Na+/K+-ATPaseとイオン勾配の維持

Na+/K+-ATPase、すなわちナトリウム-カリウムポンプは、静止電位の根底にあるイオン勾配を維持する膜輸送体である。ATP加水分解からのエネルギーを利用して、ナトリウムを細胞外へ、カリウムを細胞内へ、それぞれの濃度勾配に逆らって移動させ、さもなければ勾配を散逸させてしまう受動的な漏出に対抗している。

Definition

Na+/K+-ATPaseは、1分子のATPを加水分解して3個のナトリウムイオンを排出し、2個のカリウムイオンを細胞内に取り込むことで、動物細胞の膜を挟んだナトリウムおよびカリウムの勾配を能動的に維持する、膜貫通型のP型ATPaseである。

Scope

このトピックでは、ポンプの輸送化学量論、ATPへの依存性、膜電位への電気発生的寄与、およびナトリウムとカリウムの勾配を安定に保つ上での役割について扱う。また、ポンプが細胞のエネルギー供給と興奮性をどのように結びつけているかについても言及する。チャネルを介した受動的フラックスは、透過性のトピックで扱われる。

Core questions

• ナトリウム-カリウムポンプは何を、どのような比率で輸送するのか？
• ポンプはどのようにATPを利用して、イオンを勾配に逆らって移動させるのか？
• ポンプが電気発生的であると説明されるのはなぜか、また膜電位への直接的な影響の大きさはどの程度か？

Key concepts

• 一次能動輸送
• 3 Na+排出 / 2 K+取り込みの化学量論
• ATP加水分解とリン酸化サイクル
• 電気発生的輸送
• P型ATPase
• 受動的漏出に対する勾配維持

Key theories

イオン勾配の能動輸送による維持

静止電位を確立する安定したイオン勾配は自己維持的ではない。Na+/K+-ATPaseは代謝エネルギーを利用してナトリウムを排出し、カリウムを取り込むことで、継続的な受動的漏出を相殺し、生細胞において勾配が持続するようにしている。

Mechanisms

このポンプは、3個の細胞内ナトリウムイオンとATPを結合し、リン酸化されて、ナトリウムを細胞外に放出するためにコンフォメーションを変化させる。その後、2個の細胞外カリウムイオンを結合し、脱リン酸化されて、カリウムを細胞内に放出するために元のコンフォメーションに戻る。1サイクルごとに2個の陽イオンを取り込むのに対し3個の陽イオンを排出するため、各サイクルで正味の正電荷が細胞外に移動し、ポンプは電気発生的となり、膜電位にわずかな過分極成分を寄与する（Thomas, 1972が総説）。しかし、その主な役割は、受動的なチャネル漏出によって絶えず損なわれるナトリウムとカリウムの勾配を補充することである。Skou（1957）がこのATPaseを最初に同定し、Morthらは（2007）後にその結晶構造を解明した。ポンプはATPを消費するため、勾配の維持は静止状態を細胞のエネルギー供給に結びつけている。

Clinical relevance

ポンプは興奮性が依存する勾配を維持するため、その機能やエネルギー供給を損なう状態は膜の挙動を変化させる可能性があり、ポンプは強心配糖体の分子標的となっている。この項目では、これらのメカニズムを生理学および薬理学の背景として記述しており、投薬量や治療に関する助言は提供しない。

Evidence & guidelines

ポンプの存在、化学量論、および構造は、生化学、電気生理学、および結晶学によって確立されており、標準的な教科書の生理学である。このトピックは、ガイドラインの内容というよりも、メカニズムに関する参考資料である。

History

Jens Christian Skouは、1957年にカニの神経においてナトリウムとカリウムによって活性化されるATP加水分解酵素を同定し、この業績により後にノーベル化学賞を共同受賞した。ポンプの電気発生的寄与は1960年代を通じて特徴づけられ、Thomas（1972）によって総説され、その分子構造はMorthら（2007）によってX線結晶構造解析により解明された。

Key figures

• Jens Christian Skou
• Roger C. Thomas
• Poul Nissen

Seminal works

• skou-1957
• thomas-1972
• morth-2007

Frequently asked questions

ナトリウム-カリウムポンプは何をするのか？

ATPからのエネルギーを利用して、1サイクルごとに3個のナトリウムイオンを細胞外へ、2個のカリウムイオンを細胞内へ移動させ、膜を介した受動的漏出によって散逸してしまうであろうイオン勾配を維持する。

ポンプ自体が静止電位を生成するのか？

主に間接的である。静止電位は、ポンプが維持する勾配に沿って選択的チャネルを介してイオンが拡散することによって生じる。ポンプはまた、正味の正電荷を排出するため、わずかな直接的な過分極電圧を付加する。