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同義語：細胞表面膜、形質膜 | 同義語：細胞表面膜、形質膜 | ||
細胞膜とは、細胞質と細胞外環境を隔てる[[wikipedia:ja:脂質膜|脂質膜]]を指し、細胞表面膜あるいは形質膜とも呼ばれる。細胞膜は厚さ約5 | 細胞膜とは、細胞質と細胞外環境を隔てる[[wikipedia:ja:脂質膜|脂質膜]]を指し、細胞表面膜あるいは形質膜とも呼ばれる。細胞膜は厚さ約5 nmの脂質２重層を基盤とする膜平面内にタンパク質が密に分布している。細胞膜という用語は、広義には細胞を構成する膜全般を表すが、本稿では後者を生体膜と呼んで区別する。以下では、動物細胞の生体膜に共通した性質を概説しながら、細胞膜の特殊性について論じる。 | ||
== 細胞膜の分子構築 == | == 細胞膜の分子構築 == | ||
=== | === 脂質２重層 === | ||
生体膜の主要構成成分は[[wikipedia:ja:脂質|脂質]]と[[wikipedia:ja:タンパク質|タンパク質]]である。このうち脂質は、[[wikipedia:ja:グリセロリン脂質|グリセロリン脂質]]と[[wikipedia:ja:スフィンゴ脂質|スフィンゴ脂質]]、[[ステロール]]に大別される。グリセロリン脂質は[[wikipedia:ja:グリセロール|グリセロール]] | 生体膜の主要構成成分は[[wikipedia:ja:脂質|脂質]]と[[wikipedia:ja:タンパク質|タンパク質]]である。このうち脂質は、[[wikipedia:ja:グリセロリン脂質|グリセロリン脂質]]と[[wikipedia:ja:スフィンゴ脂質|スフィンゴ脂質]]、[[ステロール]]に大別される。グリセロリン脂質は[[wikipedia:ja:グリセロール|グリセロール]]骨格に２つの[[wikipedia:ja:アシル基|アシル基]]が結合した構造を、またスフィンゴ脂質は高級[[wikipedia:ja:アミノアルコール|アミノアルコール]]の[[wikipedia:ja:スフィンゴシン骨格|スフィンゴシン骨格]]に１つのアシル基が結合した構造をしており、極性部分と[[wikipedia:ja:疎水性|疎水性]]部分を併せ持つ[[wikipedia:ja:両親媒性|両親媒性]]分子である。これらの脂質は、水中では炭化水素鎖の疎水性相互作用により会合し、極性頭部を溶媒に向けた２重層構造を形成する。細胞膜の基本構造は、脂質２重層によるマトリックスに種々の膜タンパク質が浮遊した構造であると考えられており、SingerとNicolsonによって[[wikipedia:Fluid_mosaic_model#Fluid_mosaic_model|流動モザイクモデル]]として初めて提示された（図１）<ref><pubmed>4333397</pubmed></ref>。 | ||
[[Image:PM1.PNG|thumb|350px|'''図１ 流動モザイクモデル''']]<br> | [[Image:PM1.PNG|thumb|350px|'''図１ 流動モザイクモデル''']]<br> | ||
脂質２重層は細胞内外の物質透過性を制限するバリアの役割を果たしているが、膜そのものは極めて流動的であり、膜成分は２次元平面内を容易に移動する。さらに細胞膜では[[エンドサイトーシス]]と[[エクソサイトーシス]]によって、膜成分に絶え間ない流出入がある。従って、細胞膜は単なるバリアとしての静的なオルガネラではなく、常に状態を変化させていると言える。 | |||
===脂質組成 === | ===脂質組成 === | ||
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生体膜脂質の組成は細胞種やオルガネラによって大きく異なるが、動物細胞では一般に[[wikipedia:ja:リン脂質|リン脂質]]が大部分を占め、[[wikipedia:ja:糖脂質|糖脂質]]などは比較的少ない。具体的には、[[wikipedia:ja:ホスファチジルコリン|ホスファチジルコリン]]（PC）、[[wikipedia:ja:スフィンゴミエリン|スフィンゴミエリン]]（SM）、[[wikipedia:ja:ホスファチジルエタノールアミン|ホスファチジルエタノールアミン]]（PE）、[[wikipedia:ja:ホスファチジルセリン|ホスファチジルセリン]]（PS）が多い。