膜輸送

細胞生物学において、膜輸送とは、イオンや小分子などの溶質が、タンパク質が埋め込まれた脂質二重層である生体膜を通過するのを制御する一連のメカニズムを指します。膜通過の制御は、選択的膜透過性、つまり化学的性質の異なる物質を分離できる生体膜の特性によるものです。言い換えれば、特定の物質は透過できても、他の物質は透過できないということになります。^[1]

膜を通過するほとんどの溶質の移動は、特定の分子の輸送にさまざまな程度で特化した膜輸送タンパク質によって媒介されます。個々の細胞の多様性と生理機能は、さまざまな外部要素を引き付ける能力に大きく関連しているため、各細胞タイプと特定の生理学的段階ごとに特定の輸送タンパク質のグループがあると仮定されています。^[1]この差次的発現は、これらのタンパク質をコードする遺伝子の差次的転写とその翻訳を通じて、たとえば遺伝分子メカニズムを通じて制御されますが、細胞生物学レベルでも制御されます。これらのタンパク質の生成は、細胞シグナル伝達経路、生化学レベル、または細胞質小胞に位置することによっても活性化されます。細胞膜は、細胞に出入りする物質の輸送を制御します。^[2]

熱力学的には、ある区画から別の区画への物質の流れは、濃度勾配または電気化学 勾配の方向、またはそれに逆らって発生する可能性がある。物質の交換が勾配の方向、つまり電位が減少する方向に発生する場合、システム外部からのエネルギー入力は不要である。しかし、輸送が勾配に逆らう場合は、エネルギー、この場合は代謝エネルギーの入力が必要となる。^[3] たとえば、外部エネルギーの追加を必要としない分離の古典的な化学メカニズムは透析である。このシステムでは、半透膜が同じ溶質の異なる濃度の 2 つの溶液を分離する。膜が水は通過させるが溶質は通過させない場合、システムのエネルギーが最小となる平衡を確立するために、水は溶質濃度が最も高い区画に移動する。これは、水が溶媒濃度の高い場所から低い場所へ移動するため (溶質に関してはその逆)、また水が勾配に沿って移動しているため、外部からのエネルギー入力は不要である。

生体膜、特に脂質の性質は両親媒性で、内部の疎水層と外部の親水層を含む二重層を形成します。この構造により、単純拡散または受動拡散による輸送が可能になります。これは、代謝エネルギーを消費せず、輸送タンパク質の助けも借りずに、物質が膜を拡散するものです。輸送される物質に正味の電荷がある場合、その物質は濃度勾配だけでなく、膜電位による電気化学的勾配にも反応して移動します。

脂質膜を透過できる分子は少ないため、輸送プロセスの大部分は輸送タンパク質に関係している。これらの膜貫通タンパク質は、脂質マトリックスに埋め込まれた多数のαヘリックスを有している。細菌では、これらのタンパク質はβラミナの形で存在する。^[4]この構造は、脂質によって形成された高度に疎水性の媒体を混乱させる親水性タンパク質環境を通る導管を伴うと考えられる。^{[1]これらのタンパク質は、} ATP、つまり代謝エネルギーによって 駆動されるポンプとして、または促進拡散のチャネルとして、さまざまな方法で輸送に関与している可能性がある。

生理学的プロセスは、基本的な熱力学の原理に準拠している場合にのみ発生します。膜輸送は、その能力、ひいてはその生物学的有用性を定義する物理法則に従います。
膜やその他の表面を介した物質の移動を支配する熱力学の一般原理は、ある区画内の濃度 C ₁の物質1モルを、濃度 C ₂の別の区画に輸送するための自由エネルギーΔ Gの交換は、次のとおりです。^[5]

${\displaystyle \Delta G=RT\log {\frac {C_{2}}{C_{1}}}}$

C _{2が C 1}より小さい場合、Δ Gは負であり、プロセスは熱力学的に有利である。エネルギーが1つの区画から別の区画に移動すると、他の要因が介入しない限り、 C ₂ =C ₁、Δ G = 0 の平衡に達する。 しかし、この平衡に達しない状況が3つあり、これらの状況は 生体膜の生体内機能にとって重要である。 ^[5]

