細胞膜理論の歴史

細胞理論は17 世紀の顕微鏡観察に起源を持つが、細胞と外界を隔てるものを説明できる完全な細胞膜理論が開発されるまでには、ほぼ 200 年を要した。19 世紀までには、細胞の周囲には何らかの半透膜が存在するに違いないという考えが受け入れられた。麻酔分子の作用に関する研究から、このバリアはある種の脂肪 (脂質) でできているのではないかという理論が生まれたが、その構造はまだ不明であった。1925 年の一連の先駆的な実験により、このバリア膜は脂質の 2 つの分子層、つまり脂質二重層で構成されていることが示された。その後数十年にわたる新しいツールによってこの理論は裏付けられたが、細胞膜におけるタンパク質の役割については論争が続いた。最終的に、流動モザイク モデルが構築され、タンパク質が流動的な脂質二重層の「海」に「浮遊」するようになった。このモデルは単純で不完全ではあるが、今日でも広く参照されている。

17 世紀に顕微鏡が発明されて以来、植物や動物の組織は細胞で構成されていることが知られていました。 細胞はロバート フックによって発見されました。植物の細胞壁はこれらの初期の顕微鏡でも簡単に見ることができますが、動物の細胞には同様の障壁は見られませんでした。しかし、そのような障壁が存在するはずであることは当然でした。19 世紀半ばまでに、この問題は活発に調査され、モーリッツ トラウベは、この外層はイオンを輸送するために半透性でなければならないと指摘しました。^[1]しかし、トラウベはこの膜の組成に関する直接的な証拠を持っておらず、細胞原形質と細胞外液の界面反応によって形成されたと誤って主張しました。^[2]

細胞膜の脂質性質は、1888年にゲオルク・ヘルマン・クインケによって初めて正しく直観されました。クインケは、細胞は一般的に水中で球形を形成し、半分に割ると2つの小さな球を形成することを指摘しました。この挙動を示す唯一の他の既知の物質は油でした。彼はまた、予測どおり、薄い油膜が半透膜として挙動することを指摘しました。^[3]これらの観察に基づいて、クインケは、細胞膜が厚さ100nm未満の脂肪の流体層で構成されていると主張しました。^[4]この理論は、麻酔薬の研究からの証拠によってさらに拡張されました。ハンス・ホルスト・マイヤーとアーネスト・オーバートンはそれぞれ独立して、全身麻酔薬として機能する化学物質は水と油の両方に溶けるものであることに気づきました。彼らはこれを、分子が細胞膜を通過するには、油に少なくともわずかに溶ける必要があるという意味であると解釈しました。これが彼らの「麻酔の脂質理論」です。この証拠とさらなる実験に基づいて、彼らは細胞膜はレシチン（ホスファチジルコリン）とコレステロールでできている可能性があると結論付けました。^[5]この理論に対する初期の批判の1つは、エネルギー依存の選択的輸送のメカニズムが含まれていないということでした。^{[6]この「欠陥」は、}膜貫通タンパク質と呼ばれる特殊な分子がイオン輸送ポンプとして機能できることが発見されるまで、ほぼ半世紀にわたって未解決のままでした。

こうして、20世紀初頭までに細胞膜の化学的性質はわかっていたが、その構造的性質はまだわかっていなかった。1924年の2つの実験がこのギャップを埋める基礎を築いた。赤血球溶液の静電容量を測定することにより、フリッケは細胞膜の厚さが3.3 nmであると判定した。^[7]この実験の結果は正確であったが、フリッケはデータを細胞膜が単一の分子層であると誤って解釈した。極性脂質ヘッドグループは完全に水和しているため、静電容量測定には現れず、この実験は実際には二重層全体ではなく炭化水素コアの厚さを測定したことになる。ゴルターおよびグレンデルは別の観点から問題に取り組み、赤血球脂質の溶媒抽出を行い、得られた材料をラングミュア・ブロジェットトラフ上に単層として広げた。単層の面積と細胞の表面積を比較したところ、2対1の比率であることがわかった。^[8]この実験のその後の分析では、不正確な単層圧力、不完全な脂質抽出、細胞表面積の誤算など、いくつかの問題が明らかになりました。^[9]これらの問題にもかかわらず、細胞膜は脂質二重層であるという基本的な結論は正しかったです。

