能動輸送

細胞生物学では、能動輸送とは、濃度勾配に逆らって、低濃度の領域から高濃度の領域へ細胞膜 を通過する分子またはイオンの移動を指します。能動輸送では、この移動を実現するために細胞のエネルギーが必要です。能動輸送には、アデノシン三リン酸(ATP)を使用する一次能動輸送と、電気化学的勾配を使用する二次能動輸送の 2 種類があります。このプロセスは、エネルギーを使用せずに分子またはイオンが濃度勾配に沿って高濃度の領域から低濃度の領域へ移動できる受動 輸送とは対照的です。

能動輸送は、栄養素の摂取、ホルモンの分泌、神経インパルスの伝達など、さまざまな生理学的プロセスに不可欠です。たとえば、ナトリウム-カリウム ポンプはATP を使用してナトリウム イオンを細胞から排出し、カリウム イオンを細胞内に送り込み、細胞機能に不可欠な濃度勾配を維持します。能動輸送は選択性が高く、制御性が高く、さまざまな分子やイオンに固有のさまざまな輸送体が存在します。能動輸送の調節不全は、塩素チャネルの機能不全によって引き起こされる嚢胞性線維症や、細胞へのグルコース輸送の欠陥によって生じる糖尿病など、さまざまな疾患を引き起こす可能性があります。

受動輸送は分子の運動エネルギーと自然エントロピーを利用して勾配に沿って移動するのに対し、能動輸送は細胞エネルギーを利用して勾配や極性反発力などの抵抗に逆らって分子を移動させる。能動輸送は通常、イオン、グルコース、アミノ酸など細胞が必要とする分子を高濃度に蓄積することに関係している。能動輸送の例としては、ヒトの腸管におけるグルコースの取り込みや植物の根毛細胞へのミネラルイオンの取り込みなどがある。 ^[1]

1848年、ドイツの生理学者エミール・デュ・ボア＝レーモンドは、膜を介した物質の能動輸送の可能性を示唆した。^[2]

1926年、デニス・ロバート・ホーグランドは、濃度勾配に逆らって塩分を吸収する植物の能力を調査し、制御された実験条件下で革新的なモデルシステムを使用して、栄養素の吸収と移動が代謝エネルギーに依存することを発見しました。^[3]

ローゼンバーグ（1948）はエネルギーの観点から能動輸送の概念を定式化したが^[4]、後に再定義された。

1997年、デンマークの医師イェンス・クリスチャン・スコウ^[5]は、ナトリウム-カリウムポンプに関する研究によりノーベル化学賞を受賞しました。^[5]

糖尿病治療に関する研究で特に目立つ共輸送体の1つのカテゴリー^[6]は、ナトリウム-グルコース共輸送体です。これらの輸送体は、国立衛生研究所の科学者によって発見されました。^[7]これらの科学者は、ラットの腎尿細管のさまざまなポイントでグルコースの吸収に矛盾があることに気付きました。その後、腸のグルコース輸送タンパク質の遺伝子が発見され、これらの膜ナトリウム-グルコース共輸送システムにリンクされました。これらの膜輸送タンパク質の最初のものはSGLT1と名付けられ、その後SGLT2が発見されました。^[7] ロバート・クレインもこの分野で重要な役割を果たしました。

特殊な膜貫通タンパク質が物質を認識し、膜を横切って移動できるようにします。これは、膜のリン脂質二重層が移動する物質に対して不浸透性であるか、物質が濃度勾配の方向に逆らって移動するためです。^[8]能動輸送には、一次能動輸送と二次能動輸送の 2 つの形式があります。一次能動輸送では、関与するタンパク質は通常 ATP の形で化学エネルギーを使用するポンプです。ただし、二次能動輸送では、通常、電気化学勾配を利用して得られる位置エネルギーを使用します。1 つのイオンが電気化学勾配に沿って移動することで生成されるエネルギーは、電気化学勾配に逆らって移動する別のイオンの輸送に使用されます。^{[9]これには、}細胞膜を横切るチャネルを形成する孔形成タンパク質が関与します。受動輸送と能動輸送の違いは、能動輸送ではエネルギーが必要であり、物質をそれぞれの濃度勾配に逆らって移動するのに対し、受動輸送では細胞エネルギーは不要であり、物質をそれぞれの濃度勾配の方向に移動する点です。^[10]

