膜輸送タンパク質

膜輸送タンパク質は、イオン、小分子、および別のタンパク質などの高分子の生体膜を介した移動に関与する膜タンパク質です。輸送タンパク質は不可欠な膜貫通タンパク質です。つまり、物質を輸送する膜内に恒久的に存在し、膜を貫通します。タンパク質は、促進拡散、能動輸送、浸透、または逆拡散によって物質の移動を補助します。このような輸送に関与する2つの主要なタイプのタンパク質は、チャネルまたはキャリア（別名トランスポーターまたはパーミアーゼ）に大まかに分類されます。チャネル/キャリアタンパク質の例には、GLUT1ユニポーター、ナトリウムチャネル、およびカリウムチャネルがあります。溶質キャリアと非定型SLC ^[1]は、ヒトの二次的な能動または促進トランスポーターです。^{[2] [3]}膜トランスポーターとチャネルはまとめてトランスポーテーションームと呼ばれます。^[4] トランスポートムはイオンや栄養素だけでなく薬物の細胞内流入と流出も制御します。

キャリアは細胞外環境と細胞内環境の両方に同時に開いているわけではありません。内側のゲートが開いているか、外側のゲートが開いているかのどちらかです。対照的に、チャネルは両方の環境に同時に開いている場合があり、分子が中断されることなく拡散することができます。キャリアには結合部位がありますが、細孔とチャネルにはありません。^{[5] [6] [7]}チャネルが開いている場合、数百万のイオンが毎秒膜を通過できますが、通常、同時にキャリア分子を通過する分子は100〜1000個だけです。^[8]各キャリアタンパク質は、1つの物質または非常に類似した物質の1つのグループのみを認識するように設計されています。研究では、特定のキャリアタンパク質の欠陥と特定の疾患との相関関係が示されています。^[9]

能動輸送とは、膜を横切って濃度勾配に逆らって物質を移動させることである。これは通常、グルコースやアミノ酸など、細胞が必要とする分子を高濃度に蓄積するためである。プロセスがアデノシン三リン酸（ATP）などの化学エネルギーを使用する場合、それは一次能動輸送と呼ばれる。ATPの加水分解によって直接駆動される膜輸送タンパク質は、ATPaseポンプと呼ばれる。^[10]これらのタイプのポンプは、ATPの発エルゴン加水分解を、濃度勾配に逆らって分子を不利な方向に移動させることに直接作用する。ATPaseポンプの例には、P型ATPase、V型ATPase、F型ATPase、およびABC結合カセットが含まれる。^[要出典]

二次能動輸送では電気化学的勾配が利用され、細胞内で生成されたエネルギーは利用されない。^[11]二次能動輸送では、一般的に共輸送体と反対輸送体といった種類のキャリアタンパク質が利用される。共輸送体タンパク質は、ある分子の濃度勾配下への輸送と別の分子の濃度勾配に逆らう輸送を結合し、両方の分子は同じ方向に拡散する。反対輸送体タンパク質は、ある分子を濃度勾配下へ輸送し、別の分子を濃度勾配に逆らって輸送するが、分子は反対方向に拡散する。共輸送体と反対輸送体は2つの分子の輸送の結合に関与するため、一般に共輸送体と呼ばれる。膜を通して物質を受動的にのみ輸送するチャネルタンパク質とは異なり、キャリアタンパク質は促進拡散によって受動的に、または二次能動輸送によってイオンや分子を輸送することができる。^[12]低濃度領域から高濃度領域に粒子を移動させるには、キャリアタンパク質が必要である。輸送される分子またはイオン（基質）は、まず特定の結合親和性を持つキャリア分子の結合部位に結合する必要があります。結合後、結合部位が同じ方向を向いている間に、キャリアは分子構造内に基質を捕捉または閉塞（取り込み保持）し、タンパク質の開口部が細胞膜の反対側を向くように内部転座を引き起こします。^[13]キャリアタンパク質基質は、その結合親和性に応じてその部位で放出されます。^[要出典]

