細胞膜

細胞膜（細胞膜や内膜を含む）は、ごく例外なく、グリセロリン脂質というグリセロールとリン酸基と2本の脂肪酸鎖からなる分子でできています。 グリセロールは炭素数3の分子で、この膜脂質の骨格として機能している。 グリセロリン脂質は、グリセロールの1番目と2番目の炭素に脂肪酸が、3番目の炭素にリン酸基が結合している。 リン酸には可変長の頭部基が結合している。 この分子の空間充填モデルから、グリセロリン脂質が円筒形であり、横に並んで広いシートを形成することができる形状であることがわかる（図1）。

図1：脂質二重層とグリセロリン脂質分子の構造と組成

(A) 細胞の細胞膜はグリセロリン脂質分子の二重層になっている。 (B）1つのグリセロリン脂質分子は、親水性の頭部（緑色）と疎水性の尾部（紫色）の大きく2つの領域から構成されている。 (C) グリセロリン脂質分子のサブ領域；ホスファチジルコリンを例として示す。 親水性の頭部は、コリン構造（青）とリン酸（オレンジ）からなる。 この頭部はグリセロール（緑）と脂肪酸と呼ばれる2つの疎水性の尾部（紫）でつながっている。 (D）この図は、ホスファチジルコリン分子のさまざまな下位領域内の特定の原子を示している。 炭化水素（脂肪酸）の尾部にある2つの炭素原子の間に二重結合があるため、この分子はわずかに曲がって見えることに注意。

グリセロリン脂質は細胞膜に圧倒的に多く含まれる脂質です。 他の脂質と同様、水に溶けませんが、そのユニークな形状により、エネルギーを投入することなく二重層に凝集することができます。 これは、親水性（水を好む）のリン酸の頭部と疎水性（水を嫌う）の脂肪酸の尾部を持つ2面性の分子であるためである。 水中では、これらの分子は自発的に整列し、頭部は外側を向き、尾部は二重層の内部に整列している。

細胞膜の約半分の質量は脂質が占めている。

脂質は細胞膜の約半分を占め、グリセロリン脂質に比べると少ないが、コレステロールは動物細胞の細胞膜に含まれる脂質の約20パーセントを占める。 しかし、細菌膜やミトコンドリア膜にはコレステロールは存在しない。 また、コレステロールは膜の硬さを調節する働きがあり、他のあまり目立たない脂質は、細胞シグナル伝達や細胞認識などの役割を担っています。

リン脂質が二重層になってできた細胞膜の断面を示す模式図です。 Each phospholipid molecule is shown as a round phospholipid head with two squiggly fatty acid tails extending from it. A sheet-like layer of phospholipid molecules is positioned opposite and above a second sheet-like layer of phospholipid molecules. Fatty acid tails from the top and bottom layers extend into the center space so that the tails from the top layer meet the tails from the bottom layer; their phospholipid heads form the top and bottom surface of the bilayer. Six proteins of various shapes and sizes span the width of the membrane. Some form channels within the phospholipid bilayer.

Figure 2: The glycerophospholipid bilayer with embedded transmembrane proteins

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In addition to lipids, membranes are loaded with proteins. In fact, proteins account for roughly half the mass of most cellular membranes. これらのタンパク質の多くは、膜に埋め込まれて両側に突き出ている。これらは膜貫通タンパク質と呼ばれる。 これらのタンパク質は、炭化水素の尾部に挟まれている部分が疎水性、飛び出している部分が親水性という表面特性をもっている（図2）。

細胞膜は生理的な温度では流動的であり、温度が下がるとゲル状になる。 膜の構造とダイナミクスをモデル化する科学者たちは、膜を、膜貫通タンパク質が脂質二重層の中を横方向に移動できる流体モザイクとして表現している。 したがって、細胞膜を構成する脂質とタンパク質の集合体は、自然の生物物理学的性質に依存して形成され、機能している。 しかし、生きている細胞では、多くのタンパク質は自由に動くことができない。 細胞外のタンパク質、細胞内の細胞骨格、あるいはその両方と結合して、膜内の定位置に固定されていることが多い。