一方、細胞膜の特徴はSMと[[コレステロール]]が豊富であることである。[[ラット]][[wikipedia:ja:肝臓|肝臓]]由来の細胞膜を例にとると、リン脂質のおよそ40 mol%がPC、20 mol%がSMであり、コレステロール/リン脂質比は0.8～1に達する<ref><pubmed>5134192</pubmed></ref><ref><pubmed>18216768</pubmed></ref>。人工膜を用いた実験において、コレステロールは[[wikipedia:ja:飽和脂肪酸鎖|飽和脂肪酸鎖]]と高い親和性をもつという知見があり、コレステロールの存在によってスフィンゴ脂質が「[[脂質ラフト]]」と呼ばれる液体秩序相を形成する可能性が指摘されている。定常状態の細胞膜に脂質ラフトが存在するか否かは論争のあるところであるが、種々の方法によって同一膜における脂質の不均一分布が確認されている。詳しくは脂質ラフトの項を参照されたい。 | 生体膜脂質の組成は細胞種やオルガネラによって大きく異なるが、動物細胞では一般に[[wikipedia:ja:リン脂質|リン脂質]]が大部分を占め、[[wikipedia:ja:糖脂質|糖脂質]]などは比較的少ない。具体的には、[[wikipedia:ja:ホスファチジルコリン|ホスファチジルコリン]]（PC）、[[wikipedia:ja:スフィンゴミエリン|スフィンゴミエリン]]（SM）、[[wikipedia:ja:ホスファチジルエタノールアミン|ホスファチジルエタノールアミン]]（PE）、[[wikipedia:ja:ホスファチジルセリン|ホスファチジルセリン]]（PS）が多い。一方、細胞膜の特徴はSMと[[コレステロール]]が豊富であることである。[[ラット]][[wikipedia:ja:肝臓|肝臓]]由来の細胞膜を例にとると、リン脂質のおよそ40 mol%がPC、20 mol%がSMであり、コレステロール/リン脂質比は0.8～1に達する<ref><pubmed>5134192</pubmed></ref><ref><pubmed>18216768</pubmed></ref>。人工膜を用いた実験において、コレステロールは[[wikipedia:ja:飽和脂肪酸鎖|飽和脂肪酸鎖]]と高い親和性をもつという知見があり、コレステロールの存在によってスフィンゴ脂質が「[[脂質ラフト]]」と呼ばれる液体秩序相を形成する可能性が指摘されている。定常状態の細胞膜に脂質ラフトが存在するか否かは論争のあるところであるが、種々の方法によって同一膜における脂質の不均一分布が確認されている。詳しくは脂質ラフトの項を参照されたい。 | ||
また同一膜内における２次元的な不均一分布に加えて、生体膜における膜脂質は２重層の外葉と内葉とでは組成に偏りがあることが知られている（図２）。これに関しては、[[#脂質分布の非対称性|脂質分布の非対称性]]の項で詳述する。 | |||
[[Image:PM2.PNG|thumb|350px|'''図２ 脂質分布の不均一性''']] | [[Image:PM2.PNG|thumb|350px|'''図２ 脂質分布の不均一性''']] | ||
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=== 膜タンパク質 === | === 膜タンパク質 === | ||
生体膜は多量のタンパク質を含んでおり、タンパク質／脂質比は0.2～3と膜によって様々である<ref><pubmed>4263713</pubmed></ref> | 生体膜は多量のタンパク質を含んでおり、タンパク質／脂質比は0.2～3と膜によって様々である<ref><pubmed>4263713</pubmed></ref>。膜タンパク質は、生化学的な性質の違いによって次の２種類に分類される。 | ||
#[[界面活性剤]]などで脂質膜を破壊して初めて可溶化される内在性タンパク質（integral protein） | #[[界面活性剤]]などで脂質膜を破壊して初めて可溶化される内在性タンパク質（integral protein） | ||
#イオン強度やpHの変化だけで膜から遊離する表在性タンパク質（peripheral protein） | #イオン強度やpHの変化だけで膜から遊離する表在性タンパク質（peripheral protein） | ||
