Contents
- 1 目標
- 2 拡散（Diffusion）
- 3 単純拡散（Simple Diffusion）
- 4 促進拡散（Facilitated Diffusion）
- 5 拡散速度に影響を与える要因
- 6 ポア（Pores）
- 7 選択性（Selectivity）
- 8 タンパク質チャネルの重要な特徴：
- 9 チャネルの「ゲーティング」（Gating of Channels）
- 10 ゲートの開閉は主に二つの方法で制御されます：
- 11 一次能動輸送（Primary Active Transport）
- 12 二次能動輸送（Secondary Active Transport）
- 13 一次能動輸送によって輸送されるもの:
- 14 ナトリウム-カリウムポンプ（Sodium-Potassium Pump）
- 15 Na^+-K^+ ポンプ（Na^+-K^+ Pump）
- 16 カルシウムイオンの一次能動輸送（Primary Active Transport of Calcium Ions）
- 17 水素イオンの一次能動輸送（Primary Active Transport of Hydrogen Ions）
- 18 コトランスポート（Co-transport）
- 19 カウンタートランスポート（Countertransport）
- 20 細胞シートを通じた能動輸送（Active Transport Through Cellular Sheets）
目標
このトピックの終わりには、学生は次の概念を詳細に説明できるようになるべきです：
- 単純拡散（Simple Diffusion）
- 促進拡散（Facilitated Diffusion）
- 浸透（Osmosis）
- 能動輸送（Active Transport）
- 二次能動輸送（Secondary Active Transport）
- 細胞シートを通じた輸送（Transport through Cellular Sheet）
| 成分 | 細胞外液（Extracellular Fluid） | 細胞内液（Intracellular Fluid） |
|---|---|---|
| ナトリウム (Na^+) | 142 mEq/L | 10 mEq/L |
| カリウム (K^+) | 4 mEq/L | 140 mEq/L |
| カルシウム (Ca^2+) | 2.4 mEq/L | 0.0001 mEq/L |
| マグネシウム (Mg^2+) | 1.2 mEq/L | 58 mEq/L |
| 塩化物 (Cl^-) | 103 mEq/L | 4 mEq/L |
| 重炭酸イオン (HCO3−_3^-3−) | 28 mEq/L | 10 mEq/L |
| リン酸塩 (Phosphates) | 4 mEq/L | 75 mEq/L |
| 硫酸塩 (SO42−_4^{2-}42−) | 1 mEq/L | 2 mEq/L |
| グルコース | 90 mg/dl | 0 to 20 mg/dl |
| アミノ酸 | 30 mg/dl | 200 mg/dl |
| コレステロール | 0.5 g/dl | 2 to 95 g/dl |
| リン脂質 (Phospholipids) | – | – |
| 中性脂肪 (Neutral Fat) | – | – |
| 酸素分圧 (pO2_22) | 35 mm Hg | 20 mm Hg |
| 二酸化炭素分圧 (pCO2_22) | 46 mm Hg | 50 mm Hg |
| pH | 7.4 | 7.0 |
| タンパク質 (Proteins) | 2 g/dl | 16 g/dl |
拡散（Diffusion）
拡散とは、液体や気体中で分子が互いに継続的に移動するプロセスです。具体的には、分子が高濃度から低濃度へ自発的に移動する過程を指します。細胞膜を通じた拡散には、以下の二種類があります：
- 単純拡散（Simple Diffusion）
- 促進拡散（Facilitated Diffusion）
単純拡散（Simple Diffusion）
単純拡散では、分子やイオンが膜の開口部や分子間の隙間を通過し、キャリアタンパク質（carrier proteins）との相互作用なしに拡散します。拡散の速度は次の要因によって決まります：
- 利用可能な物質の量
- 運動エネルギーの速度
- 分子やイオンが通過できる膜の開口部の数とサイズ
単純拡散は細胞膜を通じて次の二つの経路で行われます：
