16,039
回編集
「ナトリウムチャネル」の版間の差分
ナビゲーションに移動
検索に移動
細
編集の要約なし
細編集の要約なし |
細編集の要約なし |
||
| 1行目: | 1行目: | ||
英語名：sodium channel 独：Natriumkanal 仏：canal sodium | 英語名：sodium channel 独：Natriumkanal 仏：canal sodium | ||
ナトリウムチャネルは高い選択性を持って[[wikipedia:JA:ナトリウム|ナトリウム]]イオンを透過させる[[イオンチャネル]]である。ナトリウムチャネルとしては、[[電位依存性ナトリウムチャネル]](Navチャネル)、および[[上皮性ナトリウムチャネル]]（ENaC）が知られているが、これらは分子構造が全く異なっているため、本項目では電位依存性ナトリウムチャネルについてのみ記述する。電位依存性ナトリウムチャネルは[[wikipedia:ja:アラン・ロイド・ホジキン|ホジキン]](Alan Lloyd Hodgkin)と[[wikipedia:ja:アンドリュー・フィールディング・ハクスりー|ハクスレー]](Andrew Fielding Huxley)による[[wikipedia:JA:イカ|イカ]]の[[巨大軸索]]を用いた研究によりその存在が予測され、1984年に[[wikipedia:ja:沼正作|沼]]博士らによって遺伝子が同定された。Navチャネルは細胞外に量が最も多い陽イオンであるナトリウムイオンを透過させることで、大きな内向き電流を生じ脱分極を効率よくもたらすことができる。[[中枢神経]]や[[末梢神経]]、[[骨格筋]]、[[心筋]]、[[内分泌細胞]]等に存在し、[[電位依存性カリウムチャネル]]と[[膜電位]]を介して機能的に共役することで、[[活動電位]]の開始および伝搬に本質的な役割を担っている。 | ナトリウムチャネルは高い選択性を持って[[wikipedia:JA:ナトリウム|ナトリウム]]イオンを透過させる[[イオンチャネル]]である。ナトリウムチャネルとしては、[[電位依存性ナトリウムチャネル]](Navチャネル)、および[[上皮性ナトリウムチャネル]]（ENaC）が知られているが、これらは分子構造が全く異なっているため、本項目では電位依存性ナトリウムチャネルについてのみ記述する。電位依存性ナトリウムチャネルは[[wikipedia:ja:アラン・ロイド・ホジキン|ホジキン]](Alan Lloyd Hodgkin)と[[wikipedia:ja:アンドリュー・フィールディング・ハクスりー|ハクスレー]](Andrew Fielding Huxley)による[[wikipedia:JA:イカ|イカ]]の[[巨大軸索]]を用いた研究によりその存在が予測され、1984年に[[wikipedia:ja:沼正作|沼]]博士らによって遺伝子が同定された。Navチャネルは細胞外に量が最も多い陽イオンであるナトリウムイオンを透過させることで、大きな内向き電流を生じ脱分極を効率よくもたらすことができる。[[中枢神経]]や[[末梢神経]]、[[骨格筋]]、[[心筋]]、[[内分泌細胞]]等に存在し、[[電位依存性カリウムチャネル]]と[[膜電位]]を介して機能的に共役することで、[[活動電位]]の開始および伝搬に本質的な役割を担っている。 | ||
== 神経細胞における分布 == | == 神経細胞における分布 == | ||
Navチャネルは広く[[神経細胞]]において発現し、[[樹状突起]]、[[細胞体]]、[[軸索]]に存在しているが、一様に発現しているのではなく、[[有髄神経]]の軸索に存在する[[ランビエ紋輪]](nodes of Ranvier)、および[[軸索起始部]]（axon initial segment）に強く局在する。ランビエ紋輪とaxon initial segmentでのNavチャネルは、[[アダプタータンパク質]]である[[アンキリン]]を介して細胞の裏打ち構造に繋ぎとめられることで局在が可能になっている。 | |||
[[Image:Nav channelの２次元構造.png|thumb|300px|<b>図１ 電位依存性ナトリウムチャネルの二次構造</b>]] | Navチャネルは広く[[神経細胞]]において発現し、[[樹状突起]]、[[細胞体]]、[[軸索]]に存在しているが、一様に発現しているのではなく、[[有髄神経]]の軸索に存在する[[ランビエ紋輪]](nodes of Ranvier)、および[[軸索起始部]]（axon initial segment）に強く局在する。ランビエ紋輪とaxon initial segmentでのNavチャネルは、[[アダプタータンパク質]]である[[アンキリン]]を介して細胞の裏打ち構造に繋ぎとめられることで局在が可能になっている。 [[Image:Nav channelの２次元構造.png|thumb|300px|<b>図１ 電位依存性ナトリウムチャネルの二次構造</b>]] | ||
