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第 2 章 - 細胞の基本的な機能
生理学、人間の健康 第 9 版では、細胞膜の基本構造と物質輸送機能、細胞の電気活動、筋細胞の収縮などが主に含まれています。
2024-02-08 16:18:34 に編集されました
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細胞の基本的な機能
細胞膜の基本構造と物質輸送機能
細胞膜の構造と化学組成
細胞膜は主に脂質、タンパク質、および一定量の糖で構成されています。細胞膜の分子配列構造は液体モザイクモデルです。この理論の基本的な内容は次のとおりです。細胞膜は液体脂質二重層に基づいています。さまざまな生理学的機能がタンパク質に組み込まれているフレームワーク。
(1) 脂質二重層
膜脂質はリン脂質が70％を占め、コレステロール、少量の糖脂質の3つに分類されます。
各リン脂質分子の一端は親水性極性基リン脂質および塩基であり、膜の外面または内面に面しています。 リン脂質分子内の 2 つのより長い脂肪酸炭化水素鎖 (疎水性非極性基) は、膜の内側で互いに向かい合っています。
脂質二重層は安定で流動性があります
(2) 細胞膜タンパク質
細胞膜タンパク質の機能:
1. 物質の膜貫通輸送に参加する
2. 情報発信への参加
3. エネルギー変換関連
細胞輸送機能
(1) 受動的輸送
エネルギーを消費せずに濃度差に沿って細胞膜を通過する輸送は受動輸送と呼ばれます。
1. 単純な拡散
細胞膜の高濃度側から脂質分子間の隙間を通って低濃度側へ物質が膜貫通拡散することを指します。
単純拡散によって輸送される物質はすべて脂溶性 (無極性) 物質、または少数の非荷電極性小分子物質です。 例: 酸素、二酸化炭素、窒素、ステロイドホルモン、エタノール、尿素、グリセロール、水など。
2. 促進拡散
これは、膜貫通タンパク質の助けを借りて、濃度勾配または電位勾配に沿って膜を横切る非脂溶性小分子物質または荷電イオンの輸送を指します。
(1) チャネルを介した促進拡散
チャネルを通って輸送される溶質はほぼすべてイオンであるため、このタイプのチャネルタンパク質はイオンチャネルとも呼ばれます
重要な基本機能:
イオン選択性
各チャネルは、1 つまたは少数のイオンに対してのみ高い透過性を持ち、他のイオンに対してはほとんど透過性がありません。
ゲート特性
1. 電圧ゲートチャネル
これらのチャネルは膜電位によって調節されています
2. 化学的にゲートされたチャネル
このようなチャネルは、膜の内側と外側の特定の化学物質によって調節されています。
3. 機械的にゲートされたチャネル
このタイプのチャネルは、通常、原形質膜が伸張刺激を感知してチャネルが発達または閉鎖するとき、機械的刺激によって調節されます。
4. 非ゲートチャンネル
神経線維上のカリウム漏出チャネルなど、常に開いているチャネルがいくつかあります。
水路
水の単純な移動速度は非常に遅く、水相の細孔では水分子が一列になって拡散することしかできません。
(2) キャリアを介した促進拡散
これは、キャリアタンパク質によって媒介される濃度勾配に沿った水溶性小分子物質の膜貫通輸送を指します。
特徴：
1. 構造の特異性
さまざまなキャリアは、特定の化学構造を持つ基質のみを認識して結合できます。
2. 飽和現象
細胞膜内のキャリアの数と輸送速度には限界があるため、輸送される基質の濃度があるレベルまで増加すると、基質の拡散速度は最大に達します。
3. 競争阻害
類似した構造を持つ 2 つの物質が同じ担体に結合できる場合、2 つの基質間で競合阻害が発生します。このうち、濃度が低い溶質やミカエリス メンテン定数 (つまり、輸送速度が最大輸送速度の半分に達する基質濃度) が大きい溶質は、阻害される可能性が高くなります。
(2) 能動輸送
これは、細胞代謝によって提供される膜タンパク質とエネルギーの助けを借りて、濃度勾配または電位勾配に逆らって膜を通過する特定の物質の輸送を指します。