• 膜の片側にある高分子は、膜の特定の成分に優先的に結合したり、膜を化学的に修飾したりすることができます。このように、溶質の濃度は膜の両側で実際には異なる可能性がありますが、一方のコンパートメントでの溶質の利用可能性は、実質的には輸送を促進する勾配が存在しない程度まで低下します。
• 膜電位はイオン分布に影響を与える可能性があります。たとえば、外部から内部へのイオンの輸送では、次のことが考えられます。

${\displaystyle \Delta G=RT\log {\frac {C_{内側}}{C_{外側}}}+ZF\Delta P}$

ここで、F はファラデー定数、Δ P は膜電位（ボルト単位）です。Δ Pが負で Z が正の場合、項ZFΔPのΔ Gへの寄与は負になり、つまり、細胞内部からの陽イオンの輸送が促進されます。したがって、電位差が維持される場合、平衡状態 Δ G  = 0 は、膜の両側のイオンの等モル濃度には対応しません。

• 負の Δ Gを持つプロセスが輸送プロセスに結合されると、全体的な Δ Gが変更されます。この状況は能動輸送では一般的であり、次のように説明されます。

${\displaystyle \Delta G=RT\log {\frac {C_{\text{inside}}}{C_{\text{outside}}}}+\Delta G^{b}}$

ここで、Δ G ^{b は}、ATP の加水分解や、その勾配の方向に移動する化合物の 共輸送などの好ましい熱力学的反応に対応します。

前述のように、受動拡散はシステムのエントロピーを増加させ、自由エネルギーを減少させる自発的な現象です。 ^[5]輸送プロセスは輸送物質の特性と二重層の性質によって影響を受けます。純粋なリン脂質膜の拡散速度は、次の要因に依存します。

• 濃度勾配、
• 疎水性、
• サイズ、
• 分子が正味電荷を持つ場合の電荷。
• 温度

能動輸送では、溶質は濃度勾配または電気化学的勾配に逆らって移動します。その際、関与する輸送タンパク質は代謝エネルギー、通常は ATP を消費します。一次能動輸送では、例えば輸送タンパク質がATPase 酵素である場合、エネルギー供給源 (例: ATP) の加水分解が直接行われ、問題の溶質を輸送します。二次能動輸送の場合のようにエネルギー供給源の加水分解が間接的である場合、電気化学的勾配に蓄えられたエネルギーが使用されます。例えば、共輸送では、特定の溶質の勾配を利用して、その勾配に逆らって対象化合物を輸送し、溶質勾配の消散を引き起こします。この例ではエネルギーが使用されていないように見えるかもしれませんが、対象化合物とともに輸送される溶質の勾配を確立するには、エネルギー供給源の加水分解が必要です。共輸送される溶質の勾配は、生化学ポンプと呼ばれる特定のタイプのタンパク質の使用によって生成されます。^[2]

このタイプの輸送タンパク質の存在は、膜を介した分子輸送の速度論的研究から発見された。特定の溶質については、輸送速度が特定の濃度でプラトーに達し、それを超えると取り込み速度の顕著な増加が見られず、対数曲線型の応答を示すことが注目された。これは、輸送が基質輸送複合体の形成によって媒介されていることを示していると解釈され、これは概念的には酵素速度論の酵素基質複合体と同じである。したがって、各輸送タンパク質は、輸送速度が最大値の半分のときの溶質の濃度に等しい溶質に対する親和定数を持つ。これは、酵素の場合、ミカエリス・メンテン定数に相当する。^{[7] [8]}

能動輸送の重要な特徴としては、勾配に逆らってでも介入する能力、その速度論、ATPの使用に加えて、その高い選択性と選択的薬理学的阻害の容易さが挙げられる^[7]

二次能動輸送タンパク質は、2 つの分子を同時に移動させます。1 つは勾配に逆らって移動し、もう 1 つは勾配に沿って移動します。2 つの分子の方向性によって区別されます。

• アンチポーター（交換輸送体またはカウンタートランスポーターとも呼ばれる）：分子をその勾配に逆らって移動させ、同時に 1 つ以上のイオンをその勾配に沿って移動させます。分子は反対方向に移動します。
• 共輸送体: 分子をその勾配に逆らって移動させ、同時に 1 つ以上の異なるイオンをその勾配に沿って移動させます。分子は同じ方向に移動します。

