Loading article…
生物学において、イオン輸送体は、細胞間コミュニケーション、恒常性の維持、エネルギー産生など、さまざまな生物学的機能を果たすために、イオン（またはその他の小分子）を生体膜を介して移動させる膜貫通タンパク質です。 [ 1 ]輸送体には、ポンプ、ユニポーター、アンチポーター、シンポーターなど、さまざまな種類があります。能動輸送体またはイオンポンプは、アデノシン三リン酸（ATP）、太陽光、その他の酸化還元反応など、さまざまな供給源からのエネルギーを、イオンを濃度勾配に沿ってポンプすることで位置エネルギーに変換する輸送体です。[ 2 ]この位置エネルギーは、イオンキャリアやイオンチャネルなどの二次輸送体によって、 ATP合成などの重要な細胞プロセスを駆動するために使用できます。[ 3 ]
この記事では主にポンプとして機能するイオン輸送体について解説していますが、輸送体は促進拡散によって分子を移動させる機能も果たします。促進拡散はATPを必要とせず、膜を素早く拡散できない分子（受動拡散）が、これらのタンパク質輸送体を通して濃度勾配に沿って拡散することを可能にします。[ 4 ]
イオン輸送体は細胞の正常な機能に不可欠であり、そのため細胞によって厳密に制御され、研究者によって様々な方法で研究されている。細胞制御と研究方法の例をいくつか紹介する。
イオン輸送体は、12 の輸送体ファミリーを含む輸送体のスーパーファミリーとして分類されます。 [ 5 ]これらのファミリーは、国際生化学・分子生物学連合(IUBMB)が使用する輸送分類 (TC) システムの一部であり、輸送される基質、輸送メカニズム、使用されるエネルギー源などの特性、および各タンパク質を構成する DNA 配列の比較によってグループ化されます。最も重要な統一要因は、基質の電荷の性質であり、これは中性種ではなくイオンの輸送を示します。[ 5 ] イオン輸送体はイオンチャネルとは大きく異なります。チャネルは膜を貫通する孔ですが、輸送体は、膜のどちら側に開いているかを切り替えるために形状を変える必要があるタンパク質です。このため、輸送体はチャネルよりも分子の移動がはるかに遅くなります。
電気化学勾配または濃度勾配とは、2つの異なる領域における化学分子またはイオンの濃度の差のことです。[ 6 ]平衡状態では、両領域のイオン濃度は等しくなります。そのため、濃度に差がある場合、イオンは濃度勾配に沿って、つまり高濃度から低濃度へと流れようとします。イオンチャネルは、チャネルに適合する特定のイオンが濃度勾配に沿って流れ、細胞膜の両側の濃度を均一化することを可能にします。イオンチャネルとイオントランスポーターは、受動輸送の一種である促進拡散によってこれを実現します。ただし、イオントランスポーターのみが、濃度勾配に逆らってイオンを移動させる能動輸送も実行できます。[ 7 ]イオントランスポーターは、ATPなどのエネルギー源を使用して、濃度勾配に逆らってイオンを移動させることができ、これは二次トランスポーターや他のタンパク質のエネルギー源として使用できます。[ 6 ]
一次輸送体はエネルギーを利用してNa +、K +、Ca2 +などのイオンを細胞膜を介して輸送し、濃度勾配を作り出すことができる。[ 6 ]この輸送はATPをエネルギー源として利用することも、植物の電子伝達系などの方法でATPを生成するために利用することもできる。[ 7 ] [ 6 ]
能動輸送体は、ATP を利用して ATP のエネルギーを濃度勾配の形で位置エネルギーに変換します。ATP を利用して、イオンを低濃度から高濃度へ輸送します。ATP を利用するタンパク質の例としては、リン酸化によってNa +、 K +、および Ca 2+イオンを輸送するP 型 ATPase、陰イオンを輸送する A 型 ATPase、および幅広い分子を輸送するABC 輸送体(ATP 結合カセット輸送体) があります。 [ 6 ] P 型 ATPase の例としては、ヤヌスキナーゼ-2 [ 10 ]によって調節されるNa + /K + -ATPase [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]や、 ADP および ATP 濃度に感受性を示すCa 2+ ATPase [ 3 ]などがあります。P糖タンパク質は、人体における ABC 輸送結合タンパク質の例です。
