イオンポンプのしくみは「ポンプ」そのもの

岸本 Ca²⁺ポンプは実際どのような構造をしていて、どう働くのですか。イオンチャネルとのちがいは。

豊島 イオンチャネルは膜を貫通する“穴”なのですが、イオンポンプはまさにミクロの“ポンプ”なんです。イオンポンプには細胞質側と小胞体内腔側にそれぞれゲートがあって、細胞質側のゲートが閉まってから内腔側のゲートが開くことで、Ca²⁺を濃度勾配に関係なく細胞質側から内腔側へと輸送できるんです。その後、内腔側のゲートが閉まってから細胞質側のゲートが開いて、元の状態に戻ります。

岸本 ほぉ。細胞質側のゲートと内腔側のゲートが順に開いて、Ca²⁺が輸送されるという過程を、もうすこし詳しく説明していただくとどうなりますか。

豊島 ちょっと難しくなりますが、まず、細胞質の方から2個のCa²⁺がやって来てポンプタンパク質に結合します。これにより「細胞質側のゲートを閉めろ」というシグナルが送られます。それで、ATPの3つ目のリン酸がタンパク質に渡されます。その結果、Aドメイン（領域）という部分が傾きM1というヘリックス（らせん構造）が引っぱり上げられて、丸太でつっかえ棒されるみたいにゲートが閉められるのです。

岸本 内腔側のゲートのほうは……。

豊島 ポンプとして機能するための最小限の動きというのは、M4という2個目のCa²⁺を結合したヘリックスが内腔側に押し下げられ、Ca²⁺を押し出すことです。それが「ミクロのポンプ」と言ったことの意味なんですが、ここの機構は複雑です。先ほど、ATPの結合でAドメインが傾いてといいましたが、傾く結果、このドメインを回転させようという力が働くんですね。それでAドメインは実に110°も水平に回転します。その回転で、M4ヘリックスが組みこまれているPドメインが押し下げられ、M4ヘリックスも押し下げられ、というふうになります。信じられないくらい大きな構造変化です。内腔側には、細胞質側にあったつっかえ棒のようなものはありません。

岸本 とても複雑ですね。それと、そのように構造が変わっていくということは当然エネルギーが必要になりますね。エネルギーはどこからあたえられるのですか。

豊島 基本的に、ポンプを動かしているのは熱エネルギーです。

岸本 ATPがポンプを動かすエネルギーをあたえているのではないのですか。

豊島 そのように思われるのは当然だと思います。でもATPのエネルギーは単に“辻褄合わせ”をしているだけのようなのです。

岸本 辻褄合わせっていうのは……。

豊島 たとえば、細胞外のCa²⁺濃度は細胞内の1万倍にもなりますが、その差はATPの加水分解によって放出されるエネルギーがないと生じえないということです。イオンポンプという機械を動かすのは熱エネルギーだけれど、イオンの濃度差を保つためにはATPのエネルギーが必要なのです。

Ca²⁺ポンプとNa⁺/K⁺ポンプは似て非なるもの

岸本 豊島先生はCa²⁺ポンプのほか、ナトリウム-カリウムポンプ（Na⁺/K⁺ポンプ）の構造解析もしてこられました。この2つはかなりちがうのですか。

豊島 一見そっくりですよね（後述EYESの図版を参照）。でも、Ca²⁺ポンプでは2個のCa²⁺が結合するのに対して、Na⁺/K⁺ポンプでは3個のNa⁺がイオンタンパク質に結合するわけです。構造が解けるまではCa²⁺ポンプとNa⁺/K⁺ポンプのアミノ酸配列は似ているので、Ca²⁺もNa⁺も2個目まではほぼ同じように結合するのだろうとみんなが思っていました。きっとNa⁺の3個目のサイトだけが特別なのだろう、と。ところが、Ca²⁺ポンプとNa⁺/K⁺ポンプでは、まるでちがっていました。