- 脂質二重層（lipid bilayer）の隙間を通過する場合、拡散する物質が脂溶性であること
- 大きな輸送タンパク質の一部を貫通する水性チャンネル（watery channels）を通過する場合
促進拡散（Facilitated Diffusion）
促進拡散はキャリアタンパク質との相互作用を必要とします。これは、キャリア媒介拡散（carrier-mediated diffusion）とも呼ばれます。キャリアタンパク質が分子やイオンと化学的に結合し、それらを膜を通して運ぶことで拡散を助けます。
重要なポイント：
- 脂溶性（Lipid Solubility）
脂溶性は物質が脂質二重層を通過する速度に直接影響します。脂溶性が高いほど、拡散速度も速くなります。例えば、酸素（oxygen）、窒素（nitrogen）、二酸化炭素（carbon dioxide）、およびアルコール（alcohols）は脂溶性が高いです。 - アクアポリン（Aquaporins）
アクアポリンは膜を貫通するタンパク質分子にあるチャネルで、水の迅速な通過を選択的に許可します。
単純拡散（Simple Diffusion） vs 促進拡散（Facilitated Diffusion）
- 単純拡散（Simple Diffusion）
単純拡散では、開いているチャネルを通過する拡散物質の濃度が高くなると、拡散速度もそれに比例して増加します。 - 促進拡散（Facilitated Diffusion）
促進拡散では、拡散物質の濃度が増加すると、拡散速度が最大値（Vmax）に近づきます。これは、キャリアタンパク質が限界に達するためです。
拡散速度に影響を与える要因
- 濃度差による拡散速度（Net Diffusion Rate Is Proportional to the Concentration Difference Across a Membrane）
細胞内への正味の拡散速度は、細胞外の濃度から細胞内の濃度を引いたものに比例します。
正味の拡散速度 = (細胞外濃度 Co – 細胞内濃度 Ci)
- 膜の電位差がイオンの拡散に与える影響—ネルンスト電位（Effect of Membrane Electrical Potential on Diffusion of Ions—The “Nernst Potential”）
膜を横切る電位差が存在する場合、イオンの電荷が原因で、濃度差が存在しなくてもイオンが膜を通過します。
電位差（EMF）は次の式で表されます：
EMF (ミリボルト) = ±61log C1C_1C1/C2C_2C2
ここで、C1C_1C1とC2C_2C2はそれぞれ膜の両側のイオン濃度です。
- 膜を横切る圧力差の影響（Effect of a Pressure Difference Across the Membrane）
圧力（Pressure）とは、ある瞬間に単位面積に衝突する異なる分子の力の合計を指します。
一方の側で膜に衝突する分子の数が多いほど、反対側に比べて高圧側から低圧側への分子の移動を促進するためのエネルギーが増加します。
選択的透過性とチャネルの「ゲーティング」（Selective Permeability and “Gating” of Channels）
ポア（Pores）
- ポアとは、細胞膜内のインテグラル膜タンパク質（integral cell membrane proteins）が形成する開いたチューブで、常に開いています。
選択性（Selectivity）
- ポアは特定の分子のみが通過できるように選択性を持ちます。
- 選択性は、ポアの直径と電荷によって決まります。
タンパク質チャネルの重要な特徴：
- 多くの場合、特定の物質に選択的に透過可能です（selectively permeable）。
- 多くのチャネルは、電気信号（電位依存チャネル、voltage-gated channels）やチャネルタンパク質に結合する化学物質（リガンド依存チャネル、ligand-gated channels）によって開閉できるゲートを持っています。
チャネルの「ゲーティング」（Gating of Channels）
- ゲーティングは、チャネルのイオン透過性を制御する手段を提供します。
- 一部のゲートは、輸送タンパク質分子の実際のゲートのような延長部分であると考えられています。
- ゲートはチャネルの開口部を閉じたり、タンパク質分子自体の形状の立体構造変化（conformational change）によって開口部から外れたりします。
