イオントランスポーター

生物学において、イオントランスポーターは膜貫通タンパク質であり、イオン（または他の小分子）を生体膜を越えて移動させ、細胞間コミュニケーション、恒常性の維持、エネルギー生産など、さまざまな生物学的機能を実現します。 ^[1]トランスポーターには、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。能動トランスポーターまたはイオンポンプは、アデノシン三リン酸（ATP）、日光、その他の酸化還元反応など、さまざまなソース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トランスポーターです。^[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トランスポーターによって使用され、ATP合成などの重要な細胞プロセスを駆動します。^[3]

この記事は主にポンプとして機能するイオントランスポーターに焦点を当てていますが、トランスポーターは促進拡散を通じ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トランスポーターを介して濃度勾配に沿って拡散することを可能にします。^[4]

イオントランスポーターは適切な細胞機能に不可欠であるため、細胞によって高度に制御されており、さまざまな方法を使用して研究者によって研究されています。細胞の制御と研究方法の例をいくつか示します。

分類と曖昧さ回避

イオントランスポーターは、12のトランスポーターファミリーを含むトランスポーターのスーパーファミリーに分類されます。 ^{[5]これらのファミリーは、}国際生化学および分子生物学連合（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に従ってグループ化され、また、各タンパク質を構成するDNA配列の比較によってもグループ化されます。最も重要な統一要因は、中性種ではなくイオンの輸送を示す基質の荷電特性です。^{[5]イオントランスポーターは}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細孔ですが、トランスポート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、トランスポーター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は、2 つの別々の領域における化学分子またはイオンの濃度の差です。^[6]平衡状態では、両方の領域のイオンの濃度は等しくなります。そのため、濃度差がある場合、イオンは濃度勾配を「下って」、つまり高濃度から低濃度に流れようとします。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を下って流れることを可能にし、細胞膜の両側の濃度を均等にします。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だけが能動輸送も実行でき、イオンを濃度勾配に逆らって移動させます。^[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、イオンを濃度勾配に逆らって移動させることができます。これは、二次トランスポーターまたは他のタンパク質によってエネルギー源として使用されます。^[6]

エネルギー源

一次輸送体

^{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越えて輸送し、濃度勾配を作り出すことができます。^[6]この輸送体はATPをエネルギー源として使用したり、植物の電子伝達系などの方法を通じてATPを生成するために使用したりできます。^[7]^[6]

能動輸送体

能動輸送体はATPを使用して、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を使用して、イオンを低濃度から高濃度に輸送します。ATPを使用するタンパク質の例には、リン酸化によってNa ⁺、K ⁺、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、および幅広い分子セットを輸送するABCトランスポーター（ATP結合カセットトランスポーター）があります。 ^[6] P型ATPaseの例には、 Janus Kinase-2 ^{[10]によって制御される}Na ⁺ /K ⁺ -ATPase ^[7]^[8]^[9]や、ADPおよびATP濃度に感受性を示すCa ²⁺ ATPaseがあります^[3]P糖タンパク質は、人体の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

ATP 生成トランスポーターは、ATP 利用トランスポーターの逆方向に動作します。これらのタンパク質は、勾配に従って高濃度から低濃度にイオンを輸送しますが、その過程で ATP が生成されます。濃度勾配の形での潜在的エネルギーが ATP の生成に使用されます。^{[6]動物では、この ATP 合成は、}ATP 合成酵素としても知られる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。この例としては、葉緑体での光合成の過程でV 型 ATPase を使用して小胞または植物液胞を酸性化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

二次輸送体もイオン（または小分子）を濃度勾配に逆らって輸送します（低濃度から高濃度へ）。しかし、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が作り出す濃度勾配から生じるポテンシャルエネルギーを使用してイオンを輸送します。^[6] たとえば、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り出されるナトリウム勾配を使用して、グルコースを細胞内に運びます。 ^[13]これは、ナトリウムが濃度勾配を下って流れるときに起こります。ナトリウムは、グルコースを濃度勾配の上昇で細胞に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、イオンを濃度勾配で輸送し、同じ方向に 2 番目の分子の輸送を結合します。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の上昇に移動しますが、結合された分子は反対方向に輸送されます。^[6]

規制

イオントランスポーターは、リン酸化、アロステリック阻害または活性化、イオン濃度に対する感受性など、さまざまな方法で制御できます。タンパク質キナーゼを使用してリン酸基を追加したり、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と、トランスポーターの活性を変えることができます。^[14]リン酸基の追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ります。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、トランスポーターを阻害または活性化することができます。イオントランスポーターは、溶液中のイオンの濃度（必ずしも輸送するイオンとは限りません）によっても制御できます。たとえば、電子伝達系は、溶液中の H ⁺イオン（pH）の存在によって制御されます。^[6]