この章は、2017年CICMプライマリーシラバスのセクションE(iv)に漠然と関連しており、受験者は「細胞内液の組成…を記述する」ことが期待されています。 ここは細胞生理学のセクションなので、ここでは主にミクロレベルの組織に焦点が当てられ、細胞内体液区画の議論はすべて体液のセクションに委ねられることになる。
大学受験生がこのトピックに目を向けたことがないという事実は、受験生も著者もそれぞれが相手の時間を無駄にしていることを快く認識し、その議論にほとんど意味のない解放感を与えてくれます。 この本では、難しい科学を学んだり、試験に出るような事実を暗記したりするのではなく、純粋に医学的な理由で読み進めたり、より多くの点数を集められるトピックに読み飛ばしたりすることができるのです。
要約すると、
- 細胞内液の内容には、いくつかの特定の構造的特徴があります：
- 平均で約2ピコリットルの小さな容量。
- タンパク質の高分子の「密集」は、熱安定性を高め、相互作用の親和性を高め、自己組織化を促進します。
- 吸着した水は、正常な酵素の機能にとって不可欠な非定型の溶媒特性を持つ。
- 細胞内液には独特の化学組成と特性があります。
- 細胞内液中のイオンは高分子に吸着し、拡散移動度が低下します（おそらく自由溶液から予想されるものの15％）
- 任意の細胞内のイオン濃度は、細胞やその代謝の健全性に応じて非常に大きく変化（±20mmol）します。 大まかには
- Na+ 10-30 mmol/L
- K+ 130-150 mmol/L
- Mg2+ 10-20 mmol/L
- Ca2+ ほぼ0 mmol/L
- Cl- 10- 20 mmol/L
- Na+ 10-20 mmol/L
- K+ 130-150 mmol/L
- Ne+ 10-30 mmol/L
- PO4-100-130mmol/L
- タンパク質のアニオン電荷は電気陰性度に寄与する
- 細胞内のpHは6.0から6.0である。0から7.5で、細胞質では地域差がある
- タンパク質が20～30％含まれているが、細胞質は水の粘性を持つ
このテーマについて有効な査読済みのリソースは何ですか？ 残念ながら、数多くあります。 検索エンジンや教科書の索引欄を使って「細胞内液」を調べると、必然的に答えが見つかり、一連のエントリやページ、パワーポイントスライドが並びますが、どれも内容はなんとなく似ているものの、引用された値が異なり、参考文献は何もありません。 多くの場合、何の役にも立たない。 例えば、このテーマに関する大学の公式本（Ganong第23版2ページ、Guyton & Hall第13版4ページ）を見ると、細胞質電解質濃度が「大量に」といった言葉で議論されていることがわかる。 公式の書誌以外でも、Molecular Biology of the Cellのようなそれなりにしっかりしたものには、まっすぐな答えがない。 彼らはそれを何と呼ぶべきか（サイトゾル？ プロトプラズム？ プリモルディアルシュラウ？）
幸いにも、このトピックについて発表している科学者がまだいます。 おそらく最高の記事は、1999 年の Katherine Luby-Phelps によるもので、基本的に、このトピックに関する将来の仮想的な SAQ に答えるために必要なすべてのものが含まれています。 また、細胞内物質の特性を主に扱った、Richard P. Searによる短い論文（2005年）も素晴らしいものです。 もし本当に気が狂っていて、永久に契約している専門家のような時間的余裕があるならば（つまり、実際に役に立つ仕事をする緊急の義務がないならば）、代わりにGilbert LingのIn Search of the Physical Basis of Life (1984)という800ページに及ぶ本を読んでみてもいいかもしれません。
細胞内空間の体積
細胞はどのくらいの大きさなのか？ もちろん、それは細胞によって異なります。 例えば、アフリカツメガエルの卵であるXenopus oocyteは直径が1mmもあります。 しかし実際には、その液体は 1014 もの極小のコンパートメントから構成されており、それぞれがわずかに異なる容積と組成を持っています。
これらの容積の不均一性は、BioNumbers データベースのこの章によくまとめられており、そこにはあらゆる情報を丹念に参照することができます。 ハーバードのサーバーがクラッシュしたときのために、最小限の修正でここに再現されています。
| Cell type | Volume (μm3.X), or femtolitres) | Volume (picolitres) | Reference | ||
| Sperm cell | 30 | 0.03 | Gilmore et al, 1995 | ||
