V buněčné biologii se elektrochemický gradient vztahuje k elektrickým a chemickým vlastnostem na membráně. Ty jsou často způsobeny iontovými gradienty, zejména gradienty protonů, a mohou představovat typ potenciální energie, která je k dispozici pro práci v buňce. To lze vypočítat jako termodynamické měření nazývané elektrochemický potenciál, které kombinuje pojmy energie uložené ve formě chemického potenciálu, který představuje iontový koncentrační gradient na buněčné membráně a elektrostatiku, která představuje iontovou tendenci pohybovat se v poměru k membránovému potenciálu.
Elektrochemický potenciál je důležitý v elektroanalytické chemii a průmyslových aplikacích, jako jsou baterie a palivové články. Představuje jednu z mnoha zaměnitelných forem potenciální energie, jejímž prostřednictvím lze energii uchovávat.
V biologických procesech je směr pohybu iontu difuzí nebo aktivním transportem přes membránu určen elektrochemickým gradientem. V mitochondriích a chloroplastech se gradienty protonů používají k vytvoření chemicosmotického potenciálu, který je také znám jako protonová hybná síla. Tato potenciální energie se používá pro syntézu ATP oxidativní fosforylací.
Elektrochemický gradient má dvě složky. Za prvé, elektrická složka je způsobena rozdílem náboje v lipidové membráně. Za druhé, chemická složka je způsobena rozdílem koncentrací iontů v membráně. Kombinace těchto dvou faktorů určuje termodynamicky příznivý směr pohybu iontů v membráně.
Elektrochemické gradienty jsou analogické přehradám vodních elektráren a odpovídají tlaku vody přes přehradu. Membránové transportní proteiny, jako je sodno-draselné čerpadlo uvnitř membrány, jsou ekvivalentní turbínám, které přeměňují potenciální energii vody na jiné formy fyzikální nebo chemické energie a ionty, které procházejí membránou, jsou ekvivalentní vodě, která se nyní nachází na dně přehrady. Alternativně lze energii použít k čerpání vody do jezera nad přehradou. Podobně lze chemickou energii v buňkách použít k vytvoření elektrochemických gradientů.
Termín se obvykle používá v kontextech, kdy má dojít k chemické reakci, například takové, která zahrnuje přenos elektronu na bateriovou elektrodu. V baterii elektrochemický potenciál vznikající pohybem iontů vyrovnává reakční energii elektrod. Maximální napětí, které může reakce baterie vyvolat, se někdy nazývá standardní elektrochemický potenciál této reakce (viz také potenciál elektrod a Tabulka potenciálů standardních elektrod). V případech, které se týkají specificky pohybu elektricky nabitých rozpuštěných látek, je potenciál často vyjádřen v jednotkách voltů. Viz: Koncentrační buňka
Pokud jde o buňku, organelu nebo jiné subcelulární kompartmenty, sklon elektricky nabité rozpuštěné látky, například draselného iontu, pohybovat se po membráně je dán rozdílem jejího elektrochemického potenciálu na obou stranách membrány, který vyplývá ze tří faktorů:
Rozdíl elektrochemického potenciálu rozpuštěné látky je při jejím „reverzním potenciálu“ nulový. Nulové je i transmembránové napětí, ke kterému netto rozpuštěné látky protéká membránou. Tento potenciál se teoreticky předpovídá buď podle Nernstovy rovnice (pro systémy jednoho permeantního iontového druhu), nebo podle Goldmanovy-Hodgkinovy-Katzovy rovnice (pro více než jeden permeantní iontový druh). Elektrochemický potenciál se měří v laboratoři a v terénu pomocí referenčních elektrod.
Transmembránové ATPázy nebo transmembránové proteiny s ATPázovými doménami se často používají pro výrobu a využití iontových gradientů. Enzym Na+/K+ ATPáza používá ATP k výrobě sodíkového iontového gradientu a draselného iontového gradientu. Elektrochemický potenciál se používá jako zásobník energie, chemiosmotická vazba je jedním z několika způsobů, jak může být termodynamicky nepříznivá reakce řízena termodynamicky příznivou reakcí. Koransport iontů pomocí symporterů a antiporterových nosičů je běžný pro aktivní pohyb iontů po biologických membránách.
Protonový gradient může být použit jako meziskladování energie pro výrobu tepla a flagelární rotaci. Navíc se jedná o mezikonvertibilní formu energie v aktivním transportu, tvorbě elektronového potenciálu, syntéze NADPH a syntéze/hydrolýze ATP.
Rozdíl elektrochemického potenciálu mezi oběma stranami membrány v mitochondriích, chloroplastech, bakteriích a jiných membránových kompartmentech, které se zapojují do aktivního transportu pomocí protonových pump, se někdy nazývá chemiosmotický potenciál nebo protonová hybná síla (viz chemiosmotická hypotéza). V této souvislosti se protony často posuzují odděleně pomocí jednotek koncentrace nebo pH.
Některé archee, především halobakterie, vytvářejí protonové gradienty pumpováním protonů z prostředí za pomoci enzymu bakteriorhodopsinu poháněného sluncem, zde se používá pro řízení molekulárního motorického enzymu ATP syntázy k provedení potřebných konformačních změn nutných k syntéze ATP.
Protonové gradienty jsou také vytvářeny bakteriemi spuštěním ATP syntázy obráceně; ta se používá k pohonu flagelů.
F1FO ATP syntáza je reverzibilní enzym. Dostatečně velké množství ATP způsobí, že vytvoří transmembránový protonový gradient. Ten se používá u kvasících bakterií – které nemají elektronový transportní řetězec a hydrolyzují ATP, aby vytvořily protonový gradient – který používají pro flagelly a transport živin do buňky.