== 構造 == | == 構造 == | ||
=== αサブユニット=== | 脳および心筋のNavチャネルは分子量約260kのαサブユニットと１回膜貫通型のβサブユニットから構成されている。神経細胞や心筋に存在するチャネルは１つのαサブユニットとβ1、β2もしくはβ3、β4の二つのβサブユニットで構成され、骨格筋ではαサブユニットと１つのβサブユニットにより構成されている。 [[Image:Tree.png|thumb|300px|<b>図２ サブユニットの系統樹</b>]] | ||
=== αサブユニット === | |||
αサブユニットは４つの相同性の高いドメインの反復で構成されており、各ドメインは６つの膜貫通[[wikipedia:ja:Αヘリックス|ヘリックス]]を含んでいる（図１参照）。基本的なαサブユニットの二次構造は他の[[電位依存性イオンチャネル]]（[[電位依存性カルシウムチャネル]]、[[電位依存性カリウムチャネル]]など）と同様で あり、各ドメインの最初の４つの膜貫通ヘリックス（S1-S4）は膜電位を感知する電位センサーとして働き、残りの２つ(S5,S6)はナトリウムイオンを透過させるための孔（ポアドメイン）を構成する。 | αサブユニットは４つの相同性の高いドメインの反復で構成されており、各ドメインは６つの膜貫通[[wikipedia:ja:Αヘリックス|ヘリックス]]を含んでいる（図１参照）。基本的なαサブユニットの二次構造は他の[[電位依存性イオンチャネル]]（[[電位依存性カルシウムチャネル]]、[[電位依存性カリウムチャネル]]など）と同様で あり、各ドメインの最初の４つの膜貫通ヘリックス（S1-S4）は膜電位を感知する電位センサーとして働き、残りの２つ(S5,S6)はナトリウムイオンを透過させるための孔（ポアドメイン）を構成する。 | ||
| 84行目: | 86行目: | ||
=== βサブユニット === | === βサブユニット === | ||
βサブユニットは1回膜貫通型のサブユニットで、αサブユニットと相互作用してその機能を調節する役割を担っている。β1からβ4まで４種類存在する。Navチャネルはこれまでの研究によりαサブユニットだけでも、電位依存的にNavチャネルを透過させる機能を保持していることが分かっているが、βサブユニットはαサブユニットと共に存在することで、Navチャネルの機能を変える。また細胞外側に免疫グロブリンドメインを持っており、チャネルの機能を補完するだけでなく、種々の[[細胞接着因子]]と結合し、細胞運動や細胞接着、神経突起の伸長に重要な役割を担っていることが知られている<ref name="ref1"><pubmed>20600605</pubmed></ref>。 またβ4が細胞内側からのblocking particleとして作用し、resurgent電流の形成に関わるという報告<ref><pubmed>15664175</pubmed></ref>もある。 | βサブユニットは1回膜貫通型のサブユニットで、αサブユニットと相互作用してその機能を調節する役割を担っている。β1からβ4まで４種類存在する。Navチャネルはこれまでの研究によりαサブユニットだけでも、電位依存的にNavチャネルを透過させる機能を保持していることが分かっているが、βサブユニットはαサブユニットと共に存在することで、Navチャネルの機能を変える。また細胞外側に免疫グロブリンドメインを持っており、チャネルの機能を補完するだけでなく、種々の[[細胞接着因子]]と結合し、細胞運動や細胞接着、神経突起の伸長に重要な役割を担っていることが知られている<ref name="ref1"><pubmed>20600605</pubmed></ref>。 またβ4が細胞内側からのblocking particleとして作用し、resurgent電流の形成に関わるという報告<ref><pubmed>15664175</pubmed></ref>もある。 | ||
| 92行目: | 95行目: | ||
