Physiology · 1.2

細胞膜の構造・透過性・輸送機能。経上皮輸送。

Structure, permeability and transport functions of the cell membrane. Transepithelial transports

🧠 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。

成分	特徴・機能
リン脂質	両親媒性amphipathic両親媒性（amphipathic）amphipathic（両親媒性）：疎水性の脂肪酸尾部fatty acid tail脂肪酸尾部（fatty acid tail）fatty acid tail（脂肪酸尾部）＋親水性hydrophilic親水性（hydrophilic）hydrophilic（親水性）のグリセロールhead（glycerol head）を持つスフィンゴミエリンsphingomyelinスフィンゴミエリン（sphingomyelin）sphingomyelin（スフィンゴミエリン）など。膜の選択的透過性selective permeability選択的透過性（selective permeability）selective permeability（選択的透過性）を作る
コレステロール	リン脂質の連続性continuous連続性（continuous）continuous（連続性）を壊し、膜の流動性fluidity流動性（fluidity）fluidity（流動性）を至適レベルに保つ（高温では固く、低温では柔らかく保つ方向に働く）
糖脂質glycolipid糖脂質（glycolipid）glycolipid（糖脂質）	細胞の安定性維持、細胞認識cell recognition細胞認識（cell recognition）cell recognition（細胞認識）（例：ABO血液型抗原blood group antigen血液型抗原（blood group antigen）blood group antigen（血液型抗原））
蛋白質	輸送体・酵素・ホルモン受容体hormone receptorホルモン受容体（hormone receptor）hormone receptor（ホルモン受容体）・抗原・イオン/水チャネルion/water channel水チャネル（ion/water channel）ion/water channel（水チャネル）として機能。膜貫通型transmembrane膜貫通型（transmembrane）transmembrane（膜貫通型）（integral、多くは複数回貫通）と表在性に分類

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。
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

	チャネル	担体
性質	受動、ゲート型gatedゲート型（gated）gated（ゲート型）（開閉gating開閉（gating）gating（開閉））、高速	受動または能動、サイクル型（構造変化conformational change構造変化（conformational change）conformational change（構造変化）を繰り返す）、低速
飽和	生理的にはほぼ飽和しない（極端な高濃度でのみ）	飽和する
電荷	—	電気的に中性 or 荷電charged荷電（charged）charged（荷電）輸送どちらもあり得る

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。

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。

分類	エネルギー源	例
一次能動輸送primary active transport一次能動輸送（primary active transport）primary active transport（一次能動輸送）	ATP直接分解	Na⁺/K⁺-ATPasesodium-potassium ATPaseNa⁺/K⁺-ATPase（sodium-potassium ATPase）sodium-potassium ATPase（Na⁺/K⁺-ATPase）（3Na⁺外・2K⁺内）、Ca²⁺-ATPase（PM、plasma membrane）、SERCA（筋小胞体sarcoplasmic reticulum筋小胞体（sarcoplasmic reticulum）sarcoplasmic reticulum（筋小胞体）/ER, sarcoplasmic/endoplasmic reticulum、2Ca²⁺/ATP）、H⁺/K⁺-ATPase（腎集合管renal collecting duct腎集合管（renal collecting duct）renal collecting duct（腎集合管）間在細胞intercalated cells間在細胞（intercalated cells）intercalated cells（間在細胞）、intercalated cell）
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）	一次能動輸送primary active transport一次能動輸送（primary active transport）primary active transport（一次能動輸送）が作った濃度勾配（例：高EC Na⁺）	Na⁺と共役する共輸送体cotransporter共輸送体（cotransporter）cotransporter（共輸送体）：TAL（太い上行脚thick ascending limb太い上行脚（thick ascending limb）thick ascending limb（太い上行脚）, thick ascending limb）のNa⁺/K⁺/2Cl⁻共輸送体cotransporter共輸送体（cotransporter）cotransporter（共輸送体）、近位尿細管proximal tubule近位尿細管（proximal tubule）proximal tubule（近位尿細管）のSGLT（sodium-glucose cotransporter）、Na⁺/アミノ酸共輸送体cotransporter共輸送体（cotransporter）cotransporter（共輸送体）

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

過程	種類	特徴
エンドサイトーシス	飲作用pinocytosis飲作用（pinocytosis）pinocytosis（飲作用）	小分子を陥入・液胞形成vacuole formation液胞形成（vacuole formation）vacuole formation（液胞形成）で取り込む
	食作用phagocytosis食作用（phagocytosis）phagocytosis（食作用）	細菌などの大型粒子large particle大型粒子（large particle）large particle（大型粒子）。多くは抗原を介した受容体介在性
	受容体介在性エンドサイトーシスreceptor-mediated endocytosis受容体介在性エンドサイトーシス（receptor-mediated endocytosis）receptor-mediated endocytosis（受容体介在性エンドサイトーシス）	クラスリン被覆小窩clathrin-coated pitクラスリン被覆小窩（clathrin-coated pit）clathrin-coated pit（クラスリン被覆小窩）を利用
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）	特定細胞種で常時活動（例：ECM蛋白, extracellular matrix proteinの放出）
	調節性regulated調節性（regulated）regulated（調節性）	ホルモンや神経伝達物質などの外部シグナルで開始

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>"]

経路	機構	例
トランスサイトーシスtranscytosisトランスサイトーシス（transcytosis）transcytosis（トランスサイトーシス）	一方の膜でエンドサイトーシス→反対側の膜で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）。小胞内の物質を上皮越しに運ぶ	—
経細胞輸送transcellular transport経細胞輸送（transcellular transport）transcellular transport（経細胞輸送）	細胞を貫通する経路。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）で異なる輸送体・チャネル・担体を利用	近位尿細管proximal tubule近位尿細管（proximal tubule）proximal tubule（近位尿細管）でのグルコース吸収、Cl⁻分泌
傍細胞輸送paracellular transport傍細胞輸送（paracellular transport）paracellular transport（傍細胞輸送）	細胞間の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）を通過	H₂O、Na⁺、K⁺など

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intestinal epithelium腸上皮（intestinal epithelium）intestinal epithelium（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⁺-ATPasesodium-potassium ATPaseNa⁺/K⁺-ATPase（sodium-potassium ATPase）sodium-potassium ATPase（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。