対向輸送体では、1 つの基質が膜を越えて一方向に輸送され、もう1 つの基質は反対方向に共輸送されます。共輸送体では、2 つの基質が膜を越えて同じ方向に輸送されます。対向輸送と共輸送のプロセスは二次能動輸送と関連しており、2 つの物質のうちの 1 つが濃度勾配に逆らって輸送され、別のイオン (主に Na ⁺、 K ^{+ 、}または H ⁺イオン)がその濃度勾配に沿って輸送されるときに得られるエネルギーが利用されます。

基質分子が低濃度領域から高濃度領域へ（つまり、濃度勾配と反対方向に）移動する場合[11]、特定の膜貫通型輸送タンパク質が必要です。これらのタンパク質には、特定の分子（例：グルコース）に結合し、それらを細胞膜を越えて輸送する受容体があります。この^プロセスにはエネルギーが必要であるため、「能動」輸送として知られています。能動輸送の例には、ナトリウム-カリウムポンプによる細胞外へのナトリウムの輸送と細胞内へのカリウムの輸送があります。能動輸送は、多くの場合、小腸の内壁で行われます。

植物は土壌や他の源からミネラル塩を吸収する必要があるが、これらの塩は非常に希薄な溶液で存在する。能動輸送により、これらの細胞は濃度勾配の方向に逆らってこの希薄溶液から塩を吸収することができる。例えば、塩化物イオン（Cl ⁻）と硝酸イオン（NO ₃ ⁻）は植物細胞の細胞質に存在し、液胞に輸送される必要がある。液胞にはこれらのイオンのためのチャネルがあるが、それらの輸送は濃度勾配に逆らって行われるため、これらのイオンの移動は水素ポンプまたはプロトンポンプによって駆動される。^[9]

一次能動輸送は直接能動輸送とも呼ばれ、代謝エネルギーを直接利用して分子を膜を越えて輸送します。^{[12]一次能動輸送によって細胞膜を越えて輸送される物質には、} Na ⁺、K ⁺、Mg ²⁺、Ca ²⁺などの金属イオンが含まれます。これらの荷電粒子は、膜を通過して体全体に分布するために イオンポンプまたはイオンチャネルを必要とします。

このタイプの輸送を行う酵素のほとんどは、膜貫通型ATPaseです。すべての動物に共通する一次ATPaseは、細胞電位の維持に役立つナトリウム-カリウムポンプです。ナトリウム-カリウムポンプは、細胞内に2つのK ^{+イオンが移動するのに伴って、3つのNa +}イオンを細胞外に移動さ^せることで膜電位を維持します。一次能動輸送のその他のエネルギー源は、酸化還元エネルギーと光子エネルギー（光）です。酸化還元エネルギーを使用する一次能動輸送の例としては、 NADHの還元エネルギーを使用して、濃度勾配に逆らってミトコンドリア内膜を横切ってプロトンを移動させるミトコンドリア電子伝達系があります。光エネルギーを使用する一次能動輸送の例としては、光子のエネルギーを使用してチラコイド膜を横切るプロトン勾配を作成し、 NADPHの形で還元力を生成する光合成に関与するタンパク質があります。

ATP加水分解は、電気化学的勾配（低水素イオン濃度から高水素イオン濃度へ）に逆らって水素イオンを輸送するために使用されます。キャリアタンパク質のリン酸化と水素イオンの結合により、構造（形状）変化が誘発され、水素イオンが電気化学的勾配に逆らって輸送されます。結合したリン酸基の加水分解と水素イオンの放出により、キャリアは元の構造に戻ります。^[14]

1. P型ATPase：ナトリウム・カリウムポンプ、カルシウムポンプ、プロトンポンプ
2. F-ATPase : ミトコンドリアATP合成酵素、葉緑体ATP合成酵素
3. V-ATPase : 液胞ATPase
4. ABC ( ATP結合カセット)トランスポーター: MDR、CFTRなど

