能動輸送

能動輸送とは

能動輸送は、細胞が生存を維持し、機能を果たす上で不可欠な物質輸送システムの一つです。この輸送様式は、細胞膜などを介して特定の物質を移動させる際に、細胞がエネルギーを積極的に消費する点が最大の特徴です。具体的には、細胞内で生成される化学エネルギー通貨であるアデノシン三リン酸（ATP）が分解される際に放出されるエネルギーを直接的、あるいは間接的に利用して、目的の物質を移動させます。

受動輸送との違いと特徴

細胞膜を介した物質輸送には、エネルギーを消費しない受動輸送（拡散、促進拡散など）と、エネルギーを消費する能動輸送があります。受動輸送が物質の濃度が高い側から低い側へ自然に移動するのに対し、能動輸送は細胞内外の濃度差や電気化学的勾配に逆らう方向に物質を運ぶことができます。これにより、細胞は必要な物質を内部に蓄積したり、不要な物質を効率的に排出し、細胞内外の特定のイオン濃度などを精密に制御することが可能になります。

能動輸送には、輸送体と呼ばれる特定の膜タンパク質が必須です。この輸送体は、輸送する物質の化学構造を特異的に認識して結合し、エネルギーを使って膜を越えて輸送します。この特異性ゆえに、構造が似た別の物質が共存すると、輸送体が競合的に結合されてしまい、本来の物質の輸送が阻害されることがあります。また、輸送を担う輸送体による反応であるため、温度が低い環境下では輸送速度が低下したり阻害されたりします。

さらに、輸送を担う輸送体の数には限りがあるため、輸送対象の物質濃度がある程度高くなると、すべての輸送体が稼働している状態となり、それ以上物質濃度が高くなっても輸送速度が増加しなくなる飽和現象が見られます。この飽和現象は、酵素反応 kinetics と同様に、ミカエリス・メンテンの式に準拠する性質として説明されます。

能動輸送の分類：輸送様式による違い

能動輸送は、輸送される物質の種類やエネルギー利用のメカニズムによって、いくつかの類型に分類されます。

単輸送（ユニポート）
単輸送は、他の物質の輸送とは完全に独立して、特定の物質だけを細胞膜を通過させて輸送する形式です。ATPなどのエネルギーを直接消費しない促進拡散とは区別されますが、能動輸送に分類される例としては、細胞内のカルシウムイオン濃度を制御する Ca+ ATPアーゼ などがあります。

対向輸送（アンチポート）
対向輸送は、細胞膜を挟んで、ある種類の物質を細胞内に運び込むと同時に、別の種類の物質を細胞外へ運び出す、あるいはその逆を行う形式です。つまり、二つの物質が互いに逆方向に交換される輸送です。代表的な例として、細胞の浸透圧や膜電位の維持に重要な役割を果たす Na+/K+ ATPアーゼ があります。その他にも、細胞内pH調節に関わる Na+/H+ 逆輸送系 や、細菌などが薬剤を排出する Na+/抗菌薬逆輸送系 などが知られています。

共輸送（シンポート）
共輸送は、ある物質が細胞膜内外の濃度差（電気化学的勾配）に従って移動する際に放出されるエネルギーを利用して、別の物質を濃度勾配に逆らって、同じ方向へ輸送する形式です。例えば、細胞外のナトリウムイオン（Na+）が高い濃度から低い濃度へ細胞内へ移動する際に放出されるエネルギーを使って、アミノ酸や糖などを細胞内へ取り込む Na+/アミノ酸共輸送系 などがあります。ナトリウムイオンとアミノ酸は膜の同じ側（この場合は細胞内）へと同時に運ばれます。

エネルギー利用のメカニズムによる分類：一次性と二次性

能動輸送は、エネルギーをどのように利用するかの違いによっても、一次性と二次性に大別されます。

一次性能動輸送
この形式の能動輸送では、ATPの加水分解によって直接放出されるエネルギーを輸送の駆動力として利用します。輸送体自身がATPアーゼ活性を持ち、ATPを分解して物質を輸送します。細胞内外のイオンバランス維持に不可欠な Na+/K+ ATPアーゼ や、胃酸分泌に関わる H+/K+ ATPアーゼ など、多くのイオンポンプがこれに該当します。また、後述するABC輸送体ファミリーの一部である P-糖タンパク質 も一次性能動輸送体の一種です。

