ナトリウム-カルシウム交換体
ナトリウム-カルシウム交換体 （しばしばNa + / Ca2 +交換体 、 交換タンパク質 、またはNCXと呼ばれる）は、細胞からカルシウムを除去するアンチポーター膜タンパク質です。ナトリウムの電気化学的勾配（Na +）に蓄積されたエネルギーを使用します。これは、Na +がカルシウムイオン（Ca2 +）の逆輸送と引き換えにその勾配を原形質膜全体に流し込むことによって可能になります。単一のカルシウムイオンが3つのナトリウムイオンの輸入のために輸出されます。交換体は、多くの異なる細胞タイプと動物種に存在します。 NCXは、Ca2 +を除去するための最も重要な細胞メカニズムの1つと考えられています。
交換体は通常、原形質膜、ミトコンドリア、興奮性細胞の小胞体に見られます。
関数
Na + / Ca2 +交換体はCa2 +にあまり強く結合しません（親和性が低い）が、イオンを迅速に（高容量）輸送でき、1秒あたり最大5,000個のCa2 +イオンを輸送できます。したがって、有効にするには高濃度のCa2 +が必要ですが、活動電位後のニューロンで必要とされるように、短時間で大量のCa2 +を細胞から取り除くのに役立ちます。したがって、交換体はまた、興奮毒性傷害後の細胞の通常のカルシウム濃度を回復する上で重要な役割を果たす可能性が高い。細胞からカルシウムを輸送するもう1つの、より遍在的な膜貫通ポンプは、細胞膜Ca2 + ATPase（PMCA）であり、これははるかに高い親和性を持ちますが、はるかに低い能力を持っています。 PMCAは、その濃度が非常に低い場合でもCa2 +に効果的に結合できるため、通常は細胞内にある非常に低い濃度のカルシウムを維持するタスクにより適しています。したがって、NCXとPMCAの活動は互いに補完し合っています。
この交換機は、次のようなさまざまなセル機能に関与しています。
- 神経分泌の制御
- 視細胞の活動
- 心筋弛緩
- 心臓細胞の筋小胞体におけるCa 2+濃度の維持
- 興奮性細胞と非興奮性細胞の両方の小胞体におけるCa 2+濃度の維持
- 励起収縮連成
- ミトコンドリアの低Ca 2+濃度の維持
交換器は、遅延後脱分極として知られる心臓の電気伝導異常にも関係しています。細胞内にCa2 +が蓄積すると、Na + / Ca2 +交換体が活性化すると考えられています。その結果、正味の正電荷が短時間流入し（3 Na +が流入、1 Ca2 +が流出）、それによって細胞の脱分極が引き起こされます。この異常な細胞の脱分極は、不整脈を引き起こす可能性があります。
可逆性
輸送は起電性であるため（膜電位を変化させる）、興奮毒性で起こり得るように、細胞が十分に脱分極されると、膜の脱分極は交換体の方向を逆転させる可能性があります。さらに、他の輸送タンパク質と同様に、輸送の量と方向は膜貫通基質の勾配に依存します。興奮毒性で起こる細胞内Ca 2+濃度の増加は、細胞外Na +濃度が低下していても、交換体を順方向に活性化する可能性があるため、この事実は保護することができます。しかし、それはまた、Na +の細胞内レベルが臨界点を超えて上昇すると、NCXがCa2 +の輸入を開始することも意味します。 NCXは、Na +およびCa2 +勾配の複合効果に応じて、セルの異なる領域で同時に正方向と逆方向の両方で動作する場合があります。この効果は、神経活動のバースト後のカルシウムトランジェントを延長し、神経情報処理に影響を与える可能性があります。
心臓の活動電位におけるNa + / Ca2 +交換体
Na + / Ca2 +交換体が流れの方向を逆にする能力は、心臓の活動電位の間に現れます。 Ca2 +が心筋の収縮に果たす繊細な役割により、Ca2 +の細胞内濃度は慎重に制御されます。静止電位の間、Na + / Ca2 +交換体は大きな細胞外Na +濃度勾配を利用して、Ca2 +を細胞から排出します。実際、Na + / Ca2 +交換体はほとんどの場合、Ca2 +排出位置にあります。ただし、心臓の活動電位の上昇中には、Na +イオンが大量に流入します。これにより、細胞の脱分極が起こり、膜電位が正の方向にシフトします。結果は細胞内の大幅な増加です。これにより、Na + / Ca2 +交換体が逆転し、Na +イオンがセルから排出され、Ca2 +イオンがセルに排出されます。ただし、交換体のこの逆転は、L型カルシウムチャネルを介したCa 2+の流入の結果としての内部上昇により一時的にのみ持続し、交換体は流れの順方向に戻り、細胞からCa 2+を送り出します。
交換器は通常、Ca2 +排出位置で動作しますが（活動電位の初期を除く）、特定の条件により、交換器が異常に逆（Ca2 +流入、Na +排出）位置に切り替わります。以下にリストされているのは、これが起こるいくつかの細胞および薬学的条件です。
- 内部は通常よりも高い（ジギタリス配糖体薬がNa + / K + -ATPaseポンプをブロックするときのように）。
- Ca2 +の筋小胞体放出は阻害されます。
- 他のCa2 +流入チャネルは阻害されます。
- 活動電位の持続時間が延長された場合。
構造
二次構造と疎水性の予測に基づいて、NCXは当初9つの膜貫通ヘリックスを持つと予測されていました。このファミリーは、膜貫通ドメインの一次配列内の明らかな疑似対称性のために、遺伝子重複イベントから生じたと考えられています。疑似対称の半分の間に挿入されるのは、調節ドメインを含む細胞質ループです。これらの調節ドメインは、C2ドメインのような構造を持ち、カルシウム調節を担っています。最近、古細菌NCXオーソログの構造は、X線結晶構造解析によって解決されました。これは、基質結合のためのダイヤモンド形の部位を備えた、10回膜貫通ヘリックスの二量体輸送体を明確に示しています。構造と構造の対称性に基づいて、活性部位でのイオン競合と交互アクセスのモデルが提案されました。 3つの関連するプロトンカルシウム交換器（CAX）の構造は、酵母と細菌から解明されています。構造的および機能的に相同ですが、これらの構造は、新しいオリゴマー構造、基質結合、および調節を示しています。
歴史
1968年、H ReuterとN Seitzは、細胞周囲の培地からNa +が除去されると、Ca2 +の流出が阻害されるという発見を発表し、2つのイオンを交換するメカニズムがあるかもしれないと提案しました。 1969年、イカの軸索を使用して実験していたPF Bakerが率いるグループが、ナトリウム-カリウムポンプ以外の細胞からNa +を排出する手段の存在を提案する調査結果を発表しました。