アデノシン三リン酸結合カセットトランスポーター（ABCトランスポーター）は、ATP駆動ポンプとして機能することが多い、大規模で多様なタンパク質ファミリーを構成しています。通常、トランスポータータンパク質全体の構造には、ATP結合モチーフを構成する2つのヌクレオチド結合ドメインと、「細孔」コンポーネントを作成する2つの疎水性膜貫通ドメインを含むいくつかのドメインが関与しています。大まかに言えば、ABCトランスポーターは細胞膜を介した分子の輸入または輸出に関与していますが、タンパク質ファミリー内には広範囲にわたる機能があります。^[15]

植物では、ABCトランスポーターはミトコンドリア、葉緑体、細胞膜などの細胞や細胞小器官の膜内に多く見られます。植物のABCトランスポーターが病原体への反応、植物ホルモンの輸送、解毒に直接的な役割を果たしていることを裏付ける証拠があります。^{[15]さらに、特定の植物ABCトランスポーターは揮発性化合物[16]}や抗菌代謝産物を積極的に輸出する機能を果たす可能性があります。^[17]

ペチュニアの花 ( Petunia hybrida ) では、ABC トランスポーター PhABCG1 が揮発性有機化合物の能動輸送に関与しています。PhABCG1 は開花した花弁で発現します。一般的に、揮発性化合物は種子散布生物や花粉媒介者の誘引を促進するほか、防御、シグナル伝達、アレロパシー、保護にも役立ちます。タンパク質 PhABCG1 を研究するために、PhABCG1発現レベルを低下させたトランスジェニック ペチュニアRNA 干渉系統を作成しました。これらのトランスジェニック系統では、揮発性化合物の放出の減少が観察されました。したがって、PhABCG1 は揮発性化合物の輸出に関与していると考えられます。その後の実験では、異なる基質を含む輸送活性をテストするために、 PhABCG1 を発現するコントロール系統とトランスジェニック系統を培養しました。最終的に、PhABCG1 は、ベンジルアルコールやメチルベンゾエートなどの揮発性有機化合物の細胞膜を介したタンパク質媒介輸送を担っています。^[16]

さらに、植物では、ABC トランスポーターが細胞代謝物の輸送に関与している可能性があります。多面的薬剤耐性 ABC トランスポーターは、ストレス応答に関与し、抗菌代謝物を輸出すると考えられています。このタイプの ABC トランスポーターの 1 つの例は、タンパク質 NtPDR1 です。このユニークな ABC トランスポーターは、Nicotiana tabacum BY2 細胞に見られ、微生物エリシターの存在下で発現します。NtPDR1 は、植物の根の表皮と気毛に局在しています。NtPDR1 を特異的に標的とする抗体を使用した実験とそれに続くウェスタンブロッティングにより、この局在の決定が可能になりました。さらに、タンパク質 NtPDR1 は、高レベルで細胞に有毒な抗菌ジテルペン分子を積極的に輸送している可能性があります。^[17]

共輸送または結合輸送としても知られる二次能動輸送では、エネルギーは膜を越えて分子を輸送するために使用されますが、一次能動輸送とは対照的に、 ATPの直接的な結合はありません。代わりに、細胞内外へのイオンのポンプによって生成される電気化学的電位差に依存しています。 ^[18] 1つのイオンまたは分子が電気化学的勾配に沿って移動することを許可すると、おそらく濃度が高い場所から低い場所への濃度勾配に逆らって移動し、エントロピーが増加し、代謝のエネルギー源として機能することができます（例：ATP合成酵素）。細胞膜を越えたプロトンのポンプから得られるエネルギーは、二次能動輸送のエネルギー源として頻繁に使用されます。ヒトでは、ナトリウム（Na ⁺）は、細胞膜を越えて一般的に共輸送されるイオンであり、その電気化学的勾配は、勾配に逆らう2番目のイオンまたは分子の能動輸送に動力を与えるために使用されます。^[19]細菌および小さな酵母細胞では、一般的に共輸送されるイオンは水素です。^[19]水素ポンプは、細胞のミトコンドリアで起こる細胞呼吸の重要な機能である電子伝達系などの細胞内のプロセスを実行するための電気化学的勾配を作成するためにも使用されます。 ^[20]

