Protonentransports

Protonentransport bezeichnet die Bewegung von Protonen (H+) durch Biomembranen oder in wässrigen Medien. In biologischen Systemen dient er oft dem Aufbau oder der Nutzung einer protonenmotorischen Kraft (PMF), die aus einem pH-Unterschied über die Membran (ΔpH) und einem Membranpotenzial (Δψ) besteht. Die PMF treibt zahlreiche Membranproteine an und ist eine zentrale Energiequelle in der Zellbiologie.

In Zellen entsteht PMF meist durch Protonpumpen, die Energie aus Redoxreaktionen oder Licht nutzen. Diese Proteine transportieren H+-Ionen gegen ihren thermodynamischen Gleichgewichtszustand aus dem Innen- oder Außenraum über eine Membran hinweg. Wenn Protonen zurück durch die Membran fließen, verrichten sie Arbeit, etwa indem sie die F-Type-ATPase (auch H+-ATPase) antreiben, die ADP und Phosphat zu ATP verbindet. In mitochondrien generieren Komplex I, III und IV der Elektronentransportkette Protonen über die innere Membran, in Chloroplasten die Cyt-b6f-Komponente; in Bakterien gibt es eine Vielzahl von H+-pumpenden Systemen. Lichtgetriebene Protonenpumpen wie Bacteriorhodopsin verschieben Protonen aus dem Cytoplasma in den extrazellulären Raum und unterstützen so den PMF.

Neben aktiven Pumpmechanismen gibt es natürliche Protonentransportwege durch Kanäle oder Carrier sowie Protonenüberträger, die den Transfer in Wasser- oder H-bond-Netzwerken erleichtern. In der Technik spielen Protonentransporte eine Rolle in Brennstoffzellen und Membranmaterialien (Protonenaus tauschmembranen) wie Nafion, wo Protonleitung entscheidend ist.

In der Wissenschaft wird Protonentransport daher als zentraler Prozess in Energieumwandlung, pH-Regulation und signalgebundener Transport diskutiert.