(1) 一次能動輸送
細胞が代謝によって生成されたエネルギーを直接使用して、濃度勾配または電位勾配に逆らって物質を輸送するプロセス。
一次能動輸送の基質は通常荷電イオンであるため、このプロセスを仲介する膜タンパク質またはキャリアはイオンポンプと呼ばれます
1. ナトリウム・カリウムポンプ（ナトリウムポンプ）
それ自体ATPase活性を持ち、ナトリウムポンプはNa-K依存性ATPaseとも呼ばれます。
通常の状況下では、分解される ATP 分子ごとに 3 Na が排出され、同時に 2 K が排出されます。このナトリウム ポンプの活動により、細胞外陽イオンの純増加と電位の増加が引き起こされます。ナトリウムポンプはバイオナトリウムポンプでもあります
生理学的意義:
細胞質内の多くの代謝反応に必要な細胞内 K の上昇を引き起こします
細胞内浸透圧と細胞容積を維持する
ナトリウムポンプ活動によって形成されるNaおよびKの膜貫通濃度勾配は、活動電位や静止電位などの細胞の電気活動の基礎となります。
ナトリウムポンプ活性の起電力効果は、膜内の電位の負の値を増加させ、静止電位の形成に直接関与する可能性があります。
ナトリウムポンプ活動によって確立される Na 膜貫通濃度勾配は、二次能動輸送のための潜在的なエネルギー貯蔵を提供することができます。
2. カルシウムポンプ
3.プロトンポンプ
(2) 二次能動輸送
特定の物質の能動輸送は、ATP の分解から直接生じるのではなく、主要な能動輸送機構によって確立される Na または H イオンの濃度勾配を利用します。一方、Na または H イオンは濃度勾配に沿って拡散しますが、他の物質はその濃度勾配に反します。濃度勾配または膜を横切る潜在的な勾配輸送。
1. 同一方向の輸送
輸送されるイオンまたは分子がすべて同じ方向に移動する二次能動輸送
例えば、小腸粘膜上皮におけるグルコース吸収および近位尿細管上皮における再吸収は、ナトリウム-グルコース共輸送体を介して達成される。
2.逆搬送
輸送されるイオンまたは分子がすべて反対方向に移動する二次能動輸送
Na-Ca2交換体、Na-H交換体など
(3) 膜小胞輸送
細胞に出入りする高分子や粒子状物質は、細胞膜を直接通過するのではなく、膜に包まれて小胞を形成し、膜ラッピング、膜融合、膜分離という一連の過程を経て輸送が完了します。膜小胞輸送と呼ばれます。
(1) 独房から出てくる
1. 継続的なエキソサイトーシス
細胞が静止しているときに分泌小胞が自発的に細胞膜と融合し、小胞内の高分子物質が細胞外に排出され続ける過程を指します。
2. 調節されたエキソサイトーシス
細胞が特定の化学信号または電気信号によって誘導されると、細胞の特定の部分に蓄えられている分泌小胞が細胞膜と融合し、小胞内容物が小胞から排出されるプロセスを指します。
(2) セルに入る
1.むさぼり食う
輸送された物質が固体の形で細胞に入るプロセス
2. 飲み込んで飲む
輸送された物質が液体の状態で細胞に入るプロセス
細胞シグナル伝達
細胞の電気活動
1. 静止電位 (RP)
(1) 静止電位の測定と考え方
参照電極は細胞外液中に配置され、ゼロ電位レベルに保つために接地されます。測定電極は、細胞に大きな損傷を与えることなく細胞に挿入できる非常に細い先端を備えたガラス電極です。さまざまな種類の細胞の膜電位は、静かな状態では負です。
用語集
分極化
安静時、細胞膜の両側は外側がプラス、内側がマイナスの安定した状態にあります。
過分極
安静時潜在力を高める状態または過程
脱分極
安静時電位が低下する状態またはプロセス
逆分極
膜電位がプラスとなり、膜の両側の極性が反転した状態。
再分極
細胞膜が脱分極後に静止電位に戻るプロセス
(2) 静止電位の発生メカニズム
1. 細胞膜の両側のイオンの濃度差と平衡電位
K の流出は静止電位形成の主な理由です
細胞膜の両側のイオンの濃度差が、膜を横切るイオン拡散の直接の原動力となります。
拡散電位によって形成される膜貫通電場は、膜を横切る荷電イオンの移動に対して濃度差とはまったく逆の影響を及ぼし、イオンが拡散し続けるのを妨げます。