促進拡散とは、特定の輸送タンパク質を介して分子またはイオンが生体膜を通過することであり、エネルギー入力を必要としません。促進拡散は、特に大きな極性分子や荷電イオンの場合に使用されます。そのようなイオンは、水に溶解すると、二重層を構成するリン脂質の脂肪酸末端の疎水性のため、細胞膜を自由に拡散できません。促進拡散で使用されるキャリアタンパク質の種類は、能動輸送で使用されるものとは少し異なります。これらは膜貫通キャリアタンパク質ですが、ゲート膜貫通チャネルであるため、内部で転座せず、機能するためにATPを必要としません。基質はゲートキャリアの片側で取り込まれ、ATPを使用せずに基質が細胞内に放出されます。促進拡散は、単純拡散と同様に、分子またはイオンを濃度勾配に沿って輸送するため、ATPの使用を必要としません。^[14]

浸透とは、細胞膜を介して水が高濃度の領域から低濃度の領域に受動的に拡散することです。浸透は促進拡散や単純拡散と同様に受動的なプロセスであるため、ATPを使用する必要はありません。浸透は細胞内の水と塩分のバランスを調節する上で重要であり、したがって恒常性の維持に重要な役割を果たします。^[15] アクアポリンは、水とグリセロールが膜をすばやく通過できるようにする膜貫通タンパク質です。アクアポリンモノマーは6つの膜貫通αヘリックスドメインで構成され、これらのモノマーが集まってアクアポリンタンパク質を形成できます。これらのモノマーが4つ集まってアクアポリンタンパク質を形成するため、ホモテトラマーと呼ばれ、4つの同一のサブユニットで構成されています。^{[16] [17]}すべてのアクアポリンはテトラマー膜貫通タンパク質であり、水は4つのチャネルすべての間ではなく、個々のモノマーチャネルを通過します。アクアポリンは水の拡散のための膜貫通チャネルであるため、アクアポリンを構成するチャネルは通常、水が通過できるように親水性の側鎖で覆われています。

逆輸送、またはトランスポーター逆転は、膜輸送タンパク質の基質がトランスポーターによる通常の移動とは逆方向に移動する現象である。^{[18] [19] [20] [21] [22]}トランスポーター逆転は、通常、膜輸送タンパク質が特定のタンパク質キナーゼ（タンパク質にリン酸基を付加する酵素）によってリン酸化されるときに起こる。^{[18] [19]}

(トランスポーター分類データベースのカテゴリ別にグループ化)

• 電位依存性イオンチャネル（VIC）、リガンド依存性イオンチャネル（LGIC）などのαヘリカルタンパク質チャネル
• アクアポリンなどのβバレルポリン
• コリシン、ジフテリア毒素などのチャネル形成毒素
• グラミシジンなどの非リボソーム合成チャネル
• ホリンは、細胞溶解の初期段階で細菌細胞壁を消化する酵素の輸出に機能します。

促進拡散は、チャネル/細孔とキャリア/ポーターを介して細胞膜の内外で発生します。

注記：

• チャンネル:

チャネルは開いた状態か閉じた状態のいずれかです。チャネルがわずかな構造変化で開くと、細胞外と細胞内の両方の環境に同時に開かれます。

• 

  毛穴:

孔は構造変化を起こさないため、両方の環境に対して継続的に開いており、常に開いて活動しています。

キャリアタンパク質または二次キャリアとも呼ばれます。

• 2.A: ポーター（ユニポーター、シンポーター、アンチポーター）、SLC。^[3]

  • 

    興奮性アミノ酸トランスポーター（EAAT）
    • EAAT1
    • EAAT2
    • EAAT3
    • EAAT4
    • EAAT5
  • グルコーストランスポーター
  • モノアミントランスポーターには以下が含まれます:
    • ドーパミントランスポーター（DAT）
    • ノルエピネフリントランスポーター（NET）
    • セロトニントランスポーター（SERT）
    • 小胞モノアミントランスポーター（VMAT）
  • アデニンヌクレオチドトランスロケーター（ANT）
• 2.B: 非リボソーム合成ポーター、例:
  • ニゲリシンファミリー
  • イオノマイシンファミリー​
• 2.C: イオン勾配駆動型エナジャイザー

• 3.A: PP結合加水分解駆動型トランスポーター（別名ATP駆動型ポンプ、または輸送ATPase）：
  • ATP結合カセットトランスポーター（ABCトランスポーター）、例えばMDR、CFTR
  • V 型 ATPase  ; (「V」は液胞に関連)。
  • P 型 ATPase  (「P」はリン酸化に関連)、例:
    • Na ⁺ /K ⁺ -ATPase
    • 細胞膜Ca ²⁺ ATPase
    • プロトンポンプ
  • F 型 ATPase ; (「F」は因子に関連)、ミトコンドリアATP 合成酵素、葉緑体 ATP 合成酵素 1を含む

