电化学梯度

电化学梯度（英语：electrochemical gradient）是离子跨膜运动而产生的电化学势能（英语：Electrochemical potential）^[1][2]梯度，通常包括电位梯度和浓度梯度。电化学势能是一种维持细胞生命活动的势能。这一能量以化学势的形式存储，表现为细胞膜两侧的离子浓度梯度。当穿过可渗透膜的离子浓度不相等时，离子将通过简单的扩散穿过膜从高浓度区域移动到低浓度区域。 离子还携带电荷，在膜上形成电势。 如果跨膜的电荷分布不均，则电势差会产生驱动离子扩散的力，直到膜两侧的电荷平衡^[3]。

跨半渗透细胞膜的离子浓度和电荷图。

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定义

电化学梯度是电化学势的梯度：

${\displaystyle \nabla {\overline {\mu }}_{i}=\nabla \mu _{i}({\vec {r}})+\nabla z_{i}\mathrm {F} \varphi ({\vec {r}})}$, 其中

• ${\displaystyle \mu _{i}}$ 离子种类${\displaystyle i}$的化学势
• ${\displaystyle z_{i}}$ 离子种类${\displaystyle i}$的化合价
• F, 法拉第常数
• ${\displaystyle \varphi }$ 局部电势

概述

电化学势在电分析化学和工业应用（如电池和燃料电池）中很重要。 它代表了许多可互换的势能形式之一，通过它能量可以被保存。

在生物过程中，离子通过扩散作用或主动运输跨膜移动的方向由电化学梯度决定。 在线粒体和叶绿体中，质子梯度用于产生化学渗透势(chemiosmotic potential)，也称为质子动力(proton-motive force)。 这种势能分别用于通过氧化磷酸化或光合磷酸化合成ATP^[4]。

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生物学背景

通过跨细胞膜的离子运动产生跨膜电势驱动生物过程，如神经传导、肌肉收缩、激素分泌和感觉过程。 按照惯例，典型的动物细胞在细胞内部相对于外部具有 -50 mV 至 -70 mV 的跨膜电位^[5]。

电化学梯度还在线粒体氧化磷酸化中建立质子梯度方面发挥作用。

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离子梯度

Na⁺-K⁺-ATPase钠钾泵的图。

由于离子带电，它们不能通过简单的扩散穿过膜。 两种不同的机制可以跨膜运输离子：主动运输或被动运输。离子主动转运的一个例子是Na⁺/K⁺-ATPase(NKA)。NKA 催化 ATP 水解为 ADP 和无机磷酸盐，每水解一个 ATP 分子，三个Na⁺被转运到细胞外，两个K⁺被转运到细胞内。这使得细胞内部比外部更负，更具体地产生约-60mV的膜电位 V_membrane^[6]。 被动传输的一个例子是通过Na⁺, K⁺, Ca²⁺和Cl⁻通道的离子通道。 这些离子倾向于向下移动它们的浓度梯度。

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参见

• 动作电位
• 电扩散（英语：Electrodiffusion）
• 伽凡尼电池
• 电化电池
• 质子交换膜
• 主动运输

参考文献

1. electrochemical potential. 国家教育研究院. [2017-01-04]. （原始内容存档于2017-01-04）.
2. The use of the term "Fermi energy" as synonymous with Fermi level (a.k.a. electrochemical potential) is widespread in semiconductor physics. For example: Electronics (fundamentals And Applications) （页面存档备份，存于互联网档案馆） by D. Chattopadhyay, Semiconductor Physics and Applications （页面存档备份，存于互联网档案馆） by Balkanski and Wallis.
3. Nelson, David; Cox, Michael. Lehninger Principles of Biochemistry. New York: W.H. Freeman. 2013: 403. ISBN 978-1-4292-3414-6.
4. Nath, Sunil; Villadsen, John. Oxidative phosphorylation revisited. Biotechnology and Bioengineering. 2015-03-01, 112 (3): 429–437. ISSN 1097-0290. PMID 25384602. S2CID 2598635. doi:10.1002/bit.25492 （英语）.
5. Nelson, David; Cox, Michael. Lehninger Principles of Biochemistry. New York: W.H. Freeman. 2013: 464. ISBN 978-1-4292-3414-6.
6. Aperia, Anita; Akkuratov, Evgeny E.; Fontana, Jacopo Maria; Brismar, Hjalmar. Na+-K+-ATPase, a new class of plasma membrane receptors. American Journal of Physiology. Cell Physiology. 2016-04-01, 310 (7): C491–C495 [2022-07-03]. ISSN 0363-6143. PMID 26791490. doi:10.1152/ajpcell.00359.2015 . （原始内容存档于2022-07-03） （英语）.

参考文献

• Campbell & Reece. Biology. Pearson Benjamin Cummings. 2005. ISBN 0-8053-7146-X.
• Stephen T. Abedon, "Important words and concepts from Chapter 8, Campbell & Reece, 2002 (1/14/2005)", for Biology 113 at the Ohio State University