岸本 どういうことですか。

豊島 Ca²⁺ポンプとNa⁺/K⁺ポンプとでは、それぞれのイオン、つまりCa²⁺またNa⁺の結合位置が大きくちがっていたんです。Ca²⁺ポンプについては、結合する2個のCa²⁺の位置は、M4、M5、M6と呼ぶ3つのヘリックスの真ん中あたりになります。ところが、Na⁺/K⁺ポンプでは、3個のNa⁺は、M5ヘリックス側に大きく寄っていて、しかも非常に近接して置かれていました。それには当然意味があるわけです。

大きさ、並び方、傾き　イオン選択性の要素は多様

岸本 Na⁺/K⁺ポンプというのは、Na⁺もK⁺もどちらも扱うわけですか。

豊島 はい、そうです。

岸本 だとすると、Na⁺/K⁺ポンプでは、なにをもってして、Na⁺を扱うときとK⁺を扱うときに分けられるのですか。つまり選択性はどうやって生まれるのかと。

豊島 Na⁺/K⁺ポンプは本質的にNa⁺のポンプで、Na⁺を運ぶ方向には厳密にNa⁺だけを運びますが、逆方向にはK⁺だけでなくNa⁺や他の１価の陽イオンも運びます。Na⁺とK⁺の半径はほんの少し（0.3Å）しかちがわないのですが。

岸本 すると、イオンポンプによるイオンの選択性は、イオンの大きさのちがいによって生じるわけですか。

豊島 大きさは当然、選択性の要素になります。ですが、熱エネルギーでタンパク質は大きく揺らいでいるのでその差を見分けるのは難しいはずなんです。まずは揺らぎを減らす工夫が必要で、Na⁺の結合サイトがM5側に大きく寄っていたのはそのためです。でも、もっと大事そうなのは電気的な力です。3個のNa⁺がすごく近接して配置されていると言いました。その距離は、小さいNa⁺には良いけど、大きいK⁺には短すぎるのですね。つまり、個々のイオンの大きさを測るのは難しいけれど、2個、3個並べればうまく測れるというわけです。ですから、3個のNa⁺を運ぶのは効率のためだけではないんですね。でも、選択性を決める要素はそれだけではないんです。

岸本 まだほかにも要素がある、と。

豊島 そうなんです。3つあるNa⁺のうちの最初のもの（Ⅲ）は、M5ヘリックスの真ん中辺の、ヘリックスがほどけているところに結合するんです。そこは、K⁺が結合できなくもなさそうなのですが、正しい大きさのイオン、つまりNa⁺が結合しないと、M5ヘリックスの傾き具合がまずくて、2番目、3番目のNa⁺結合サイトが正しく形成されない。でもそれだけではなくて、3つある細胞質ドメインが正しい配置にならないのでリン酸化反応がすすまない、という仕掛けになっていたのです。何重もの仕掛けがあることがわかって感動しました。

岸本 選択性の要素はさまざまなのですね。

心筋Ca²⁺ポンプの制御機構　医療分野にも貢献したい

岸本 医療との関連では、どんな研究が進んでいるのですか。

豊島 重要な研究のひとつは、心筋のCa²⁺ポンプにおけるフォスフォランバンの機能解明です。フォスフォランバンはCa²⁺ポンプの作用を制御するタンパク質で、普段はポンプの作用をある程度だけ抑えるといった働きをしています。けれども、フォスフォランバンはリン酸化するとCa²⁺ポンプから外れ、その結果、心筋のCa²⁺ポンプはフル回転するようになります。つまり、フォスフォランバンのやっていることは、Ca²⁺ポンプがフル活動しなければならないときのために“ため”をつくっているようなものです。フォスフォランバンが発現しすぎて、Ca²⁺ポンプによるCa²⁺の出し入れがうまくいかなくなることが心不全になると起きると言われています。ですのでフォスフォランバンを結合できなくさせれば心筋でのCa²⁺の出し入れは正常になるわけです。
「じゃあ、どうやってフォスフォランバンはCa²⁺ポンプに結合しているんだ」というのが次に取り組むべき課題です。

