ปั๊มโปรตอนเป็นโปรตีนที่ฝังอยู่ในเยื่อหุ้มเซลล์ทำหน้าที่สร้าง ความแตกต่าง ของความเข้มข้นของโปรตอนข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ทางชีวภาพปั๊มโปรตอนเร่งปฏิกิริยาต่อไปนี้:

ชม⁺_{[ด้านหนึ่งของเยื่อชีวภาพ]} + พลังงาน ⇌ H⁺_{[อีกด้านหนึ่งของเยื่อหุ้มเซลล์]}

กลไกเหล่านี้มีพื้นฐานมาจาก การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของโปรตีน ที่เกิด จาก พลังงานหรือจากวัฏจักร Q

ในระหว่างวิวัฒนาการ ปั๊มโปรตอนเกิดขึ้นอย่างอิสระในหลายโอกาสดังนั้น ไม่เพียงแต่ในธรรมชาติเท่านั้น แต่ยังรวมถึงภายในเซลล์เดียว ก็สามารถพบปั๊มโปรตอนที่แตกต่างกันซึ่งไม่มีความสัมพันธ์ทางวิวัฒนาการกันได้ ปั๊มโปรตอนแบ่งออกเป็นกลุ่มหลักต่างๆ ที่ใช้แหล่งพลังงานต่างกัน มีองค์ประกอบของโพลีเปปไทด์ที่แตกต่างกัน และมีต้นกำเนิดทางวิวัฒนาการที่แตกต่างกัน

การขนส่งโปรตอนที่มีประจุบวกโดยทั่วไปเป็นกระบวนการสร้างกระแสไฟฟ้า กล่าวคือ มันสร้างสนามไฟฟ้าขึ้นที่เยื่อหุ้มเซลล์ หรือที่เรียกว่าศักย์เยื่อหุ้มเซลล์การขนส่งโปรตอนจะกลายเป็นกระบวนการสร้างกระแสไฟฟ้าหากไม่ถูกทำให้เป็นกลางทางไฟฟ้าโดยการขนส่งประจุลบที่สอดคล้องกันในทิศทางเดียวกัน หรือประจุบวกที่สอดคล้องกันในทิศทางตรงกันข้าม ตัวอย่างของปั๊มโปรตอนที่ไม่ใช่กระบวนการสร้างกระแสไฟฟ้า คือปั๊มโปรตอน/โพแทสเซียมของเยื่อบุผิวในกระเพาะอาหารซึ่งเร่งปฏิกิริยาการแลกเปลี่ยนโปรตอนและไอออนโพแทสเซียมอย่างสมดุล

ความต่างศักย์ไฟฟ้าเคมีคือการรวมกันของโปรตอนและประจุที่เกิดขึ้นระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์ ซึ่งเกิดจากปั๊มโปรตอน ความต่าง ศักย์ไฟฟ้าเคมีแสดงถึงแหล่งพลังงาน ( พลังงานศักยภาพ ) ที่สามารถนำมาใช้ขับเคลื่อนกระบวนการทางชีวภาพมากมาย เช่นการสังเคราะห์ ATPการดูดซึมสารอาหาร และการสร้างศักยภาพการกระทำ

ในการหายใจระดับเซลล์ปั๊มโปรตอนใช้พลังงานในการขนส่งโปรตอนจากด้านภายในเซลล์ไปยังด้านนอกเซลล์ของเยื่อหุ้มพลาสมา [ ^{2 ] มัน}เป็นปั๊มที่ทำงานอยู่ซึ่งสร้างความแตกต่างของโปรตอนข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ ความแตกต่างของpHและประจุไฟฟ้า (โดยไม่คำนึงถึงความแตกต่างของความสามารถในการบัฟเฟอร์ ) สร้าง ความแตกต่าง ของศักย์ไฟฟ้าเคมีซึ่งทำงานคล้ายกับแบตเตอรี่หรือหน่วยเก็บพลังงานสำหรับเซลล์^{[ 3 ]}กระบวนการนี้ยังสามารถมองได้ว่าคล้ายกับการปั่นจักรยานขึ้นเนินหรือการชาร์จแบตเตอรี่เพื่อใช้ในภายหลัง เนื่องจากมันสร้างพลังงานศักย์ ปั๊มโปรตอนไม่ได้สร้างพลังงาน แต่สร้างความแตกต่างที่เก็บพลังงานไว้ใช้ในภายหลัง^{[ 4 ]}

