Figura 1. Gradientele electrochimice apar din efectele combinate ale gradienților de concentrație și ale gradienților electrici. (credit: modificare a lucrării realizate de „Synaptitude”/Wikimedia Commons)
Am discutat despre gradienții de concentrație simpli – concentrații diferențiate ale unei substanțe într-un spațiu sau o membrană – dar în sistemele vii, gradienții sunt mai complecși. Deoarece celulele conțin proteine, dintre care cele mai multe sunt încărcate negativ, și deoarece ionii intră și ies din celule, există un gradient electric, o diferență de sarcină, de-a lungul membranei plasmatice. Interiorul celulelor vii este negativ din punct de vedere electric în raport cu lichidul extracelular în care sunt scăldate; în același timp, celulele au concentrații mai mari de potasiu (K+) și concentrații mai mici de sodiu (Na+) decât lichidul extracelular. Astfel, într-o celulă vie, gradientul de concentrație și gradientul electric al Na+ favorizează difuzia ionului în celulă, iar gradientul electric al Na+ (un ion pozitiv) tinde să îl împingă spre interior, spre interiorul încărcat negativ. Situația este însă mai complexă în cazul altor elemente, cum ar fi potasiul. Gradientul electric al K+ favorizează difuzia ionului în interiorul celulei, dar gradientul de concentrație al K+ favorizează difuzia în afara celulei (figura 1). Gradientul combinat care afectează un ion se numește gradient electrochimic al acestuia și este deosebit de important pentru celulele musculare și nervoase.
Mutarea împotriva unui gradient
Pentru a deplasa substanțe împotriva unui gradient de concentrație sau a unui gradient electrochimic, celula trebuie să utilizeze energie. Această energie este recoltată din ATP care este generat prin metabolismul celular. Mecanismele de transport activ, denumite colectiv pompe sau proteine purtătoare, acționează împotriva gradienților electrochimici. Cu excepția ionilor, substanțele mici trec în mod constant prin membranele plasmatice. Transportul activ menține concentrațiile de ioni și alte substanțe necesare celulelor vii în fața acestor schimbări pasive. O mare parte din rezerva de energie metabolică a unei celule poate fi cheltuită pentru menținerea acestor procese. Deoarece mecanismele de transport activ depind de metabolismul celular pentru energie, ele sunt sensibile la multe otrăvuri metabolice care interferează cu aprovizionarea cu ATP.
Există două mecanisme de transport al materialului cu greutate moleculară mică și al macromoleculelor. Transportul activ primar deplasează ionii pe o membrană și creează o diferență de sarcină pe membrana respectivă. Sistemul de transport activ primar utilizează ATP pentru a deplasa o substanță, cum ar fi un ion, în celulă și, adesea în același timp, o a doua substanță este deplasată în afara celulei. Pompa de sodiu-potasiu, o pompă importantă în celulele animale, consumă energie pentru a muta ionii de potasiu în celulă și un număr diferit de ioni de sodiu în afara celulei (figura 2). Acțiunea acestei pompe are ca rezultat o diferență de concentrație și de sarcină pe membrană.
Figura 2. Pompa sodiu-potasiu deplasează ionii de potasiu și sodiu prin membrana plasmatică. (credit: modificare a lucrării realizate de Mariana Ruiz Villarreal)
Transportul activ secundar descrie mișcarea de material folosind energia gradientului electrochimic stabilit de transportul activ primar. Folosind energia gradientului electrochimic creat de sistemul de transport activ primar, alte substanțe, cum ar fi aminoacizii și glucoza, pot fi aduse în celulă prin canalele membranare. ATP-ul însuși este format prin transportul activ secundar folosind un gradient de ioni de hidrogen în mitocondrie.
.