カルシウムポンプ：機能、種類、構造、操作 - 生物学

カルシウムポンプは、細胞膜を介したカルシウムの輸送を担当してタンパク質の性質上の構造です。この構造はATPに依存しており、Ca ²⁺ -ATPase とも呼ばれるATPase様タンパク質と見なされます。

Ca ²⁺ -ATPaseは真核生物のすべての細胞に見られ、細胞内のカルシウムの恒常性に不可欠です。カルシウム分子の動きがそれらの濃度勾配に反するため、このタンパク質は一次能動輸送を実行します。

SERCA結晶構造。
ソース：Wcnsaffo

カルシウムポンプの機能

Ca ²⁺は細胞内で重要な役割を果たしているため、細胞内での調節は適切な機能に不可欠です。多くの場合、セカンドメッセンジャーとして機能します。

細胞外空間では、Ca ²⁺濃度は細胞内の約10,000倍です。細胞質におけるこのイオンの濃度の増加は、筋肉の収縮、神経伝達物質の放出、グリコーゲンの分解などのさまざまな反応を引き起こします。

これらのイオンをセルから転送する方法はいくつかあります：パッシブトランスポート（非特異的出口）、イオンチャネル（電気化学的勾配に有利な動き）、アンチサポートタイプの二次アクティブトランスポート（Na / Ca）、およびポンプによる一次アクティブトランスポート。 ATP依存。

他のCa ²⁺置換メカニズムとは異なり、ポンプはベクトル形式で動作します。つまり、イオンは一方向にのみ移動するため、放出することによってのみ機能します。

細胞はCa ²⁺濃度の変化に非常に敏感です。したがって、そのような細胞外濃度との顕著な違いを示すことにより、正常な細胞質レベルを効率的に回復することが非常に重要です。

細胞内の位置に応じて、動物細胞で3種類のCa ²⁺ -ATPase が報告されています。原形質膜（PMCA）にあるポンプ、小胞体と核膜（SERCA）にあるポンプ、およびゴルジ体膜（SPCA）にあるポンプ。

SPCAポンプは、ゴルジ体マトリックス内のさまざまな酵素の補因子であるMn ²⁺イオンも輸送します。

酵母細胞、他の真核生物および植物細胞は、他のタイプの非常に特定のCa ²⁺ -ATPアーゼを提示します。

原形質膜では、静止状態および活動状態にある細胞内のかなりの量のCa ^2+の置換の原因となる活発なアンチポーティックNa / Ca輸送が見つかります。休止状態のほとんどの細胞では、PMCAポンプがカルシウムを外部に輸送します。

これらのタンパク質は約1,200個のアミノ酸で構成されており、膜貫通セグメントが10個あります。サイトゾルには4つの主要なユニットがあります。最初のユニットには、末端アミノ基が含まれています。2つ目は基本的な特性を備えており、酸性リン脂質を活性化するために結合できます。

3番目のユニットには、ATP結合ドメインに、触媒機能を持つアスパラギン酸があり、この「下流」にフルオレセインイソシアン酸結合バンドがあります。

4番目のユニットは、カルモジュリン結合ドメイン、特定のキナーゼ（AおよびC）の認識部位、アロステリックCa ²⁺結合バンドです。

SERCAポンプは、筋細胞の筋小胞体に大量に見られ、それらの活動は筋運動サイクルの収縮と弛緩に関連しています。その機能は、Ca ²⁺を細胞質ゾルから細網マトリックスに輸送することです。

これらのタンパク質は、10個の膜貫通ドメインを持つ単一のポリペプチド鎖で構成されています。その構造は基本的にPMCAタンパク質の構造と同じですが、細胞質内に3つのユニットしかなく、活性部位が3番目のユニットにあるという点が異なります。

このタンパク質の機能には、イオンの輸送中に電荷のバランスが必要です。2つのCa ²⁺（加水分解されたATPによる）は、非常に高い濃度勾配に対して、サイトゾルから網状組織マトリックスに移動します。

同時に2つのH ⁺がマトリックスからサイトゾルに向けられるため、この輸送は逆門脈的に発生します。

トランスポートメカニズムは、2つの状態E1とE2に分かれています。E1では、Ca ²⁺に対して高い親和性を持つ結合部位がサイトゾルに向けられます。E2では、結合部位は小胞体の内腔に向けられており、Ca ²⁺に対する親和性が低い。2つのCa ²⁺イオンは移動後に結合します。

Ca ²⁺の結合と移動中に、サイトゾルに向かうタンパク質のMドメインの開口部を含む、構造変化が起こります。次に、イオンは前記ドメインの２つの結合部位により容易に結合する。

2つのCa ²⁺イオンの結合により、タンパク質の一連の構造変化が促進されます。その中には、ポンプのユニットを再編成する特定のドメイン（ドメインA）の回転があり、レチクルマトリックスに向かう開口部がイオンを放出できるようにします。

H ⁺プロトンと水分子はCa ²⁺結合部位を安定化させ、Aドメインを回転させて元の状態に戻し、小胞体へのアクセスを閉じます。

このタイプのポンプはすべての真核細胞に見られ、細胞内の濃度を安定に保つために細胞外空間へのCa ²⁺の排出に関与しています。

このタンパク質では、Ca ²⁺イオンが加水分解されたATPによって輸送されます。輸送は、細胞質内のカルモジュリンタンパク質のレベルによって調節されています。

サイトゾルのCa ^2+の濃度を増加させることにより、カルシウムイオンに結合するカルモジュリンのレベルが増加します。次に、Ca ^2+-カルモジュリン複合体がPMCAポンプの結合部位に集まります。ポンプで構造変化が起こり、開口部を細胞外空間に露出させることができます。

カルシウムイオンが放出され、細胞内のレベルが正常に戻ります。その結果、Ca ^2+-カルモジュリン複合体が分解し、ポンプの構造が元の状態に戻ります。

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