細胞膜の構造・透過性・輸送機能。経上皮輸送。

🧠 細胞膜は「脂質二重層lipid bilayer 脂質二重層（lipid bilayer）lipid bilayer（脂質二重層） ＝脂溶性物質のフリーパス、蛋白質＝水溶性物質のゲート」という2層構造で読む。 単純拡散simple diffusion 単純拡散（simple diffusion）simple diffusion（単純拡散） →促通拡散 facilitated diffusion 促通拡散（facilitated diffusion） facilitated diffusion（促通拡散） →能動輸送→小胞輸送 vesicular transport小胞輸送（vesicular transport） vesicular transport（小胞輸送）、と「エネルギーを使うか」「担体を使うか」の2軸で輸送様式を整理し、それを上皮細胞に応用したのが経細胞輸送 transcellular transport経細胞輸送（transcellular transport） transcellular transport（経細胞輸送）・傍細胞輸送paracellular transport 傍細胞輸送（paracellular transport）paracellular transport（傍細胞輸送） という上皮特有の枠組みになる。

細胞膜の構造と透過性

細胞膜はリン脂質を主成分 main component 主成分（main component） main component（主成分） とし、蛋白質・コレステロール・糖脂質glycolipid 糖脂質（glycolipid）glycolipid（糖脂質） を含む。

• 脂質成分lipid components 脂質成分（lipid components）lipid components（脂質成分） により脂溶性物質（lipid-soluble substance：CO₂、O₂、脂肪酸、NO、ステロイドホルモンsteroid hormone ステロイドホルモン（steroid hormone）steroid hormone（ステロイドホルモン） など）は自由に通過できるが、水溶性物質（water-soluble substance：イオン、グルコース、アミノ酸）は通過できない。
• 細胞膜の構造は伝統的 Traditional 伝統的（Traditional） Traditional（伝統的） に流動モザイクモデルfluid mosaic model流動モザイクモデル（fluid mosaic model）fluid mosaic model（流動モザイクモデル）（脂質二重層lipid bilayer 脂質二重層（lipid bilayer）lipid bilayer（脂質二重層） の海に蛋白質が浮かぶ）で説明される。この骨格は40年以上を経てなお有効だが、その後に分かったのは膜が側方に不均一だという点である——コレステロールと飽和脂質鎖の優先的な会合による相対的に秩序だった微小ドメイン（脂質ラフトlipid raft脂質ラフト（lipid raft）lipid raft（脂質ラフト））が特定の脂質・蛋白質を選択的に集め¹²、膜に付随する細胞骨格の「柵（フェンス）」も膜分子の側方移動を制限している¹。「流動」を一様な自由拡散と捉えず、ドメインと区画に制約 Limitations 制約（Limitations） Limitations（制約） された流動と補正して覚える。
• 一部のリン脂質（PIP₂など）はシグナル伝達の材料にもなる（Gqシグナルで PLC（ホスホリパーゼCphospholipase CホスホリパーゼC（phospholipase C）phospholipase C（ホスホリパーゼC）, phospholipase C）が PIP₂ を切断しIP₃を放出、1-03-signal-transduction-receptors-g-proteins-second-messengers参照）。

膜輸送の様式

flowchart TD
  A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='membrane transport'>膜輸送</span>"]
  A --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='simple diffusion'>単純拡散</span><br>担体不要・受動・飽和なし"]
  A --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='Protein-mediated transport'>蛋白質介在輸送</span>"]
  A --> D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='vesicular transport'>小胞輸送</span>"]
  C --> E["チャネル<br>受動・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='gated'>ゲート型</span>・高速"]
  C --> F["担体<br>受動または能動・サイクル型・低速"]
  F --> G["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='facilitated diffusion'>促通拡散</span>（受動）"]
  F --> H["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='primary active transport'>一次能動輸送</span>（ATP直接消費）"]
  F --> I["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='secondary active transport'>二次能動輸送</span>（濃度勾配を利用）"]

