電位依存性イオンチャネル

4 つの相同ドメインのそれぞれがイオン チャネルの 1 つのサブユニットを構成します。S4 電圧感知セグメント (+ 記号でマーク) は、荷電された状態で表示されます。
識別子
シンボル	ビクトリア州
ファム一族	CL0030
TCDB	1.A.1
OPMスーパーファミリー	8
OPMタンパク質	2a79

電位依存性イオンチャネルは、チャネル付近の細胞の電気膜電位の変化によって活性化されるイオンチャネルを形成する膜貫通タンパク質の一種です。膜電位はチャネルタンパク質の構造を変化させ、その開閉を制御します。細胞膜は一般にイオンに対して不浸透性であるため、イオンは膜貫通タンパク質チャネルを介して膜を拡散する必要があります。

電位依存性イオンチャネルは、神経組織や筋肉組織などの興奮性細胞において重要な役割を果たし、誘発電圧変化に応じて迅速かつ協調的な脱分極を可能にします。軸索に沿って、またシナプスに見られる電位依存性イオンチャネルは、電気信号を方向性を持って伝播します。

電位依存性イオンチャネルは通常イオン特異的であり、ナトリウム（Na ⁺）、カリウム（K ⁺）、カルシウム（Ca ²⁺）、塩化物（Cl ⁻）イオンに特異的なチャネルが特定されています。^[1]チャネルの開閉は、細胞膜の両側のイオン濃度、ひいては電荷勾配の変化によって引き起こされます。^[2]

電位依存性イオンチャネルは、通常、中央の孔があり、イオンが電気化学的勾配に沿って移動できるように配置された複数のサブユニットで構成されています。チャネルはイオンに特有である傾向がありますが、同様のサイズおよび電荷を持つイオンがチャネルを通過することもあります。

電位依存性イオンチャネルの機能は、電位センサー、細孔または伝導経路、ゲートという3つの主要な個別ユニットに起因します。^[3] Na ⁺、K ⁺、およびCa ^{2+チャネルは、中央の細孔の周りに配置された4つの膜貫通ドメインで構成されています。ほとんどのNa +}およびCa ²⁺チャネルの場合、これらの4つのドメインは単一のαサブユニットの一部ですが、ほとんどのK ⁺チャネルでは4つのαサブユニットがあり、それぞれが1つの膜貫通ドメインに寄与しています。^[4]

S1-S6と呼ばれる膜貫通セグメントはすべて、特殊な機能を持つアルファヘリックスの形をしています。5番目と6番目の膜貫通セグメント（S5とS6）と細孔ループは、チャネルのゲートと細孔を構成し、イオン伝導の主な役割を果たします。一方、S1-S4は電圧感知領域として機能します。^[3]

4つのサブユニットは同一である場合もあれば、互いに異なる場合もある。4つの中心αサブユニットに加えて、酸化還元酵素活性を持つ調節βサブユニットもあり、これらは細胞膜の内側表面に位置し、膜を通過せず、小胞体でαサブユニットと共組み立てられる。^[5]

カリウムチャネルの結晶構造研究では、膜に電位差が生じると、関連する電界がカリウムチャネルの構造変化を引き起こすことが示されています。構造変化によってチャネルタンパク質の形状が十分に変形し、空洞またはチャネルが開いて膜を介した流入または流出が可能になります。イオンが濃度勾配に沿って移動すると、細胞膜を脱分極させるのに十分な 電流が発生します。

電位依存性ナトリウムチャネルとカルシウムチャネルは、 4つの相同ドメインを持つ単一のポリペプチドで構成されています。各ドメインには、6つの膜貫通αヘリックスが含まれています。これらのヘリックスの1つであるS4は、電圧感知ヘリックスです。^[6] S4セグメントには多くの正電荷が含まれているため、細胞外の高い正電荷はヘリックスを反発し、チャネルを閉じた状態に保ちます。

一般的に、イオンチャネルの電圧感知部分は、チャネルの開閉を引き起こす膜電位の変化を検出する役割を担っています。一般的に、S1-4 アルファヘリックスがこの役割を果たしていると考えられています。カリウムチャネルとナトリウムチャネルでは、電圧感知 S4 ヘリックスには、正に帯電したリジンまたはアルギニン残基が繰り返しモチーフとして含まれています。^[3]静止状態では、各 S4 ヘリックスの半分が細胞質と接触しています。脱分極すると、S4 ドメインの正に帯電した残基は膜の外質表面に向かって移動します。最初の 4 つのアルギニンがゲート電流の原因であり、膜の脱分極に反応してチャネルが活性化されると、細胞外溶媒に向かって移動すると考えられています。これらのタンパク質に結合した正電荷 10～12 個が移動すると、構造変化が引き起こされ、チャネルが開きます。^[4]この動きがどのように起こるのか正確なメカニズムは現在のところ合意されていないが、標準モデル、トランスポーターモデル、パドルモデル、ツイストモデルが現在の理論の例である。^[7]

電圧センサーの動きは導電経路のゲートの構造変化を引き起こし、チャネルを通るイオンの流れを制御します。^[3]

