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細胞膜の構造と機能

細胞の内容物と外部環境を隔てるのは、非常に薄く柔軟なバリアである細胞膜（プラズマ膜）です。細胞膜は特定の分子の出入りを選択的に制御し、不要な物質は遮断します。また、細胞間や環境との情報伝達にも重要な役割を果たします。植物、酵母、細菌は膜の外側に硬い細胞壁を持ちますが、動物細胞は膜のみで構成されています。

リン脂質層（リン脂質二層）

細胞膜の基礎は、リン脂質と呼ばれる特殊な脂質分子が二層に並んだ構造です。各リン脂質は、リン酸-グリセロール頭部と2本の脂肪酸鎖からなります。脂肪酸鎖は疎水性（＝水を嫌う）で、頭部は親水性（＝水を好む）です。二層は脂肪酸鎖が内部に向き、頭部が外側と内側の水相に接するように配列します。水と接触すると、リン脂質は脂肪酸鎖を水から遠ざけるように再配置されます。

タンパク質構成要素

細胞膜には主に2種類のタンパク質が存在します。

統合膜タンパク質（トランスメンブランタンパク質）：アミノ酸鎖が長く、膜を貫通しています。外側と内側の両方に領域を持ち、イオンや栄養素の通路として機能したり、シグナルを細胞内外に伝達したりします。
周辺タンパク質：膜表面に付着し、細胞骨格や細胞外繊維のアンカーとして働きます。

炭水化物とコレステロール

細胞表面には「グリコカリックス」と呼ばれる糖鎖層が存在し、短いオリゴ糖が特定の膜タンパク質に結合しています。グリコカリックスは細胞の識別標識として機能し、同種細胞と外来細胞を区別します。また、細胞表面を保護する役割もあります。

コレステロールは膜の脂肪酸層に散在し、脂肪酸鎖が過度に密集するのを防ぎ、膜の流動性を維持します。

モザイク構造

1972年にシンガーとニコルソンが提唱した「流動モザイクモデル」に基づき、細胞膜は様々な分子がモザイク状に配置された構造です。細胞種ごとにタンパク質、糖質、脂質の組み合わせは異なり、例えばヒト赤血球の膜には50種類以上のタンパク質が存在します。

流動性（フルイド性）

リン脂質は膜の各層内で自由に横方向に移動し、再配置が可能です。ただし、疎水性領域を越えて逆側の層へ移動することはほとんどありません。親水性の頭部は常に外側の水相に向き、疎水性の尾部は二層の中心に位置します。