主な相違点 – 能動拡散と受動拡散
細胞膜は半透過性のバリアとして機能し、細胞質環境を一定に保つために、膜を通過する分子の動きを制御している。
リン脂質二重層は、ある分子はその濃度勾配を利用して自由に細胞膜を通過し、他の分子は膜を通過するために特別な構造を利用することを可能にしている。
これらの構造体が膜貫通タンパク質です。
残りの分子は、細胞のエネルギーを利用して細胞膜を通過することになる。
細胞膜を通過する分子の輸送には、能動拡散と受動拡散の2つの方法があります。
能動拡散と受動拡散の主な違いは、能動拡散がATPエネルギーを使って分子を濃度勾配に逆らって送り出すのに対し、受動拡散は分子を濃度勾配を通して膜を通過させることである。
したがって、受動拡散は分子の輸送に細胞のエネルギーを利用しない。
アクティブディフュージョンとは
能動拡散とは、細胞膜に存在するキャリアタンパク質の助けを借りて、分子やイオンが細胞のエネルギーを利用して濃度の低いところから高いところへ移動することをいいます。
細胞は、ブドウ糖やアミノ酸、イオンなどを能動拡散によって蓄積している。
細胞が利用する拡散機構には、一次拡散と二次拡散の2種類があります。
一次アクティブディフュージョン
一次能動拡散とは、ATPという細胞エネルギーを利用して、濃度勾配に逆らって分子を輸送することである。
したがって、一次能動輸送では、ATPを動力源とするキャリアータンパク質分子が利用される。
一次輸送は、細胞の静止電位を維持するナトリウム／カリウムポンプ（Na+/K+ ATPase）で最も顕著に見られる。
ATPの加水分解によって放出されるエネルギーは、3つのナトリウムイオンを細胞外に、2つのカリウムイオンを細胞内に送り出すのに使われる。
ここで、ナトリウムイオンは低濃度の10mMから高濃度の145mMに輸送される。
カリウムイオンは細胞内の140mMの濃度から細胞外液の5mMの濃度に輸送される。
ナトリウム・カリウムポンプの作用を図1に示す。
プロトン・カリウムポンプ（H+/K+ ATPase）は、胃の粘膜に存在し、胃内を酸性に保っている。
オメプラゾールはプロトン・カリウムポンプ阻害剤であり、胃内の酸の逆流を抑制する。
電子輸送系の酸化的リン酸化と光リン酸化は、どちらも一次活性輸送を利用して還元力をも生み出している。
二次的なアクティブディフュージョン
二次的能動拡散とは、電気化学的勾配から放出されるエネルギーによって、濃度勾配に逆らって分子を輸送することである。
ここでは、膜貫通タンパク質がチャネルタンパク質（孔形成タンパク質）により作られる。
二次的な能動輸送では、濃度勾配に逆らって別の物質が同時に移動することが観察される。
したがって、二次的な能動拡散に関与するチャネルタンパク質は共輸送体として同定することができる。
共輸送体には、アンチポーターとシンポーターの2種類があります。
図2に共輸送体の作用を示す。
特定のイオンと溶質を反対方向に輸送するのがアンチポーターです。
ナトリウム／カルシウム交換体は、活動電位後の心筋細胞内のカルシウムイオン濃度の回復を可能にするもので、アンチポーターの最も一般的な例である。
イオンは濃度勾配を通過して輸送されるが、溶質はシンポーターによって濃度勾配に逆らって輸送される。
ここでは、両分子は細胞膜を越えて同じ方向に輸送される。
SGLT2は、ナトリウムイオンとともにグルコースを細胞内に輸送するシンポーターです。
パッシブディフュージョンとは
受動拡散とは、細胞のエネルギーを利用せずに、イオンや分子が濃度勾配を通して細胞膜を移動することをいう。
したがって、受動拡散は、分子の自然なエントロピーを利用して細胞膜を通過する。
分子の移動は、両者の濃度が等しくなるまで行われる。
受動拡散の主な種類は、浸透、単純拡散、促進拡散、ろ過の4つです。
単純拡散
透過性のある膜を越えて分子が単純に移動することを単純拡散という。
小さく、無極性の分子は単純拡散を利用する。
より良い流れを維持するためには、拡散距離を短くする必要がある。
図3に単純拡散の様子を示す。