ゲートの開閉は主に二つの方法で制御されます：
- 電位依存ゲーティング（Voltage Gating）
- ゲートやその化学結合の分子構造は、細胞膜を横切る電位に反応します。
- 化学（リガンド）依存ゲーティング（Chemical (Ligand) Gating）
- チャネルゲートは、化学物質（リガンド、ligand）がタンパク質と結合することで開かれます。
- これにより、タンパク質分子に構造的または化学的な変化が生じ、ゲートが開いたり閉じたりします。
浸透（Osmosis）
- 浸透とは、選択的透過膜（selectively permeable membrane）を通じて、水が低濃度の溶液から高濃度の溶液へ流れる現象を指します。
- 浸透圧（Osmotic Pressure）
浸透を止めるために必要な圧力のことを浸透圧と呼びます。
能動輸送（Active Transport）
- 能動輸送とは、細胞膜が分子やイオンを濃度勾配に逆らって「上り坂」で移動させるプロセスを指します。また、電位勾配や圧力勾配に逆らって移動させる場合も含まれます。
- 能動輸送される物質
ナトリウム（sodium）、カリウム（potassium）、カルシウム（calcium）、鉄（iron）、水素（hydrogen）、塩化物（chloride）、ヨウ化物（iodide）、尿酸塩（urate ions）、いくつかの異なる糖類（sugars）、およびほとんどのアミノ酸（amino acids）などが能動輸送されます。
• divided according to source of energy used : primary and secondary
一次能動輸送（Primary Active Transport）
- 一次能動輸送では、アデノシン三リン酸（ATP）やその他の高エネルギーリン酸化合物の分解から直接得られるエネルギーが使用されます。
二次能動輸送（Secondary Active Transport）
- 二次能動輸送では、細胞膜の両側に存在する二次的な分子やイオンの濃度差の形で蓄えられたエネルギーが間接的に利用されます。この濃度差は、元々一次能動輸送によって作り出されたものです。
- 二次能動輸送は、細胞膜を貫通するキャリアタンパク質（carrier proteins）に依存しています。
- キャリアタンパク質
キャリアタンパク質は、促進拡散とは異なり、輸送される物質にエネルギーを与えて電気化学的勾配に逆らって移動させる能力を持っています。
一次能動輸送（Primary Active Transport）
一次能動輸送によって輸送されるもの:
- ナトリウム（sodium）、カリウム（potassium）、カルシウム（calcium）、水素（hydrogen）、塩化物（chloride）、およびその他のいくつかのイオン
ナトリウム-カリウムポンプ（Sodium-Potassium Pump）
- ナトリウムイオンを細胞外へ、カリウムイオンを細胞内へ輸送するポンプです。
- このポンプは、細胞膜を介したナトリウムとカリウムの濃度差を維持する責任を負い、細胞内に負の電気電圧（negative electrical voltage）を確立するために重要です。
Na^+-K^+ ポンプ（Na^+-K^+ Pump）
- キャリアタンパク質（Carrier Protein）:
二つの異なる球状タンパク質（globular proteins）で構成される複合体です。- 小さい方（βサブユニット）:
機能ははっきりとはわかっていませんが、タンパク質複合体を脂質膜に固定する可能性があります。 - 大きい方（αサブユニット）:
次の三つの特性を持っています：- 細胞内側に突出した部分に、ナトリウムイオンのための三つの結合部位があります。
- 細胞外側に、カリウムイオンのための二つの結合部位があります。
- ナトリウム結合部位の近くには、アデノシン三リン酸分解酵素（ATPase）の活性があります。
- 小さい方（βサブユニット）:
- 細胞体積の制御における重要性:
Na^+-K^+ ポンプは、細胞内外の電気的電位差（electrical potential）を生み出す電気発生性（electrogenic）であるため、細胞体積の制御に重要です。
カルシウムイオンの一次能動輸送（Primary Active Transport of Calcium Ions）
- 細胞内カルシウム濃度:
