「Na+/K+-ATPアーゼ」の版間の差分

英：Sodium-potassium ATPase　独：Natrium-Kalium-ATPase　仏：ATPase sodium-potassium<br>

{{box|text=　Na⁺, K⁺-ATPaseは、一分子のATP加水分解と共役して、3つのNa⁺を細胞外に、2つのK⁺を細胞内に輸送する能動輸送体である。この働きによって神経細胞でのNa⁺, K⁺濃度勾配や膜電位が形成されることから、神経活動にとって不可欠の分子である。また、その異常は疾病と密接にかかわる。}}

　ほとんどの細胞では、低いCa²⁺濃度、低いNa⁺濃度、高いK⁺濃度そして中性pH が維持されている。多くのエネルギーが、細胞膜を隔てたNa⁺とK⁺の能動勾配として蓄えられ、これは様々な輸送基質（糖、神経伝達物質、アミノ酸、代謝産物）や他のイオンの二次輸送の駆動力として用いられる。また、Na⁺とK⁺の濃度勾配は細胞外シグナルや膜電位に応答して、選択的カチオンチャネルが開くことによる迅速なシグナル伝達にも利用される。このような細胞膜を隔てたNa⁺, K⁺の濃度勾配はNa⁺, K⁺-ATPaseによって形成される。

　Na⁺,K⁺-ATPaseの発見は神経科学の発展の歴史と密接にかかわっている。1950年代には、イカの巨大軸索を材料として、のちにNa⁺,K⁺-ATPase を発見することになるJens Christian SkouやRobert Postを含む多くの研究者がマサチューセッツ州のWoods Holeで研究していた。当時、Na⁺が神経軸索の発火に必須であることが知られていた。Skouは出身地デンマークに戻った後、カニの爪の組織から神経細胞を単離、そのホモジェネートから分画した膜画分にNa⁺とK⁺に依存したATP加水分解活性を同定し、これが神経細胞からNa⁺を積極的に押し出す酵素に必須であると予測される多くの特徴を示していると結論づけた<ref name=Skou1957><pubmed>13412736</pubmed></ref>[1]。同じ年、Postはヒトの赤血球に能動輸送されるK⁺イオン2個に対して、3個のNa⁺が排出されることを報告した<ref name=Post1957><pubmed>13445725</pubmed></ref>[2]。その後にPostはSkouがカニの神経で観察したようなATP加水分解活性が赤血球膜にも存在し、最も決定的な証拠として、両方の酵素が強心配糖体ouabainによって阻害されることを示した<ref name=Post1960><pubmed>14434402</pubmed></ref>[3]。

　このような一連の研究によって同定されたNa⁺,K⁺-ATPaseは、細胞におけるNa⁺, K⁺輸送系の一部であることが確認され、その発見に対してSkouは1997年にノーベル化学賞を授与された<ref name=Skou1998><pubmed>9877230</pubmed></ref>[4]。Na⁺,K⁺-ATPaseは、ATP加水分解の際にその末端リン酸（Phosphate）が活性中心に転移した自己リン酸化中間体を形成する<ref name=Post1973><pubmed>4270326</pubmed></ref>[5]。この特徴的ATP加水分解機構が、のちにP-type ATPaseと呼ばれる能動輸送体ファミリーの由来である<ref name=Axelsen1998><pubmed>9419228</pubmed></ref>[6]<ref name=Palmgren2023><pubmed>37838176</pubmed></ref>[7]。

[[ファイル:Abe Na+-K+-ATPase Fig1.png|サムネイル|'''図1. Na⁺, K⁺-ATPaseの二次構造''']]

[[ファイル:Abe Na+-K+-ATPase Fig2.png|サムネイル|'''図2. Na⁺, K⁺-ATPaseのE1、E2状態における立体構造''']]