電位差駆動力が濃度差駆動力と等しくなるまで増加すると、電気化学的駆動力はゼロとなり、イオンの正味の拡散量はゼロとなり、膜の両側の電位差は安定する。このイオンの正味の拡散量は次のとおりです。 ゼロ時間における膜を横切る電位差は、イオンの平衡電位と呼ばれます。
ネルンストの公式
2. 静止時の細胞膜のイオンに対する相対透過性
細胞膜が静止状態で 1 種類のイオンのみを透過性である場合、細胞膜が静止状態で同時に濃縮されたイオンまたは複数のイオンを透過性である場合、測定された静止電位はイオンの平衡電位に等しいはずです。状態、静止電位 ポテンシャルの大きさは、これらのイオンの相対透過性と、それぞれの膜の両側でのこれらのイオンの濃度差に依存します。
静止電位の測定値は、K平衡電位よりもわずかに小さくなります。
3. ナトリウムポンプの起電力効果
ナトリウムポンプは、能動輸送を通じて細胞膜の両側のNaとKの濃度差を維持することができ、NaとKの膜間拡散の基礎を築き、静止電位を形成します。
ATP 分子が分解されるごとに、ナトリウム ポンプは 3 Na を細胞の外に移動させ、同時に 2 K を細胞内に移動させることができます。これは、正味の正電荷を細胞の外に移動させるのと同等であり、その結果、負電荷が増加します。膜内電位の値。 （そのため、ナトリウムポンプは電磁ナトリウムポンプとも呼ばれます）
4. 安静時電位レベルに影響を与える要因
①細胞外液K濃度：細胞外K濃度が増加するとK平衡電位が低下し、それに伴って静止電位も低下します。
②Na と K に対する膜の相対透過性: K に対する膜の透過性が増加すると、静止電位は増加します (Na に対する膜の透過性が増加すると、静止電位は増加します)。減少（Na の平衡電位に近づく）
③ナトリウムポンプ活性レベル：ナトリウムポンプ活性が亢進すると、その起電力効果が高まり、逆にナトリウムポンプ活性が阻害されると、静止電位が低下する。
2. 活動電位 (AP)
(1) 活動電位の概念と特徴
活動電位とは、細胞が静止電位に基づいて効果的な刺激を受けた後、遠くまで伝播する可能性がある急速な膜電位変動を指します。
用語集
スパイクの可能性
活動電位の上昇枝と下降枝が集まってスパイク状の電位変化を形成し、これが活動電位の主要部分であり、活動電位の象徴とみなされます。
バックポテンシャル
スパイク後の膜電位の低振幅でゆっくりとした変動
後脱分極電位 (負の後電位)
後電位の最初の部分の膜電位はまだ静止電位よりも低い
過分極後電位（正の後電位）
後電位後半の膜電位は静止電位よりもまだ大きい。
特徴：
①「全か無か」現象
一定の強度に達しない刺激では活動電位は発生しません（なし）
刺激が一定の強度に達すると、発生する活動電位の振幅は細胞の活動電位の最大値に達し、刺激強度が増加し続けても増加しません（フル）
②送信減衰なし
活動電位の振幅と波形は伝播中に変化しません。
③パルス配信
継続的な刺激によって発生する複数の活動電位は常に一定の間隔をあけて離れており、完全に融合することはありません。
(2) 活動電位の発生メカニズム
1. 電気化学的駆動力とその変化
平衡電位の定義によれば、膜電位が特定のイオンの平衡電位に等しい場合、このイオンに対する電気化学的駆動力はゼロになります。イオンの電気化学的駆動力は、膜電位とイオンの平衡電位の差に等しい。
2. 活動電位期における細胞透過性の変化
Na および K の透過性の変化は脱分極または再分極を引き起こす可能性があります
イオンチャネルの機能状態
静止状態：膜電位が静止電位レベルに保たれているときにチャネルが開いていない状態。
活性化状態: 膜が急速に脱分極すると、電位依存性ナトリウムチャネルが直ちに開く状態。
不活性化状態: 不活性化状態の後、チャネルが脱分極刺激に反応しなくなる状態です。
(3) 活動電位の誘発
1. 閾値刺激
刺激とは、物理的、化学的、生物学的特性の環境変化を含む、細胞が存在する環境の変化を指します。