岸本 豊島先生は基本的な原理を解明しつづけてきたから、応用的な研究についてはどう考えているのかなと思っていたんです。

豊島 基礎的な研究だけでいいとは思わないですね。もちろん、基礎は基礎で「自分がやらなかったらだれがやるんだ」と感じます。でも、やっぱり役に立つこともやりたいと思いますね。

構造の意味を考える研究

岸本 Ca²⁺ポンプやNa⁺/K⁺ポンプについての研究は豊島先生が独走状態ですか。

豊島 たしかに2004年ごろまでは独走していました。でも、いまはデンマークの研究グループと熾烈な競争を続けています。Na⁺/K⁺ポンプの研究のほうも同じような状況です。

岸本 先生のお話を聞いていると、しくみがみんなわかったような気になりますが、まだわからないことがあって競争が続いているわけですか。

豊島 ええ、そうです。ただし、デンマークの研究グループと私たちのグループでは、研究への心構えのようなものがかなりちがいます。たとえば論文の書き方でも、彼らは「こういう構造を解析できました」と書いて終わりです。私は本当のサイエンスはそこから先だと思うんですよね。「得られた構造にどういう意味があるのか」を考えないといけない。

岸本 それは、よく先生が、構造が見えても「わかった」とは言えないとおっしゃることですかね。

豊島 そのとおりです。彼らは「進化の過程によって、こういう構造になった」で済まそうとします。私は「どういう進化の圧力があったから、その構造になったのか」まで考えて解明していきたいと思うんです。

岸本 頭を使うということですか。

豊島 ええ、「どうして構造はこうなっているんだろう」と考え続けることです。たとえば、 Ca²⁺ポンプでは、2個目のCa²⁺の結合なしにはリン酸化は起こらないのですが、ではそのシグナルとは、つまりリン酸化反応の活性化シグナルとはなんだろうと何年も考えてきました。その答えがようやく見えてきたように思うんです。

岸本 何年も、ですか。どんなことを考えて、どんな答えが見えてきたんですか。

豊島 Ca²⁺ポンプはどうしてNa⁺を結合できないのだろう、と。2個目のCa²⁺をNa⁺に置き換えたら何が起こるのだろうと考えました。実験的に置き換えるのは無理ですが、量子化学計算で理論的に予想することはできます。それで実際に計算してみたら、予想に反して大きく壊れるわけではなくて、M4ヘリックスの傾きが変わったのです。驚いたことに、それはNa⁺/K⁺ポンプでまさに起こっていたことなんです。
では、どうしてそうなるのか。Ca²⁺を結合するために、Ca²⁺ポンプでは実に7個の酸素原子がCa²⁺を取り巻いています。この酸素原子は負の電荷を持っていますから、その間の反発があるわけで、Ca²⁺が結合してそれを中和するから構造が保てるわけです。Na⁺だと大きさはCa²⁺と一緒ですが、１価ですから反発の方が大きいんですね。D800のカルボキシル基の酸素とA305のカルボニル基の酸素の間の反発でM4が傾くんですね。
それでは、Na⁺もなかったらどうなるか。反発が大きすぎて、M4はCa²⁺を結合したときの位置には来れないはずなんです。そうすると、M4ヘリックスは細胞質ドメインの1つPドメインに組み込まれていますから、先ほどのNa⁺/K⁺ポンプの時と同じで、3つの細胞質ドメインは正しい配置をとれない。だからリン酸化反応は進まない、というわけです。なんだそんなこと当たり前じゃないか、という気になりますが。

岸本 先生がされているような、本質を究めていく研究が継続的に続けられるということが大事だと思います。

豊島 私も本当にそう思います。たった２つのタンパク質ですが、そこで見えてくるのは結局、タンパク質はこうやって動いているんだという共通原理です。それは構造に書いてあるはずなんです。自分の関心は、やはり「どうして構造はそうなっているんだ」にあります。それを究めるのが科学者としての自分の使命だと思っています。

岸本 今日はありがとうございました。

（2017年2月発行のLF News No.80に掲載）