| Erythrocyte | 100 | 0.1 | Ballas et al, 1987 | ||
| Lymphocyte | 130 | 0.13 | Schmid-Schonbein et al, 1980 | ||
| Neutrophil | 300 | 0.1 | 0.3 | Rosengren et al, 1994 | |
| 膵臓β細胞 | 1,000 | 1.0。0 | Finegood et al, 1995 | ||
| Enterocyte | 1,400 | 1.4 | Wiśniewski et al, 2012 | ||
| Fibroblast | 2,000 | 2.2.0 | Mitsui et al, 1976 | ||
| Cervical tumour (HeLa) | 3,000 | 3.0 | Zhaoら、2008 | ||
| 毛球 (ear) | 4,000 | 4.0 | 3,500 | 3.0Mitsui et al, 1982Cervical tumor (BeLa) | Géléoc et al, 1999 |
| Osteoblast | 4,000 | 4.0 | Beck et al, 2011 | ||
| Alveolar macrophage | 5,000 | 5.1 | 5.0 | Krombach et al, 1997 | |
| Cardiomyocyte | 15,000 | 15.0 | Calvilloら、2003 | ||
| Megacaryocyte | 30,000 | 30.1.0 | Harker et al, 2000 | ||
| Adipocyte | 60,000 | 60.0 | Livingston et al, 1984 | ||
| Oocyte | 4,000,000 | 4000 | Goyanes et al, 1990 |
かなり幅があるということですな。 さらに、「細胞内液」という言葉の定義がどうであれ、細胞の中身がすべて「細胞内液」で占められているわけではないことは明らかです。 例えば、この章では、細胞内液の定義を「細胞内物質でオルガネラ以外のもの」とします。オルガネラについては別の章で説明しますから、純粋に「細胞内物質」です。 その場合、私たちが話しているのは、他の構造の間の細胞内空間を占める「灰色がかった、粘性のある、ぬるぬるした、半透明の、半流動性の物質」です（Harvey、1937年）
どんな種類の細胞を見ているかによって、その空間が総体積の非常に小さな割合になることもあります。 たとえば、前述の卵巣脂肪細胞では、60ピコリットルの総容積のうち、大部分は水を含まない脂肪で占められています。 これは実験的に証明することができる。 DiGirolamo & Owens (1976)は、ラットの脂肪細胞における水の体積は、全体積の約5～7％、つまり1.5～2ピコリットルであると計算できました
要するに、我々は非常に小さな体積を見ているのです。 なぜそれが重要なのだろうか。 さて。 細胞内部の液体1～2ピコリットルの体積は、可溶性物質の分布容積である。 したがって、それらの物質の分子は、互いに出会うまでに非常に短い距離を移動することになる。 このような小さな体積に対する試薬分子の総量は必然的に小さくなるので、その効果は反応速度を高めることに役立つ。 Luby-Phelps（2000）の例を借りれば、細胞のタンパク質含有量が1ナノモルであれば、そのタンパク質は細胞内に1000コピーしか存在しないことになる。 幸いなことに、このような小さな体積を横断するのであれば、たとえ親和性の低い分子でも、利用可能な基質の大部分をかき集めて吸着することができるだろう。
細胞内液のタンパク質含有量
わかりました、体積は小さいですね。 どんな高分子が何個入っているのでしょうか。 アリス・B・フルトン（Alice B. Fulton）（1982）は、公開されている文献の中でおそらく最も明快な答えをもって、この問題に取り組んでいます。 基本的に、細胞のタンパク質含有量は17〜35重量％であり、ほとんどの著者は20〜30g/100mlといった範囲に収まっている。 Fultonは古文書（Loewy et al, 1969）を引用して、以下の値を示している：
- 筋肉細胞：重量で23％のタンパク質
- 赤血球。 35重量％のタンパク質
- その他のほとんどの細胞：17重量％～26重量％のタンパク質