ATP 産生トランスポーターは、ATP 利用トランスポーターとは逆方向に動きます。これらのタンパク質は、濃度勾配に従ってイオンを高濃度から低濃度に輸送しますが、その過程で ATP が生成されます。濃度勾配の形でのポテンシャルエネルギーが ATP の生成に使用されます。[ 6 ]動物では、この ATP 合成は、ATP シンターゼとしても知られるF 型 ATPaseを使用してミトコンドリアで行われます。このプロセスは、酸化的リン酸化と呼ばれるプロセスで電子伝達系を利用します。[ 11 ] [ 2 ] V 型 ATPase はF 型 ATPase とは逆の機能を果たし、植物では ATP を加水分解してプロトン勾配を作成するために使用されます。その例としては、葉緑体での光合成の過程で小胞や植物液胞を酸性化するためにV 型 ATPaseを使用するリソソームがあります。 [ 7 ]このプロセスは、pH などのさまざまな方法で制御できます。[ 12 ]
二次輸送体も濃度勾配に逆らってイオン（または小分子）を低濃度から高濃度へと輸送しますが、ATPを使用して濃度勾配を作成する一次輸送体とは異なり、二次輸送体は一次輸送体によって作成された濃度勾配からの位置エネルギーを使用してイオンを輸送します。[ 6 ] 例えば、小腸と腎臓にあるナトリウム依存性グルコース輸送体は、ナトリウムカリウムポンプ（前述のとおり）によって細胞内に作成されたナトリウム勾配を使用して、グルコースを細胞内に運ぶのを助けます。 [ 13 ]これは、ナトリウムが濃度勾配に沿って流れるときに起こり、グルコースを濃度勾配に逆らって細胞内に押し戻すのに十分なエネルギーを提供します。これは、小腸と腎臓でグルコースが失われるのを防ぐために重要です。ナトリウム-グルコース共輸送体などの共輸送体は、濃度勾配を使用してイオンを輸送し、同じ方向に2番目の分子の輸送を共役させます。アンチポーターも、1つの分子の濃度勾配を使用して別の分子を濃度勾配に沿って移動させますが、共役された分子は逆方向に輸送されます。[ 6 ]
イオン輸送体は、リン酸化、アロステリック阻害または活性化、イオン濃度への感受性など、さまざまな方法で調節される。タンパク質キナーゼを使用してリン酸基を付加したり、ホスファターゼを使用してタンパク質を脱リン酸化したりすることで、輸送体の活性を変化させることができる。[ 14 ]リン酸基の付加によってタンパク質が活性化されるか阻害されるかは、特定のタンパク質によって異なる。アロステリック阻害では、調節リガンドが調節部位に結合して、輸送体を阻害または活性化することができる。イオン輸送体は、溶液中のイオン濃度（必ずしも輸送するイオンとは限らない）によっても調節される。たとえば、電子伝達系は、溶液中のH +イオン（pH）の存在によって調節される。[ 6 ]
パッチクランプは、細胞内のチャネルやトランスポーターを、それらを流れる電流を追跡することによって研究するために使用される電気生理学的手法です。この手法は、チャネルやトランスポーターの存在が知られる前に、ホジキンとハクスリーによって完成されました。[ 11 ] [ 15 ]パッチクランプの初期の画期的な研究に加えて、その遺産は今も続いており、イオントランスポーターや、環境やリガンドがトランスポーターの機能にどのように影響するかを研究するために、現在でも研究者によって一般的に使用されています。[ 1 ] [ 16 ]
X線結晶構造解析は、タンパク質の構造を可視化できる素晴らしいツールですが、タンパク質の立体構造のスナップショットにすぎません。輸送タンパク質の構造は、輸送体がどのように、そして何をして分子を膜を越えて移動させるのかを研究者がさらに理解するのに役立ちます。[ 17 ] [ 18 ]
光退色後蛍光回復法（FRAP）は、膜内における脂質やタンパク質の拡散を追跡するために用いられる手法です。この手法は、細胞内における輸送体の移動性、および細胞膜内の脂質ドメインや脂質ラフトとの相互作用をより深く理解するために利用されます。
フェルスター共鳴エネルギー移動（FRET）は、蛍光を利用して2つのタンパク質が互いにどれだけ近いかを追跡する技術です。これは、輸送体が他の細胞タンパク質とどのように相互作用するかを調べるために使用されています。[ 1 ]