細胞膜（原形質膜または細胞質膜とも呼ばれる）は、生物学の世界で最も魅力的でエレガントな構造の1つです。 細胞は、地球上のすべての生物の基本単位または「構成要素」と見なされます。 あなた自身の体には何兆ものそれらがあり、異なる器官や組織の異なる細胞には これらからなる組織の機能と絶妙に相関するさまざまな構造 細胞。
細胞の核は通過するのに必要な遺伝物質を含んでいるので、しばしば最も注目を集めますが 生物の次の世代への情報、細胞膜は文字通りの門番であり、細胞の守護者です 内容。 しかし、単なる容器や障壁からはほど遠い、効率的で飽きのこない輸送を通じて、膜は細胞の平衡または内部バランスを維持するように進化してきました。 膜を一種の微視的な税関職員にし、細胞のリアルタイムに従ってイオンと分子の出入りを許可および拒否するメカニズム ニーズ。
寿命スペクトル全体の細胞膜
すべての生物はある種の細胞膜を持っています。 これには、主に細菌であり、地球上で最も古い生物種のいくつかを表すと考えられている原核生物、および動物や植物を含む真核生物が含まれます。 原核生物と真核生物の両方の植物は、追加の保護のために細胞膜の外側に細胞壁を持っています。 植物では、この壁には毛穴があり、通過できるものと通過できないものに関して特に選択的ではありません。 さらに、真核生物は、細胞全体を取り巻くような膜に囲まれた、核やミトコンドリアなどの細胞小器官を持っています。 原核生物には核さえありません。 それらの遺伝物質は、いくらかしっかりとではあるが、細胞質全体に分散している。
かなりの分子的証拠は、真核細胞が原核細胞の子孫であり、進化のある時点で細胞壁を失っていることを示唆しています。 これにより、個々の細胞は傷害に対してより脆弱になりましたが、それはまた、それらがより複雑になり、その過程で幾何学的に拡大することを可能にしました。 実際、真核細胞は原核細胞の10倍の大きさになる可能性があり、定義上、単一の細胞が原核生物全体であるという事実によって、この発見はさらに印象的なものになりました。 （一部の真核生物も単細胞です。）
細胞膜構造
細胞膜は、主にリン脂質からなる二層構造（「流動モザイクモデル」と呼ばれることもある）で構成されています。 これらの層の1つは細胞の内部、つまり細胞質に面しており、もう1つは外部環境に面しています。 外向きと内向きの側面は「親水性」と見なされるか、水っぽい環境に引き付けられます。 内側の部分は「疎水性」、つまり水っぽい環境ではじかれます。 単独では、細胞膜は体温では流動性がありますが、低温ではゲルのような粘稠度を示します。
二重層の脂質は、細胞膜の総質量の約半分を占めています。 コレステロールは動物細胞の脂質の約5分の1を占めていますが、植物のどこにもコレステロールが見られないため、植物細胞ではそうではありません。 膜の残りのほとんどは、さまざまな機能を持つタンパク質によって占められています。 ほとんどのタンパク質は膜自体と同様に極性分子であるため、親水性の端は細胞の外側に突き出ており、疎水性の端は二重層の内側を指しています。
これらのタンパク質の中には、炭水化物鎖が結合しているものがあり、糖タンパク質になっています。 膜タンパク質の多くは、二重層を通過する物質の選択的輸送に関与しており、 膜を横切ってタンパク質チャネルを作成するか、膜を横切って物理的にシャトルすることによって行うことができます。 他のタンパク質は細胞表面の受容体として機能し、化学信号を運ぶ分子の結合部位を提供します。 これらのタンパク質は、この情報を細胞の内部に伝えます。 さらに他の膜タンパク質は、原形質膜自体に特有の反応を触媒する酵素として作用する。
細胞膜機能
細胞膜の重要な側面は、それが「防水」である、または一般に物質に対して不浸透性であるということではありません。 もしそうなら、細胞は死ぬでしょう。 細胞膜の主な仕事を理解するための鍵は、それが 選択的に透過性. アナロジー：地球上のほとんどの国が人々が 国の国境、世界中の国々は誰にも許可する習慣がありません 誰もが入ります。 細胞膜は、これらの国の政府が行っていることをはるかに小さな規模で行おうとします。つまり、望ましい実体が細胞に入るのを許可します。 内部または細胞に毒性または破壊的であることが証明される可能性のある実体への侵入を禁止しながら「精査」された後 全体。
全体として、膜は正式な境界として機能し、細胞のさまざまな部分を同じように保持します 農場の周りの柵が家畜を歩き回ったり交わったりしながらも家畜を一緒に保つ方法。 最も簡単に出入りできる分子の種類を推測する必要がある場合は、次のように言うかもしれません。 それぞれ「燃料源」と「代謝廃棄物」は、これが本質的に体全体であるものであることを考えると、 行う。 そして、あなたは正しいでしょう。 ガス状酸素（O2）、ガス状二酸化炭素（CO2）、および水（H2O）は、膜を自由に通過できますが、アミノ酸や糖などのより大きな分子の通過は厳密に制御されています。
