プリンキピア

第5章細胞膜の構造と機能

Carbohydrates糖質

Carbohydrates are the third major plasma membrane component. They are always on the cells' exterior surface and are bound either to proteins (forming glycoproteins) or to lipids (forming glycolipids) (Figure 5.2). These carbohydrate chains may consist of 2–60 monosaccharide units and can be either straight or branched. Along with peripheral proteins, carbohydrates form specialized sites on the cell surface that allow cells to recognize each other. These sites have unique patterns that allow for cell recognition, much the way that the facial features unique to each person allow individuals to recognize him or her. This recognition function is very important to cells, as it allows the immune system to differentiate between body cells (“self”) and foreign cells or tissues (“non-self”). Similar glycoprotein and glycolipid types are on the surfaces of viruses and may change frequently, preventing immune cells from recognizing and attacking them.
英語のヒント
糖質は、細胞膜の第3の主要成分である。常に細胞の外側表面にあり、タンパク質と結合して糖タンパク質を作るか、脂質と結合して糖脂質を作る(図5.2)。これらの糖鎖は2〜60個の単糖単位からなり、直線状の場合も、枝分かれする場合もある。糖質は周辺性タンパク質とともに、細胞どうしを認識できるようにする特別な部位を細胞表面に作る。その部位には固有のパターンがあり、細胞の識別を可能にする。人それぞれの顔立ちから、その人を見分けられるのとよく似ている。この認識機能は細胞にとって非常に重要で、免疫系が体の細胞である「自己」と、異物の細胞や組織である「非自己」を区別できるようにする。同様の糖タンパク質や糖脂質はウイルス表面にもあるが、頻繁に変化することがあり、免疫細胞による認識や攻撃を妨げる。
We collectively refer to these carbohydrates on the cell's exterior surface—the carbohydrate components of both glycoproteins and glycolipids—as the glycocalyx (meaning “sugar coating”). The glycocalyx is highly hydrophilic and attracts large amounts of water to the cell's surface. This aids in the cell's interaction with its watery environment and in the cell’s ability to obtain substances dissolved in the water. As we discussed above, the glycocalyx is also important for cell identification, self/non-self determination, and embryonic development, and is used in cell to cell attachments to form tissues.
英語のヒント
細胞の外側表面にあるこれらの糖質、つまり糖タンパク質と糖脂質の両方の糖質部分をまとめて、グリコカリックスと呼ぶ。この名は「糖の覆い」を意味する。グリコカリックスは非常に親水性が高く、多量の水を細胞表面へ引きつける。これは、細胞が水性の環境と相互作用し、水に溶けた物質を得るのを助ける。すでに述べたように、グリコカリックスは、細胞の識別、自己と非自己の判定、胚発生にも重要であり、組織を作る際の細胞間の接着にも使われる。

