第5章細胞膜の構造と機能

Section Summaryこの節のまとめ

The passive transport forms, diffusion and osmosis, move materials of small molecular weight across membranes. Substances diffuse from high to lower concentration areas, and this process continues until the substance evenly distributes itself in a system. In solutions containing more than one substance, each molecule type diffuses according to its own concentration gradient, independent of other substances diffusing. Many factors can affect the diffusion rate, such as concentration gradient, diffusing, particle sizes, and the system's temperature.

受動輸送の形である拡散と浸透は、分子量の小さい物質を膜の向こうへ運ぶ。物質は高濃度の領域から低濃度の領域へ拡散し、系全体に均等に分布するまで続く。複数の物質を含む溶液では、それぞれの分子種が、ほかの物質の拡散とは独立して、自身の濃度勾配に従って拡散する。拡散速度には、濃度勾配、拡散する粒子の大きさ、系の温度など、多くの要因が影響する。

In living systems, the plasma membrane mediates substances diffusing in and out of cells. Some materials diffuse readily through the membrane, but others are hindered and only can pass through due to specialized proteins such as channels and transporters. The chemistry of living things occurs in aqueous solutions, and balancing the concentrations of those solutions is an ongoing problem. In living systems, diffusing some substances would be slow or difficult without membrane proteins that facilitate transport.

生体系では、細胞膜が細胞内外への物質の拡散を仲立ちする。容易に膜を通る物質もあれば、通過を妨げられ、チャネルや輸送体などの特殊なタンパク質によってのみ通れる物質もある。生物の化学反応は水溶液中で起こり、その濃度の釣り合いを保つことは常に必要である。輸送を助ける膜タンパク質がなければ、生体系で一部の物質が拡散するのは遅くなるか、難しくなる。

Visual Connection Questions図を使った問題

Exercises 8練習問題 8

Exercise 8問題 8

Figure 5.12 A doctor injects a patient with what the doctor thinks is an isotonic saline solution. The patient dies, and an autopsy reveals that many red blood cells have been destroyed. Do you think the solution the doctor injected was really isotonic?

図5.12 医師が、等張の食塩水だと思っている液を患者に注射した。患者は死亡し、解剖によって多くの赤血球が破壊されていたことが分かった。注射された液は本当に等張だったと思うか。

Solution解き方

Figure 5.12 No, it must have been hypotonic as a hypotonic solution would cause water to enter the cells, thereby making them burst.

図5.12 いいえ。低張液だったはずである。低張液では水が細胞内へ入り、細胞を破裂させるためである。

Review Questions確認問題

Exercises 9–12練習問題 9–12

Exercise 9問題 9

Water moves via osmosis _________.

水は浸透によって_________へ移動する。

throughout the cytoplasm
細胞質全体
from an area with a high concentration of other solutes to a lower one
ほかの溶質の濃度が高い領域から低い領域
from an area with a high concentration of water to one of lower concentration
水の濃度が高い領域から低い領域
from an area with a low concentration of water to higher concentration
水の濃度が低い領域から高い領域

Solution解き方

Exercise 10問題 10

The principal force driving movement in diffusion is the __________.

拡散による移動を駆動する主な力は__________である。

temperature
温度
particle size
粒子の大きさ
concentration gradient
濃度勾配
membrane surface area
膜の表面積

Solution解き方

Exercise 11問題 11

What problem is faced by organisms that live in fresh water?

淡水に暮らす生物は、どのような問題に直面するか。

Their bodies tend to take in too much water.
体に水を取り込みすぎる傾向がある。
They have no way of controlling their tonicity.
張度を調節する方法がない。
Only salt water poses problems for animals that live in it.
生息する動物に問題を起こすのは塩水だけである。
Their bodies tend to lose too much water to their environment.
環境へ水を失いすぎる傾向がある。

Solution解き方

Exercise 12問題 12

In which situation would passive transport not use a transport protein for entry into a cell?