พลังงานที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาการปั๊มโปรตอนอาจมาจากแสง (พลังงานแสง; แบคทีริโอโรดอปซิน ) การถ่ายโอนอิเล็กตรอน (พลังงานไฟฟ้า; คอมเพล็กซ์การขนส่งอิเล็กตรอนI , IIIและIV ) หรือเมตาบอไลต์ที่อุดมไปด้วยพลังงาน (พลังงานเคมี) เช่นไพโรฟอสเฟต (PPi; ไพโรฟอสฟาเทสที่ปั๊มโปรตอน ) หรืออะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (ATP; โปรตอน ATPases )

คอมเพล็กซ์ I (EC 1.6.5.3) (เรียกอีกอย่างว่าNADH:ubiquinone oxidoreductaseหรือโดยเฉพาะอย่างยิ่งในบริบทของโปรตีนในมนุษย์ เรียกว่าNADH dehydrogenase ) เป็นปั๊มโปรตอนที่ขับเคลื่อนด้วยการขนส่งอิเล็กตรอน มันอยู่ในกลุ่ม NADH Dehydrogenase (NDH) ที่ขนส่งH ⁺หรือ Na ⁺ (TC# 3.D.1) ซึ่งเป็นสมาชิกของซูเปอร์แฟมิลี Mrpที่ขนส่ง Na ⁺มันเร่งปฏิกิริยาการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจาก NADH ไปยังโคเอนไซม์ Q10 (CoQ10 ) และใน ยูคาริโอต มันจะอยู่ที่เยื่อหุ้มไมโทคอนเดรีย ชั้น ใน เอนไซม์นี้ช่วยสร้างความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้าเคมีของโปรตอนข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ ซึ่งATP synthase จะนำ ไป ใช้ในการสังเคราะห์ ATP

คอมเพล็กซ์ III (EC 1.10.2.2) (หรือเรียกอีกอย่างว่าไซโตโครม บี_ซี 1หรือ โคเอนไซม์ คิว ​​: ไซโตโครม ซี – ออกซิโดรีดักเทส ) เป็นปั๊มโปรตอนที่ขับเคลื่อนด้วยการขนส่งอิเล็กตรอน คอมเพล็กซ์ III เป็น โปรตีนทรานส์เมมเบรนหลายหน่วยย่อยที่เข้ารหัสโดยทั้งจีโนมไมโทคอนเดรีย (ไซโตโครม บี)และจีโนมนิวเคลียร์ (หน่วยย่อยอื่นๆ ทั้งหมด) คอมเพล็กซ์ III พบได้ในเยื่อหุ้มไมโทคอนเดรียชั้นในของยูคาริโอตแบบใช้ออกซิเจนทั้งหมด และเยื่อหุ้มชั้นในของยูแบคทีเรียส่วนใหญ่ เอนไซม์นี้ช่วยสร้างความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้าเคมีของโปรตอนข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ ซึ่งเอทีพีซินเทสของไมโทคอนเดรียจะนำไปใช้ในการสังเคราะห์ ATP

คอมเพล็กซ์ไซโตโครม b ₆ f (EC 1.10.99.1) (หรือเรียกอีกชื่อว่า พลาสโตควิโนล-พลาสโตไซยานิน รีดักเทส) เป็นเอนไซม์ที่เกี่ยวข้องกับคอมเพล็กซ์ III แต่พบในเยื่อไทลาคอยด์ในคลอโรพลาสต์ของพืชไซยาโนแบคทีเรียและสาหร่ายสีเขียว ปั๊มโปรตอนนี้ทำงานโดยอาศัยการขนส่งอิเล็กตรอนและเร่งปฏิกิริยาการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจาก พลาสโตควิ โนลไปยังพลาสโตไซ ยานิน ปฏิกิริยานี้คล้ายคลึงกับปฏิกิริยาที่เร่งโดยคอมเพล็กซ์ III (ไซโตโครม bc1) ของห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนในไมโทคอนเดรียเอนไซม์นี้ช่วยสร้างความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้าเคมีของโปรตอนข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ ซึ่งเอทีพีซินเทสของคลอโรพลาสต์จะนำไปใช้ในการสังเคราะห์เอทีพี