どちらも共輸送体と呼ばれることがあります。

ポンプは、ATPを加水分解して特定の溶質を膜を通して輸送するタンパク質であり、その際に電気化学的勾配膜電位を生成する。この勾配は、ネルンスト電位などのパラメータを通じて細胞の状態を示す指標として興味深い。膜輸送の観点から、勾配は、勾配に逆らって物質を輸送する際のシステムエントロピーの減少に寄与するため興味深い。動物細胞で最も重要なポンプの1つはナトリウムカリウムポンプであり、次のメカニズムで動作する。^[9]

1. 3 つの Na ⁺イオンが ATP に結合したポンプの活性部位に結合します。
2. ATP が加水分解され、ポンプの細胞質側がリン酸化され、タンパク質の構造変化を引き起こします。リン酸化は、ATP の末端基が輸送タンパク質のアスパラギン酸残基に転移し、その後 ADP が放出されることによって発生します。
3. ポンプの構造変化により Na ^{+ が}外部に露出します。ポンプのリン酸化形態は Na + イオンに対する親和性が低いため、Na ⁺イオンは放出されます。
4. Na ⁺イオンが解放されると、ポンプは輸送タンパク質の細胞外面にあるそれぞれの結合部位に 2 つの K ⁺分子を結合します。これによりポンプの脱リン酸化が起こり、ポンプは以前の構造状態に戻り、K ⁺イオンが細胞内に輸送されます。
5. ポンプの非リン酸化形態は、 K ^{+イオンよりも Na +}イオンに対する親和性が高いため、結合した 2 つの K ^{+イオンが}細胞質に放出されます。ATP が結合し、プロセスが再び開始されます。

生体膜を介した輸送の主な特徴は、その選択性と、それに続く特定の物質に対するバリアとしての挙動であるため、この現象の根底にある生理学は広範囲に研究されてきました。膜選択性に関する研究は、従来、電解質と非電解質に関連するものに分けられてきました。

イオンチャネルは、小さなイオンの通過を可能にする内径を定義し、これは輸送される可能性のあるイオンのさまざまな特性に関連しています。イオンのサイズは化学種に関連しているため、1 つのイオンを通過させるのに十分な孔径を持つチャネルは、より小さなサイズの他のイオンの移動も可能にすると推測できますが、ほとんどの場合、これは起こりません。膜孔の選択性を決定する上で、サイズに加えて重要な 2 つの特性があります。脱水機能とイオンと孔の内部電荷との相互作用です。^{[7]イオンが孔を通過するには、連続する}溶媒和
層でイオンを覆う水分子からイオンが解離する必要があります。脱水傾向、つまりこれを行う能力は、イオンのサイズに関連しています。大きなイオンは小さなイオンよりも簡単に脱水できるため、弱い極性中心を持つ孔は、小さなイオンよりも大きなイオンを優先的に通過させます。^[7] チャネルの内部が構成アミノ酸の側鎖の極性基で構成されている場合、^[9]脱水イオンとこれらの中心との相互作用は、チャネルの特異性を付与する上で脱水機能よりも重要になることがあります。たとえば、正に帯電した基を持つヒスチジンとアルギニンで構成されたチャネルは、同じ極性のイオンを選択的に反発しますが、負に帯電したイオンの通過を促進します。また、この場合、分子の空間配置（立体性）により、最小のイオンがより密接に相互作用できるようになり、電荷間相互作用が大幅に増加して効果が強調されます。^[7]

非電解質は一般に疎水性かつ親油性の物質で、通常は脂質二重層に溶解して受動拡散により膜を通過します。膜を通過する輸送が輸送タンパク質によって媒介される非電解質の場合、拡散能力は一般に分配係数 Kに依存します。エタノール、メタノール、尿素などの極性の強い、部分的に荷電した非電解質は、膜に埋め込まれた水性チャネルを通じて膜を通過できます。この輸送を制限する効果的な制御メカニズムは存在せず、これは細胞がこれらの分子の浸透に対して本質的に脆弱であることを示しています。^[7]

トランスポータータンパク質の生成を詳細に記述した系統樹を構築しようとするデータベースはいくつかある。そのようなリソースの1つはトランスポーター分類データベース^{[10]である。}

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