第5章細胞膜の構造と機能
Factors That Affect Diffusion拡散に影響する要因
Molecules move constantly in a random manner, at a rate that depends on their mass, their environment, and the amount of thermal energy they possess, which in turn is a function of temperature. This movement accounts for molecule diffusion through whatever medium in which they are localized. A substance moves into any space available to it until it evenly distributes itself throughout. After a substance has diffused completely through a space, removing its concentration gradient, molecules will still move around in the space, but there will be no net movement of the number of molecules from one area to another. We call this lack of a concentration gradient in which the substance has no net movement dynamic equilibrium. While diffusion will go forward in the presence of a substance's concentration gradient, several factors affect the diffusion rate.
英語のヒント
分子は常に不規則に動いており、その速さは、質量、周囲の環境、もっている熱エネルギーの量によって決まる。熱エネルギーの量は温度に依存する。この運動によって、分子は置かれているどのような媒体中でも拡散する。物質は入れる空間へと移動し、やがて全体に均等に分布する。物質が空間全体に完全に拡散し、濃度勾配がなくなった後も、分子は動き続ける。しかし、一つの領域から別の領域へ移る分子数に正味の偏りはなくなる。濃度勾配がなく、物質の正味の移動がないこの状態を、動的平衡という。物質の濃度勾配があれば拡散は進むが、その速度には複数の要因が影響する。
- Extent of the concentration gradient: The greater the difference in concentration, the more rapid the diffusion. The closer the distribution of the material gets to equilibrium, the slower the diffusion rate.
英語のヒント
濃度勾配の大きさ：濃度の差が大きいほど、拡散は速い。物質の分布が平衡に近づくほど、拡散速度は遅くなる。 - Mass of the molecules diffusing: Heavier molecules move more slowly; therefore, they diffuse more slowly. The reverse is true for lighter molecules.
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拡散する分子の質量：重い分子は動きが遅いため、拡散も遅い。軽い分子では、その逆になる。 - Temperature: Higher temperatures increase the energy and therefore the molecules' movement, increasing the diffusion rate. Lower temperatures decrease the molecules' energy, thus decreasing the diffusion rate.温度：温度が高いとエネルギーが増し、分子の運動が活発になるため、拡散速度が上がる。温度が低いと分子のエネルギーが減り、拡散速度が下がる。
- Solvent density: As the density of a solvent increases, the diffusion rate decreases. The molecules slow down because they have a more difficult time passing through the denser medium. If the medium is less dense, diffusion increases. Because cells primarily use diffusion to move materials within the cytoplasm, any increase in the cytoplasm’s density will inhibit the movement of the materials. An example of this is a person experiencing dehydration. As the body’s cells lose water, the diffusion rate decreases in the cytoplasm, and the cells’ functions deteriorate. Neurons tend to be very sensitive to this effect. Dehydration frequently leads to unconsciousness and possibly coma because of the decrease in diffusion rate within the cells.
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溶媒の密度：溶媒の密度が高くなると、拡散速度は下がる。密度の高い媒体の中は通過しにくいため、分子の動きが遅くなる。密度が低ければ拡散は速くなる。細胞は主に拡散によって細胞質内の物質を動かすため、細胞質の密度が高くなると物質の移動が妨げられる。その例が脱水である。体の細胞が水を失うと、細胞質内の拡散速度が下がり、細胞の機能が悪くなる。ニューロンは特にこの影響に敏感である。脱水は、細胞内の拡散速度の低下によって意識消失を起こすことが多く、昏睡に至ることもある。 - Solubility: As we discussed earlier, nonpolar or lipid-soluble materials pass through plasma membranes more easily than polar materials, allowing a faster diffusion rate.溶解性：前述のように、無極性または脂溶性の物質は、極性物質より容易に細胞膜を通過するため、拡散速度が高くなる。
- Surface area and plasma membrane thickness: Increased surface area increases the diffusion rate; whereas, a thicker membrane reduces it.表面積と細胞膜の厚さ：表面積が大きいと拡散速度が上がり、膜が厚いと下がる。
- Distance travelled: The greater the distance that a substance must travel, the slower the diffusion rate. This places an upper limitation on cell size. A large, spherical cell will die because nutrients or waste cannot reach or leave the cell's center, respectively. Therefore, cells must either be small in size, as in the case of many prokaryotes, or be flattened, as with many single-celled eukaryotes.
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移動距離：物質が移動しなければならない距離が長いほど、拡散速度は遅くなる。このことが、細胞の大きさに上限を設ける。大きな球形の細胞は、栄養素が中心に届かず、老廃物が中心から出られないため死んでしまう。そのため細胞は、多くの原核生物のように小さいか、多くの単細胞真核生物のように平たい形でなければならない。
A variation of diffusion is the process of filtration. In filtration, material moves according to its concentration gradient through a membrane. Sometimes pressure enhances the diffusion rate, causing the substances to filter more rapidly. This occurs in the kidney, where blood pressure forces large amounts of water and accompanying dissolved substances, or solutes, out of the blood and into the renal tubules. The diffusion rate in this instance is almost totally dependent on pressure. One of the effects of high blood pressure is the appearance of protein in the urine, which abnormally high pressure "squeezes through".
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拡散の一つの変形が、ろ過である。ろ過では、物質が濃度勾配に従って膜を通る。圧力によって拡散速度が高まり、物質がより速くろ過されることもある。腎臓ではこの現象が起こり、血圧によって、多量の水とそれに溶けた物質、つまり溶質が、血液から尿細管へ押し出される。この場合の拡散速度は、ほぼ全面的に圧力に依存する。高血圧の影響の一つは尿中にタンパク質が現れることであり、異常に高い圧力がタンパク質を「押し通す」ためである。
Facilitated transport促進輸送
In facilitated transport, or facilitated diffusion, materials diffuse across the plasma membrane with the help of membrane proteins. A concentration gradient exists that would allow these materials to diffuse into the cell without expending cellular energy. However, these materials are polar molecule ions that the cell membrane's hydrophobic parts repel. Facilitated transport proteins shield these materials from the membrane's repulsive force, allowing them to diffuse into the cell.
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促進輸送、または促進拡散では、膜タンパク質の助けによって物質が細胞膜を越えて拡散する。細胞のエネルギーを使わずに細胞内へ拡散できる濃度勾配はあるが、これらは極性分子やイオンであり、細胞膜の疎水性部分にはじかれる。促進輸送を担うタンパク質は、膜の反発力からこれらの物質を守り、細胞内へ拡散できるようにする。
The transported material first attaches to protein or glycoprotein receptors on the plasma membrane's exterior surface. This allows removal of material from the extracellular fluid that the cell needs. The substances then pass to specific integral proteins that facilitate their passage. Some of these integral proteins are collections of beta-pleated sheets that form a pore or channel through the phospholipid bilayer. Others are carrier proteins which bind with the substance and aid its diffusion through the membrane.
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運ばれる物質は、まず細胞膜の外側表面にあるタンパク質または糖タンパク質の受容体に結合する。これにより、細胞が必要とする物質を細胞外液から取り出せる。物質は次に、通過を助ける特定の内在性タンパク質へ渡される。その一部は、リン脂質二重層を貫く孔やチャネルを作るβシートの集まりである。別のものは担体タンパク質で、物質と結合し、膜を通る拡散を助ける。