คอมเพล็กซ์ IV (EC 1.9.3.1) (หรือเรียกอีกอย่างว่า ไซโตโครม ซี ออกซิเดส) เป็นปั๊มโปรตอนที่ขับเคลื่อนด้วยการขนส่งอิเล็กตรอน เอนไซม์นี้เป็นโปรตีนเชิงซ้อนขนาดใหญ่ที่อยู่ภายในเยื่อหุ้มเซลล์ พบในแบคทีเรียและเยื่อหุ้มไมโทคอนเดรียชั้นในของยูคาริโอต มันรับอิเล็กตรอนจากโมเลกุลไซโตโครม ซี จำนวนสี่โมเลกุล และถ่ายโอนไปยังโมเลกุลออกซิเจนหนึ่งโมเลกุล เปลี่ยนโมเลกุลออกซิเจนให้เป็นโมเลกุลน้ำสองโมเลกุล ในกระบวนการนี้ มันจะจับกับโปรตอนสี่ตัวจากเฟสของเหลวภายในเพื่อสร้างน้ำ และยังขนส่งโปรตอนสี่ตัวข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ด้วย เอนไซม์นี้ช่วยสร้างความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้าเคมีของโปรตอนข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ ซึ่งเอนไซม์ ATP synthase ของไมโทคอนเดรียจะนำไปใช้ในการสังเคราะห์ ATP

ปั๊มโปรตอนที่ขับเคลื่อนด้วยอะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (ATP) (เรียกอีกอย่างว่า โปรตอนเอทีพีเพส หรือH)⁺-ATPases) คือปั๊มโปรตอนที่ขับเคลื่อนด้วยการไฮโดรไลซิสของอะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (ATP) พบปั๊มโปรตอนได้สามประเภทในธรรมชาติ ในเซลล์เดียว (เช่น เซลล์ของเชื้อราและพืช) อาจมีตัวแทนจากทั้งสามกลุ่มของปั๊มโปรตอนอยู่ร่วมกัน

เยื่อหุ้มพลาสมาH⁺-ATPaseเป็นเอนไซม์ ATPase ชนิด P ที่มีหน่วยย่อยเดียว พบในเยื่อหุ้มเซลล์ของพืชเชื้อราโปรติสต์และจุลินทรีย์โปร คาริโอต หลายชนิด

เยื่อหุ้มพลาสมาH⁺-ATPaseสร้างความแตกต่างทางไฟฟ้าเคมีในเยื่อหุ้มเซลล์ของพืชเชื้อรา โปรติสต์และจุลินทรีย์ โปรคาริโอ ต จำนวนมาก โดยความแตกต่างของโปรตอนจะถูกนำมาใช้ในการขับเคลื่อน กระบวนการ ขนส่งทุติยภูมิดังนั้นจึงมีความสำคัญต่อการดูดซึมสารเมตาบอไลต์ ส่วนใหญ่ และยังมีความสำคัญต่อการตอบสนองต่อสิ่งแวดล้อม (เช่น การเคลื่อนไหวของใบในพืช)

มนุษย์ (และอาจรวมถึงสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมชนิดอื่นๆ) มีเอนไซม์ไฮโดรเจนโพแทสเซียมเอทีพีเอสหรือ H ⁺ /K ⁺เอทีพีเอส ในกระเพาะอาหาร ซึ่งจัดอยู่ในกลุ่มเอนไซม์เอทีพีเอสชนิด Pเช่นกัน เอนไซม์นี้ทำหน้าที่เป็นปั๊มโปรตอนของกระเพาะอาหารโดยมีหน้าที่หลักในการทำให้กรดในกระเพาะอาหารเพิ่มขึ้น (ดูกรดในกระเพาะอาหาร )

โปรตอน เอทีพีเอสชนิดวี (V - type proton ATPase)เป็นเอนไซม์หลายหน่วยย่อยชนิดวีพบได้ในเยื่อหุ้มเซลล์หลายชนิด โดยทำหน้าที่เพิ่มความเป็นกรดให้กับออร์แกเนลล์ภายในเซลล์หรือบริเวณภายนอกเซลล์

เอนไซม์โปรตอนเอทีพีเอสชนิดเอฟ (F-type proton ATPase)เป็นเอนไซม์หลายหน่วยย่อยชนิดเอฟ (เรียกอีกอย่างว่าเอทีพีซินเทสหรือ F _O F _{1 เอทีพีเอส) พบได้ในเยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรีย ซึ่งทำหน้าที่เป็น} เอทีพีซินเทสที่ ขับเคลื่อนด้วยการขนส่งโปรตอน