単純拡散

• 担体蛋白carrier protein 担体蛋白（carrier protein）carrier protein（担体蛋白） を必要としない受動輸送passive transport受動輸送（passive transport）passive transport（受動輸送）。駆動力driving force 駆動力（driving force）driving force（駆動力） は化学的濃度勾配 chemical concentration gradient化学的濃度勾配（chemical concentration gradient） chemical concentration gradient（化学的濃度勾配）。
• 濃度勾配に対して線形に増加し、飽和しない（does not saturate）。分子のブラウン運動 Brownian motion ブラウン運動（Brownian motion） Brownian motion（ブラウン運動） に由来する。
• Fickの第一法則 Fick's first law 第一法則（Fick's first law） Fick's first law（第一法則） ：$J = \dfrac{D \cdot A}{\Delta x} \Delta c$（D=拡散係数 diffusion coefficient拡散係数（diffusion coefficient） diffusion coefficient（拡散係数）、A=面積 area、Δx=膜厚 membrane thickness膜厚（membrane thickness） membrane thickness（膜厚）、Δc=濃度差 concentration difference濃度差（concentration difference） concentration difference（濃度差））。分子が大きいほどDは小さい。
• 対象：O₂、CO₂、CO、NO、尿素、ステロイドホルモンsteroid hormone ステロイドホルモン（steroid hormone）steroid hormone（ステロイドホルモン） などの疎水性分子 hydrophobic molecule疎水性分子（hydrophobic molecule） hydrophobic molecule（疎水性分子）、および水自体。ペプチド・蛋白質・二糖類disaccharide 二糖類（disaccharide）disaccharide（二糖類） は拡散できない。

蛋白質介在輸送

促通拡散facilitated diffusion促通拡散（facilitated diffusion）facilitated diffusion（促通拡散）（アクアポリンAquaporinsアクアポリン（Aquaporins）Aquaporins（アクアポリン）、GLUTなど）は担体を介するが受動的でエネルギー不要、飽和動態saturation kinetics 飽和動態（saturation kinetics）saturation kinetics（飽和動態） を示し、構造的に類似した分子間で競合が起こる。単純拡散simple diffusion 単純拡散（simple diffusion）simple diffusion（単純拡散） より高速。水はアクアポリン Aquaporins アクアポリン（Aquaporins） Aquaporins（アクアポリン） による促通拡散 facilitated diffusion 促通拡散（facilitated diffusion） facilitated diffusion（促通拡散） と単純拡散 simple diffusion 単純拡散（simple diffusion） simple diffusion（単純拡散） の両方で移動するが、促通拡散facilitated diffusion 促通拡散（facilitated diffusion）facilitated diffusion（促通拡散） の方が速い。

💡 アクアポリンAquaporins アクアポリン（Aquaporins）Aquaporins（アクアポリン） は1992年に機能同定された。 ヒト赤血球・腎近位尿細管renal proximal tubule 腎近位尿細管（renal proximal tubule）renal proximal tubule（腎近位尿細管） に豊富な膜蛋白CHIP28（のちのアクアポリン Aquaporins アクアポリン（Aquaporins） Aquaporins（アクアポリン） 1）のRNARNA（ribonucleic acid）をアフリカツメガエル卵母細胞 oocyte 卵母細胞（oocyte） oocyte（卵母細胞） へ注入すると浸透圧による水透過性が増加し、水チャネルion/water channel 水チャネル（ion/water channel）ion/water channel（水チャネル） 阻害薬（水銀化合物mercury compound水銀化合物（mercury compound）mercury compound（水銀化合物））で可逆的に阻害されたことから、この蛋白が水チャネル ion/water channel 水チャネル（ion/water channel） ion/water channel（水チャネル） の実体であると示された³。それまで「水は脂質二重層 lipid bilayer 脂質二重層（lipid bilayer） lipid bilayer（脂質二重層） を単純拡散 simple diffusion 単純拡散（simple diffusion） simple diffusion（単純拡散） で通る」とだけ考えられていた描像に、専用チャネルという要素が加わった発見である。

能動輸送は濃度勾配に逆らって（against the gradient）物質を輸送し、代謝エネルギーmetabolic energy 代謝エネルギー（metabolic energy）metabolic energy（代謝エネルギー） を必要とする。

二次能動輸送secondary active transport 二次能動輸送（secondary active transport）secondary active transport（二次能動輸送） は、輸送方向によって共輸送（追加の溶質がNa⁺と同方向）と対向輸送antiport対向輸送（antiport）antiport（対向輸送）（Na⁺と逆方向）に分かれる。

