細胞膜と物質の輸送

細胞膜の厚さはわずか5〜10 nmほどですが、細胞に何が入り何が出るかを決めています。

油とタンパク質でできた壁

水に油を少したらしても混ざりません。細胞膜も同じ考え方でできています。細胞膜はリン脂質二重層です。リン脂質分子が二層に並んだもので、それぞれの分子にはリン酸を含む親水性の頭部と、二本の疎水性の脂肪酸の尾部があります。頭部は細胞の内外の水っぽい液体のほうを向き、尾部は真ん中に隠れています。この油の層にタンパク質が埋まっていて、端から端まで貫いているものもあります。動物細胞ではコレステロールも混ざっています。脂質やタンパク質に結合した炭水化物が外側の表面をおおい、細胞がものを見分けて結合するのを助けています。

選択的透過性

細胞膜はある物質を通し、別の物質をさえぎるので、選択的透過性があるといいます。酸素や二酸化炭素のような電荷をもたない小さな分子は、油っぽい中央部分をそのまま通り抜けます。ビタミンA、D、E、Kのような脂溶性の物質も同じです。ナトリウム、カリウム、カルシウム、塩化物イオンのような電荷をもつ粒子は、自力では油っぽい中心部を通れません。糖やアミノ酸も通れません。それらにはタンパク質の助けが必要です。

坂を下る移動：受動輸送

部屋で香水のびんを開けると、香りは部屋じゅうに広がります。これが拡散です。分子は濃度の高いところから低いところへ移動し、エネルギーは必要ありません。拡散は、濃度の差が大きいほど、温度が高いほど、分子が軽いほど、距離が短いほど速くなります。細胞の中では、拡散によって物質がサイトゾルの中を移動します。

促進拡散でも物質は濃度勾配に従って移動しますが、タンパク質を通ります。チャネルタンパク質は、一種類のイオンや水のための水で満たされたトンネルをつくります。水のチャネルはアクアポリンと呼ばれます。輸送体（キャリア）タンパク質は分子をつかんで形を変え、反対側で放します。チャネルのほうがはるかに速く、毎秒数千万個の分子を通します。輸送体は毎秒千個から百万個ほどです。

浸透：水の移動

浸透とは、溶けている物質を通さない膜を通って水が拡散することです。水は、溶けている粒子の多いほうへ移動します。そちら側のほうが自由に動ける水が少ないからです。細胞の外の液体に溶けている粒子が内側より少ないとき、外液は低張で、水が細胞に流れこみます。純水に入れた赤血球はふくらみ、破裂することもあります。外側に溶けている粒子が多いと高張で、水が出ていき、赤血球は縮みます。等張の液体では、水の正味の移動はありません。淡水中の植物細胞が破裂しないのは、細胞壁が止めるからです。水は細胞壁を押し、この膨圧が植物をぴんと保ちます。水がないと細胞膜が細胞壁から離れます。これを原形質分離といい、植物はしおれます。下の植物細胞のモデルでは、この水をためる液胞が見られます。

坂を上る移動：能動輸送

細胞は、物質を濃度勾配に逆らって、濃度の低いところから高いところへ動かさなければならないことがあります。それにはエネルギーが必要で、ふつうはATPから得ます。これを能動輸送といいます。最もよく知られた例はナトリウム-カリウムポンプです。一回ごとに、ATPを一分子使って三個のナトリウムイオンを細胞の外へくみ出し、二個のカリウムイオンを中へ取りこみます。これによって外側はナトリウムが多く、内側はカリウムが多い状態に保たれ、細胞の内側はわずかに負になります。神経細胞や筋細胞はこの差に頼っています。ナトリウムの濃度勾配にたくわえられたエネルギーは、さらにグルコースやアミノ酸などのほかの物質を細胞内へ引きこむのに使われます。これを二次性能動輸送といいます。