カルシウムイオンは通常、体内のほとんどすべての細胞の細胞質ゾル（cytosol）に非常に低い濃度で維持されています。この濃度は細胞外液中の濃度の約10,000分の1です。 - 主要なカルシウムポンプ:
- 細胞膜:
カルシウムを細胞外に排出します。 - 細胞内小胞性オルガネラ（vesicular organelles）:
筋細胞の筋小胞体（sarcoplasmic reticulum）やすべての細胞のミトコンドリア内にカルシウムイオンを汲み込みます。- キャリアタンパク質が膜を貫通し、ATPaseとして機能します。
- このタンパク質には、ナトリウムではなくカルシウム専用の結合部位があります。
- 細胞膜:
水素イオンの一次能動輸送（Primary Active Transport of Hydrogen Ions）
- 重要な場所:
- 胃の胃腺（gastric glands）
- 腎臓の遠位尿細管後期（late distal tubules）と皮質集合管（cortical collecting ducts）
- 胃の壁細胞（parietal cells）:
塩酸（hydrochloric acid）分泌の基盤となります。- 水素イオン濃度は最大で百万倍に増加し、塩化物イオンと共に胃に放出されて塩酸が形成されます。
- 介在細胞（intercalated cells）:
血液から尿への大量の水素イオンが分泌されます。これにより、体液から余分な水素イオンが排出されます。- 水素イオンは、約900倍の濃度勾配に逆らって尿中に分泌されることができます。
二次能動輸送（Secondary Active Transport）
コトランスポート（Co-transport）
- ナトリウム勾配（Sodium Gradient）
ナトリウム勾配はエネルギーの貯蔵庫であり、細胞膜の外側にあるナトリウムが常に細胞内へ拡散しようとするためです。 - コトランスポート（Co-transport）
コトランスポートは二次能動輸送の一形態で、ナトリウムの拡散エネルギーを利用して他の物質も細胞膜を通過させる方法です。- カップリングメカニズム:
もう一つのキャリアタンパク質（carrier protein）が必要です。これが細胞膜にあり、ナトリウムと他の物質を結びつけて輸送します。 - 重要なメカニズム:
- グルコースの輸送: 腎臓や腸の上皮細胞（epithelial cells）を通じてグルコースを運ぶ際に重要です。
- アミノ酸のナトリウム共輸送: 腸管の上皮細胞や腎臓の尿細管（renal tubules）でアミノ酸の吸収を促進します。
- カップリングメカニズム:
カウンタートランスポート（Countertransport）
- カウンタートランスポート（Countertransport）
ナトリウムイオンは大きな濃度勾配のために細胞内へ拡散しようとしますが、輸送される物質は細胞内にあり、外部へ移動する必要があります。- メカニズム:
ナトリウムイオンがキャリアタンパク質の外側の表面に結合し、輸送される物質が内側の突出部に結合します。 - 例:
- ナトリウム-カルシウムカウンタートランスポート（Sodium-Calcium Counter-transport）
- ナトリウム-水素カウンタートランスポート（Sodium-Hydrogen Counter-transport）
- メカニズム:
細胞シートを通じた能動輸送（Active Transport Through Cellular Sheets）
- 細胞シートを通じた輸送
物質が単に細胞膜を通るのではなく、細胞シート全体を通過する必要があります。- 発生場所:
- 腸の上皮（intestinal epithelium）
- 腎臓の尿細管の上皮（epithelium of the renal tubules）
- 外分泌腺の上皮（epithelium of all exocrine glands）
- 胆のうの上皮（epithelium of the gallbladder）
- 脳の脈絡叢の膜（membrane of the choroid plexus of the brain）
- 基本メカニズム:
- 細胞シートの一方の側の細胞膜を通じて能動輸送が行われる。
- シートの反対側の膜を通じて、単純拡散（simple diffusion）または促進拡散（facilitated diffusion）が行われる。
- 発生場所:
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