能動輸送

細胞生物学において、能動輸送とは、分子やイオンが細胞膜を介して低濃度領域から高濃度領域へ、濃度勾配に逆らって移動する現象である。能動輸送では、この移動を実現するために細胞エネルギーが必要となる。能動輸送には、アデノシン三リン酸（ATP）を利用する一次能動輸送と、電気化学的勾配を利用する二次能動輸送の2種類がある。このプロセスは、エネルギーを使わずに分子やイオンが濃度勾配に従って高濃度領域から低濃度領域へ移動する受動輸送とは対照的である。

能動輸送は、栄養素の取り込み、ホルモンの分泌、神経伝達など、さまざまな生理学的プロセスに不可欠です。例えば、ナトリウム-カリウムポンプはATPを利用してナトリウムイオンを細胞外へ、カリウムイオンを細胞内へ輸送し、細胞機能に不可欠な濃度勾配を維持します。能動輸送は高度に選択的かつ厳密に制御されており、異なる分子やイオンに特異的な輸送体が存在します。能動輸送の調節異常は、塩化物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起因する糖尿病など、さまざまな疾患につながる可能性があります。

受動輸送は、勾配に沿って移動する分子の運動エネルギーと自然エントロピーを利用するのに対し、能動輸送は、勾配、極性反発、またはその他の抵抗に逆らって分子を移動させるために細胞エネルギーを利用します。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と関連付けられています。能動輸送の例としては、ヒトの腸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ります。^{[ 1 ]}

1848年、ドイツの生理学者エミール・デュ・ボワ＝レイモンは、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、植物が濃度勾配に逆らって塩を吸収する能力を調査し、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、栄養素の吸収と転流が代謝エネルギーに依存していることを発見した。^{[ 3 ]}

ローゼンバーグ（1948）はエネルギー的考察に基づいて能動輸送の概念を定式化したが、^{[ 4 ]}後に再定義されることになる。

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でノーベル化学賞を受賞した。^{[ 5 ]}

糖尿病治療に関する研究で特に注目されている共輸送体のカテゴリーの 1 つは、ナトリウム-グルコース共輸送体です^{[ 6 ]}。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場所でグルコースの吸収に不一致があることに気づきました。その後、腸管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関連付けられました。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、続いてSGLT2が発見されました^{[ 7 ]} 。ロバート・クレー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は物質を認識し、膜のリン脂質二重層が移動対象物質に対して不透過性であるか、物質が濃度勾配の方向に逆らって移動するため、本来は膜を通過できない物質を膜を横切って移動させます。^{[ 8 ]}能動輸送には、一次能動輸送と二次能動輸送の2種類があります。一次能動輸送では、関与するタンパク質はポンプであり、通常はATPの形で化学エネルギーを利用します。しかし、二次能動輸送では、通常は電気化学勾配を利用して得られる位置エネルギーを利用します。1つのイオンが電気化学勾配に沿って移動することによって生成されたエネルギーは、別​​のイオンが電気化学勾配に逆らって移動する際に動力として使用されます。^{[ 9 ]}これには、細胞膜を横切って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、能動輸送はエネルギーを必要とし、物質をそれぞれの濃度勾配に逆らって移動させるのに対し、受動輸送は細胞エネルギーを必要とせず、物質をそれぞれの濃度勾配の方向に移動させる点です。^{[ 10 ]}

アンチポーターでは、一方の基質が膜を横切って一方向に輸送されると同時に、もう一方の基質が反対方向に共輸送されます。シンポーターでは、2つの基質が膜を横切って同じ方向に輸送されます。アンチポートとシンポートのプロセスは二次能動輸送に関連しており、これは、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、その際に別のイオン（主にNa ⁺、K ⁺、またはH ⁺イオン）が濃度勾配に沿って輸送されることで得られるエネルギーが利用されることを意味します。

基質分子が低濃度領域から高濃度領域へ移動する場合^{[ 11 ]}（つまり、濃度勾配とは逆方向、または濃度勾配に逆らう方向）、特定の膜貫通輸送タンパク質が必要となる。これらのタンパク質は、特定の分子（例えばグルコース）に結合して細胞膜を横切って輸送する受容体を持っている。このプロセスにはエネルギーが必要なため、「能動輸送」として知られている。能動輸送の例としては、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挙げられる。能動輸送は、小腸の内壁でよく行われる。

植物は土壌やその他の供給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中に存在する。能動輸送により^{、これらの細胞は}濃度勾配に逆らってこの希薄な溶液から塩を取り込むことができる。例えば、塩化物イオン（Cl⁻ ^）と硝酸イオン（NO₃⁻ _）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（直接能動輸送とも呼ばれる）は、代謝エネルギーを直接利用して分子を膜を介して輸送します。^{[ 12 ]}一次能動輸送によって細胞膜を介して輸送される物質には、Na ⁺、K ⁺、Mg2 ⁺、Ca2 ⁺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。

この種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主要なATPaseはナトリウム-カリウムポンプであり、細胞電位の維持に役立ちます。ナトリウム-カリウムポンプは、 2つのK ⁺イオンが細胞内に入るごとに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[ 13 ]}。主要な能動輸送のため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主要な能動輸送の例は、NADHの還元エネルギーを使用してプロトンを濃度勾配に逆らってミトコンドリア内膜を横切って移動させるミトコンドリア電子伝達系です。光エネルギーを使用する主要な能動輸送の例は、光合成に関与するタンパク質であり、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の形で還元力も作成します。

