ナトリウム-カルシウム交換体

ナトリウム-カルシウム交換輸送体（Na ⁺ /Ca ²⁺交換輸送体、交換タンパク質、またはNCXとも表記される）は、細胞からカルシウムを除去する対向輸送 膜タンパク質である。このタンパク質は、ナトリウム（Na ^{+ ）の}電気化学的勾配に蓄えられたエネルギーを利用して、Na ^{+ を勾配に沿って}細胞膜に沿って流し、カルシウムイオン（Ca ²⁺ ）を反対方向に輸送する。1つのカルシウムイオンが輸出され、3つのナトリウムイオンが輸入される。^[1]このタンパク質は、多くの異なる細胞タイプと動物種に存在している。^{[2] NCXは、Ca 2+ を}除去する最も重要な細胞メカニズムの1つと考えられている。^[2]

交換輸送体は通常、興奮性細胞の細胞膜、ミトコンドリア、小胞体に存在します。 ^{[3] [4]}

ナトリウム-カルシウム交換輸送体は、細胞内のカルシウムイオンの細胞質濃度を低く保つシステムの1つにすぎません。この交換輸送体はCa ²⁺とあまり強く結合しません（親和性が低い）が、イオンを急速に輸送することができ（容量が大きい）、 1秒間に最大5000個のCa ^{2+イオンを輸送します。 [5]}そのため、効果を発揮するには高濃度のCa ^{2+が必要ですが、}活動電位後のニューロンで必要なように、細胞から大量のCa ^2+を短時間で除去するのに役立ちます。したがって、この交換輸送体は、興奮毒性の障害後に細胞の正常なカルシウム濃度を回復させる上でも重要な役割を果たしていると考えられます。^[3]このようなカルシウムイオンの主要な輸送体は、ほとんどの動物細胞の細胞膜に存在します。細胞からカルシウムを排出する、より普遍的な膜貫通ポンプとして、細胞膜Ca ²⁺ ATPase（PMCA）があります。これは、親和性ははるかに高いものの、容量ははるかに低いです。PMCAは、Ca ²⁺の濃度が非常に低い場合でも効果的に結合できるため、通常細胞内にある非常に低いカルシウム濃度を維持するというタスクに適しています。^[6] Na ⁺ /Ca ²⁺交換輸送体は、高親和性、低容量のCa ²⁺ -ATPaseを補完し、一緒にさまざまな細胞機能に関与しています。

• 神経分泌の制御
• 光受容細胞の活動
• 心筋の弛緩
• 心臓細胞の筋小胞体におけるCa ²⁺濃度の維持
• 興奮性細胞と非興奮性細胞の両方の小胞体におけるCa ²⁺濃度の維持
• 興奮収縮連関
• ミトコンドリア内のCa ²⁺濃度を低く維持する

交換輸送体は、遅延後脱分極として知られる心臓の電気伝導異常にも関与している。^{[7]細胞内Ca 2+蓄積がNa +} /Ca ²⁺交換輸送体の活性化を引き起こすと考えられている。その結果、正味正電荷の短時間の流入（3Na ⁺流入、1Ca ²⁺流出を思い出してください）が起こり、細胞の脱分極を引き起こす。^[7]この異常な細胞脱分極は、不整脈につながる可能性がある。

輸送は起電性（膜電位を変化させる）であるため、興奮毒性で起こるように細胞が十分に脱分極すると、膜の脱分極によって交換輸送体の方向が逆転することがある。^[1]さらに、他の輸送タンパク質と同様に、輸送の量と方向は膜貫通基質勾配に依存する。^[1]この事実は保護的である可能性がある。なぜなら、興奮毒性で起こる細胞内Ca ^{2+濃度の上昇は、細胞外Na +}濃度が低下している場合でも交換輸送体を順方向に活性化する可能性があるからである。^[1]しかし、これはまた、細胞内のNa +レベルが臨界点を超えて上昇すると、NCXがCa 2+を輸入し始めることも意味する^。 [ ¹ ] ^{[ 8] [9] NCXは、Na +}勾配とCa ²⁺勾配の複合効果に応じて、細胞の異なる領域で順方向と逆方向の両方に同時に作用する可能性がある。^[1]この効果は、ニューロン活動のバースト後のカルシウムトランジェントを長引かせ、ニューロンの情報処理に影響を与える可能性がある。^{[10] [11]}

