細胞内pH

細胞内 pH ( pH _i ) は、細胞内液の酸性度または塩基性度( つまりpH )の尺度です。 pH _{i は、膜輸送やその他の細胞内プロセスにおいて重要な役割を果たします。 pH i}が不適切な環境では、生物細胞の機能が損なわれる可能性があります。^{[1] [2]}そのため、適切な細胞機能、制御された細胞増殖、および正常な細胞プロセスを確保するために、 pH _{iは厳密に制御されています。} ^{[3] pH} _{i を}制御するメカニズムは、通常、細胞膜トランスポーターであると考えられており、その 2 つの主なタイプ (重炭酸イオン( HCO⁻
₃生理的に正常な細胞内pHは7.0～7.4の間であることが多いが、組織間でばらつきがある（例えば、哺乳類の骨格筋のpH _iは6.8～7.1である傾向がある）。^{[4] [5]また、異なる}細胞小器官間でもpHのばらつきがあり、4.5～8.0の範囲に及ぶことがある。^{[6] [7]} pH _iはさまざまな方法で測定できる。^{[3] [8]}

_{細胞内pHは、 HCO3−}^の濃度が低いため、通常、細胞外pHよりも低くなります。^[9]細胞外（例えば、血清）の二酸化炭素分圧（pCO2）が45mmHgを超えると _炭酸が形成され、それが解離してpH _iが低下します。^[10]

H ₂ O + CO ₂ ⇌ H ₂ CO ₃ ⇌ H ⁺ + HCO ₃ ^–

生物細胞には緩衝液として働く液体が含まれているため、pH _{i は}一定の範囲内でかなり良好に維持されます。^[11]細胞は酸性度や塩基性度が上昇すると、それに応じて pH _{i を}調整しますが、通常は細胞膜に存在するCO ₂または HCO ₃ ^–センサーの助けを借ります。 ^{[3]これらのセンサーは H+ が細胞膜を通過することを許可し、この点で pH} _{i が}細胞外 pH と相関関係にあることを可能にします。^[12]

主な細胞内緩衝システムには、タンパク質やリン酸が関与するシステムがある。タンパク質は酸性領域と塩基性領域を持っているため、比較的安定した細胞内pHを維持するために、プロトン供与体としても受容体としても機能することができる。リン酸緩衝液の場合、かなりの量の弱酸と共役弱塩基（H ₂ PO ₄ ^–とHPO ₄ ^2–）が、細胞内pHを維持するために、それに応じてプロトンを受容または供与することができる：^{[13] [14]}

OH ^– + H ₂ PO ₄ ^– ⇌ H ₂ O + HPO ₄ ^2–

H ⁺ + HPO ₄ ^{2 –} ⇌ H ₂ PO ₄ ^–

特定の細胞小器官内の pH は、その特定の機能に合わせて調整されます。

例えば、リソソームのpHは4.5と比較的低い。^[6]さらに、蛍光顕微鏡技術により、ファゴソームの内部pHも比較的低いことが示されています。^[15]これらはどちらも他の物質を包み込んで分解する分解器官であるため、意図した機能を正常に実行するには高い内部酸性度が必要です。^[15]

リソソームとファゴソーム内部のpHが比較的低いのとは対照的に、ミトコンドリアマトリックスの内部pHは約8.0で、膜間腔内部のpHより約0.9pH高い。^{[6] [16]}酸化的リン酸化はミトコンドリア内部で起こる必要があるため、このpHの不一致は膜を横切る勾配を作るために必要である。この膜電位は最終的にミトコンドリアが大量のATPを生成することを可能にする。^[17]

_{細胞内pH（pH i}）を測定する一般的な方法はいくつかあり、微小電極、pHに敏感な染料、核磁気共鳴技術などがある。 ^{[18] [19]}細胞小器官内のpHを測定するには、pH感受性緑色蛍光タンパク質（GFP）を利用する技術が使用されることがある。^[20]

全体的に、3つの方法にはそれぞれ長所と短所があります。染料を使用する方法はおそらく最も簡単でかなり正確ですが、NMRは比較的正確性が低いという課題があります。^[18]さらに、細胞が小さすぎる場合や細胞膜の完全性を損なわないようにする必要がある場合、微小電極の使用は困難になる可能性があります。^[19] GFPは、さまざまな細胞小器官内のpHを非侵襲的に測定できるという点でユニークですが、この方法はpHを定量的に最も正確に測定する方法ではありません。^[21]

_{pH i}を測定するための微小電極法は、細胞の細胞膜に非常に小さな穴を開け、非常に小さな電極を細胞の細胞質に配置することです。^[19]微小電極の内部には電極の外側に比べて H+ 濃度の高い液体があるため、電極の内側と外側の pH の差によって電位が生じます。^{[18] [19]}この電圧差と電極内の液体の所定の pH から、対象の細胞の細胞内 pH (pH _{i ) を決定できます。} ^[19]

_{細胞内 pH (pH i} )を測定する別の方法は、pH に敏感で、さまざまな pH 値で異なる蛍光を発する染料を使用することです。^{[15] [22]}この技術は蛍光分光法を利用し、この特殊な染料を細胞の細胞質に添加します。^{[18] [19]}細胞内の染料を光のエネルギーで励起し、光子が本来のエネルギー状態に戻るときに放出される光の波長を測定することで、存在する染料の種類を特定し、それを特定の細胞の細胞内 pH に関連付けることができます。^{[18] [19]}

_{pH i を}測定するために pH 感受性電極と色素を使用するほかに、核磁気共鳴 (NMR) 分光法を使用して pH _{i を}定量化することもできます。^[19] NMR は、一般的に、細胞を強力な磁場のある環境に置くことで細胞内部の情報を明らかにします。^{[18] [19]}特定の細胞内のリン酸化合物のプロトン化形態と脱プロトン化形態の濃度の比に基づいて、細胞の内部 pH を決定できます。^[18]さらに、NMR を使用して細胞内ナトリウムの存在を明らかにすることもできます。これにより、pH _iに関する情報も得られます。^[23]

NMR分光法を用いると、リンパ球は7.17±0.06の一定の内部pHを維持するが、他のすべての細胞と同様に、細胞内pHは細胞外pHと同じ方向に変化することが判明した。^[24]

細胞小器官内の pH を決定するために、非侵襲的で効果的な技術の一部として、pH 感受性 GFP がよく使用されます。^[20] cDNA を適切なプライマーとともにテンプレートとして使用することで、GFP 遺伝子を細胞質で発現させることができ、生成されたタンパク質は、ミトコンドリア、ゴルジ体、細胞質、小胞体などの細胞内の特定の領域をターゲットにすることができます。^[21]細胞内環境の pH に非常に敏感な特定の GFP 変異体をこれらの実験で使用すると、結果として生じる蛍光の相対量から、周囲のおおよその pH を明らかにすることができます。^{[21] [25]}