ヤギ腸逆嚢を用いたヒスチジンの膜輸送のデモンストレーション:学部生のための体験型教育ツール

生体細胞は、細胞内サイトゾルを細胞外含有量から分離する膜脂質二重層に囲まれています。膜は、溶質¹の動きを調節する半透性の障壁として機能します。生体膜を横切る輸送は、溶質の濃度や電荷など、いくつかの要因に依存する溶質の透過係数の影響を受けます。一般に、溶質は、受動的拡散、促進拡散、および能動的輸送²の3つのメカニズムを使用して膜内を移動します(図1)。単純拡散とは、可溶性、非電荷、および非極性の溶質が、半透膜を介して濃度勾配を下るプロセスです(図1A)。膜タンパク質は、高濃度の領域から低濃度の領域への溶質の移動を伴うため、このプロセスには役立ちません。拡散速度は、フィックの法則³に基づいています。一方、促進拡散はタンパク質依存性の輸送であり、メンブレンはエネルギーを消費することなく選択的な溶質のみが濃度勾配を通過することを可能にします(図1B)。この種の輸送は特異的であり、飽和速度論を示す点で単純な拡散とは異なります。

能動的輸送とは、ATPまたはイオン勾配を使用して、分子の濃度勾配に逆らって、つまり低濃度の領域から高濃度の領域への分子のタンパク質依存的な輸送です(図1C)。トランスポーターがATPを加水分解すると、その輸送は一次能動的輸送と呼ばれます(図1C、左パネル)。アクティブ・トランスポートの別の形式は、セカンダリ・アクティブ・トランスポートです(図1C、右パネル)。二次能動輸送では、溶質は電気化学的勾配に基づいて移動されます。これは、トランスポータータンパク質がイオン(通常はNa⁺)の濃度勾配への移動と、その濃度勾配に対する別の分子またはイオンの動きと結合するときに発生します。この種の溶質の動きは、溶質とイオンの両方が同じ方向に移動する共輸送(Symport)と、溶質とイオンが反対方向に移動する交換(Antiport)があります。

食物源からの食事性アミノ酸と単糖類は小腸で吸収されます。小腸は、機能的に十二指腸、空腸、回腸の3つのセグメントに分けることができます(図2)。溶質の吸収は小腸全体で起こり、最大の吸収は空腸と回腸の近位端で発生します。腸腸細胞は分極した細胞であり、隣接する2つの細胞をつなぐタイトジャンクションは、基底外側と頂端膜部位の2つの異なる膜部位を作り出します(図2)。消化によって生成された管腔溶質の吸収は、頂端膜部位⁴で起こります。

頂端膜における腸管内ヒスチジン輸送は、ナトリウム依存性の二次活性シンポートの一例です。基底外側端では、腸細胞に入るヒスチジンは、濃度勾配を下って肝臓門脈循環に移動します。腸細胞内のナトリウムの細胞内濃度は12 mmoles/L¹に維持され、これは基底外側膜にあるNa⁺ K ⁺ ATPaseによって細胞外にナトリウムが活発に送り出されるため、細胞外/管腔濃度よりも低くなっています(図3)。腸細胞の頂端膜では、B⁰ATとナトリウム中性アミノ酸トランスポーター(SNAT)5が、ヒスチジンだけでなく、ナトリウム依存性^共輸送5,6でアスパラギンやグルタミンなどのアミノ酸も輸送する主要なトランスポーターです。腸細胞の基底外側膜に存在するLarge Amino acid Transporter(LAT)1と呼ばれる別の輸送タンパク質は、ロイシン、トリプトファン、チロシン、フェニルアラニンなどの大きな中性アミノ酸を膜を横切って輸送^する7。

体験学習教育学を通じて、分光光度法や日常的な生化学的アッセイなどの技術と統合された膜輸送の概念を教えることを目的として、概念をわかりやすい言葉で示すだけでなく、学部生の参加型学習を可能にする方法論を開発することが不可欠です。現在、学生がこのような生化学の概念を学ぶための実践的な取り組みのために利用できるリソースは限られています。ここでは、学部の研究室で再現が容易で、他の代謝産物の輸送の評価にも適応できる、ヤギの腸膜を介したヒスチジン輸送を実証するための簡単なプロトコルを報告します。さらに重要なことに、この方法は学部の研究室で安価な材料を利用しているため、最も単純な実験室環境でも体験学習が可能です。