ナトリウムカリウムポンプ：構造、機能、メカニズム、重要性 - 生物学 - 2024

ナトリウムカリウムポンプは広い多くの細胞膜中に存在する分子の集合、及びそのイオン又はそれらの濃度勾配に対する他の小分子の能動輸送を担っているに含まれるタンパク質構造です。それらはATPの加水分解によって放出されるエネルギーを使用するため、一般的にATPaseと呼ばれています。

ナトリウムカリウムポンプは、Na + / K + ATPaseです。これは、ATP分子に含まれるエネルギーを放出して、カリウムを導入しながら、ナトリウムを細胞の内部から外部に移動させるためです。

ナトリウムカリウムポンプの概略図。セルの外部と内部。（出典：Miguelferig、Wikimedia Commons経由）

セル内では、ナトリウムの濃度が外側（142 mEq / L）よりも低く（12 mEq / L）、カリウムは内側（140 mEq / L）よりも外側（4 mEq / L）の方が濃縮されています。

ATPaseポンプは3つの大きなグループに分類されます。

• タイプFおよびVイオンポンプ：それらは非常に複雑な構造であり、3つの異なるタイプの膜貫通サブユニットと、サイトゾル内の最大5つの関連ポリペプチドで構成されています。それらはプロトン輸送体として機能します。
• スーパーファミリーABC（A TP- BインディングCアセット= ATP結合カセット）：100以上のタンパク質で構成され、イオン、単糖、多糖、ポリペプチド、さらには他のタンパク質の輸送体としても機能します。
  
• Pクラスのイオン爆弾：ATPの結合部位とマイナーなβサブユニットを持つ少なくとも1つの触媒膜貫通型アルファサブユニットによって形成されます。輸送プロセスの間、αサブユニットはリン酸化されるため、その名前は「P」です。

ナトリウムカリウムポンプ（Na + / K + ATPase）は、クラスPのイオンポンプのグループに属し、1957年にデンマークの研究者イェンススコウがカニの神経に対する麻酔薬の作用機序を研究していたときに発見されました（Carcinus maenas）; 1997年にノーベル化学賞を受賞した作品。

カリウムナトリウムポンプ。NaKpompe2.jpg：fr.wikipediaのPhi-Gastrein派生著作：sonia / CC BY-SA（http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/）

ナトリウムカリウムポンプの構造

ナトリウムカリウムポンプは、その4次構造の観点から、2つのアルファ（α）および2つのベータ（β）タイプのタンパク質サブユニットで構成される酵素です。

したがって、α2β2型の四量体であり、そのサブユニットは内在性膜タンパク質です。つまり、脂質二重層を通過し、細胞質内および細胞外ドメインの両方を持っています。

カリウムポンプのアルファおよびベータサブユニット。Rob Cowie / CC BY-SA（http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/）

アルファサブユニット

αサブユニットは、ATPとNa +およびK +イオンの結合部位を含み、酵素の触媒成分とポンプ自体の機能を発揮するものを表します。

αサブユニットは大きなポリペプチドで、分子量は120 kDa、膜貫通セグメントは10個で、細胞質側にN末端とC末端があります。

細胞内側では、ATPとNa +の結合部位と、ポンプの活性化中にリン酸化プロセスを受ける部位を表す376位のアスパラギン酸残基があります。

K +の結合部位は細胞外にあるようです。

ベータサブユニット

βサブユニットはポンプ機能に直接関与しているようには見えませんが、それらが存在しない場合、この機能は起こりません。

βサブユニットはそれぞれ約55 kDaの分子量を持ち、炭水化物残基が細胞外領域に挿入されている単一の膜貫通ドメインを持つ糖タンパク質です。

それらは、小胞体において必要であるようであり、そこでは、それらは、αサブユニットの適切な折り畳みに寄与し、次いで、膜レベルで、複合体を安定化させる。

どちらのタイプのサブユニットも不均一であり、一方にはα1、α2およびα3アイソフォームが記載されており、他方にはβ1、β2およびβ3が記載されています。Α1はほとんどの細胞の膜で見られますが、α2は筋肉、心臓、脂肪組織、脳に存在し、α3は心臓と脳に存在します。