10年後、ダヴソンとダニエリはこの概念の修正を提案した。彼らのモデルでは、脂質二重層の両側が球状タンパク質の層で覆われていた。^[10]彼らの見解によれば、このタンパク質の層は特定の構造を持たず、単に溶液からの吸着によって形成されたものであった。彼らの理論はまた、膜のバリア特性を疎水性コアを通過するエネルギーコストではなく、タンパク質層からの静電反発に帰していた点でも間違っていた。膜のより直接的な調査は、1950年代後半に電子顕微鏡の使用によって可能になった。重金属標識で染色した後、ショーストランドらは明るい領域で区切られた2つの細い暗い帯に気づき、^[11]彼らはそれをタンパク質の単一分子層であると誤って解釈した。より正確な解釈はJ.デビッド・ロバートソンによってなされ、彼は暗い電子密度の帯が2つの対向する脂質単層のヘッドグループと関連タンパク質であると判定した。^{[12] [13]}この研究で、ロバートソンは「単位膜」という概念を提唱しました。これは、二重層構造がすべての細胞膜と細胞小器官の膜に普遍的に割り当てられた初めてのケースでした。

半透膜、つまり溶媒は通すが溶質 分子は通さないバリアの概念も、ほぼ同時期に生まれた。浸透圧という用語は1827 年に生まれ、生理現象に対するその重要性が認識されたが、植物学者 ヴィルヘルム・プフェッファーが細胞生理学の膜理論を提唱したのは 1877 年になってからであった。この考え方では、細胞は薄い表面、つまり細胞膜に囲まれており、細胞内の水やカリウム イオンなどの溶質は希薄溶液のような物理的状態で存在するとされた。1889 年、ハンバーガーは赤血球の溶血を利用してさまざまな溶質の透過性を測定した。細胞が弾性限界を超えて膨張するのに必要な時間を測定することにより、それに伴う細胞容積の変化から溶質が細胞に入る速度を推定できた。彼はまた、赤血球には見かけの非溶媒容積が約 50% あることを発見し、後にこれには細胞のタンパク質やその他の非溶媒成分に加えて水和水も含まれることを示しました。 アーネスト・オーバートン(チャールズ・ダーウィンの遠縁) は、1899 年に初めて脂質 (油) 細胞膜の概念を提唱しました。脂質膜の主な弱点は、水に対する高い透過性を説明できないことであったため、ネイサンソン (1904) はモザイク理論を提唱しました。この見方では、膜は純粋な脂質層ではなく、脂質領域と半透性ゲル領域とのモザイクです。ルーランドは、小分子がさらに通過できるように細孔を含めるようにモザイク理論を改良しました。膜は一般に陰イオンに対する透過性が低いため、レオノール・ミカエリスは、イオンが細孔の壁に吸着され、静電反発によってイオンに対する細孔の透過性が変化すると結論付けました。ミカエリスは膜電位（1926）を実証し、それが膜を横切るイオンの分布と関係していると提唱した。^[14]ハーヴェイとジェームズ・ダニエリ（1939）は脂質二重層を提唱した。膜の両側はタンパク質の層で覆われており、表面張力の測定に役立っています。1941 年にボイルとコンウェイは、静止状態のカエルの筋肉の膜は K+ と Cl- の両方を透過しますが、Na+ は透過しないようです。そのため、単一の臨界孔サイズで K+、H+、Cl- の透過性と Na+、Ca+、Mg++ の不透過性を説明できるため、孔内の電荷の考え方は不要でした。

放射性トレーサーの開発により、細胞は Na+ に対して不浸透性ではないことが示されました。これは膜バリア理論では説明が困難であったため、細胞に浸透する Na+ を継続的に除去するナトリウム ポンプが提案されました。これにより、細胞は動的平衡状態にあり、イオン勾配を維持するために常にエネルギーを使用しているという概念が生まれました。1935 年、カール ローマンがATPと細胞のエネルギー源としてのその役割を発見したため、代謝駆動型ナトリウム ポンプの概念が提案されました。ホジキン、ハクスリー、カッツが細胞膜電位の膜理論の開発で大きな成功を収め、現象を正しくモデル化する微分方程式が生まれたことで、膜ポンプ仮説がさらに裏付けられました。

現代における細胞膜の見方は、タンパク質成分が埋め込まれた流動的な脂質二重層です。細胞膜の構造は現在、非常に詳細にわかっており、細胞膜に結合する何百もの異なるタンパク質の 3D モデルも多数存在します。細胞生理学におけるこれらの大きな発展により、細胞膜理論が優位に立つようになりました。

同じ頃、最初のモデル膜である塗装二重膜の開発により、単純な人工二重膜の特性を直接調査することが可能になった。再構成された脂質溶液を開口部に「塗装」することで、ミュラーとルーディンは、得られた二重膜が横方向の流動性、高い電気抵抗、および穿刺に対する自己修復を示すことを突き止めることができた。^[15]この形式のモデル二重膜はすぐに「BLM」として知られるようになったが、この頭字語の意味は当初から曖昧であった。1966年には早くも、BLMは「黒色脂質膜」または「二分子脂質膜」のいずれかを意味するために使用されていた。^{[16] [17]}

