プリンキピア

第5章細胞膜の構造と機能

Secondary Active Transport (Co-transport)二次能動輸送(共輸送)

Secondary active transport uses the kinetic energy of the sodium ions to bring other compounds, against their concentration gradient into the cell. As sodium ion concentrations build outside of the plasma membrane because of the primary active transport process, this creates an electrochemical gradient. If a channel protein exists and is open, the sodium ions will move down its concentration gradient across the membrane. This movement transports other substances that must be attached to the same transport protein in order for the sodium ions to move across the membrane (Figure 5.20). Many amino acids, as well as glucose, enter a cell this way. This secondary process also stores high-energy hydrogen ions in the mitochondria of plant and animal cells in order to produce ATP. The potential energy that accumulates in the stored hydrogen ions translates into kinetic energy as the ions surge through the channel protein ATP synthase, and that energy then converts ADP into ATP.
英語のヒント
二次能動輸送はナトリウムイオンの運動エネルギーを使い、ほかの化合物を、その濃度勾配に逆らって細胞内へ運ぶ。一次能動輸送によって細胞膜の外側のナトリウム濃度が高まると、電気化学勾配ができる。チャネルタンパク質が存在して開いていれば、ナトリウムイオンは濃度勾配を下って膜を越える。この動きは、ほかの物質も運ぶ。ナトリウムイオンが膜を通るには、その物質が同じ輸送タンパク質に結合している必要がある(図5.20)。多くのアミノ酸やグルコースは、この方法で細胞に入る。この二次的な過程は、ATPを作るため、動物や植物のミトコンドリアに高エネルギーの水素イオンを蓄える働きもする。蓄えられた水素イオンに蓄積した位置エネルギーは、イオンがチャネルタンパク質であるATP合成酵素を勢いよく通ると運動エネルギーに変わり、そのエネルギーがADPをATPに変える。

Section Summaryこの節のまとめ

The combined gradient that affects an ion includes its concentration gradient and its electrical gradient. A positive ion, for example, might diffuse into a new area, down its concentration gradient, but if it is diffusing into an area of net positive charge, its electrical gradient hampers its diffusion. When dealing with ions in aqueous solutions, one must consider electrochemical and concentration gradient combinations, rather than just the concentration gradient alone. Living cells need certain substances that exist inside the cell in concentrations greater than they exist in the extracellular space. Moving substances up their electrochemical gradients requires energy from the cell. Active transport uses energy stored in ATP to fuel this transport. Active transport of small molecular-sized materials uses integral proteins in the cell membrane to move the materials. These proteins are analogous to pumps. Some pumps, which carry out primary active transport, couple directly with ATP to drive their action. In co-transport (or secondary active transport), energy from primary transport can move another substance into the cell and up its concentration gradient.
イオンに作用する勾配には、濃度勾配と電気的勾配が含まれる。例えば正イオンは、濃度勾配を下って新しい領域へ拡散しようとしても、その領域の正味の電荷が正なら、電気的勾配に妨げられる。水溶液中のイオンを扱う際には、濃度勾配だけでなく、電気的作用と濃度勾配の組み合わせを考えなければならない。生細胞は、細胞外よりも細胞内に高濃度で存在する特定の物質を必要とする。電気化学勾配を上るように物質を動かすには、細胞のエネルギーが必要である。能動輸送はATPに蓄えられたエネルギーで、この輸送を駆動する。小分子の能動輸送では、細胞膜の内在性タンパク質が物質を運び、ポンプに似た働きをする。一次能動輸送を行うポンプは、ATPと直接共役して働く。共輸送、すなわち二次能動輸送では、一次輸送のエネルギーにより、別の物質をその濃度勾配に逆らって細胞内へ運べる。

Visual Connection Questions図を使った問題

Exercises 18–19練習問題 18–19
Exercise 18問題 18
Figure 5.16 Injecting a potassium solution into a person’s blood is lethal. Capital punishment and euthanasia utilize this method in their subjects. Why do you think a potassium solution injection is lethal?
図5.16 カリウム溶液を人の血液に注入すると、致死的となる。死刑や安楽死では、対象者にこの方法が使われる。なぜカリウム溶液の注入が致死的になると考えられるか。
Solution解き方
Figure 5.16 Cells typically have a high concentration of potassium in the cytoplasm and are bathed in a high concentration of sodium. Injection of potassium dissipates this electrochemical gradient. In heart muscle, the sodium/potassium potential is responsible for transmitting the signal that causes the muscle to contract. When this potential is dissipated, the signal can’t be transmitted, and the heart stops beating. Potassium injections are also used to stop the heart from beating during surgery.
図5.16 通常、細胞質内のカリウム濃度は高く、細胞の周囲のナトリウム濃度は高い。カリウムを注入すると、この電気化学勾配が失われる。心筋では、ナトリウムとカリウムによる電位が、収縮を起こすシグナルの伝達を担う。この電位が失われるとシグナルを伝えられず、心臓は拍動を止める。手術中に心臓の拍動を止めるためにも、カリウムの注入が用いられる。
Exercise 19問題 19
Figure 5.20 If the pH outside the cell decreases, would you expect the amount of amino acids transported into the cell to increase or decrease?
図5.20 細胞外のpHが下がると、細胞内へ運ばれるアミノ酸の量は増えるだろうか、それとも減るだろうか。
Solution解き方
Figure 5.20 A decrease in pH means an increase in positively charged H+ ions, and an increase in the electrical gradient across the membrane. The transport of amino acids into the cell will increase.
図5.20 pHの低下は、正に帯電したH+イオンの増加と、膜の両側の電気的勾配の増大を意味する。細胞内へのアミノ酸輸送は増える。

Review Questions確認問題

Exercises 20–22練習問題 20–22
Exercise 20問題 20
Active transport must function continuously because __________.
能動輸送が絶えず働かなければならないのは、__________ためである。
  1. plasma membranes wear out
    細胞膜が摩耗する
  2. not all membranes are amphiphilic
    すべての膜が両親媒性とは限らない
  3. facilitated transport opposes active transport
    促進輸送が能動輸送と逆向きに働く
  4. diffusion is constantly moving solutes in opposite directions
    拡散が常に溶質を逆方向へ動かしている
Solution解き方
D
D
Exercise 21問題 21
How does the sodium-potassium pump make the interior of the cell negatively charged?
ナトリウム・カリウムポンプは、どのように細胞内を負に帯電させるか。
  1. by expelling anions
    陰イオンを排出する
  2. by pulling in anions
    陰イオンを取り込む
  3. by expelling more cations than are taken in
    取り込むより多くの陽イオンを排出する
  4. by taking in and expelling an equal number of cations
    同数の陽イオンを取り込み、排出する
Solution解き方
C
C
Exercise 22問題 22
What is the combination of an electrical gradient and a concentration gradient called?
電気的勾配と濃度勾配の組み合わせを何というか。
  1. potential gradient
    ポテンシャル勾配
  2. electrical potential
    電位
  3. concentration potential
    濃度ポテンシャル
  4. electrochemical gradient
    電気化学勾配
Solution解き方
D
D