測定は通常、屈折率測定によって行われるが、これは構造タンパク質（例えば、細胞骨格や小器官が構成するもの）とgooの残りの部分を構成する可溶性タンパク質を通常識別できない技術である。 さて。 このタンパク質の濃度はかなり高い。 他の同種のポリマーの拡散に影響を与えると予想される、通常受け入れられる大きなポリマーの濃度を超えている、つまり、森が密集しすぎているのです。 Changら（1987）は、50kDa以上の高分子の拡散限界は約130g/Lであると予測する数学的モデルを作成し、それ以上になると他の高分子は溶液中を容易に拡散することができなくなるとした。 確かに、ベンゼンに溶かしたポリスチレンを使っているが、この事実は変わらない。 比較のために、タンパク質を完全に結晶化させると、重量にしてわずか40%のタンパク質しかない「固体」になる
要するに、細胞内液中のタンパク質は、細胞質は「混雑した溶液」と表現しなければならないほど、ぎっしりと詰まっているのである。 ここにある漫画のような図（1993年にGoodsellによって発表され、その後、細胞質について書いた人なら事実上誰でも再現しています）は、それらの体がどれほど密に詰まっているかを視覚的に正確に示しています。 この図は、既知の分子のサイズと形を使って近似的に描かれたもので、電子顕微鏡で撮影された写真（例えば、Bridgman & Reese, 1984）は、これが細胞質ゾルの厄介な微細構造を正しく表現していることを示している。 Xenopusの卵母細胞を8万倍で見ると、フィラメントと顆粒が密生していることがわかる。 この写真（図6の一部）は、細胞溶解と洗剤洗浄により、細かい構造を見えなくしているタンパク質を除去してきれいにしたものである。 矢印はフィラメントの Y および T 接合を指しています。
洗剤処理なしで、これらのフィラメントの間に詰まったすべての細かい粒状物質が見えるようになりました。 この写真は今やホワイトノイズに似ています（同じ著者）。
明らかに、この雑木林を通る拡散は正常ではありそうもありません。 小さな溶質 (たとえば、あなたのナトリウム イオンとカリウム イオン) は、これらの巨大な障害物を回避し、互いに向かって景色の良いルートを取らなければなりません。 実用的な観点からは、拡散の速度に依存する反応は遅くなることを意味します。 もし、分子が互いに到達するのに時間がかかるなら、その分、相互作用の正味の速度は低下するはずである。 しかし、これは見られません。
この高度に飽和したタンパク質性スープには、どのような化学的性質が見られるのでしょうか。 Allen P. Minton (2006)は、長年の（主に彼自身の）研究を上記の論文の表にまとめている。 3422>
- 希薄な高分子同士の結合親和性の増加
- タンパク質結合の加速化（例.
- 拡散制限反応やタンパク質結合の減速
- 熱変性に対するタンパク質の安定化
要約すると、混雑はタンパク質の折り畳みや相互作用を強制し、希薄溶液ではありえないような複雑な構造を作り上げるのである。 たとえば、1981年にウィルフ・ミルトン（Wilf & Minton）は、溶液中の希薄なミオグロビン分子は互いにほとんど興味を示さないが、他のタンパク質の10％溶液を加えると、ミオグロビンが自然に二量体に集合することを発見しました。
細胞内の水の性質
結晶化したタンパク質でも、実際のタンパク質は質量の40％しかありません。 残りは溶媒で、詰まったタンパク質分子の間を占めている（正確には長方形ではなく、きれいに積み重ねられない）。 溶媒が水の場合、その半分はタンパク質表面に吸着されますが、残りは通常の液体の水と見なすことができます。 この薄い膜の中に、細胞内の水のイオンが溶けています。
明らかに、結合した吸着水では、状況が少し違っていますね。 たとえば、この水の溶媒の特性は、「自由な」水の特性とまったく同じにはならないでしょう。 ひとつには、化学的活性が低下することだ。 例えば、Fosterら（1976）は、水の凝固点が低くなることを発見している。 さらに、細胞質には、活性が増加したポケット（親水性タンパク質構造の周辺）と活性が減少したポケット（疎水性構造の周辺）が存在することになります。
タンパク質によってこの捕捉状態に保持されている水はどれくらいあるのでしょうか。 それを言うのはやや難しい。 Lingら（1993）による実験では、細胞内ではほとんどの水がこのように「秩序立って」いることが示唆されていますが、このテーマについて報告している実験のほとんどは、使用している生の生細胞が実験条件に対してさまざまな恒常性反応を示すという事実に多少影響されて、調査結果を混乱させています。 浸透圧をかけると、すべての「移動性」水が細胞から出てくるはずだと彼らは推論します。 そして、細胞の水分量を測定すると、残ったものは「不動」であり、タンパク質分子の表面に留まっていて、浸透圧に反応して移動することができないに違いないのです。 Cameronら（1997）は、浸透圧の上昇を示すX軸に対して、残存細胞の水分量をプロットしたグラフ（恥ずかしながら盗用してここに表示、左側）を提示している。 圧力と水分量の関係は、実験的証拠から外挿され、「無限」の浸透圧に向かって延長されると、あるゼロでない点でY軸を横切ることになる。 使用する細胞にもよりますが、それは結局、総水分量の 30 ～ 90% でした。