2011年、Catterallらは[[wikipedia:ja:真正細菌|真正細菌]]の一種である[[wikipedia:Arcobacter|Arcobacter butzleri]]由来の電位依存性ナトリウムチャネル(NaChBac)を用いてX線結晶構造解析を行い、その[[wikipedia:JA:三次元構造|三次元構造]]を明らかにした<ref><pubmed> 21743477 </pubmed></ref>。[[wikipedia:ja:真核生物|真核生物]]のNavチャネルが１分子に４つのリピート構造を含んでいるのに対して、NachBacはホモ４量体として機能する。電位依存性カリウムチャネルの構造と同様に、αサブユニットの各リピートのS5およびS6が集まってポアドメインを形成し、その四隅にS1からS4によって構成される電位センサーが配置する（図３参照）。 | 2011年、Catterallらは[[wikipedia:ja:真正細菌|真正細菌]]の一種である[[wikipedia:Arcobacter|Arcobacter butzleri]]由来の電位依存性ナトリウムチャネル(NaChBac)を用いてX線結晶構造解析を行い、その[[wikipedia:JA:三次元構造|三次元構造]]を明らかにした<ref><pubmed> 21743477 </pubmed></ref>。[[wikipedia:ja:真核生物|真核生物]]のNavチャネルが１分子に４つのリピート構造を含んでいるのに対して、NachBacはホモ４量体として機能する。電位依存性カリウムチャネルの構造と同様に、αサブユニットの各リピートのS5およびS6が集まってポアドメインを形成し、その四隅にS1からS4によって構成される電位センサーが配置する（図３参照）。 | ||
イオン選択性は孔が一番狭くなっている[[イオン選択性フィルター]]と呼ばれる部分で行われている。Navチャネルは[[wikipedia:JA:グアニジン|グアニジウムイオン]]などの[[wikipedia:ja:イオン半径|イオン半径]]の大きいイオンに対してもある程度の透過性を持つことから、Navチャネルのイオン選択性フィルターの幅はナトリウムイオンよりも大きく、ナトリウムイオン１分子に対し、１分子の水を配位した状態で、孔を選択的に透過するという考えが提唱されてきた<ref>'''Bertil Hille''' <br>Ion Channels of Excitable Membrane third edition<br>Sinauer Associates,Inc.(Massachusetts,USA)</ref>。実際、NachBacの立体構造を見てみると、イオン選択性フィルターの一番狭くなっている部分の幅は、ちょうどナトリウムイオンに水分子が１つ配位したときのサイズに近いことが明らかになった。 | イオン選択性は孔が一番狭くなっている[[イオン選択性フィルター]]と呼ばれる部分で行われている。Navチャネルは[[wikipedia:JA:グアニジン|グアニジウムイオン]]などの[[wikipedia:ja:イオン半径|イオン半径]]の大きいイオンに対してもある程度の透過性を持つことから、Navチャネルのイオン選択性フィルターの幅はナトリウムイオンよりも大きく、ナトリウムイオン１分子に対し、１分子の水を配位した状態で、孔を選択的に透過するという考えが提唱されてきた<ref>'''Bertil Hille''' <br>Ion Channels of Excitable Membrane third edition<br>Sinauer Associates,Inc.(Massachusetts,USA)</ref>。実際、NachBacの立体構造を見てみると、イオン選択性フィルターの一番狭くなっている部分の幅は、ちょうどナトリウムイオンに水分子が１つ配位したときのサイズに近いことが明らかになった。 | ||
== イオン選択性 == | == イオン選択性 == | ||
| 98行目: | 101行目: | ||
[[Image:SelectiveFilter付近のアミノ酸配列.png|thumb|300px|<b>図４ 電位依存性ナトリウムチャネル、およびカルシウムチャネルのselective filter 付近のアミノ酸配列の比較</b><br />イオン選択性に最も重要であると考えられる部分をboxで囲んだ。]] | [[Image:SelectiveFilter付近のアミノ酸配列.png|thumb|300px|<b>図４ 電位依存性ナトリウムチャネル、およびカルシウムチャネルのselective filter 付近のアミノ酸配列の比較</b><br />イオン選択性に最も重要であると考えられる部分をboxで囲んだ。]] | ||
