細胞内外間の物質の移動（２）｜細胞の基本

2016/02/18

看護師のための生理学の解説書『図解ワンポイント生理学』より。

[前回の内容]

細胞内外間の物質の移動（１）｜細胞の基本機能

今回は、細胞内外間の物質の移動についての2回目です。

片野由美
山形大学医学部名誉教授
内田勝雄
山形県立保健医療大学名誉教授

Summary

細胞膜は選択的透過性をもつ障壁（バリア）である。
細胞膜は脂溶性物質やガス体を自由に通すが、非脂溶性物質（イオンやグルコースなど）の移動には特殊な機構が必要である。
特殊な機構には、イオンチャネル、担体性輸送、エンドサイトーシスとエクソサイトーシスがある。
担体を利用した輸送には、能動輸送、対向輸送、共輸送等がある。

〈目次〉

チャネル
担体性輸送
エクソサイトーシス（開口分泌）とエンドサイトーシス（開口吸収）

チャネル

細胞膜には、Na^＋（ナトリウムイオン）チャネル、K^＋（カリウムイオン）チャネル、Ca^2＋（カルシウムイオン）チャネルやCl^－（クロライドイオン）チャネルのような分子量の小さいイオンを通す孔（チャネルタンパク）がある。

これらのイオンチャネルが開くと、濃度の高いほうから低いほうへと濃度勾配（電位勾配も関係する）に従って拡散によりイオンは移動する。Na^＋の場合は、濃度の高い細胞外から濃度の低い細胞内へと拡散移動する。これは興奮の発生にとって重要である。

担体性輸送

グルコースやアミノ酸、イオンは膜に存在する膜輸送タンパク質である担体（carrier）（トランスポーターtransporter）によって輸送される。担体はイオンやその他の分子と結合すると、このタンパク質の構造が変わることによって結合した分子を膜の一側から他の側へ移動させる。担体を利用した輸送には、能動輸送、対向輸送、共輸送（共同輸送）等がある（図1）。

図1担体性輸送とイオンチャネル

担体性輸送とイオンチャネル

能動輸送（Na^＋-K^＋ポンプ、Na^＋ポンプまたはNa^＋-K^＋ ATPase）：細胞内から３個のNa^＋が、細胞外から２個のK^＋が濃度勾配に逆らって輸送される。この輸送にはエネルギーが必要であり、ATPの分解で得られるエネルギーが使われる。Pi：無機リン酸（inorganic phosphate）
対向輸送：対向輸送の１例にNa^＋-Ca^2＋交換系がある。この場合、細胞内から１個のCa^2＋が細胞外からの３個のNa^＋と交換して輸送される。
イオンチャネル：細胞膜にあるイオンチャネルが開くと、イオンは濃度勾配に従って拡散で移動する。

（大地陸男：生理学テキスト．第４版、p.９、文光堂、2003より改変）

能動輸送〔 active transport 〕

濃度勾配や電気的勾配に逆らって輸送する担体がある。この場合、エネルギーの供給を必要とするので能動輸送またはポンプとよばれる。低いところから高いところへ水を汲み上げることを思い浮かべてみよう。この場合、ポンプなどを使って汲み上げるであろう。

生体が濃度勾配に逆らって物質を移動する際は、ATPを分解して遊離されるエネルギーを利用する。このような輸送系の最も重要なものにNa^＋-K^＋能動輸送（Na^＋-K^＋ATPase、Na^＋-K^＋ポンプまたはNa^＋ポンプともいう）がある。

Na^＋-K^＋ポンプは、ATPを分解する酵素Na^＋-K^＋ATPaseでもあり、１分子のATPを分解するごとに３個のNa^＋を濃度勾配に逆らって細胞外に汲み出し、２個のK^＋を細胞内に輸送する。

NursingEye

心不全の治療薬であるジギタリスは、Na^＋-K^＋ATPase（Na^＋-K^＋ポンプ）を抑制することによって心筋収縮力を増大させる。
Na^＋-K^＋ポンプ抑制による細胞内Na^＋濃度の上昇は、細胞膜内外の濃度勾配を減少させ、その結果、細胞膜のNa^＋-Ca^2＋交換系を介するNa^＋の流入とCa^2＋の流出が減少し、細胞内Ca^2＋が上昇する。その結果、心筋の収縮力が増大するのである。

対向輸送（対抗輸送）〔 counter transport 〕

対向輸送の代表的なものにNa^＋-Ca^2＋交換系（Na^＋-Ca^2＋exchanger）がある。細胞が興奮（活動電位発生）すると細胞内にCa^2＋が流入するが、流入したCa^2＋はいずれ細胞外に汲み出されなければならない。流入したCa^2＋を汲み出す機構の１つが、Na^＋-Ca^2＋交換系である。