脂質二重層
細胞膜二重層を構成する「リン脂質」とほぼ普遍的に呼ばれる分子は、より適切に呼ばれます 「グリセロリン脂質」。 それらは、片側の2つの長い脂肪酸に結合した3炭素アルコールであるグリセロール分子と もう一方のリン酸基。 これにより、分子は長い円筒形になり、幅の広いシートの一部となる作業に適しています。これは、膜二重層の単層が断面で似ているものです。
グリセロリン脂質のリン酸部分は親水性です。 特定の種類のリン酸基は分子ごとに異なります。 例えば、それは、窒素含有成分を含むホスファチジルコリンであり得る。 水と同じように、電荷の分布が不均一である（つまり極性がある）ため、親水性であるため、2つは微細な領域で「仲良く」なります。
膜の内部にある脂肪酸は、その構造のどこにも電荷の不均一な分布がないため、非極性であり、したがって疎水性です。
リン脂質の電気化学的特性のため、リン脂質二重層の配置は、作成または維持するためにエネルギーの入力を必要としません。 実際、水中に配置されたリン脂質は、流体が「独自のレベルを求める」のとほぼ同じ方法で、自発的に二重層構成をとる傾向があります。
細胞膜輸送
細胞膜は選択的に透過性であるため、大きなものから小さなものまで、さまざまな物質を一方の側からもう一方の側に移動させる手段を提供する必要があります。 川や水域を横断する方法を考えてみてください。 あなたはフェリーに乗るかもしれません。 そよ風に乗って漂うだけの場合もあれば、安定した川や海流に乗って運ばれる場合もあります。 そして、高すぎるため、そもそも水域を横断していることに気付くかもしれません。 あなたの側に人が集中し、他の人に集中しすぎているため、 物事。
これらの各シナリオは、分子が細胞膜を通過する方法の1つ以上と何らかの関係があります。 これらの方法は次のとおりです。
単純拡散： このプロセスでは、分子は単に二重膜を通ってドリフトし、セルに出入りします。 ここで重要なのは、ほとんどの状況で分子が濃度勾配を下って移動することです。つまり、分子は高濃度の領域から低濃度の領域に自然にドリフトします。 ペンキの缶をプールの真ん中に注ぐとしたら、ペンキ分子の外向きの動きは単純な拡散の形を表します。 ご想像のとおり、このように細胞膜を通過できる分子は、Oなどの小分子です。2 およびCO2.
浸透： 浸透は、水に溶解した粒子の移動が不可能なときに水の移動を引き起こす「吸引圧力」として説明される場合があります。 これは、膜が水を通過させるが、問題の溶解粒子（「溶質」）は通過させない場合に発生します。 局所環境全体が、単位水あたりの溶質の量が全体を通して同じである平衡状態を「求めている」ため、推進力は再び濃度勾配です。 水透過性、溶質不透過性の膜の片側に他の側よりも多くの溶質粒子がある場合、水は溶質濃度の高い領域に流れます。 つまり、粒子が移動しても水中の濃度を変えることができない場合、水自体が移動して多かれ少なかれ同じ仕事を成し遂げます。
促進拡散： この場合も、このタイプの膜輸送では、粒子が高濃度の領域から低濃度の領域に移動します。 ただし、単純拡散の場合とは異なり、分子はを介してセルに出入りします。 グリセロリン脂質間の空間を単に漂うのではなく、特殊なタンパク質チャネル 分子。 川を流れ落ちる何かが突然通路に出たときに何が起こるかを見たことがあれば 岩の間では、オブジェクト（おそらくインナーチューブの友達！）がこの中にかなりスピードアップすることを知っています 通路; だからそれはタンパク質チャネルです。 これは、極性分子または電荷分子で最も一般的です。
能動輸送： 以前に議論された膜輸送のタイプはすべて、濃度勾配を下る動きを伴う。 ただし、ボートが上流に移動し、車が丘を登らなければならないのと同じように、物質はほとんどの場合、濃度勾配に逆らって移動します。これは、エネルギー的に不利な状況です。 その結果、プロセスは外部ソースから電力を供給される必要があります。この場合、そのソースはアデノシン三リン酸（ATP）であり、微視的な生物学的取引のための広範な燃料です。 このプロセスでは、3つのリン酸基の1つがATPから除去されて、アデノシン二リン酸（ADP）と遊離リン酸が生成されます。 リン酸塩-リン酸塩結合の加水分解によって解放されたエネルギーは、分子を勾配を上って、 膜。
能動輸送はまた、間接的または二次的な方法で発生する可能性があります。 例えば、膜ポンプは、ナトリウムをその濃度勾配を横切って膜の一方の側からもう一方の側に、細胞の外に移動させることができる。 ナトリウムイオンが他の方向に拡散して戻ると、それに対してグルコース分子を運ぶ可能性があります 分子自体の濃度勾配（グルコース濃度は通常、細胞内よりも細胞内の方が高くなります。 外側）。 ブドウ糖の動きはその濃度勾配に反しているため、これは能動輸送ですが、ATPが直接関与していないため、これは次の例です。 二次 能動輸送。