    

• 3.B: 脱炭酸駆動型トランスポーター
• 3.C: メチル基転移駆動トランスポーター
• 3.D: 酸化還元駆動トランスポーター
• 3.E:ロドプシンなどの光吸収駆動型トランスポーター

グループトランスロケータは、細菌に輸送される糖のリン酸化のための特別なメカニズムを提供します（PEPグループトランスロケーション）。

膜内の膜貫通電子伝達キャリアには、ジスルフィド結合酸化還元酵素（大腸菌の DsbB および DsbD）などの 2 電子キャリアと、NADPH 酸化酵素などの 1 電子キャリアが含まれます。多くの場合、これらの酸化還元タンパク質は輸送タンパク質とは見なされません。

すべてのキャリアタンパク質、特に同じ細胞膜内のものは、1つのタイプまたは分子ファミリーに特有です。GLUT1は、ほぼすべての動物細胞膜に見られるキャリアタンパク質で、二重層を越えてグルコースを輸送します。このタンパク質はユニポーターであり、グルコースをその濃度に沿って単一方向に輸送します。親水性の内部を持つ膜貫通タンパク質キャリアであり、グルコースと結合することができます。GLUT1はキャリアタンパク質の一種であるため、構造変化を起こしてグルコースが細胞膜の反対側に入ることを可能にします。^[23] GLUT1は哺乳類の赤血球膜によく見られます。^[24]

人体内のチャネルの例は数多くありますが、注目すべき 2 つはナトリウムチャネルとカリウムチャネルです。カリウムチャネルは通常、細胞膜を介して細胞外へのカリウムイオンの輸送に関与しており、細胞の負の膜電位を維持するのに役立ちます。カリウムチャネルはナトリウムチャネルよりも多いため、細胞から流出するカリウムは細胞に入るナトリウムよりも多く、これが膜電位が負になる理由です。ナトリウムチャネルは通常、細胞膜を介して細胞内へのナトリウムイオンの輸送に関与しています。これらのチャネルは、ナトリウムの流入が脱分極を引き起こし、次に活動電位を伝播することから、一般的に興奮性ニューロンに関連付けられています。^[25]これらのタンパク質はチャネルタンパク質の一種であるため、それぞれの基質に結合した後、構造変化を起こしません。

他の特定のキャリアタンパク質も、体の機能に重要な役割を果たしています。シトクロムは電子伝達系において電子のキャリアタンパク質として機能します。^[11]

多くの遺伝性疾患は、特定の物質または細胞群のキャリアタンパク質の欠陥に関係しています。システイン尿症（尿と膀胱のシステイン）は、腎臓細胞膜のシステインキャリアタンパク質の欠陥に関係する疾患です。この輸送システムは通常、尿になる予定の液体からシステインを除去し、この必須アミノ酸を血液に戻します。このキャリアが機能不全になると、大量のシステインが尿中に残り、比較的不溶性で沈殿する傾向があります。これが尿路結石の原因の 1 つです。^[26]一部のビタミンキャリアタンパク質は、悪性疾患の患者で過剰発現していることが示されています。たとえば、乳がん患者ではリボフラビンキャリアタンパク質（RCP）のレベルが著しく上昇していることが示されています。^[27]

• 共同輸送
• 共輸送体
• C14orf102、3810bpのタンパク質をコードする遺伝子
• イオンチャネル
• ペルミアーゼ
• Pループ
• 溶質キャリアファミリー（分類）
• TC番号（分類）
• トランスロカーゼ
• フリップパス
• 小胞輸送タンパク質
• エンドサイトーシス

Anderle, P., Barbacioru,C., Bussey, K., Dai, Z., Huang, Y., Papp, A., Reinhold, W., Sadee, W., Shankavaram, U., & Weinstein, J. (2004). 膜トランスポーターとチャネル: がんの化学感受性と化学抵抗性におけるトランスポーターの役割。Cancer Research, 54, 4294-4301.

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• ドーランド医学辞典の「輸送タンパク質」