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=== 物質の透過性 === | === 物質の透過性 === | ||
脂質２重層は、膜中央部に疎水性の領域を有するため、脂溶性の物質を容易に透過させ、また水分子のように小さな極性分子をわずかに透過させるが、[[wikipedia:ja:イオン|イオン]]のように電荷を持った分子はほとんど透過させない。一方で、細胞膜上には選択的な物質透過性をもつ膜タンパク質群が発現しており、[[wikipedia:ja:輸送担体|輸送担体]]（transporter）と呼ばれる。例えば水輸送担体であるアクアポリンが存在すると、膜を横断する水分子の輸送が大きく促進される。輸送担体による輸送には、利用するエネルギーの種別によって[[wikipedia:ja:受動輸送|受動輸送]]と[[wikipedia:ja:能動輸送|能動輸送]]とがある。前者は細胞膜を貫通する孔を形成し、[[wikipedia:ja:濃度勾配|濃度勾配]]を利用した物質輸送（[[wikipedia:ja:促進拡散|促進拡散]]）を担うことから[[チャネル]]と呼ばれる。一方、後者には、[[wikipedia:ja:ATP|ATP]]の[[wikipedia:ja:加水分解|加水分解]]により得たエネルギーで物質を輸送する[[ポンプ]]や、イオンの濃度勾配すなわち[[電気化学ポテンシャル]]を利用して物質を輸送する[[共輸送体]]（symporter）や[[対向輸送体]]（antiporter）がある。膜を隔てた物質の非対称性はこれらの輸送担体の作用で形成され、脂質膜によって維持される。特に細胞内外の各種イオンの濃度勾配（Na<sup>+</sup>、K<sup>+</sup>、Ca<sup>2+</sup>など）は厳密に維持されており、[[神経細胞]]など[[興奮性膜]]現象の物理化学的基盤となっている。 | |||
=== 脂質膜の流動性 === | === 脂質膜の流動性 === | ||
生理的条件下において膜脂質は流動性の高い[[wikipedia:ja:液晶|液晶]] | 生理的条件下において膜脂質は流動性の高い[[wikipedia:ja:液晶|液晶]]状態にあり、脂質や膜タンパク質は２次元の平面内を側方に動き回ることができる。２次元のランダムな拡散現象は[[wikipedia:ja:アドルフ・オイゲン・フィック|Fick]]の[[wikipedia:ja:拡散方程式|拡散方程式]]により記述できるが、これによると膜分子が<math>t</math>秒間に移動する平均距離は<math>\sqrt{4Dt}</math>と表される。ここで[[wikipedia:ja:フィックの法則|拡散係数]]<span class="texhtml">''D''</span>は、標識した膜分子の動態を追跡することによって実験的に決定され、人工膜中の脂質の場合には約10<sup>-2</sup>～10 µm<sup>2</sup>/sである。これは脂質分子が1秒間に平均0.2～6 µmの距離を移動することに相当し、細胞の直径が高々数10 µmであることを考えると極めて速い運動といえる。しかし生体膜における拡散係数は人工膜中よりも小さく、1/10～1/100程度である。これに関して楠見らは、膜貫通タンパク質が[[アクチン]]骨格と結合して杭のように並ぶことにより、脂質に対する「picket」すなわち拡散障壁として働くというモデルを提唱している<ref><pubmed>15869394</pubmed></ref>。なおスフィンゴ脂質に関しては人工膜中でも拡散が遅い例が報告されており、脂質間相互作用に基づく相分離の関与も想定される。 | ||
また極性を持つ細胞の細胞膜においては、[[wikipedia:ja:管腔|管腔]]側と[[基底膜]]側など異なる領域間で膜成分の交換が著しく制限されているという観察結果がある。神経細胞を例にとると、[[軸索]]と[[細胞体]]の境界にある[[軸索起始部]]（initial segment）では、膜成分の側方運動が制限されており、膜タンパク質や膜骨格が拡散障壁として機能していると考えられている<ref><pubmed>1406997</pubmed></ref>。 | また極性を持つ細胞の細胞膜においては、[[wikipedia:ja:管腔|管腔]]側と[[基底膜]]側など異なる領域間で膜成分の交換が著しく制限されているという観察結果がある。神経細胞を例にとると、[[軸索]]と[[細胞体]]の境界にある[[軸索起始部]]（initial segment）では、膜成分の側方運動が制限されており、膜タンパク質や膜骨格が拡散障壁として機能していると考えられている<ref><pubmed>1406997</pubmed></ref>。 | ||
