細胞内浸透圧を緩衝するマクロ分子凝縮は不可能である

核心概念

細胞膜の高い水透過性により、マクロ分子凝縮による細胞内浸透圧緩衝は不可能である。

要約

本論文は、Watson et al.が提唱した「マクロ分子凝縮が細胞内浸透圧の主要な緩衝機構である」という仮説を検証したものである。

まず、著者は細胞膜の高い水透過性について説明する。細胞膜のリン脂質二重層は水透過性が高く、水の流入出を制御することはできない。この水透過性が、マクロ分子凝縮による細胞内浸透圧緩衝を無効化してしまうと指摘する。

次に、細胞体積調節のモデルとして広く知られる「ポンプ-リーク・モデル」を用いて、マクロ分子凝縮の緩衝効果を検証した。その結果、マクロ分子凝縮による水の放出・吸収は、細胞膜の高い水透過性によって短時間で相殺されてしまうことが示された。

さらに、能動的な水輸送や膜張力の発生といった可能性についても検討したが、いずれも細胞内浸透圧の維持には不十分であることが明らかになった。

結論として、著者は「マクロ分子凝縮が細胞内浸透圧の主要な緩衝機構である」という Watson et al.の主張は、細胞膜の水透過性を考慮すると成り立たないと述べている。

統計

細胞膜の水透過係数は、リン脂質二重層で8.3×10^-3 ~ 1.6×10^-3 cm/s、赤血球で2×10^-2 cm/sと報告されている。
細胞体積が10 μmの細胞に対し、マクロ分子凝縮が細胞体積の10%を占めると仮定した場合、細胞外浸透圧が30 mOsm上昇した際の細胞内浸透圧緩衝効果は約50秒で消失する。

引用

「生細胞は熱力学的平衡状態にはなく、むしろ非平衡状態を維持するために連続的なエネルギー消費が必要である」
「細胞膜が水透過性であることを無視し、マクロ分子凝縮が細胞内浸透圧の主要な緩衝機構であると主張するのは適切ではない」

抽出されたキーインサイト

Macromolecular condensation is unlikely to buffer intracellular osmolality

by Kay,A. R. 場所 www.biorxiv.org 05-27-2024

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.05.24.592450v1

深掘り質問

細胞内に存在する様々な高分子の浸透圧への寄与はどのように評価できるか?

細胞内の浸透圧に対する高分子の寄与は、主に細胞内の不浸透性分子の濃度とその性質に基づいて評価されます。浸透圧は、細胞内の溶質の濃度に依存し、特に高分子のような大きな分子は、細胞内の浸透圧に重要な役割を果たします。具体的には、細胞内の高分子の濃度が上昇すると、浸透圧も増加し、細胞の水分保持に寄与します。これを定量的に評価するためには、浸透圧の計算式であるオスモティックポテンシャル（−Ψπ = iCRT）を用いることができます。ここで、Cは溶質の濃度、iはバン・ホフ因子、Rは気体定数、Tは絶対温度を表します。高分子の種類やその相互作用も考慮に入れる必要があり、特に高分子が水分子とどのように相互作用するか（例えば、結合や水の放出）を理解することが重要です。これにより、細胞内の浸透圧の変動に対する高分子の寄与をより正確に評価することが可能になります。

細胞膜の水透過性を低下させる生物学的メカニズムは存在するか?

細胞膜の水透過性を低下させる生物学的メカニズムはいくつか存在します。まず、細胞膜の構成成分であるリン脂質の変化が挙げられます。特定の脂肪酸の飽和度や長さが変わることで、膜の流動性が変化し、水の透過性に影響を与えることがあります。また、細胞膜に存在するアクアポリンと呼ばれる水チャネルの発現量や機能の調節も重要です。アクアポリンの発現が減少すると、水の透過性が低下します。さらに、細胞がストレスを受けた際に、膜の脂質二重層が変化し、膜の水透過性が低下することもあります。これらのメカニズムは、細胞が外部環境の変化に適応するための重要な手段であり、細胞の浸透圧の調節に寄与しています。

マクロ分子凝縮が細胞内の他の重要な機能に関与している可能性はないか?

マクロ分子凝縮は、細胞内の浸透圧の調節に加えて、他の重要な機能にも関与している可能性があります。例えば、マクロ分子凝縮は、細胞内のシグナル伝達や遺伝子発現の調節に寄与することが知られています。凝縮体は、特定のタンパク質やRNAを集積させることで、細胞内の局所的な環境を変化させ、特定の生理的プロセスを促進することができます。また、マクロ分子凝縮は、ストレス応答や細胞の老化、さらには病理学的状態における細胞の適応にも関与していると考えられています。これにより、細胞は外部のストレスに対して迅速に反応し、機能を維持することが可能になります。したがって、マクロ分子凝縮は細胞内の浸透圧の調節だけでなく、細胞の全体的な機能においても重要な役割を果たしていると考えられます。