イオンポンプ

はじめに

細胞が正常に機能するためには、細胞内外のイオン濃度を適切に維持する必要があります。この重要な役割を担うのが「イオンポンプ」です。特にナトリウム-カリウムポンプ（Na⁺-K⁺ポンプ）は、すべての細胞に存在する基本的な構造であり、国家試験でも頻出のテーマです。

詳しい解説

イオンポンプとは

イオンポンプは、ATP（エネルギー）を分解して得られるエネルギーを使う能動輸送の仕組みです。濃度勾配に逆らってイオンを輸送できることが特徴です。

ナトリウム-カリウムポンプ（Na⁺-K⁺ポンプ）

基本情報

• 存在場所：すべての細胞の細胞膜
• 別名：Na⁺-K⁺ ATPase（ATPアーゼ）
• エネルギー源：ATP

働き

Na⁺-K⁺ポンプは以下の働きをします。

1. Na⁺（ナトリウムイオン）を3個、細胞外へ汲み出す
2. K⁺（カリウムイオン）を2個、細胞内へ取り込む
3. この過程でATP 1分子を消費する

この「3対2」の不均等な輸送が重要なポイントです。

結果として生じるイオン分布

イオン	細胞外	細胞内
Na⁺	多い（約140mM）	少ない（約10mM）
K⁺	少ない（約5mM）	多い（約140mM）

静止電位の形成

Na⁺-K⁺ポンプによって生じたイオン分布の偏りから、静止電位が形成されます。

• 静止電位：約-70mV（細胞内が細胞外に比べてマイナス）
• この電位差は、神経や筋肉の興奮に不可欠

エネルギー消費

Na⁺-K⁺ポンプは、細胞が含有するATPの約30%を消費します。これは細胞機能の維持にとって非常に重要な割合であり、ポンプの重要性を示しています。

能動輸送と受動輸送の違い

項目	能動輸送	受動輸送
エネルギー	必要（ATP）	不要
濃度勾配	逆らう（低→高）	従う（高→低）
例	Na⁺-K⁺ポンプ	単純拡散、促通拡散

絶対に覚えるべきポイント

• Na⁺-K⁺ポンプ：すべての細胞に存在
• 輸送の比率：Na⁺を3個出す、K⁺を2個入れる
• エネルギー：ATP 1分子を消費
• イオン分布：細胞外はNa⁺が多い、細胞内はK⁺が多い
• 静止電位：約-70mV
• ATP消費：細胞のATPの約30%を使用

一問一答

Q1. イオンポンプはエネルギーを必要としますか？

【答え】 A. はい、ATP（エネルギー）を必要とする

イオンポンプは能動輸送であり、濃度勾配に逆らってイオンを輸送するためATPが必要です。

Q2. Na⁺-K⁺ポンプは何個のNa⁺を細胞外へ排出しますか？

【答え】 A. 3個

同時にK⁺を2個細胞内へ取り込みます。この「3対2」の比率が重要です。

Q3. Na⁺-K⁺ポンプは何個のK⁺を細胞内へ取り込みますか？

【答え】 A. 2個

Na⁺3個を排出し、K⁺2個を取り込むという不均等な輸送を行います。

Q4. Na⁺-K⁺ポンプによって、細胞外に多いイオンは何ですか？

【答え】 A. Na⁺（ナトリウムイオン）

ポンプがNa⁺を細胞外へ排出し続けるため、細胞外はNa⁺が多くなります。

Q5. 細胞内に多いイオンは何ですか？

【答え】 A. K⁺（カリウムイオン）

ポンプがK⁺を細胞内へ取り込み続けるため、細胞内はK⁺が多くなります。

Q6. Na⁺-K⁺ポンプは細胞のATPの何%を消費しますか？

【答え】 A. 約30%

これは細胞機能の維持にとって非常に重要であることを示しています。

Q7. Na⁺-K⁺ポンプによって形成される静止電位は約何mVですか？

【答え】 A. 約-70mV

細胞内が細胞外に比べてマイナスになっています。

国家試験対策問題

問題1（選択問題）

Na⁺-K⁺ポンプの働きとして正しいのはどれか。

a. Na⁺2個を排出し、K⁺3個を取り込む

b. Na⁺3個を排出し、K⁺2個を取り込む

c. Na⁺3個を取り込み、K⁺2個を排出する

d. Na⁺とK⁺を同数輸送する

【解答と解説】 正解：b

Na⁺-K⁺ポンプはNa⁺を3個細胞外へ排出し、K⁺を2個細胞内へ取り込みます。この「3対2」の比率を覚えましょう。

問題2（選択問題）

細胞内に多く存在するイオンはどれか。

a. Na⁺

b. Cl⁻

c. K⁺

d. Ca²⁺

【解答と解説】 正解：c

Na⁺-K⁺ポンプの働きにより、細胞内はK⁺が多く、細胞外はNa⁺が多い環境が維持されています。

問題3（○×問題）

Na⁺-K⁺ポンプはATPを必要としない受動輸送である。

【解答と解説】 正解：×

Na⁺-K⁺ポンプはATPのエネルギーを使って濃度勾配に逆らってイオンを輸送する能動輸送です。

問題4（選択問題）

Na⁺-K⁺ポンプが消費するATPは、細胞全体のATPの約何%か。

a. 約5%

b. 約10%

c. 約30%

d. 約50%

【解答と解説】 正解：c

Na⁺-K⁺ポンプは細胞のATPの約30%を消費します。これはイオンバランスの維持がいかに重要かを示しています。

問題5（穴埋め問題）

Na⁺-K⁺ポンプによるイオン分布の偏りから、約（　　　）mVの静止電位が形成される。

【解答と解説】 正解：-70

細胞内が細胞外に比べて約70mVマイナスの電位差があり、これが神経や筋肉の興奮の基盤となります。

まとめ

Na⁺-K⁺ポンプの要点

項目	内容
存在場所	すべての細胞
Na⁺の輸送	3個を細胞外へ排出
K⁺の輸送	2個を細胞内へ取り込む
エネルギー	ATP 1分子を消費
ATP消費量	細胞のATPの約30%

イオン分布

イオン	細胞外濃度	細胞内濃度
Na⁺	高い（約140mM）	低い（約10mM）
K⁺	低い（約5mM）	高い（約140mM）

覚え方のポイント

「Na⁺は3つ出て、K⁺は2つ入る」「細胞外はNa⁺、細胞内はK⁺」と覚えましょう。「ナトリウム（Na）は外（out）の「3」文字」「カリウム（K）は内（in）の「2」文字」という語呂合わせも有効です。