Membrane Fluidity膜の流動性

The membrane's mosaic characteristic helps to illustrate its nature. The integral proteins and lipids exist in the membrane as separate but loosely attached molecules. These resemble the separate, multicolored tiles of a mosaic picture, and they float, moving somewhat with respect to one another. The membrane is not like a balloon, however, that can expand and contract; rather, it is fairly rigid and can burst if penetrated or if a cell takes in too much water. However, because of its mosaic nature, a very fine needle can easily penetrate a plasma membrane without causing it to burst, and the membrane will flow and self-seal when one extracts the needle.
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膜がモザイク状であることは、その性質を理解する助けになる。内在性タンパク質と脂質は、別々の分子として膜内に存在し、ゆるく結びついている。モザイク画を作る色とりどりの独立したタイルに似ており、浮かびながら互いに対して多少動く。ただし、膜は膨らんだり縮んだりできる風船のようなものではない。かなり硬く、穴を開けられたり、細胞が水を取り込みすぎたりすると破れることがある。しかしモザイク状の性質により、ごく細い針なら細胞膜を破裂させずに容易に通すことができ、針を抜けば膜が流動して自ら閉じる。
The membrane's mosaic characteristics explain some but not all of its fluidity. There are two other factors that help maintain this fluid characteristic. One factor is the nature of the phospholipids themselves. In their saturated form, the fatty acids in phospholipid tails are saturated with bound hydrogen atoms. There are no double bonds between adjacent carbon atoms. This results in tails that are relatively straight. In contrast, unsaturated fatty acids do not contain a maximal number of hydrogen atoms, but they do contain some double bonds between adjacent carbon atoms. A double bond results in a bend in the carbon string of approximately 30 degrees (Figure 5.3).
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膜のモザイク状の特徴は、流動性の一部を説明するが、すべてではない。流動的な性質を保つには、ほかにも二つの要因がある。一つはリン脂質そのものの性質である。リン脂質の尾部にある飽和脂肪酸は、結合した水素原子で飽和しており、隣接する炭素原子の間に二重結合がない。そのため、尾部は比較的まっすぐになる。一方、不飽和脂肪酸は最大数の水素原子を含まず、隣接する炭素原子間に二重結合を含む。二重結合によって炭素の鎖に約30度の曲がりができる(図5.3)。
Thus, if decreasing temperatures compress saturated fatty acids with their straight tails, they press in on each other, making a dense and fairly rigid membrane. If unsaturated fatty acids are compressed, the “kinks” in their tails elbow adjacent phospholipid molecules away, maintaining some space between the phospholipid molecules. This “elbow room” helps to maintain fluidity in the membrane at temperatures at which membranes with saturated fatty acid tails in their phospholipids would “freeze” or solidify. The membrane's relative fluidity is particularly important in a cold environment. A cold environment usually compresses membranes comprised largely of saturated fatty acids, making them less fluid and more susceptible to rupturing. Many organisms (fish are one example) are capable of adapting to cold environments by changing the proportion of unsaturated fatty acids in their membranes in response to lower temperature.
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したがって、温度が下がって、まっすぐな尾部をもつ飽和脂肪酸が圧縮されると、互いに押し合って密集し、かなり硬い膜を作る。不飽和脂肪酸が圧縮された場合には、尾部の「折れ曲がり」が隣のリン脂質分子を押しのけ、分子間にある程度の空間を保つ。この「動く余地」のおかげで、飽和脂肪酸の尾部をもつリン脂質の膜なら「凍る」、すなわち固まる温度でも、膜の流動性を保てる。膜の相対的な流動性は、寒い環境で特に重要である。寒い環境では通常、主に飽和脂肪酸からなる膜が圧縮され、流動性が下がり、破れやすくなる。魚をはじめ多くの生物は、温度の低下に応じて膜内の不飽和脂肪酸の割合を変え、寒い環境に適応できる。
Animals have an additional membrane constituent that assists in maintaining fluidity. Cholesterol, which lies alongside the phospholipids in the membrane, tends to dampen temperature effects on the membrane. Thus, this lipid functions as a buffer, preventing lower temperatures from inhibiting fluidity and preventing increased temperatures from increasing fluidity too much. Thus, cholesterol extends, in both directions, the temperature range in which the membrane is appropriately fluid and consequently functional. Cholesterol also serves other functions, such as organizing clusters of transmembrane proteins into lipid rafts.
英語のヒント
動物の膜には、流動性の維持を助ける別の成分もある。膜内でリン脂質に沿って位置するコレステロールは、温度が膜に及ぼす影響を弱める傾向がある。つまり、この脂質は緩衝材のように働き、低温で流動性が失われるのを防ぎ、高温で流動性が高まりすぎるのも防ぐ。こうしてコレステロールは、膜が適切な流動性を保って機能できる温度範囲を、高温側と低温側の両方へ広げる。コレステロールには、膜貫通タンパク質の集団を脂質ラフトとしてまとめるなど、ほかの機能もある。
Plasma Membrane Components and Functions
細胞膜の構成要素と機能
Component
構成要素
Location
位置
Phospholipid
リン脂質
Main membrane fabric
膜の主要な土台
Cholesterol
コレステロール
Attached between phospholipids and between the two phospholipid layers
リン脂質どうしの間、および二つのリン脂質層の間に結合する
Integral proteins (for example, integrins)
内在性タンパク質(例:インテグリン)
Embedded within the phospholipid layer(s); may or may not penetrate through both layers
リン脂質層の中に埋め込まれる。両方の層を貫くものも、貫かないものもある
Peripheral proteins
周辺性タンパク質
On the phospholipid bilayer's inner or outer surface; not embedded within the phospholipids
リン脂質二重層の内側または外側表面にある。リン脂質の中には埋め込まれない
Carbohydrates (components of glycoproteins and glycolipids)
糖質(糖タンパク質と糖脂質の構成要素)
Generally attached to proteins on the outside membrane layer
一般に、膜の外側の層にあるタンパク質に結合する
Table 5.1表 5.1