⚠️ CFTR（cystic fibrosis transmembrane regulator, 嚢胞性線維症膜貫通調節因子）はCl⁻の受動輸送 passive transport 受動輸送（passive transport） passive transport（受動輸送） チャネル。 Cl⁻分泌に水が追随することで体表面の塩分・水分バランスが保たれる。CFTR遺伝子の欠損/変異はCl⁻・水の分泌障害を起こし、肺・膵臓などで粘稠な粘液が産生される（膵腺房で酵素を希釈する水が出ないため膵炎の一因にもなる）。

小胞輸送

経上皮輸送

上皮を介した輸送は3経路に分けて理解する。

flowchart TD
  A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='Trans-epithelial transport'>経上皮輸送</span>"]
  A --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='transcellular transport'>経細胞輸送</span><br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='apical membrane'>頂側膜</span>・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='basolateral membrane'>底側膜</span>それぞれ異なる輸送体を利用"]
  A --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='paracellular transport'>傍細胞輸送</span><br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='tight junctions'>タイトジャンクション</span>を通過"]
  A --> D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='transcytosis'>トランスサイトーシス</span><br>エンドサイトーシス＋<span class='jp-term jp-term-diagram' title='exocytosis'>エキソサイトーシス</span>"]

• タイトジャンクションtight junctions タイトジャンクション（tight junctions）tight junctions（タイトジャンクション） の性質が輸送の律速段階 rate-limiting step 律速段階（rate-limiting step） rate-limiting step（律速段階） を決める。
• 「漏れやすい（leaky）」例：小腸上皮（多くの分子に高い透過性）。
• 「厳密に制御された（tight）」例：腎集合管 renal collecting duct 腎集合管（renal collecting duct） renal collecting duct（腎集合管） （collecting duct、ほぼ輸送されない）。

⭐ 経細胞輸送transcellular transport 経細胞輸送（transcellular transport）transcellular transport（経細胞輸送） は「頂側膜apical membrane 頂側膜（apical membrane）apical membrane（頂側膜） と底側膜 basolateral membrane 底側膜（basolateral membrane） basolateral membrane（底側膜） で違う顔を持つ細胞」というイメージで覚える。同じ細胞でも両側の膜で発現する輸送体が異なるからこそ、方向性のある正味の輸送が生まれる。

まとめ

• 細胞膜はリン脂質二重層 phospholipid bilayer リン脂質二重層（phospholipid bilayer） phospholipid bilayer（リン脂質二重層） （脂溶性物質を通す）＋蛋白質（水溶性物質のゲート）から成る。コレステロールが流動性 fluidity 流動性（fluidity） fluidity（流動性） を調節する。
• 受動輸送passive transport 受動輸送（passive transport）passive transport（受動輸送） ：単純拡散 simple diffusion 単純拡散（simple diffusion） simple diffusion（単純拡散） （飽和なし）、促通拡散facilitated diffusion促通拡散（facilitated diffusion）facilitated diffusion（促通拡散）・チャネル（飽和あり、担体/チャネル依存）。
• 能動輸送：一次（ATP直接消費、Na⁺/K⁺-ATPaseなど）と二次（濃度勾配を利用、SGLTなど）。
• 小胞輸送vesicular transport 小胞輸送（vesicular transport）vesicular transport（小胞輸送） ：エンドサイトーシス（飲作用pinocytosis飲作用（pinocytosis）pinocytosis（飲作用）・食作用phagocytosis食作用（phagocytosis）phagocytosis（食作用）・受容体介在性）とエキソサイトーシス exocytosis エキソサイトーシス（exocytosis） exocytosis（エキソサイトーシス） （構成的constitutive構成的（constitutive）constitutive（構成的）・調節性regulated調節性（regulated）regulated（調節性））。
• 経上皮輸送Trans-epithelial transport 経上皮輸送（Trans-epithelial transport）Trans-epithelial transport（経上皮輸送） は経細胞輸送 transcellular transport 経細胞輸送（transcellular transport） transcellular transport（経細胞輸送） （頂側/底側で異なる輸送体）と傍細胞輸送 paracellular transport 傍細胞輸送（paracellular transport） paracellular transport（傍細胞輸送） （タイトジャンクションtight junctions タイトジャンクション（tight junctions）tight junctions（タイトジャンクション） 経由）の2経路。CFTR異常は嚢胞性線維症の分泌障害の原因。