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：液胞型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、大きくて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、「ポア」コンポーネントを形成する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、このタンパク質ファミリー内には幅広い機能があります。^{[ 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、形質膜などの細胞膜や細胞小器官膜によく見られます。植物のABCトランスポーターが病原体応答、植物ホルモン輸送、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 ]や抗菌代謝物[ 17 ]}を能動的に排出する機能を持つ可能性があります。

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る。PhABCG1は開花した花弁に発現している。一般的に、揮発性化合物は種子散布生物や送粉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、保護にも役立つ可能性がある。PhABCG1タンパク質を研究するために、PhABCG1の発現レベルが低下した形質転換ペチュニアRNA干渉系統が作製された。これらの形質転換系統では、揮発性化合物の放出量の減少が観察された。したがって、PhABCG1は揮発性化合物の排出に関与していると考えられる。その後の実験では、コントロール系統とPhABCG1を発現する形質転換系統を培養し、異なる基質を含む輸送活性を調べた。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に関与していることが明らかになった。^{[ 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る。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、抗菌代謝物を排出すると考えられている。この種のABCトランスポーターの一例として、タンパク質NtPDR1がある。この特異なABCトランスポーターはNicotiana tabacum BY2細胞に存在し、微生物エリシターの存在下で発現する。NtPDR1は、植物の根の表皮と気生毛に局在する。NtPDR1を特異的に標的とする抗体を用いた実験とそれに続くウェスタンブロッティングにより、この局在が決定された。さらに、タンパク質NtPDR1は、高濃度では細胞に毒性を示す抗菌性ジテルペン分子を能動的に輸送していると考えられる。^{[ 17 ]}

二次能動輸送（共輸送または結合輸送とも呼ばれる）では、エネルギーが分子を膜を介して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、イオンを細胞に出入りさせることによって生じる電気化学的電位差に依存します。 ^{[ 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可能にしますが、濃度勾配に逆らって、濃度が高い場所から濃度が低い場所へ移動する可能性があり、エントロピーが増加し、代謝のエネルギー源として機能します（たとえば、ATP シンターゼの場合）。細胞膜を横切ってプロトンをポンプすることで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よく使用されます。ヒトでは、ナトリウム（Na ⁺）が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が、2 番目のイオンまたは分子の勾配に逆らった能動輸送の動力として使用されます。^{[ 19 ]}細菌や小型酵母細胞では、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、細胞内の電子伝達系など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。電子伝達系は、細胞のミトコンドリアで行われる細胞呼吸の重要な機能です。 ^{[ 20 ]}

1960年8月、プラハでロバート・K・クレーンは、腸管グルコース吸収のメカニズムとしてナトリウム-グルコース共輸送を発見したことを初めて発表した。^{[ 21 ]}クレー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応じて、共輸送体と反輸送体に分類される。

アンチポーター

アンチポーターでは、2種類のイオンまたはその他の溶質が膜を介して互いに逆方向に輸送されます。これらのうち1種類は高濃度から低濃度へと流れ、その際に生じるエントロピーエネルギーによって、もう1種類の溶質が低濃度領域から高濃度領域へと輸送されます。

一例として、ナトリウム-カルシウム交換体またはアンチポーターがあり、これは3つのナトリウムイオンを細胞内に取り込み、1つのカルシウムを細胞外に輸送します。^{[ 24 ]}このアンチポーター機構は、心筋細胞の膜内で細胞質内のカルシウム濃度を低く保つために重要です。^{[ 9 ]}多くの細胞はカルシウムATPaseも持っており、これは細胞内カルシウム濃度が低い場合でも機能し、この重要なセカンドメッセンジャーの正常または静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。交換体による毎秒2000個に対し、毎秒わずか30個です。交換体は、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り、それらの酵素は常に（構成的に）活性である必要はなく、特定の断続的なニーズを満たすために存在する可能性があることを示しています。

エンドサイトーシスとエキソサイトーシスはどちらも能動輸送の一種で、それぞれ小胞を介して物質を細胞内外に移動させます。 [ ^{34 ]エンド}サイトーシスの場合、細胞膜は細胞外の目的の物質を包み込みます。^{[ 35 ]}取り込まれた粒子は、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、このプロセスで吸収された分子を消化するために使用されます。シグナルを介した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を介して細胞内に入り込みます。これにより、ウイルスのDNAが宿主細胞内に押し込まれます。^{[ 37 ]}

生物学者はエンドサイトーシスを主に2種類に分類している。ピノサイトーシスとファゴサイトーシスである。^{[ 38 ]}

• ピノサイトーシスでは、細胞が液体粒子を取り込みます（ヒトではこのプロセスは小腸で起こり、細胞が脂肪滴を取り込みます）。^{[ 39 ]}
• 食作用では、細胞が固体粒子を取り込む。^{[ 40 ]}

エキソサイトーシスは、細胞外膜と小胞膜の融合によって物質が除去される過程である。^{[ 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
• 向流交換
• タンパク質ターゲティング

• ウィキメディア・コモンズにあるアクティブ・トランスポート関連のメディア
• 二次能動輸送