第7回 細胞膜の構造

第7回 細胞膜の構造

細胞膜（生体膜）は、 すべての細胞の表面を包む薄い膜構造で、 細胞の内部と外部を区切る境界としてはたらく。 しかし、ただの仕切りではなく、 物質の出入りを調節する重要な機能をもつ。

細胞膜は主にリン脂質と タンパク質からできている。

リン脂質は特殊な構造をもつ分子で、 水になじみやすい親水性の頭部 （リン酸基とグリセロールからなる）と、 水をはじく疎水性の尾部 （2本の脂肪酸鎖からなる）をもつ。 このように親水性と疎水性の両方の性質をもつことを 両親媒性という。

リン脂質が水中におかれると、疎水性の尾部が水を避けようとして 内向きに集まり、親水性の頭部が外側の水に向く形で 自然とリン脂質二重層が形成される。

二重層の外側（細胞外）と 内側（細胞内）はともに水と接するため、 親水性の頭部が水に向いて並び、 疎水性部分が向かい合って 膜の中心を形成する。 この構造は自己組織化によって 自然に形成される安定した構造である。

細胞膜にはリン脂質二重層に 膜タンパク質が 埋め込まれている。膜を貫通するものを貫通タンパク質、 表面に付着するものを表在性タンパク質という。

膜タンパク質の主な機能は以下のとおりである。

• チャネル： 特定のイオンや小分子が通る水溶性の通り道。受動的に物質を通す。
• キャリアタンパク質（トランスポーター）： 物質に結合して構造変化し、膜を横断させて輸送する。
• 受容体（レセプター）： ホルモンや神経伝達物質などのシグナル分子を受け取り、 情報伝達を行う。
• 酵素： 細胞膜上で特定の化学反応を触媒する。

1972年、シンガーと ニコルソンが提唱した 流動モザイクモデルは、 現在の細胞膜の標準的なモデルである。

このモデルの要点は以下の2つ。 ① 膜は流動的である： リン脂質分子は固定されておらず、膜面に沿って横方向に 比較的自由に動くことができる（流動性）。 ② 膜はモザイク状である： タンパク質がリン脂質二重層に点在・埋め込まれ、 まるでモザイクタイルのように分布している。

細胞膜は選択的透過性をもつ。 つまり、物質の種類によって通しやすさが異なる。

• 通りやすい物質： 脂溶性（疎水性）の物質（酸素・CO₂・エタノールなど）は リン脂質二重層をそのまま通り抜けられる。 また、水はアクアポリン （水チャネル）を通じて素早く移動できる。
• 通りにくい物質： イオン （Na⁺・K⁺・Cl⁻など）や水溶性の 大きな分子（グルコース・アミノ酸など）は 膜タンパク質（チャネルやキャリアタンパク質）の助けがなければ通過できない。

物質は濃度勾配 （濃い方から薄い方へ）に従って移動しようとし、 このエネルギーを使わない移動を拡散という。 一方、濃度勾配に逆らって物質を輸送する 能動輸送には ATP（エネルギー）が必要である。 この詳細は次の回で学ぶ。

また、水は浸透によって 半透膜（細胞膜）を通り、 浸透圧の差に従って移動する。

細胞膜の外側（細胞外側）には、 糖タンパク質や 糖脂質が存在する。 これらはリン脂質や膜タンパク質に糖鎖が結合したものである。

糖タンパク質・糖脂質の主なはたらき：

• 細胞認識： 細胞どうしが「仲間かどうか」を識別する。
• 自己と非自己の識別： 免疫において、 自己の細胞か異物かを区別するマーカーとなる。
• 細胞間の接着や シグナル受容にも関与する。

細胞膜は次のような多彩な役割を担っている。

細胞壁は 植物細胞や 細菌などにみられる、 細胞膜の外側にある硬い構造で、 細胞膜とは別の存在である。 植物細胞の細胞壁の主成分はセルロース（多糖類）で、 細菌の細胞壁はペプチドグリカンからなる。

細胞膜の選択的透過性により、 物質は細胞膜を自由に行き来できるわけではない。 小さく脂溶性の物質（O₂・CO₂など）は エネルギーなしで通過できる（受動輸送）が、 イオンや大きな 水溶性分子は 輸送タンパク質を介して移動する。 濃度勾配に逆らう輸送（能動輸送）は エネルギー（ATP）を消費する。 これらの詳細は次回「物質の輸送」で学ぶ。