実際、タンパク質に吸着したこの水分が細胞内の必須水分であり、すべての「自由」水分は無意味なバラストであるようです。 Clegg (1981) は、乾燥したブラインシュリンプの細胞に水分を補給したところ、代謝活動が再開され、重量にして約 35% の水分を補給したときには比較的正常であったことを発見しました。 このエビの場合、「バルク相」の自由水はほとんど存在しなかったのである。 もちろん、生殖やRNAの合成（そのためには70〜80%までの水和が必要）は行っていなかったが、アミノ酸の合成やガス交換は比較的普通に行われていたのである。 このことは、客観的に測定すると、この20～30％の濃いタンパク質スープの粘度が、通常の水に酷似しているという事実（Luby-Phelps, 1994）
細胞内液pH
Carter (1972) は、このことについて非常に影響のある論文を発表しています。 その著者は、オオグソクムシ（Balanus nubilus）の筋肉を、ナトリウム450mmol/L、塩素518mmol/Lの食塩水である「オオグソクムシリンガー液」と呼ばれるものに懸濁して使用したにもかかわらず、ヒト生理学の教科書にしばしば引用される。 このようなデータの人間的な一般性を尊重しながら読み進めることは難しいのですが、もし読み進めれば、細胞内のpHは区画化されており、細胞質内の異なる領域は6.0から7.5の範囲で激しく異なるpH値を持っているという最も重要な発見が得られることでしょう。
細胞内電解質濃度
一般に、すべての教科書は、細胞内液の電解質濃度について質問すると、次のようなガンブルグラムを作成します（Ling, 1984からの流用、彼の遺産および出版社の許可は得ていません）。
ここの図は Ling の本では参照されていませんが、Ling が細胞内溶質の挙動を決定する画期的な仕事を事実上すべて行ったことを考えると、その必要はない、と言えるかも知れません。 具体的には、1960年代に、彼とオクセンフェルドは、このカリウム（および細胞質内の他のすべての電解質）が一般に自由に利用できる形では存在せず、代わりに高分子構造に吸着していることを突き止めたのです。
研究者たちは、放射性同位体で細胞に挑戦し、電解質が自由に分布していた場合に予想される、すでにそこに存在する電解質を置換する効果がほとんどないことを発見しました。 細胞内の電解質は大部分が高分子との複合体として存在し、すべての内容物が均質な水の袋に存在する細胞のモデルから予想されるよりも、はるかに移動性が低いことがわかった。 同じ著者（Ling & Ochsenfeld, 1973）は後に、細胞内から細胞外へのカリウムの移動度は、自由溶液中の単純な拡散から予想される移動度の約8分の1であることを確認しています。 ATPを動力とするポンプが働かなくなり、タンパク質の構造が乱れたためです。
では、これらのイオンは、細胞内の自由水の湖に溶けているのではなく、むしろ複合体に結合しているということにしましょう。 しかし、それでもまだ、「何がどのくらい含まれているのか」という疑問には答えられません。 という質問には答えられない。しかし、その答えは比較的簡単だ。 この章でこれまでに取り上げられたどの質問よりも、ずっと簡単なのです。 細胞質を採取し、凍結乾燥させ、その乾燥塊の元素組成を測定すればよいのです。 Masonら（1981）は、いくつかの腎尿細管細胞について、虚血性障害の前と後で、まさにこれを行った。 彼らの発見は、オリジナルの1981年の表と光沢のあるギャンブルグラムの形で、以下に再現されている。
20分の虚血の後でもカリウム濃度の乱高下からわかるように、細胞の電解質組成は細胞外液のそれよりもはるかに流動的です（どの電解質の濃度も20mmolの変化は、生物の存続レベルの許容度が低くなるのです）。 さらに、細胞の種類によって、細胞内のイオン濃度が微妙に異なることがあります。 このため、教科書に記載されている細胞内電解質の数値は不正確であり、一般に数値の引用を嫌がる。 事実上、どんな数字を引用しても間違っていることになる。 例えば、メイソンの遠位尿細管では細胞質中のナトリウムは11mmol/Lでしたが、Poole-Wilson（1975）は左心室筋細胞で約44mmol/L、左大腿四頭筋で20mmol/Lであると報告しています。 Alamら(1977)は、いくつかの破綻した肝細胞において、ナトリウムは約25mmol/L、カリウムは145mmol/Lという値を示している。 要するに、どのような細胞であっても、その環境は複雑で予測不可能であるため、具体的な数値を示すことは困難である。