「膜電位センサー」の版間の差分

<span class="Apple-style-span" style="font-size: 18px; font-weight: bold; ">概念</span>

　細胞は[[wikipedia:ja:誘電体|誘電体]]である脂質二重膜（[[細胞膜]]）によって外界と内部を電気的に遮断している。膜により隔たれた組成の異なる溶液の間に発生する電位差を膜電位と言う。[[wikipedia:ja:ほ乳類|ほ乳類]]の[[wikipedia:ja:神経細胞|神経細胞]]の細胞膜には[[wikipedia:ja:ナトリウム|Na⁺]]と[[wikipedia:ja:カリウム|K⁺]]を交換するポンプ([[Na+/K+ ATPase|Na⁺/K⁺ ATPase]])が存在し、細胞内はK⁺が多くNa⁺が少なく、細胞外はNa⁺が多くK⁺が少ない、という細胞膜を隔てたイオン濃度勾配が存在する。細胞膜はK⁺の選択的透過性が高く、そのため細胞内電位が細胞外電位に対して-60～-80mV低く保持されている（[[静止膜電位]]）。化学的[[シナプス伝達]]や電気刺激などの種々の物理的刺激により、細胞膜のイオン透過性が変化し膜電位は変動する。また[[電位依存性ナトリウムチャネル]]や[[電位依存性カルシウムチャネル]]の一部では、一定の膜電位（臨界脱分極）を超えると自己再生的な膜電位の変動を引き起こす([[活動電位]])。このように神経細胞における膜電位は変動しており、その膜電位変化を感知するのが膜電位センサーである。電位依存性イオンチャネルの場合、膜電位変化を電位センサードメインが感知して、分子内で[[イオン透過ゲート]]を開く力に変換される、その結果、イオン透過量が膜電位に依存して変化する。  

KvAP:古細菌の電位依存性K+チャネル (Voltage-gated K+ channel, Arcanobacterium Pyogenes)<br>

　18世紀中頃イタリアの医師[[wikipedia:ja:ガルヴァーニ|ガルヴァーニ]]が、[[wikipedia:ja:カエル|カエル]]の[[wikipedia:ja:筋肉|筋肉]]がカミナリの[[wikipedia:ja:雷光|雷光]]により収縮することを発見してから、生命現象と電気的活動の関係を探る研究が今日に至るまで盛んに行われている。膜電位センサーの概念は、[[wikipedia:ja:イカ|イカ]]の巨大[[軸索]]における活動電位発生時のイオン透過性の変化を膜電位固定法を用いた研究により、1952年に[[wikipedia:ja:アラン・ロイド・ホジキン|Hodgkin]]-[[wikipedia:ja:アンドリュー・フィールディング・ハクスリー|Huxley]]によって初めて導入された<ref><pubmed> 14946712 </pubmed></ref>。1974年にArmstrong &amp; Bezanillaによって、脱分極時に電位依存性チャネルを通ってイオン電流が流れる直前に一過的に流れる外向き電流（[[ゲート電流]]）が観測され、膜電位に応答する分子内電荷による膜電位感知機構が提唱された<ref><pubmed> 4824995 </pubmed></ref>。  

　1980年代に、種々の[[電位依存性チャネル]]がクローニングされ<ref><pubmed> 6209577 </pubmed></ref><ref><pubmed> 3037387 </pubmed></ref><ref><pubmed> 2441471 </pubmed></ref>、保存されたアミノ酸配列として電荷を帯びた残基を有する膜貫通領域が存在し、それを中心とした電位センサードメインによる膜電位感知機構が想定された。クローニング以降、分子生物学的手法を組み合わせた電気生理学的機能解析が発展し、電位依存性イオンチャネルの電位センサードメインの作動機構に対して種々のモデルが提唱されている。2005年に[[電位依存性ホスファターゼ]](VSP)の発見により電位センサードメインを有するタンパク質がイオンチャネル以外にも存在し電位センサーが酵素活性の調節に対しても機能していることが明らかになった<ref><pubmed> 15902207 </pubmed></ref>。2003年に[[wikipedia:ja:古細菌|古細菌]]<ref><pubmed> 12721618 </pubmed></ref>、2005年にはほ乳類<ref><pubmed> 16002581 </pubmed></ref>の電位依存性チャネルの結晶構造が解かれ、電位センサードメインの機能解析が原子レベルで解析される形となった。また、電位センサーの概念が成熟した現在では、電位依存性チャネルの様な電位センサードメインを有さない膜タンパク質からも電位依存的な活性やゲート電流の観測が報告されている。

　電位依存性イオンチャネルの共通骨格は、S1-S6の6本の膜貫通ヘリックスから構成され、後半S5-S6をポアドメイン、前半S1-S4を電位センサードメインとして分類されている。S4には正電荷をおびた[[wikipedia:ja:アミノ酸|アミノ酸]]残基（主に[[wikipedia:ja:アルギニン|アルギニン]]）が3残基おきに4-7個規則正しく存在し、S1、S2に存在する負電荷を帯びたアミノ酸残基と[[wikipedia:ja:塩橋|塩橋]]を構成することで、電位センサードメインのフォールディング<ref><pubmed> 16002581 </pubmed></ref>、膜へのトラフィッキングを維持している<ref><pubmed> 12556517 </pubmed></ref>。  

　S4の正電荷を帯びたアミノ酸残基は、膜電位変化を感知する中心的な役割を担っている。これら正電荷が膜電位変化に応答して細胞膜にかかる電場を横切って移動し、「ゲート電流」として観測される。実際には、これらの残基のうち細胞外側の4つが有効なゲーティングチャージ(~+4e)として働く事が知られている<ref><pubmed> 8562074 </pubmed></ref><ref><pubmed> 8663993 </pubmed></ref>。4リピート構造である通常の電位依存性イオンチャネルの場合は4つある電位センサーが作動して初めてチャネルが開口する仕組みを取っており、チャネルの[[開口確率]]は膜電位に対して急勾配の[[wikipedia:ja:ボルツマン関数|ボルツマン関数]](+12e～+13e)となっており、[[wikipedia:ja:半導体|半導体]]素子の電位依存性(+1e)と比較しても極めてシャープな電位依存性を有する。これは、神経細胞において膜電位の有効レンジの幅(-60～+40mV)が電子機器類よりも狭いにも関わらずON/OFFを明確に区別する機能素子を作り出す上で有効な仕組みである<ref><pubmed> 12721605 </pubmed></ref>。

=== 電位センサーに作用する薬剤  ===

　毒蜘蛛の一種[[wikipedia:ja:タランチュラ|タランチュラ]]の毒である[[wikipedia:ja:ハナトキシン|ハナトキシン]]は電位依存性チャネルの電位センサーに結合して阻害する<ref><pubmed> 9136774 </pubmed></ref>。