次のどの場合に、細胞へ入る受動輸送で輸送タンパク質を使わないか。

water flowing into a hypertonic environment
水が高張の環境へ流れ込むとき
glucose being absorbed from the blood
グルコースが血液から吸収されるとき
an ion flowing into a nerve cell to create an electrical potential
電位を生じさせるためにイオンが神経細胞へ流れ込むとき
oxygen moving into a cell after oxygen deprivation
酸素不足の後、酸素が細胞内へ移動するとき

Solution解き方

Critical Thinking Questions考察問題

Exercises 13–17練習問題 13–17

Exercise 13問題 13

Which explanation identifies how the following affect the rate of diffusion: molecular size, temperature, solution density, and the distance that must be traveled?

分子の大きさ、温度、溶液の密度、移動しなければならない距離は、拡散速度にどのように影響するか。

Solution解き方

Heavy molecules move more slowly than lighter ones. It takes more energy in the medium to move them along. Increasing or decreasing temperature increases or decreases the energy in the medium, affecting molecular movement. The denser a solution is, the harder it is for molecules to move through it, causing diffusion to slow down due to friction. Living cells require a steady supply of nutrients and a steady rate of waste removal. If the distance these substances need to travel is too great, diffusion cannot move nutrients and waste materials efficiently to sustain life.

重い分子は軽い分子より遅く動く。動かすには、媒体中により多くのエネルギーが必要だからである。温度が上がる、または下がると、媒体中のエネルギーが増減し、分子の運動に影響する。溶液の密度が高いほど分子は通りにくくなり、摩擦によって拡散が遅くなる。生きた細胞には、安定した栄養供給と老廃物の排出が必要である。これらの物質の移動距離が長すぎると、拡散では生命を維持するほど効率よく栄養素や老廃物を運べない。

Exercise 14問題 14

Why does water move through a membrane?

なぜ水は膜を通って移動するのか。

Solution解き方

Water moves through a membrane in osmosis because there is a concentration gradient across the membrane of solute and solvent. The solute cannot effectively move to balance the concentration on both sides of the membrane, so water moves to achieve this balance.

膜の両側に溶質と溶媒の濃度勾配があるため、水は浸透によって膜を通る。溶質は膜の両側の濃度を釣り合わせるようには移動できないため、水が移動して釣り合いを実現する。

Exercise 15問題 15

Both of the regular intravenous solutions administered in medicine, normal saline and lactated Ringer’s solution, are isotonic. Why is this important?

医療で一般的に静脈内投与する生理食塩水と乳酸リンゲル液は、どちらも等張液である。これはなぜ重要か。

Solution解き方

Injection of isotonic solutions ensures that there will be no perturbation of the osmotic balance, and no water taken from tissues or added to them from the blood.

等張液を注射すれば、浸透圧の釣り合いが乱れず、組織から水が奪われたり、血液から組織へ水が加わったりしない。

Exercise 16問題 16

Describe two ways that decreasing temperature would affect the rate of diffusion of molecules across a cell’s plasma membrane.

温度の低下が細胞膜を通る分子の拡散速度に及ぼす影響を、二つ説明しなさい。

Solution解き方

Decreasing temperature will decrease the kinetic energy in the system. A lower temperature means less energy in the molecules, so they will move at a slower speed. Lowering temperature also decreases the kinetic energy of the molecules in the plasma membrane, compressing them together. This increases the density of the plasma membrane, which slows diffusion into the cell.

温度が低下すると、系の運動エネルギーが減る。分子のエネルギーが小さくなり、動く速さが遅くなる。低温は細胞膜の分子の運動エネルギーも減らし、分子を密に押し合わせる。その結果、細胞膜の密度が上がり、細胞内への拡散が遅くなる。

Exercise 17問題 17

A cell develops a mutation in its potassium channels that prevents the ions from leaving the cell. If the cell’s aquaporins are still active, what will happen to the cell? Be sure to describe the tonicity and osmolarity of the cell.