イオン選択性に関わるselective filterは５番目のヘリックス（S5）と６番目のヘリックス（S6）の間に存在する。１価の[[wikipedia:JA:正電荷|正電荷]]を持つイオンの透過性はイオン半径に比例している。イオン半径の小さい[[wikipedia:JA:プロトン|プロトン]]に対して、非常に強い透過性を持ち、Li<sup>+</sup>≈Na<sup>+</sup>>K<sup>+</sup>>Rb<sup>+</sup>>Cs<sup>+</sup>の順に透過性が高い。またグアニジウムイオンはK<sup>+</sup>より透過しやすい。図４に真核生物のNavチャネルのselective filterのアミノ酸配列を示した。電位依存性カルシウムチャネルでは４つのリピート、すべてがマイナス電荷を持った[[グルタミン酸]]になっているが、Navチャネルではこの部位のアミノ酸は各リピートで異なり、電荷を持たない [[アミノ酸]]も含まれている。[[アスパラギン酸]]、グルタミン酸、リジン、アラニンが形成する環状の配置が、ナトリウムイオンの選択性に重要であると考えられている。 リピートIII, IVの[[wikipedia:JA:リジン|リジン]]、[[アラニン]]のいずれかをグルタミン酸に変異させると、ナトリウムイオンだけでなく、カリウムイオン、アンモニウムイオン、さらにカルシウムイオンに対しても透過性が現れる。両方ともグルタミン酸に置き換えると、ナトリウムイオンよりカルシウムイオンに対して選択性が大きくなる<ref><pubmed> 1313551 </pubmed></ref>。 | イオン選択性に関わるselective filterは５番目のヘリックス（S5）と６番目のヘリックス（S6）の間に存在する。１価の[[wikipedia:JA:正電荷|正電荷]]を持つイオンの透過性はイオン半径に比例している。イオン半径の小さい[[wikipedia:JA:プロトン|プロトン]]に対して、非常に強い透過性を持ち、Li<sup>+</sup>≈Na<sup>+</sup>>K<sup>+</sup>>Rb<sup>+</sup>>Cs<sup>+</sup>の順に透過性が高い。またグアニジウムイオンはK<sup>+</sup>より透過しやすい。図４に真核生物のNavチャネルのselective filterのアミノ酸配列を示した。電位依存性カルシウムチャネルでは４つのリピート、すべてがマイナス電荷を持った[[グルタミン酸]]になっているが、Navチャネルではこの部位のアミノ酸は各リピートで異なり、電荷を持たない [[アミノ酸]]も含まれている。[[アスパラギン酸]]、グルタミン酸、リジン、アラニンが形成する環状の配置が、ナトリウムイオンの選択性に重要であると考えられている。 リピートIII, IVの[[wikipedia:JA:リジン|リジン]]、[[アラニン]]のいずれかをグルタミン酸に変異させると、ナトリウムイオンだけでなく、カリウムイオン、アンモニウムイオン、さらにカルシウムイオンに対しても透過性が現れる。両方ともグルタミン酸に置き換えると、ナトリウムイオンよりカルシウムイオンに対して選択性が大きくなる<ref><pubmed> 1313551 </pubmed></ref>。 | ||
== 膜電位依存的な活性化および不活性化 == | == 膜電位依存的な活性化および不活性化 == | ||
一般に、イオンチャネルの電位センサー([[膜電位センサー]]の項参照)は４つの膜貫通ヘリックスで構成されており、４番目のヘッリクス(S4)に存在するプラス電荷を帯びた塩基性アミノ酸が電位の感知に重要であることが分かっている。[[細胞膜]]が脱分極すると電位センサーが動き、“ゲート“が開くことで、ナトリウムイオンが流れる。 | 一般に、イオンチャネルの電位センサー([[膜電位センサー]]の項参照)は４つの膜貫通ヘリックスで構成されており、４番目のヘッリクス(S4)に存在するプラス電荷を帯びた塩基性アミノ酸が電位の感知に重要であることが分かっている。[[細胞膜]]が脱分極すると電位センサーが動き、“ゲート“が開くことで、ナトリウムイオンが流れる。 | ||
| 143行目: | 147行目: | ||
*[[活動電位]] | *[[活動電位]] | ||
*[[Hodgkin-Huxley方程式]] | *[[Hodgkin-Huxley方程式]] | ||
*[[電位依存性イオンチャネル]] | *[[電位依存性イオンチャネル]] | ||
*[[イオン選択性フィルター]] | |||
*[[膜電位センサー]] | |||
== 参考文献 == | == 参考文献 == | ||