　Na⁺,K⁺-ATPaseは、ATP加水分解とカチオンの結合を担うα-サブユニットと、タンパク質の折り畳みや膜輸送に関わるβ-サブユニットが1:1で会合したヘテロダイマーが最小機能単位である<ref name=Jorgensen1988><pubmed>3054114</pubmed></ref>[8]。これに加え、組織/細胞によって特異的に発現するFXYDファミリータンパク質（FXYD2はγ-サブユニットとも呼ばれる）が会合することで、カチオンに対する親和性や比活性が調節されることが知られている'''（図1）'''<ref name=Kuster2000><pubmed>10748024</pubmed></ref>[9]<ref name=Sweadner2000><pubmed>10950925</pubmed></ref>[10]。2007年にはK⁺が結合した初めての結晶構造が<ref name=Morth2007><pubmed>18075585</pubmed></ref>[11]、2012年にはNa⁺が結合した結晶構造が報告され<ref name=Kanai2013><pubmed>24089211</pubmed></ref>[12]、この分子の作動機構は構造レベルで理解されている'''（図2）'''<ref name=Toyoshima2000><pubmed>10864315</pubmed></ref>[13]<ref name=Toyoshima2007><pubmed>18077416</pubmed></ref>[14]<ref name=Palmgren2011><pubmed>21351879</pubmed></ref>[15]<ref name=Jorgensen2003><pubmed>12524462</pubmed></ref>[16]<ref name=Dyla2020><pubmed>31874046</pubmed></ref>[17]。

　Na⁺,K⁺-ATPase の最小機能単位はαβ複合体であるが、第三のサブユニットとしてFXYDファミリーがその機能を調節することが知られている。FXYDは、一回膜タンパク質で、N末端側の細胞外部分に共通のPFxYDモチーフを持つことが由来である。哺乳類は7種類のFXYDを発現しており、それらの多くはNa⁺,K⁺-ATPaseのカチオンに対する親和性やVmaxを調節する<ref name=Geering2005><pubmed>16691470</pubmed></ref>[20]。

　P-type ATPaseは、カチオンから脂質にわたる広範な輸送基質を、よく保存されたATP加水分解機構によって能働輸送する膜タンパク質の一群である。初めて同定されたNa⁺,K⁺-ATPaseに続き、近縁のH⁺,K⁺-ATPase<ref name=Ganser1973><pubmed>4351147</pubmed></ref>[21] やCa²⁺-ATPase<ref name=Bastide1973><pubmed>4357737</pubmed></ref>[22] が次々と同定され、いまでは配列相同性や輸送基質の種類によってP1~P5までのサブタイプとして分類される大きなファミリーを形成している<ref name=Axelsen1998><pubmed>9419228</pubmed></ref>[6]<ref name=Palmgren2023><pubmed>37838176</pubmed></ref>[7]。この中でNa⁺,K⁺-ATPase はP2Cタイプに分類される。ヒトのNa⁺,K⁺-ATPaseはα-サブユニットについて4つ(α1 ~ α4、ATP1A1 ~ ATP1A4)、β-サブユニットでは3つ(β1 ~ β3、ATP1B1 ~ ATP1B3)のアイソフォームが存在し、その組み合わせによってαβ複合体に多様な機能をもたらしている。これに加え哺乳類では7つのFXYD(FXYD1 ~ FXYD7)が組織特異的に発現し、複合体の性質を適切に調節していると考えられている。α-サブユニットのアイソフォームは高い相同性を持ち、α1 ~ α3の間では約87%、α4では少し低い78%のアミノ酸が同一である。それぞれのアイソフォームは異なる反応速度論的な性質を有し、例えばα1はK⁺に対する親和性が比較的高く、一方でα3はNa⁺に対する親和性が低い。これに加え、β-サブユニットやFXYDが発現部位や機能を調節することで、細胞はその機能に適したNa⁺,K⁺-ATPase 複合体を利用している<ref name=Clausen2017><pubmed>28634454</pubmed></ref>[23]。

[[ファイル:Abe Na+-K+-ATPase Fig3.png|サムネイル|'''図3. イオンチャネルとイオンポンプの原理的な違い'''<br>文献<ref name=Gadsby2009/>[35]より改変。]]

[[ファイル:Abe Na+-K+-ATPase Fig4.png|サムネイル|'''図4. Na+,K+-ATPase のイオン輸送機構'''<br>Post-Albers機構。]]