二次性能動輸送
二次性能動輸送は、一次性能動輸送によって細胞膜を挟んで作られた特定のイオン（最も一般的なのはNa+やH+）の濃度勾配に蓄えられたエネルギーを利用して物質を輸送する形式です。つまり、一次輸送が作り出した勾配が「二次的」なエネルギー源となります。この輸送様式には、前述の分類である共輸送（シンポート）や対向輸送（アンチポート）が含まれます。例えば、細胞外に高濃度に保たれたNa+が細胞内へ流入する際のエネルギーを利用して、アミノ酸や糖を細胞内に取り込む共輸送体が、二次性能動輸送の典型例です。

関与する主な輸送体ファミリー

能動輸送を担う輸送体は、その構造や機能によっていくつかの主要なファミリーに分類されます。

ABC輸送体（ATP結合カセット輸送体）
ABC輸送体ファミリーは、多様な低分子物質を細胞膜を介して輸送する膜タンパク質の巨大なグループです。これらの輸送体は、二つの膜貫通ドメインと二つのATP結合ドメイン（ATP結合カセット）という特徴的な構造を持ち、特にATP結合ドメインに存在するウォーカーAモチーフやウォーカーBモチーフというアミノ酸配列は、多くの生物種でよく保存されています。ATPの結合と加水分解を繰り返すことで、基質を膜の片側から反対側へ移動させます。哺乳類では、脂質や薬物などの輸送に関与し、細菌においてはアミノ酸、糖、ペプチドなど幅広い物質を輸送します。
ABC輸送体の中でも、特定のサブファミリー（例: MDR/TAP, MRP/CFTR）は薬物の細胞内外輸送に深く関与しています。特に、MDRサブファミリーに属するP-糖タンパク質は、多くの抗がん剤やその他の薬剤を細胞外へ積極的に排出するポンプとして機能し、薬剤耐性に関わる重要なタンパク質です。このタンパク質は、小腸の上皮細胞や脳血管内皮細胞（血液脳関門）など、体内のバリア機能を持つ多くの組織に存在し、異物の侵入を防ぐ役割を担っています。

P型ATPアーゼ
P型ATPアーゼは、輸送中に輸送体自身がリン酸化される（Pと名のつく由来）タイプのイオンポンプです。ATPのエネルギーを使って特定のイオン（Na+, K+, Ca2+, H+など）を輸送し、細胞内外のイオンバランスや膜電位の維持、細胞内シグナルの調節などに極めて重要な役割を果たします。前述の Na+/K+ ATPアーゼ や Ca+ ATPアーゼ、胃の細胞にある H+/K+ ATPアーゼ などが代表的な例です。これらは一次性能動輸送体です。

F型ATPアーゼ（ATP合成酵素）
F型ATPアーゼは、主にミトコンドリアの内膜や葉緑体のチラコイド膜、細菌の細胞膜に存在し、プロトンの電気化学的勾配が持つエネルギーを利用してATPを合成する「ATP合成酵素」として働くことが知られています。この機能は、広義にはエネルギー変換を伴う輸送と捉えることもできます。F0（膜内在性）とF1（膜突出性）という二つの主要なドメインから構成され、プロトンの流れに伴ってF1ドメインが回転し、ATPを合成するユニークなメカニズムを持ちます。

* V型ATPアーゼ（液胞型ATPアーゼ）
V型ATPアーゼは、細胞内の様々な膜小胞（リソソーム、エンドソーム、分泌小胞など）や一部の細胞膜に存在するプロトン（H+）ポンプです。F型ATPアーゼと類似した構造を持ちますが、主にATPを加水分解してプロトンを膜小胞の内腔や細胞外空間へ能動的に輸送し、これらの区画のpHを酸性に保つ役割を担います。V1（ATP加水分解ドメイン）とV0（プロトン透過ドメイン）から構成されます。細胞内区画のpH調節は、リソソームでの分解酵素の活性化や、エンドソームでのリガンドと受容体の分離など、様々な細胞機能にとって非常に重要です。この輸送体は、特定の阻害剤（例: バフィロマイシンA1）によってその機能が特異的に阻害されることが知られています。

能動輸送は、細胞が生命活動を維持するために不可欠な、エネルギー依存的な物質輸送システムであり、多種多様な輸送体によって担われています。

もう一度検索