電化學梯度

電化學梯度（英語：electrochemical gradient）是離子跨膜運動而產生的電化學電位（英語：Electrochemical potential）^[1][2]梯度，通常包括電位梯度和濃度梯度。電化學勢能是一種維持細胞生命活動的勢能。這一能量以化學勢的形式存儲，表現為細胞膜兩側的離子濃度梯度。當穿過可滲透膜的離子濃度不相等時，離子將通過簡單的擴散穿過膜從高濃度區域移動到低濃度區域。 離子還攜帶電荷，在膜上形成電勢。 如果跨膜的電荷分布不均，則電勢差會產生驅動離子擴散的力，直到膜兩側的電荷平衡^[3]。

跨半滲透細胞膜的離子濃度和電荷圖。

定義

電化學梯度是電化學勢的梯度：

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

• ${\displaystyle \mu _{i}}$ 離子種類${\displaystyle i}$的化學勢
• ${\displaystyle z_{i}}$ 離子種類${\displaystyle i}$的化合價
• F, 法拉第常數
• ${\displaystyle \varphi }$ 局部電勢

概述

電化學勢在電分析化學和工業應用（如電池和燃料電池）中很重要。 它代表了許多可互換的勢能形式之一，通過它能量可以被保存。

在生物過程中，離子通過擴散作用或主動運輸跨膜移動的方向由電化學梯度決定。 在粒線體和葉綠體中，質子梯度用於產生化學滲透勢(chemiosmotic potential)，也稱為質子動力(proton-motive force)。 這種勢能分別用於通過氧化磷酸化或光合磷酸化合成ATP^[4]。

生物學背景

通過跨細胞膜的離子運動產生跨膜電勢驅動生物過程，如神經傳導、肌肉收縮、激素分泌和感覺過程。 按照慣例，典型的動物細胞在細胞內部相對於外部具有 -50 mV 至 -70 mV 的跨膜電位^[5]。

電化學梯度還在粒線體氧化磷酸化中建立質子梯度方面發揮作用。

離子梯度

Na⁺-K⁺-ATPase鈉鉀泵的圖。

由於離子帶電，它們不能通過簡單的擴散穿過膜。 兩種不同的機制可以跨膜運輸離子：主動運輸或被動運輸。離子主動轉運的一個例子是Na⁺/K⁺-ATPase(NKA)。NKA 催化 ATP 水解為 ADP 和無機磷酸鹽，每水解一個 ATP 分子，三個Na⁺被轉運到細胞外，兩個K⁺被轉運到細胞內。這使得細胞內部比外部更負，更具體地產生約-60mV的膜電位 V_membrane^[6]。 被動傳輸的一個例子是通過Na⁺, K⁺, Ca²⁺和Cl⁻通道的離子通道。 這些離子傾向於向下移動它們的濃度梯度。

參見

• 動作電位
• 電擴散（英語：Electrodiffusion）
• 伽凡尼電池
• 電化電池
• 質子交換膜
• 主動運輸

參考文獻

1. electrochemical potential. 國家教育研究院. [2017-01-04]. （原始內容存檔於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) （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） by D. Chattopadhyay, Semiconductor Physics and Applications （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 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 （英語）.
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 . （原始內容存檔於2022-07-03） （英語）.

參考文獻

• 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