ในไมโทคอนเดรีย สารรีดิวซ์ที่ได้จากการถ่ายโอนอิเล็กตรอนหรือการสังเคราะห์แสงจะให้พลังงานแก่การเคลื่อนย้ายโปรตอน ตัวอย่างเช่น การเคลื่อนย้ายโปรตอนโดยไซโตโครมซีออกซิเดสได้รับพลังงานจากสารรีดิวซ์ที่ได้จากไซโตโครมซี ที่ถูกรีดิวซ์ ATP เองก็ให้พลังงานแก่การขนส่งนี้ใน โปรตอน ATPase ของ เยื่อหุ้มเซลล์และใน ปั๊มโปรตอน ATPaseของเยื่อหุ้มเซลล์อื่นๆ

ในทางตรงกันข้าม เอนไซม์ ATP synthase F _o F ₁ ของไมโทคอนเดรีย มักจะนำพาโปรตอนจากความเข้มข้นสูงไปยังความเข้มข้นต่ำผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ พร้อมทั้งดึงพลังงานจากกระแสนี้เพื่อสังเคราะห์ ATP โปรตอนจะเคลื่อนที่ผ่านเยื่อหุ้มไมโทคอนเดรียชั้นในโดยใช้สายโปรตอน การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างชุดนี้ ซึ่งถูกส่งผ่านหน่วยย่อย α และ β ของอนุภาค F _Oจะขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างชุดหนึ่งในก้านที่เชื่อมต่อ F _Oกับหน่วยย่อย F ₁กระบวนการนี้เชื่อมโยงการเคลื่อนย้ายโปรตอนเข้ากับการเคลื่อนไหวเชิงกลระหว่างสถานะหลวม แน่น และเปิดของ F ₁ซึ่งจำเป็นต่อการฟอสฟอริเลต ADP อย่างมีประสิทธิภาพ

ในแบคทีเรียและออร์แกเนลล์ที่สร้าง ATP นอกเหนือจากไมโต คอนเด รีย สารรีดิวซ์ที่ได้จากการถ่ายโอนอิเล็กตรอนหรือการสังเคราะห์แสงจะให้พลังงานแก่การเคลื่อนย้ายโปรตอน

เอนไซม์ CF ₁ ATP ligaseในคลอโรพลาสต์ นั้น สอดคล้องกับเอนไซม์ F _O F ₁ ATP synthase ในพืช ของมนุษย์

โปรตอนปั๊มไพโรฟอสฟาเทส (เรียกอีกอย่างว่า H H)⁺-PPase หรือ vacuolar-type inorganic pyrophosphatases (V-PPase; V ย่อมาจาก vacuolar) เป็นปั๊มโปรตอนที่ขับเคลื่อนด้วยการไฮโดรไลซิสของอนินทรีย์ไพโรฟอสเฟต (PPi) ในพืช H H⁺-PPase พบอยู่บริเวณเยื่อหุ้มแวคิวโอล (โทโนพลาสต์) เยื่อหุ้มนี้ในพืชมีปั๊มโปรตอนสองชนิดที่แตกต่างกันสำหรับทำให้ภายในแวคิวโอล มีสภาพเป็นกรด ได้แก่ V-PPase และ V-ATPase

แบคเทอริโอโรดอปซินเป็นปั๊มโปรตอนที่ขับเคลื่อนด้วยแสง ซึ่ง อาร์เคีย ใช้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในฮาโลอาร์เคียแสงจะถูกดูดซับโดย เม็ดสี เรตินัลที่เชื่อมโยงกับโปรตีนด้วยพันธะโควาเลนต์ ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของโมเลกุลซึ่งจะถูกส่งต่อไปยังโปรตีนปั๊มที่เกี่ยวข้องกับการสูบฉีดโปรตอน^{[ 5 ]}

• การขนส่งแบบใช้พลังงานจากร่างกาย
• เคมีออสโมซิส
• ไซโตโครม
• โปรโตโนฟอร์
• สารยับยั้งโปรตอนปั๊ม
• ตัวแยก
• 2,4-ไดไนโตรฟีนอล
• วี-เอทีพีเอส

• ภาพเคลื่อนไหวปั๊มโปรตอน
• Proton+Pumpsที่ US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)