これらのチャネルの電圧感受性タンパク質ドメインの主な機能部分には、通常、S3b および S4 ヘリックスからなる領域が含まれます。この領域は、その形状から「パドル」と呼ばれ、保存された配列であるようで、さまざまな細胞や種で互換性があります。同様の電圧センサーパドルは、さまざまな種の電圧感受性ホスファターゼファミリーでも発見されています。^{[8]火山に生息する} 古細菌の種のパドル領域をラットの脳カリウムチャネルに遺伝子工学的に組み込むと、完全なパドル全体を交換すれば、完全に機能するイオンチャネルが得られます。^[9]この「モジュール性」により、この領域の機能、疾患における役割、および動作の薬学的制御を研究するために、特性が十分に解明されていない、高価で研究が難しい調製物に限定されるのではなく、シンプルで安価なモデルシステムを使用できます。^[10]

電位依存性イオンチャネルは典型的には膜の脱分極によって活性化されるが、内向き整流性カリウムイオンチャネルなどの一部のチャネルは過分極によって活性化される。

ゲートはチャネルの電圧感知領域に結合されていると考えられており、イオンの流れに対する機械的な障害物を含んでいるようです。^[11] S6ドメインがこの障害物として機能するセグメントとして同意されていますが、その正確なメカニズムは不明です。考えられる説明には、S6セグメントがハサミのような動きをしてイオンが通過できるようにする、^[12] S6セグメントが2つのセグメントに分かれてイオンがチャネルを通過できるようにする、^[13]またはS6チャネル自体がゲートとして機能するなどがあります。^[14] S4セグメントの動きがS6セグメントの動きに影響を及ぼすメカニズムはまだ不明ですが、S4-S5リンカーがあり、その動きによってS6が開くと理論づけられています。^[3]

イオンチャネルの不活性化は開口後数ミリ秒以内に起こる。不活性化は細胞内ゲートによって媒介され、細胞内の細孔の開口を制御すると考えられている。^[15]このゲートは柔軟な鎖につながれたボールとしてモデル化される。不活性化中、鎖は折り畳まれ、ボールはチャネルを通るイオンの流れをブロックする。^[16]高速不活性化はS4セグメントの膜内運動によって引き起こされる活性化に直接関連しているが^[17] 、 S4の動きと不活性化ゲートの係合を結び付けるメカニズムは不明である。

ナトリウムチャネルは多くの異なる細胞型にわたって同様の機能特性を持っています。ナトリウムチャネルをコードするヒト遺伝子は10個特定されていますが、その機能は種や異なる細胞型間で保存されているのが一般的です。^[17]

ヒトカルシウムチャネルには16種類の遺伝子が同定されており、このタイプのチャネルは細胞の種類によって機能が異なります。Ca ²⁺チャネルは、一部のニューロンでNa ⁺チャネルと同様に活動電位を生成します。また、シナプス前神経終末における神経伝達物質の放出にも役割を果たします。ほとんどの細胞では、Ca ^{2+チャネルは細胞内Ca 2+}濃度を制御する役割があるため、さまざまな生化学的プロセスを制御しています。^[13]

カリウムチャネルは、 100 を超えるヒト遺伝子をコードしている、最大かつ最も多様な電位依存性チャネルのクラスです。これらのタイプのチャネルは、ゲート特性が大きく異なります。非常にゆっくりと不活性化するものもあれば、非常に速く不活性化するものもあります。この活性化時間の違いは、活動電位の発火の持続時間と速度に影響し、軸索に沿った電気伝導とシナプス伝達に大きな影響を与えます。カリウムチャネルは、4 つの独立したポリペプチドサブユニットを含むという点で他のチャネルと構造が異なります。一方、他のチャネルは、単一のポリペプチドユニット上に 4 つの相同ドメインを含みます。^[7]

塩化物チャネルはあらゆる種類のニューロンに存在します。塩化物チャネルは興奮性を制御するという主な役割を担い、細胞の静止電位の維持に寄与し、細胞容積の調節を助けます。^[1]

電位依存性プロトンチャネルは、水素イオンを介して電流を運び、pH依存的に脱分極によって活性化される。細胞から酸を除去する働きをする。^{[18] [19] [20]}

細菌で発現するタンパク質の系統学的研究により、電位依存性ナトリウムチャネルのスーパーファミリーの存在が明らかになった。^{[21]その後の研究では、以下のものを含むさまざまな他のイオンチャネルと}トランスポーターが、電位依存性イオンチャネルと系統学的に関連していること が示された。

• 内向き整流K ⁺チャネル、
• リアノジンイノシトール1,4,5-三リン酸受容体Ca ²⁺チャネル、
• 一過性受容体電位Ca ²⁺チャネル、
• ポリシスチン陽イオンチャネル、
• グルタミン酸依存性イオンチャネル、
• カルシウム依存性塩素イオンチャネル、
• 一価カチオン：プロトンアンチポーター、タイプ1、および
• カリウムトランスポーター^[22 ]

• カリウムチャネル
• カテコラミン性多形性心室頻拍

• IUPHAR-DB 電位依存性イオンチャネルサブユニット
• 電位依存性イオンチャネルに関する IUPHAR 概説 2005
• 米国国立医学図書館の医学主題標目(MeSH)における電圧依存性 + 陰イオン + チャネル