β1アイソフォームは、最も拡散した分布を持つアイソフォームですが、内耳の前庭細胞や急速に応答する解糖筋細胞などの一部の組織には存在しません。後者はβ2のみを含みます。

さまざまな組織でNa + / K +ポンプを構成するサブユニットのさまざまな構造は、まだ解明されていない機能の特殊化が原因である可能性があります。

カリウムポンプ機能

考えられるあらゆる瞬間において、原形質膜は、細胞の内部に対応する区画と、それが浸されている細胞外液を表す区画との間の分離境界を構成する。

両方のコンパートメントは、質的に異なる可能性のある組成を持っています。なぜなら、細胞の内部には物質があり、細胞外液には細胞内に存在しない物質が含まれているためです。

両方の区画に存在する物質はさまざまな濃度で見られ、これらの違いは生理学的に重要な場合があります。多くのイオンがそうです。

ホメオスタシスの維持

Na + / K +ポンプは、ナトリウムおよびカリウムイオンの濃度を制御することにより、細胞内恒常性の維持に基本的な役割を果たします。このホメオスタシスの維持は、次のおかげで達成されます。

• イオン輸送：ナトリウムイオンを導入し、カリウムイオンを放出します。このプロセスでは、他の分子の動きを、これらのイオンの電荷または内部濃度に依存する他のトランスポーターを介して駆動します。
• 細胞容積の制御：イオンの導入または排出は、細胞内の水の動きも意味するため、ポンプは細胞容積の制御に参加します。
• 膜電位の生成：導入された2つのカリウムイオンごとに3つのナトリウムイオンが放出されると、膜の内側が負に帯電したままになり、セルの内側と外側に電荷の差が生じます。この違いは静止電位として知られています。

Na +の細胞外濃度は約142 mEq / Lですが、細胞内濃度はわずか12 mEq / Lです。一方、K +はセルの外側（4 mEq / L）よりもセルの内側（140 mEq / L）に集中しています。

これらのイオンの電荷は膜を通過することを許可しませんが、それを（選択的に）許可するイオンチャネルがあり、これらのイオンを通常移動させる力も存在する場合に移動を促進します。

しかし、これらの濃度の違いは、生物のホメオスタシスを維持する上で非常に重要であり、失われた場合に重要な有機的変化を生み出す一種の平衡状態に維持する必要があります。

ナトリウムカリウムの拡散とポンプ（出典：BruceBlaus。この画像を外部ソースで使用する場合、Blausen.comスタッフ（2014）«Blausen Medical 2014のメディカルギャラリー»。WikiJournal of Medicine 1（2）。DOI： 10.15347 / wjm / 2014.010。ISSN 2002-4436。Derivative by MikaelHäggström/ CC BY（https://creativecommons.org/licenses/by/3.0）via Wikimedia Commons）

• セルの内側と外側の間のNa +の濃度の違いにより、ナトリウムが内側に押し出され、このイオンが常に入り、その違いを散逸させる、つまり両方の濃度を等しくする化学勾配を作成します側面。
• カリウム勾配は反対方向、つまり内側から外側に維持され、イオンの一定の出口とその内部の減少と外部の増加を可能にします。

Na + / K +ポンプの機能により、チャネルまたは他の輸送経路を介した拡散によって侵入したナトリウムの抽出、および拡散したカリウムの再導入が可能になり、これらの細胞内および細胞外濃度を維持できますイオン。

メカニズム（プロセス）

Na + / K + ATPaseの作用メカニズムは、ホスホリル基（Pi）の転移反応と、E1状態からE2状態へ、およびその逆の酵素の構造変化を伴う触媒サイクルで構成されています。