促進された拡散
極性分子や大きな分子は、細胞膜を通過する際に拡散を促進させる。
拡散を促進する輸送タンパク質には、チャネルタンパク質、アクアポリン、キャリアタンパク質の3種類があります。
チャネルタンパク質は、膜に疎水性のトンネルを作り、選択された疎水性分子が膜を通過することを可能にする。
チャネルタンパク質には、常時開口しているものと、イオンチャネルタンパク質のようにゲーティングされているものがあります。
アクアポリンは、水を素早く膜を通過させる。
キャリアータンパク質は、形を変えながら、目的の分子を膜の向こう側に運びます。
図4は、拡散を促進させたものです。
：図4：拡散の促進
ろ過
ろ過は、循環器系で発生する静水圧により、溶質が水と一緒に移動することである。
腎臓のボーマン嚢で発生する。
図5に濾過の様子を示す。
図5：濾過の様子
浸透圧
浸透は、選択的に透過する膜を越えて水が移動することである。
高い水ポテンシャルから低い水ポテンシャルへの移動が起こる。
浸透圧が赤血球に及ぼす影響を図6に示す。
高張力溶液中の赤血球は、細胞から水分を失う可能性がある。
高張溶液は、赤血球の細胞質よりも高い濃度の溶質を含んでいる。
等張溶液は、細胞質と同程度の濃度の溶質を含んでいる。
そのため、細胞内外の水の純移動はゼロです。
低張溶液は、細胞質よりも低い溶質濃度を含んでいます。
赤血球は低張液から水を受け取る。
脂溶性分子はリン脂質二重膜を受動的に通過する。
水溶性分子は、膜貫通タンパク質によって細胞膜を通過する。
アクティブ拡散とパッシブ拡散の類似点
- 能動拡散と受動拡散は、どちらも細胞膜を介した分子の輸送に関与している。
- 能動拡散も受動拡散も、分子の輸送に膜貫通型タンパク質を用いる。
アクティブ拡散とパッシブ拡散の違い
定義
アクティブディフュージョン。
能動拡散とは、細胞膜にあるキャリアタンパク質の助けを借りて、分子やイオンが濃度の低いところから高いところへ移動することで、細胞のエネルギーを利用している。
受動拡散。
受動拡散とは、細胞のエネルギーを利用せずに、イオンや分子が濃度勾配を通して細胞膜を越えて移動することである。
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アクティブディフュージョン。
細胞膜を越えて分子を輸送するために、細胞のエネルギーを利用した能動的な拡散。
受動拡散。
受動拡散：細胞エネルギーを利用しない拡散。
輸送の種類
能動拡散。
一次拡散と二次拡散の2種類があります。
受動拡散。
単純拡散、促進拡散、濾過、浸透の4種類です。
分子を輸送する
能動拡散。
イオン、大きなタンパク質、複雑な糖類、細胞などは、能動拡散によって輸送される。
受動拡散。
小さな単糖類、脂質、性ホルモン、二酸化炭素、酸素、水などの水溶性分子は、受動拡散によって輸送される。
役割
能動拡散。
能動拡散：分子が細胞膜を通過し、拡散によって確立された平衡を崩すこと。
受動拡散。
細胞質と細胞外の環境との間で受動的拡散が起こり、水、栄養、ガス、老廃物の動的平衡が保たれる。
重要性
能動拡散。
大きな不溶性分子を細胞内に取り込むには、能動輸送が必要である。
受動拡散。
受動拡散：細胞質と細胞外液の間の微妙なホメオスタシスを維持することができる。
結論
能動拡散と受動拡散は、細胞が利用する2種類の膜輸送機構です。
どちらのプロセスも細胞膜を通して行われる。
細胞膜は選択的透過性のバリアとして機能し、電荷を持たない小さな分子だけが自由に細胞膜を通過することができる。
大きな分子や帯電したイオンは、活発な拡散によって細胞膜を通過する。
電荷を持たない小さな分子は、受動拡散によって通過する。
能動拡散は濃度勾配に逆らって起こるので、ATPや電気化学勾配の形で細胞エネルギーを使用する。
しかし、受動拡散は濃度勾配を介して起こるので、分子の輸送に細胞のエネルギーを必要としない。
能動拡散と受動拡散の主な違いは、通過する分子の種類と、それぞれのプロセスによる細胞エネルギーの利用です。