1960年8月、プラハでロバート・K・クレインは、腸管でのブドウ糖吸収のメカニズムとして、ナトリウム-ブドウ糖共輸送の発見を初めて発表した。^[21]クレインの共輸送の発見は、生物学におけるフラックスカップリングの最初の提案であった。^{[22] [23]}

共輸送体は、物質が同じ方向に移動するか反対方向に移動するかによって、 共輸送体と反対輸送体に分類できます。

アンチポーターでは、2 種類のイオンまたは他の溶質が膜を横切って反対方向に送り出されます。これらの種類の 1 つは高濃度から低濃度に流れ、これによりエントロピー エネルギーが生成され、もう 1 つの溶質を低濃度領域から高濃度領域に輸送します。

一例として、ナトリウム-カルシウム交換輸送体またはアンチポーターが挙げられます。これにより、細胞内に 3 つのナトリウムイオンが入り、カルシウム 1 つが細胞外に排出されます。^[24]このアンチポーター機構は、細胞質内のカルシウム濃度を低く保つために、心筋細胞の膜内で重要です。^{[9]多くの細胞には}カルシウム ATPaseもあり、これは細胞内のカルシウム濃度が低くても機能し、この重要なセカンドメッセンジャーの正常濃度または休止濃度を設定します。^[25]しかし、ATPase はカルシウムイオンをよりゆっくりと排出します。交換輸送体は 1 秒あたり 2000 イオンを排出しますが、ATPase は 1 秒あたり 30 イオンしか排出しません。交換輸送体は、カルシウム濃度が急激に上昇または「スパイク」したときに機能し、迅速な回復を可能にします。^[26]これは、1 種類のイオンが複数の酵素によって輸送される可能性があることを示しています。これらの酵素は常に (恒常的に) アクティブである必要はなく、特定の断続的なニーズを満たすために存在することができます。

共輸送体は、ある溶質種の高濃度から低濃度への下り坂の動きを利用して、別の分子を低濃度から高濃度へ（濃度勾配に逆らって）上り坂で移動させます。両方の分子は同じ方向に輸送されます。

一例として、グルコース共輸送体SGLT1が挙げられます。これは、細胞内に取り込むナトリウムイオン2個につき、グルコース（またはガラクトース）分子1個を細胞内に共輸送します。 ^[27]この共輸送体は、小腸、^[28]心臓、^[29]脳に存在します。^{[30]また、}腎臓の各ネフロンにある近位尿細管のS3セグメントにも存在します。^{[31]そのメカニズムは}、グルコース再水和療法 に利用されています。 ^[32]このメカニズムは、腸壁を介した糖の吸収を利用して、水分を一緒に引き込みます。^[32] SGLT2の欠陥は、グルコースの効果的な再吸収を妨げ、家族性腎性糖尿を引き起こします。^[33]

エンドサイトーシスとエキソサイトーシスはどちらも、小胞を介して物質を細胞内外に移動するバルク輸送の一種です。^[34]エンドサイトーシスの場合、細胞膜は細胞外で目的の物質を包み込みます。^{[35]摂取された粒子は}細胞質内の小胞と呼ばれる袋の中に閉じ込められます。多くの場合、リソソームの酵素がこの過程で吸収された分子を消化するために使用されます。シグナル媒介電気分解によって細胞内に入る物質には、タンパク質、ホルモン、成長因子、安定化因子などがあります。^[36]ウイルスは、外膜が細胞膜と融合するエンドサイトーシスの一種によって細胞内に入ります。これにより、ウイルス DNA が宿主細胞に押し込まれます。^[37]

生物学者はエンドサイトーシスをピノサイトーシスとファゴサイトーシスという2つの主要なタイプに分類しています。^[38]

• 飲作用では、細胞が液体粒子を飲み込む（ヒトではこのプロセスは小腸で起こり、細胞が脂肪滴を飲み込む）。^[39]
• 貪食作用では、細胞が固体粒子を飲み込む。^[40]

エキソサイトーシスは、細胞外膜と小胞膜の融合による物質の除去を伴う。^[41]エキソサイトーシスの例としては、脳細胞間のシナプスを介した神経伝達物質の伝達が挙げられる。

• ATP結合カセットトランスポーター
• 逆流交換
• タンパク質標的
• 転座

• ウィキメディア・コモンズの能動輸送に関連するメディア
• 二次能動輸送