. Protože buňky obsahují bílkoviny, z nichž většina je záporně nabitá, a protože ionty se pohybují do buněk a z buněk, existuje přes plazmatickou membránu elektrický gradient, rozdíl nábojů. Vnitřek živých buněk je elektricky záporný vzhledem k extracelulární tekutině, ve které se koupou; zároveň mají buňky vyšší koncentrace draslíku (K+) a nižší koncentrace sodíku (Na+) než extracelulární tekutina. V živé buňce tedy koncentrační a elektrický gradient Na+ podporuje difuzi tohoto iontu do buňky a elektrický gradient Na+ (kladného iontu) má tendenci tlačit jej dovnitř do záporně nabitého nitra. U jiných prvků, jako je draslík, je však situace složitější. Elektrický gradient K+ podporuje difuzi iontu do buňky, ale koncentrační gradient K+ podporuje difuzi z buňky (obrázek 1). Kombinovaný gradient, který působí na iont, se nazývá jeho elektrochemický gradient a je důležitý zejména pro svalové a nervové buňky.
Pohyb proti gradientu
Pro pohyb látek proti koncentračnímu nebo elektrochemickému gradientu musí buňka použít energii. Tato energie se získává z ATP, který vzniká při buněčném metabolismu. Proti elektrochemickému gradientu pracují aktivní transportní mechanismy, souhrnně nazývané pumpy nebo přenašečové proteiny. S výjimkou iontů procházejí malé látky neustále plazmatickými membránami. Aktivní transport udržuje koncentrace iontů a dalších látek potřebných pro živé buňky navzdory těmto pasivním změnám. Velká část zásob metabolické energie buňky může být vynaložena na udržování těchto procesů. Protože mechanismy aktivního transportu jsou energeticky závislé na buněčném metabolismu, jsou citlivé na mnoho metabolických jedů, které narušují přísun ATP.
Pro transport materiálu o malé molekulové hmotnosti a makromolekul existují dva mechanismy. Primární aktivní transport přesouvá ionty přes membránu a vytváří rozdíl nábojů v této membráně. Primární aktivní transportní systém využívá ATP k přesunu látky, například iontu, do buňky a často současně dochází k přesunu druhé látky z buňky ven. Sodíko-draslíková pumpa, důležitá pumpa v živočišných buňkách, vynakládá energii na přesun draslíkových iontů do buňky a různého počtu sodíkových iontů z buňky (obrázek 2). Výsledkem činnosti této pumpy je koncentrační a nábojový rozdíl napříč membránou.
Obrázek 2. Sodíko-draslíková pumpa přesouvá draslíkové a sodíkové ionty přes plazmatickou membránu. (kredit: úprava práce Mariany Ruiz Villarreal)
Sekundární aktivní transport popisuje pohyb materiálu s využitím energie elektrochemického gradientu vytvořeného primárním aktivním transportem. Pomocí energie elektrochemického gradientu vytvořeného primárním aktivním transportním systémem mohou být do buňky membránovými kanály přivedeny další látky, jako jsou aminokyseliny a glukóza. Samotný ATP vzniká sekundárním aktivním transportem pomocí gradientu vodíkových iontů v mitochondrii.
.