^{Na +} /Ca ²⁺交換輸送体が流れの方向を逆転させる能力は、心臓活動電位の間に現れます。Ca ^{2+ は}心筋の収縮において繊細な役割を果たすため、細胞内の Ca ²⁺濃度は注意深く制御されています。静止電位の間、Na ⁺ /Ca ^{2+交換輸送体は大きな細胞外 Na+ 濃度勾配を利用して、Ca 2+ を}細胞外に汲み出すのに役立ちます。 ^[12]実際、Na ⁺ /Ca ²⁺交換輸送体はほとんどの時間、 Ca ²⁺流出位置にあります。しかし、心臓活動電位の上昇時には、Na ⁺イオンが大量に流入します。これにより細胞が脱分極し、膜電位が正の方向に移動します。その結果、細胞内の [Na ^{+ ] が大幅に増加します。これにより、Na +} /Ca ²⁺交換輸送体が逆転し、Na ⁺イオンが細胞外に汲み出され、Ca ²⁺イオンが細胞内に汲み込まれます。^{[12]しかし、} L型カルシウムチャネルを通じたCa2 ⁺の流入の結果として細胞内の[Ca2 ⁺ ]が上昇するため、この交換体の逆転は一瞬しか続かず、交換体は順方向の流れに戻り、Ca2 ^+を細胞外に排出する。^[12]

交換体は通常Ca ²⁺流出位置で機能しますが（活動電位の初期を除く）、特定の条件では交換体が逆の（Ca ²⁺流入、Na ⁺流出）位置に異常に切り替える可能性があります。これが起こるいくつかの細胞および薬理学的条件を以下に挙げます。^[12]

• 体内の[Na ^{+ ]が通常よりも高くなります（}ジゴキシンやその他の強心配糖体薬がNa ⁺ /K ⁺ -ATPaseポンプをブロックした場合と同様です）。
• 筋小胞体からのCa ²⁺の放出が阻害されます。
• その他のCa ²⁺流入チャネルは阻害されます。
• 活動電位の持続時間が長くなる場合。

二次構造と疎水性の予測に基づいて、NCXは当初9つの膜貫通ヘリックスを持つと予測されました。^[13]このファミリーは、膜貫通ドメインの一次配列内の明らかな擬似対称性により、遺伝子重複イベントから発生したと考えられています。 ^[14]擬似対称の半分の間には、調節ドメインを含む細胞質ループが挿入されています。^[15]これらの調節ドメインはC2ドメインのような構造を持ち、カルシウム調節を担っています。^{[16] [17]最近、}古細菌のNCXオルソログの構造がX線結晶構造解析によって解明されました。^[18]これは、基質結合のためのダイヤモンド形の部位を持つ、10の膜貫通ヘリックスからなる二量体トランスポーターを明確に示しています。構造と構造対称性に基づいて、活性部位でのイオン競合による交互アクセスのモデルが提案されました。酵母と細菌から3つの関連するプロトンカルシウム交換輸送体（CAX）の構造が解明されています。これらの構造は構造的にも機能的にも相同であるが、新しいオリゴマー構造、基質結合、および調節を示している。^{[19] [20] [21]}

1968年、H ReuterとN Seitzは、細胞を取り囲む培地からNa ^{+が除去されるとCa 2+}の流出が抑制されるという研究結果を発表し、2つのイオンを交換するメカニズムがあるかもしれないと提唱した。^{[2] [22] 1969年、}イカの軸索を使った実験を行っていたPF Baker率いるグループは、ナトリウム-カリウムポンプ以外にも細胞からNa ^+を排出する手段が存在するという研究結果を発表した。^{[2] [23]} ジギタリス（通称ジギタリス）は、Na/K ATPaseに大きな影響を与え、最終的に心臓の収縮を強くすることが知られている。この植物には、ナトリウム-カリウムポンプを阻害する化合物が含まれており、ナトリウムの電気化学的勾配を低下させる。これにより、細胞からカルシウムを送り出す効率が低下し、心臓の収縮が強くなる。心臓が弱い人には、より強い収縮力で心臓を送り出すことが時々行われる。しかし、心臓の収縮力が増すため、高血圧を引き起こす可能性もあります。

• ナトリウム-カリウムポンプ
• 能動輸送
• 心臓活動電位
• カリウム依存性ナトリウム-カルシウム交換体

• 米国国立医学図書館医学件名表(MeSH)のナトリウム-カルシウム+交換体
• cvphysiology.com の図
• Klabunde, RE. 2007. 心血管生理学の概念: カルシウム交換。