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Elektrochemischer Gradient Der elektrochemische Gradient ist der Gradient des elektrochemischen Potentials μ i μ i r z i

Elektrochemischer Gradient

Der elektrochemische Gradient ist der Gradient des elektrochemischen Potentials:

Mit diesem Gradienten werden räumliche Unterschiede der chemischen Konzentration (Konzentrationsgefälle) als auch Unterschiede des elektrischen Potentials (elektrische Spannung) erfasst. Daher lassen sich mit ihm auch Änderungen der Verteilung von geladenen Teilchen wie Ionen in einem Flüssigkeitsraum bei Anwesenheit eines elektrischen Feldes beschreiben. Bei einem elektrochemischen Gradienten = 0 für ein bestimmtes Ion sind diese geladenen Teilchen statistisch betrachtet so verteilt, dass elektrische und chemische Gradienten im Gleichgewicht stehen. Anders ausgedrückt: Im Gleichgewicht verschwindet der elektrochemische Gradient.

Da Ionen eine Ladung tragen, treten bei ihrer Verteilung beide Gradienten kombiniert auf.

  • Chemischer Gradient – ein Konzentrationsgefälle im Verteilungsraum tendiert infolge der temperaturabhängigen zufälligen Bewegung der Teilchen (Brownsche Molekularbewegung) zum Ausgleich. Liegt eine ungleichmäßige Verteilung einer Ionenart vor, ist damit auch ein elektrischer Gradient verbunden.
  • Elektrischer Gradient – ein Potentialunterschied im elektrischen Feld tendiert zum Spannungsabfall durch ausgeglichene Ladungsverteilung. Liegt eine ungleiche Verteilung von geladenen Teilchen einer Ionenart vor, ist damit auch ein chemischer Gradient verbunden.

Elektrochemische Gradienten in biologischen Systemen Bearbeiten

In biologischen Systemen ist der elektrochemische Gradient relevant an Membranen.

Beispiele hierfür sind:

Protonengradient über die Mitochondrienmembran Bearbeiten

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-Bildung an.

K+-Gradient an der Membran von Nervenzellen Bearbeiten

Hier soll an einem Beispiel erklärt werden, wie die beiden Gradienten (elektrisches Gefälle und Konzentrationsgefälle) zusammen wirken.

K+ liegt in der Nervenzelle nahe seinem elektrochemischen Gleichgewicht 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 gleichkommt) und dem elektrochemischen Gradient.

Siehe auch Bearbeiten

Literatur Bearbeiten

  • Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer: Biochemie. 6. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2007, ISBN 978-3-8274-1800-5.
  • Donald Voet, Judith G. Voet: Biochemistry. 3. Auflage. John Wiley & Sons, New York 2004, ISBN 0-471-19350-X.
  • Bruce Alberts, Alexander Johnson, Peter Walter, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts: Molecular Biology of the Cell. 5. Auflage. Taylor & Francis 2007, ISBN 978-0-8153-4106-2.
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Veröffentlichungsdatum:
Der elektrochemische Gradient ist der Gradient des elektrochemischen Potentials m i m i r z i F f r displaystyle nabla overline mu i nabla mu i vec r nabla z i mathrm F varphi vec r z i displaystyle z i Ladungszahl des Ions F Faraday Konstante F 96485 33 C mol f displaystyle varphi Lokales elektrisches PotentialMit diesem Gradienten werden raumliche Unterschiede der chemischen Konzentration Konzentrationsgefalle als auch Unterschiede des elektrischen Potentials elektrische Spannung erfasst Daher lassen sich mit ihm auch Anderungen der Verteilung von geladenen Teilchen wie Ionen in einem Flussigkeitsraum bei Anwesenheit eines elektrischen Feldes beschreiben Bei einem elektrochemischen Gradienten 0 fur ein bestimmtes Ion sind diese geladenen Teilchen statistisch betrachtet so verteilt dass elektrische und chemische Gradienten im Gleichgewicht stehen Anders ausgedruckt Im Gleichgewicht verschwindet der elektrochemische Gradient Da Ionen eine Ladung tragen treten bei ihrer Verteilung beide Gradienten kombiniert auf Chemischer Gradient ein Konzentrationsgefalle im Verteilungsraum tendiert infolge der temperaturabhangigen zufalligen Bewegung der Teilchen Brownsche Molekularbewegung zum Ausgleich Liegt eine ungleichmassige Verteilung einer Ionenart vor ist damit auch ein elektrischer Gradient verbunden Elektrischer Gradient ein Potentialunterschied im elektrischen Feld tendiert zum Spannungsabfall durch ausgeglichene Ladungsverteilung Liegt eine ungleiche Verteilung von geladenen Teilchen einer Ionenart vor ist damit auch ein chemischer Gradient verbunden Inhaltsverzeichnis 1 Elektrochemische Gradienten in biologischen Systemen 1 1 Protonengradient uber die Mitochondrienmembran 1 2 K Gradient an der Membran von Nervenzellen 2 Siehe auch 3 LiteraturElektrochemische Gradienten in biologischen Systemen BearbeitenIn biologischen Systemen ist der elektrochemische Gradient relevant an Membranen Beispiele hierfur sind der Protonengradient H Gradient uber Mitochondrien und Chloroplasten Membranen welcher in der Atmungskette und bei der Photosynthese zur Bildung von ATP beitragt der elektrochemische Gradient von K uber die Membran von Nervenzellen welcher fur das Ruhepotential bei der Erregungsleitung wichtig ist Protonengradient uber die Mitochondrienmembran Bearbeiten 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 zunachst in ein Protonenpotential uber die innere Mitochondrienmembran umgewandelt wird Verantwortlich hierfur 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 Bildung an K Gradient an der Membran von Nervenzellen Bearbeiten Hauptartikel Ruhemembranpotential elektrisch erregbarer Nervenzellen Hier soll an einem Beispiel erklart werden wie die beiden Gradienten elektrisches Gefalle und Konzentrationsgefalle zusammen wirken K liegt in der Nervenzelle nahe seinem elektrochemischen Gleichgewicht vor und ist hauptverantwortlich fur das Zustandekommen des elektrischen Ruhepotentials von 70 mV uber die Membran In der Zelle gibt es negativ geladene organische Molekule 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 betragt 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 Molekule in der Zelle auf K Diese ist bestrebt K zuruck in die Zelle zu ziehen Es stellt sich bald ein Gleichgewicht zwischen den beiden gegenlaufig wirkenden Triebkraften ein Der elektrochemische Gradient von K ist dann gleich 0 und der Nettofluss von K uber die Membran kommt zum Stillstand Daraus resultiert das Membranpotential von 70 mV und eine hohere 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 gleichkommt und dem elektrochemischen Gradient Siehe auch BearbeitenElektrochemisches Potential Elektrochemische TriebkraftLiteratur BearbeitenJeremy M Berg John L Tymoczko Lubert Stryer Biochemie 6 Auflage Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2007 ISBN 978 3 8274 1800 5 Donald Voet Judith G Voet Biochemistry 3 Auflage John Wiley amp Sons New York 2004 ISBN 0 471 19350 X Bruce Alberts Alexander Johnson Peter Walter Julian Lewis Martin Raff Keith Roberts Molecular Biology of the Cell 5 Auflage Taylor amp Francis 2007 ISBN 978 0 8153 4106 2 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Elektrochemischer Gradient amp oldid 222333891