この同じ横方向の流動性は、1970 年に Frye と Edidin によって細胞表面で初めて決定的に実証されました。彼らは、異なる膜結合蛍光タグで標識された 2 つの細胞を融合し、2 つの色素集団が混ざり合う様子を観察しました。^[18]この実験の結果は、1972 年にSingerとNicolsonが細胞膜の「流動モザイク」モデルを開発する上で鍵となりました。 ^[19]このモデルによると、生体膜は主にむき出しの脂質二重層で構成され、タンパク質が膜の半分または完全に貫通しています。これらのタンパク質は、完全に液体の二重層内で自由に浮遊しているように見えます。これは、不均一な膜構造の最初の提案ではありませんでした。実際、1904 年に Nathansohn が、水を透過する領域と透過しない領域の「モザイク」を提案しました。^[20]しかし、流動モザイク モデルは、流動性、膜チャネル、およびタンパク質/二重層の結合の複数のモードを 1 つの理論に正しく組み込んだ最初のモデルでした。

継続的な研究により、当初の理論にはいくつかの欠点と単純化があることが明らかになりました。^[21]たとえば、チャネルタンパク質は、その中心に連続した水チャネルがあると説明されていますが、これは現在では一般的には真実ではないことがわかっています（9 nmの開いた水チャネルを持つ核膜孔複合体は例外です）。 ^[22]また、細胞表面での自由拡散は、多くの場合、数十ナノメートルの幅の領域に限定されます。横方向の流動性に対するこれらの制限は、細胞骨格アンカー、脂質相分離、および凝集したタンパク質構造によるものです。現代の研究では、細胞膜の「むき出しの」脂質は以前考えられていたよりもはるかに少なく、実際には細胞表面の大部分はタンパク質に関連している可能性があることも示されています。 これらの制限にもかかわらず、流動モザイクモデルは、生物膜の構造に関する一般的な概念として今でも人気があり、頻繁に参照されています。

細胞膜に関する現代の主流のコンセンサスモデルは、細胞の内側と外側を隔てる脂質二重層と、それに関連するイオンチャネル、ポンプ、トランスポーターが細胞の透過性プロセスを引き起こすという流動モザイクモデルに基づいています。過去には代替仮説が立てられましたが、その多くは却下されました。細胞の浸透圧、透過性、電気的特性に関する研究の文脈で 1980 年代に立てられたこれらの対立概念の 1 つが、ギルバート・リングのものでした。^{[23]現代の考え方では、これらの特性はすべて}細胞膜に属するとされていますが、リングの見解では、これらの特性は原形質に起因していました。

脂質二重膜理論への支持が高まるにつれ、脂質二重膜の重要性を否定するこの代替概念が開発された。1916年、プロクター・アンド・ウィルソンは、半透膜を持たないゲルが希薄溶液中で膨張することを実証した。ローブ（1920）も膜の有無にかかわらずゼラチンを広範囲に研究し、膜のないゲルでも細胞膜に起因する特性の多くを再現できることを示した。特に、彼はH+濃度に基づいてゼラチンと外部媒体の間に電位差を生じさせることができることを発見した。

膜理論に対する批判は 1930 年代に展開され、一部の細胞が膨張して表面積を 1000 倍に増やす能力があること (脂肪組織など) などの観察に基づいていました。脂質層は、パッチワークにならずにその程度まで伸びることはできません (その結果、バリア特性が失われます)。このような批判が刺激となり、細胞透過性を決定する主な要因としての原形質に関する研究が継続されました。1938 年、フィッシャーとスーアは、原形質内の水は自由ではなく化学的に結合した形であり、原形質はタンパク質、塩、水の組み合わせであると提唱しました。彼らは、生体組織の膨張とゼラチンおよびフィブリンゲルの膨張との基本的な類似性を実証しました。ディミトリ・ナソノフ (1944) は、タンパク質が電気特性を含む細胞の多くの特性を担う中心的要素であるとみなしました。

1940年代までに、バルク相理論は膜理論ほど発展しておらず、大部分が否定された。1941年、ブルックスとブルックスは、バルク相理論を否定するモノグラフ「生きた細胞の透過性」を出版した。^[24]

• M Edidin、「最先端の脂質：細胞膜二重層の世紀」Nature Reviews Molecular and Cellular Biology、(2003) 4、414-418。
• JDロバートソン。「膜構造」細胞生物学ジャーナル（1981）91、189-204ページ。