手術には、細胞内にATPとNa +が、細胞外液にK +が存在する必要があります。

ナトリウムイオンのトランスポーターへの結合

サイクルは酵素のE1構造状態で始まり、Na +への結合および高親和性（0.6 mMのKm）のサイトゾルサイトが3つあり、イオン内濃度（ 12 mM）がそれを可能にします。

ATP加水分解

この状態（E1）で、Na +がその結合部位に付着していると、ATPは分子の細胞質ゾルセクター内のその部位に結合し、加水分解し、リン酸基がアスパラギン酸376に移動して、高エネルギーのアシルリン酸を形成します。それはE2状態への構造変化を誘発します。

3つのナトリウムイオンの排除と2つのカリウムイオンの導入

E2状態へのコンフォメーションの変化は、Na +結合部位が外部に移動し、イオンへの親和性が大幅に低下し、細胞外液に放出されると同時に、K +結合部位の親和性が増加することを意味します。これらのイオンはポンプの外側に付着します。

E2状態の間、Na +イオンは膜の反対側に放出されます。

次に、ポンプのこの新しい状態は、K +イオンの結合に対する親和性を生成します

E2からE1への反転

Na +が解放されてK +が結合すると、リン酸アスパルチルの加水分解が起こり、E2状態からE1状態への構造変化が元に戻り、空のNa +結合部位と占有されたK +の構造が再び導入されます。

この変化が起こると、Na +部位はその親和性を取り戻し、K +部位はそれを失い、K +は細胞に放出されます。

重要性

細胞浸透圧の維持

Na + / K +ポンプは、すべてではないにしても、ほとんどの哺乳動物細胞に存在し、浸透圧、ひいてはその容量を維持するのに役立つことが一般的に重要です。

ナトリウムイオンの細胞への継続的な侵入は、浸透圧活性粒子の細胞内数の増加を決定します。これにより、水の侵入と、最終的には膜の破裂と細胞の崩壊を引き起こす体積の増加が誘発されます。

膜電位の形成に

これらのポンプは、除去する3 Na +ごとに2 K +しか導入しないため、電気的に動作します。つまり、内部電荷を「非補償」し、体細胞の膜電位特性の生成を促進します。

その重要性は、興奮電位組織を構成する細胞との関連でも明らかです。興奮電位は、細胞を脱分極させるNa +イオンの侵入と、細胞を再分極させるK +の放出によって特徴付けられます。

これらのイオンの動きは、関連するイオンを動かす化学勾配の生成に寄与するNa + / K +ポンプの操作のおかげで可能です。

反対方向に動作するこれらのポンプがないと、これらのイオンの濃度勾配が消散し、興奮性活動が消えます。

腎機能

ナトリウムカリウムポンプの非常に重要な点を強調するもう1つの側面は、腎臓機能に関連しており、腎機能がないと不可能です。

腎臓機能には、180リットル前後の血漿と大量の物質の毎日のろ過が含まれます。その一部は排泄する必要がありますが、多くは尿中に失われないように再吸収する必要があります。

ナトリウム、水、およびろ過された物質の多くの再吸収は、腎臓ネフロンのさまざまな管状セグメントの上皮を構成する細胞の側底膜にあるこれらのポンプに依存しています。

尿細管を裏打ちする上皮細胞には、尿細管の内腔と接触している頂端側と呼ばれる片側と、尿細管周囲の間質と接触しており、側底側と呼ばれている側があります。

再吸収された水と物質は、最初に頂端を通って細胞に入り、次に側底を通って間質に入ります。

Na +の再吸収は、Na +の再吸収、および水の再吸収とそれに依存する他の物質の再吸収の両方において重要です。Na +の細胞への頂端侵入は、それを動かす勾配が必要であり、それは細胞内のイオンの非常に低い濃度を意味します。

Na +のこの低い細胞内濃度は、側底膜のナトリウムポンプによって生成され、細胞から間質にイオンを集中的に除去します。

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