細胞に活動電位を生成させることができる最小の刺激強度は、閾値強度または閾値と呼ばれます。閾値強度に相当する刺激が閾値刺激です
閾値強度より大きいまたは小さい刺激は、閾値以上または閾値以下の刺激と呼ばれます。
刺激量の3つのパラメータ
刺激の強さ
刺激の継続時間
刺激強度時間変化率
2.閾値電位
活動電位を引き起こす可能性のある膜電位の臨界値は、閾値電位と呼ばれます
(4) 活動電位の伝播
有髄神経線維
ジャンプ伝導（速い）
無髄神経線維
非ジャンプ伝導（遅い）
細胞興奮後の状態変化
(1) 絶対不応期
興奮が起こった後の最初の期間は、どんなに強い刺激を受けても細胞は再び興奮することができません。
閾値は無限大で、興奮性はゼロです。
(2) 相対不応期
絶対不応期を過ぎると、細胞の興奮性は徐々に回復し、再び刺激を受けると興奮が起こる可能性がありますが、刺激強度は元の閾値より大きくなければなりません。
興奮性がゼロから徐々に正常に戻る期間
(3) 超常期
相対不応期の後、誘導された細胞は興奮性がわずかに増加する期間を経験します。
この時点では、膜電位はまだ完全に静止電位に戻っておらず、閾値電位レベルに近い状態にあります。
(4) 低平常期
超正常期間の後、いくつかの細胞は興奮性のわずかな低下を示します。
この時の膜電位はわずかに過分極状態となっている
3. 地域の可能性
1.コンセプト
細胞が刺激された後、膜電位の変化は膜の活性特性、つまり一部のイオンチャネルの開口によって引き起こされ、長距離まで伝播することはできません。
2.特徴
①段階的なポテンシャル
その振幅は刺激の強度に関係します
②伝導の減衰
局所的な電位が電子的に周囲に広がります。
③不応期がない
反応を重ね合わせて合計することができます（重ね合わせ時間和、重ね合わせ空間和）
筋細胞の収縮
(1) 収縮機構
運動神経終末は、運動終板から筋鞘まで神経インパルスを伝達します。
筋鞘の興奮は横尿細管を介して筋小胞体に伝わり、多量のCaが筋小胞内に流入します。
Caはトロポニンに結合します。トロポニンとトロポミオシンはアロステリックであり、アクチン上の結合部位とミオシン頭部結び目を露出させ、両者はすぐに結合します。
ミオシン ヘッドの ATPase が活性化され、ATP が分解されてエネルギーが放出され、ミオシン ヘッドとロッドが屈曲してアクチンを M ラインに向かって引っ張ります。
細い筋フィラメントは太い筋フィラメントの間の M ラインに向かって滑り、明るいバンドは狭くなり、H バンドは狭くなるか消え、サルコメアは短くなり、筋線維は収縮します。
収縮後は、筋小胞体内のCaが筋小胞体に汲み戻され、トロポニンなどが元の状態に戻り、筋線維が弛緩します。
(2) 横紋筋の収縮効率に影響を与える要因
用語集
等尺性収縮
これは、筋肉が収縮すると、長さは変化せず、張力だけが増加することを示しています。
等張性収縮
これは、筋肉の収縮中に張力は変化せず、筋肉の短縮のみが発生することを示しています。
1. フロントロード
筋肉が収縮する前にかかる負荷を指します
プリロードは、収縮前の筋肉の長さ、つまり初期の長さを決定します。
特定の範囲内では、筋肉の収縮張力 (つまり活動張力) は、初期の長さが増加するにつれて増加します。
2.アフターロード
収縮後に筋肉が耐える負荷を指します
3. 筋肉の収縮性
筋肉の収縮性とは、前負荷と後負荷とは無関係で、筋収縮効率に影響を与える筋肉の固有の特性を指します。
4. 収縮の合計
収縮の合計は、筋細胞の収縮の重ね合わせられた特性を指し、骨格筋が収縮効率を迅速に調整するための主な方法です。空間合計形式はマルチファイバー合計と呼ばれ、時間合計形式は周波数合計と呼ばれます。
用語集
単収縮
活動電位の周波数が非常に低い場合、各活動電位の後に完全な収縮と弛緩のプロセスが発生します。
不完全な強縮性収縮
後の収縮プロセスは、前の収縮プロセスの拡張期に重ね合わされ、その結果生じる収縮の合計
完全な強縮性収縮
後の収縮プロセスは、前の収縮プロセスの収縮期間に重ね合わされ、結果として生じる収縮の合計
周波数の合計