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=== 脂質分布の非対称性 === | === 脂質分布の非対称性 === | ||
生体膜では脂質２重層の内葉と外葉の間に脂質分子の非対称性分布が見られる（下表）。PCとスフィンゴ脂質は外葉に多く、特に後者はほぼ外葉にのみ存在しているが、PE、PS、[[ホスファチジルイノシトール]]（PI）は内葉に多い<ref><pubmed>8363559</pubmed></ref>。PSの負電荷は種々のタンパク質の内葉へのリクルートに重要である。また細胞内シグナル伝達に関わるホスホイノシチド産生の基質となるPIが内葉に偏在していることは理に適う。その他の多くの脂質の非対称分布の意義については不明な点が多いが、膜タンパク質に結合して機能制御に関与する例が報告されている。 | |||
脂質分子の側方拡散がかなり速いことは前述した通りであるが、２重層を横切る脂質の移動、すなわち外葉から内葉に移動するflipと内葉から外葉に移動するflopは、人工膜では極めて遅い。これは荷電した脂質の極性頭部が疎水性部分を横切るエネルギー障壁が非常に大きいためと考えられる。この考えは[[セラミド]]やコレステロール、[[wikipedia:ja:プロトン|プロトン]]化した[[wikipedia:ja:ホスファチジン酸|ホスファチジン酸]]など、極性頭部が小さい脂質のflip-flopが相対的に速いことによって支持される。<br> | |||
細胞膜では、脂質の非対称性分布は、脂質を内外葉間で輸送するタンパク質群によって形成、維持されている。脂質の非対称性分布が変化する例として、[[アポトーシス]]細胞ではPSが細胞膜外葉に提示され、[[wikipedia:ja:貪食細胞|貪食細胞]]に対する「eat me」シグナルとして働く例がよく知られている。 | 細胞膜では、脂質の非対称性分布は、脂質を内外葉間で輸送するタンパク質群によって形成、維持されている。脂質の非対称性分布が変化する例として、[[アポトーシス]]細胞ではPSが細胞膜外葉に提示され、[[wikipedia:ja:貪食細胞|貪食細胞]]に対する「eat me」シグナルとして働く例がよく知られている。 | ||
{| class="wikitable" | {| class="wikitable" | ||
|+ 細胞膜における脂質の分布と性状 | |+ 細胞膜における脂質の分布と性状 | ||
! 分布 !! 脂質 !! | ! 分布 !! 脂質 !! 生理的条件における電荷 !! 分子の形状 | ||
|- | |- | ||
| rowspan="3" | 主に外葉 | | rowspan="3" | 主に外葉 | ||
| 57行目: | 57行目: | ||
| SM || 中性 || 円筒型 | | SM || 中性 || 円筒型 | ||
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| 糖脂質 || | | 糖脂質 || 中性または負 || 円筒型（頭部が非常に大きなものもある） | ||
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| rowspan="3" | 主に内葉 | | rowspan="3" | 主に内葉 | ||
| PE || 中性 || コーン型（特に不飽和結合を含む脂肪酸鎖を持つ場合） | | PE || 中性 || コーン型（特に不飽和結合を含む脂肪酸鎖を持つ場合） | ||
|- | |- | ||
| PS || | | PS || 負 || 円筒型 | ||
|- | |- | ||
| PI || | | PI || 負 || 円筒型 | ||
|- | |- | ||
| 不明 || コレステロール || 中性 || 平板状 | | 不明 || コレステロール || 中性 || 平板状 | ||