ある細胞のカリウムチャネルに変異が生じ、イオンが細胞から出られなくなった。アクアポリンがまだ働いている場合、細胞はどうなるか。細胞の張度と浸透モル濃度も必ず説明しなさい。

Solution解き方

Without functional potassium channels, the potassium ions that are pumped into the cell will accumulate. This increases the osmolarity inside the cell, creating a hypotonic solution. Since the plasma membrane is still selectively permeable to water by the aquaporins, water will flow into the cell. If the potassium concentration is high enough, enough water will eventually flow into the cell to lyse it.

カリウムチャネルが働かなければ、細胞内へくみ込まれたカリウムイオンが蓄積する。細胞内の浸透モル濃度が上がり、低張の溶液が生じる。細胞膜はアクアポリンによって水を選択的に通せるため、水が細胞内へ流れ込む。カリウム濃度が十分に高ければ、最終的には細胞を溶解させるだけの水が流入する。

aquaporin

アクアポリン

channel protein that allows water through the membrane at a very high rate

水を非常に速く膜の向こうへ通すチャネルタンパク質

carrier protein

担体タンパク質

membrane protein that moves a substance across the plasma membrane by changing its own shape

自身の形を変えることで、物質を細胞膜の反対側へ運ぶ膜タンパク質

channel protein

チャネルタンパク質

membrane protein that allows a substance to pass through its hollow core across the plasma membrane

内部の空洞を通して、物質を細胞膜の反対側へ通す膜タンパク質

concentration gradient

濃度勾配

area of high concentration adjacent to an area of low concentration

高濃度の領域が低濃度の領域に隣接した状態

diffusion

拡散

passive transport process of low-molecular weight material according to its concentration gradient

低分子量の物質が、その濃度勾配に従って移動する受動輸送の過程

facilitated transport

促進輸送

process by which material moves down a concentration gradient (from high to low concentration) using integral membrane proteins

内在性膜タンパク質を利用し、物質が濃度勾配を下って高濃度から低濃度へ移動する過程

hypertonic

高張

situation in which extracellular fluid has a higher osmolarity than the fluid inside the cell, resulting in water moving out of the cell

細胞外液の浸透モル濃度が細胞内液より高く、水が細胞外へ移動する状況

hypotonic

低張

situation in which extracellular fluid has a lower osmolarity than the fluid inside the cell, resulting in water moving into the cell

細胞外液の浸透モル濃度が細胞内液より低く、水が細胞内へ移動する状況

isotonic

等張

situation in which the extracellular fluid has the same osmolarity as the fluid inside the cell, resulting in no net water movement into or out of the cell

細胞外液と細胞内液の浸透モル濃度が等しく、水の正味の流入・流出がない状況

osmolarity

浸透モル濃度

total amount of solutes dissolved in a specific amount of solution

一定量の溶液に溶けた溶質の総量

osmosis

浸透

transport of water through a semipermeable membrane according to the water's concentration gradient across the membrane that results from the presence of solute that cannot pass through the membrane

膜を通れない溶質の存在によって膜の両側に生じる水の濃度勾配に従い、水が半透膜を通って運ばれること

passive transport

受動輸送

method of transporting material through a membrane that does not require energy

エネルギーを必要としない、膜を通る物質輸送の方法

plasmolysis

原形質分離

detaching the cell membrane from the cell wall and constricting the cell membrane when a plant cell is in a hypertonic solution

植物細胞が高張液中にあるとき、細胞膜が細胞壁から離れ、収縮すること

selectively permeable

選択的透過性

membrane characteristic that allows some substances through (also known as semipermeable)

一部の物質を通す膜の性質。半透性ともいう

solute

溶質

substance dissolved in a liquid to form a solution

液体に溶けて溶液を作る物質

tonicity

張度

amount of solute in a solution

溶液中の溶質の量

transport protein

輸送タンパク質

membrane protein that facilitates a substance's passage across a membrane by binding it

物質と結合し、その膜通過を促進する膜タンパク質