　多くの反応速度論的解析によって、Na⁺, K⁺-ATPaseのカチオン輸送機構は生化学的によく理解されている。最初にWayne Albersによって提案され<ref name=Albers1967><pubmed>18257736</pubmed></ref>[36]、後にPostによって修正された<ref name=Post1969><pubmed>3015421</pubmed></ref>[37]、Na⁺, K⁺-ATPaseの輸送反応モデルはPost-Albers機構と呼ばれ（'''図4'''）、Na⁺, K⁺-ATPaseだけでなく多くのP-type ATPaseに対しほぼ共通して適応される。

　一連の反応は、P-type ATPaseとして初めて結晶構造が報告されたCa²⁺-ATPase<ref name=Toyoshima2000><pubmed>10864315</pubmed></ref>[13]や、Na⁺, K⁺-ATPase<ref name=Morth2007><pubmed>18075585</pubmed></ref>[11]<ref name=Kanai2013><pubmed>24089211</pubmed></ref>[12]、近縁のH+,K⁺-ATPase<ref name=Abe2018><pubmed>29618813</pubmed></ref>[38]をはじめとして、多くのP-type ATPaseの構造機能解析によって分子レベルで良く理解されている。

　すべての細胞に普遍的に存在する。特に腎臓で高発現しており、遠位尿細管では細胞あたり5000万個のNa⁺,K⁺-ATPaseが存在すると推定されている<ref name=ElMernissi1984><pubmed>6331200</pubmed></ref>[24]。これは、ナトリウム勾配が、血液中の老廃物の濾過、グルコースとアミノ酸の再吸収、電解質の調節、pHの維持といった腎臓の主な機能に利用されているからである。腎臓や多くの上皮細胞において、α1は基底膜に分布することで、尿からのNa⁺や、間接的に水の再吸収に寄与するが<ref name=Caplan1986><pubmed>3015421</pubmed></ref>[18]、脈絡叢の上皮細胞では逆に頂端膜に発現し、中枢神経系の脳脊髄液に間接的に水分を供給しながら低レベルのK⁺濃度を維持する役割を担うことが知られている<ref name=Gundersen1991><pubmed>1847929</pubmed></ref>[25]<ref name=Brown2004><pubmed>15561411</pubmed></ref>[26]。

　骨格筋や心筋、平滑筋をはじめ脳（とくにアストロサイトやグリア細胞）でも高い発現を示す。心臓ではα2はβ2と会合しT管膜に特異的に分布する。また、α2は収縮組織のNa⁺/Ca²⁺交換体の近傍に局在し、間接的に心筋内でのCa²⁺レベルの調節に寄与している。グリア細胞で提唱されている役割と同様に、α2β2複合体の高い電位感受性と低いK⁺親和性は、長く続く心筋活動電位発生の間にNa⁺,K⁺-ATPase活性を確実に利用できるようにするためであると提唱されている<ref name=Habeck2016><pubmed>27624940</pubmed></ref>[27]。

　初期胚発生において必須であるため、それほど多くの疾病関連変異は報告されていない。シャルコー・マリー・トゥース病（Charcot-Marie-Tooth(CMT2)）軸索性感覚運動ニューロパチーでは、7つの推定病原性変異が発見されたが、これらは比較的活性に影響が少ない置換であると考えられている<ref name=Lassuthova2018><pubmed>29499166 </pubmed></ref>[39]。副腎のアルドステロン産生腺由来の腫瘍細胞の一部では、α1の体細胞変異がアルドステロンの過剰産生を引き起こし、これが高血圧に繋がる。これらの変異体の内で機能解析が行われたものは、ATPase活性の低下、細胞脱分極、またわずかな内向き漏洩電流を示した<ref name=Kopec2014><pubmed>24428543</pubmed></ref>[40]。

　最近カロリンスカのグループから報告された治療困難な悪性小児てんかんの患者から見つかったα1の変異(W931R)は、Na⁺, K⁺-ATPaseを非特異的なカチオンチャネルへと転換することが卵母細胞での測定によって示唆されている<ref name=Ygberg2021><pubmed>34717959</pubmed></ref>[41]。W931はNa⁺結合サイトの1つ(site III)を間接的に補強しており<ref name=Young2022><pubmed>28634454</pubmed></ref>[42]、ここの異常によってチャネルの経路が出来たと考察される。