張性

さまざまな溶液が赤血球に与える影響

赤血球の浸透圧の顕微鏡写真

化学生物学において、張度は有効浸透圧勾配、すなわち部分的に透過性のある細胞膜によって隔てられた2つの溶液の水ポテンシャルの尺度です。張度は、細胞膜を透過する選択的な膜不透過性溶質の相対濃度に依存し、これが浸透流の方向と範囲を決定します。これは、外部溶液に浸漬された 細胞の膨張と収縮の反応を説明する際によく用いられます。

浸透圧とは異なり、張度は膜を通過できない溶質のみに影響されます。なぜなら、これらの溶質のみが有効浸透圧を及ぼすからです。膜を自由に通過できる溶質は、膜の両側で常に等濃度で平衡状態を保ち、溶媒の移動がないため、張度に影響を与えません。また、浸透圧は吸水にも影響を与える要因です。

ある溶液が他の溶液に対して持つ張性には、高張性、低張性、等張性の3つの分類があります。^{[ 1 ]}低張性溶液の例として蒸留水があります。

高張液

高張液中の赤血球。細胞外に水が移動します。

高張溶液は、他の溶液よりも非透過性溶質の濃度が高い。 ^{[ 2 ]}生物学において、溶液の張度は通常、細胞膜の反対側にある別の溶液の濃度に対する溶質濃度を指す。細胞外の溶液は、細胞内の細胞質よりも溶質の濃度が高い場合、高張性と呼ばれる。細胞が高張溶液に浸されると、浸透圧によって水が細胞外に流出し、細胞膜の両側の溶質の濃度が均衡する傾向がある。逆に、細胞質は外側の溶液の反対で低張性に分類される。^{[ 3 ] [ 4 ]}

植物細胞が高張溶液中にある場合、柔軟な細胞膜は硬い細胞壁から離れますが、原形質連絡と呼ばれる部分で細胞壁と結合したままになります。細胞はしばしば針山のような外観になり、原形質連絡は収縮してほとんど機能しなくなります。この状態は原形質分離と呼ばれます。植物細胞では、細胞壁からの圧力が浸透圧平衡点に大きな影響を与えるため、等張、低張、高張という用語を厳密に正確に使用することはできません。^{[ 5 ]}

一部の生物は、高張性を回避する複雑な方法を進化させてきました。例えば、海水はそこに生息する魚にとって高張です。魚はガス交換のために鰓に海水と接触する大きな表面積を必要とするため、鰓細胞から海水へ浸透圧によって水分を失います。この水分損失に対処するため、魚は大量の海水を飲み、過剰な塩分を積極的に排出します。 ^{[ 6 ]}このプロセスは浸透圧調節と呼ばれます。^{[ 7 ]}

低張液

低張液中の赤血球。細胞内に水が移動します。

低張溶液は、他の溶液よりも溶質の濃度が低い。生物学では、細胞外の溶液が細胞質に比べて溶質の濃度が低い場合、その溶液は低張性と呼ばれる。浸透圧により、水は細胞内に拡散し、細胞はしばしば膨張したように見える。動物細胞などの細胞壁を持たない細胞の場合、勾配が十分に大きいと、過剰な水の取り込みによって細胞溶解、つまり細胞の破裂を誘発するのに十分な圧力が生じる可能性がある。植物細胞が低張溶液中にある場合、中心の液胞が余分な水を取り込み、細胞膜を細胞壁に押し付ける。細胞壁は硬いため、液胞が押し返し、細胞の破裂を防ぐ。これを膨圧と呼ぶ。^{[ 8 ]}

等張性

等張液中の赤血球の描写。

ある溶液の有効浸透圧濃度が別の溶液の有効浸透圧濃度と同じ場合、その溶液は等張性となります。生物学では、細胞膜の両側にある溶液は、細胞外の溶質濃度が細胞内の溶質濃度と等しい場合、等張性となります。この場合、細胞膜を介した大量の水の拡散を引き起こす濃度勾配が存在しないため、細胞は膨張も収縮もしません。水分子は細胞膜を両方向に自由に拡散し、水の拡散速度は各方向で同じであるため、細胞は水分を得ることも失うこともありません。

等張溶液は、溶質が細胞膜を透過できる場合、低張性となることがあります。例えば、等張尿素溶液は赤血球に対して低張性を示し、赤血球を溶解させます。これは、尿素が濃度勾配に従って細胞内に入り込み、その後水が入るためです。生理食塩水（9グラムのNaClを水に溶かして全量1リットルとする）の浸透圧は、血液中のNaClの浸透圧（約290 mOsm / L ）にほぼ近似しています。したがって、生理食塩水は血漿とほぼ等張です。尿素とは異なり、ナトリウムイオンも塩化物イオンも血漿膜を自由に通過できません。

参照

• 浸透圧濃度
• 浸透
• 塩分

参考文献

1. スペレラキス、ニコラス（2011年）『細胞生理学資料集：膜生物物理学のエッセンス』アカデミック・プレス、288頁。ISBN 978-0-12-387738-3。
2. Buckley, Gabe (2017年1月20日). 「Hypertonic Solution」. Biologydictionary.net (ed.). Biology Dictionary (Online ed.). Biologydictionary.net . 2021年8月19日閲覧。
3. LibreTextsプロジェクト：医学（2018年7月18日）「3.3C - 張性」解剖学と生理学（Boundless）（オンライン版）med.libretexts.org/。2021年8月19日閲覧。
4. アルギロプロス、クリストス;ロンドン・ベリオス、ヘルベルト。ラジ、ドミニク S;マルホトラ、ディーパック。アガバ、エマヌエル 1 世。マーク・ローシャイブ;キタン、ザイド。村田、グレン・H;シャピロ、ジョセフ I.ツァマルーカス、アントニオス・H (2016 年 5 月 2 日) 「高張性：病態生理学的概念と実験研究」。クレウス。8 (5): e596。土井：10.7759/cureus.596。PMC 4895078。PMID 27382523。  
5. Lodish, Harvey; Berk, Arnold; Zipursky, S. Lawrence; Matsudaira, Paul; Baltimore, David; Darnell, James (2000). 「浸透圧、水チャネル、そして細胞容積の調節」分子細胞生物学（第4版）ニューヨーク：WHフリーマン・アンド・カンパニー。2021年2月28日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2021年8月19日閲覧。
6. Soult, Allison (2020). 「8.4 - 浸透と拡散」. ケンタッキー大学（編）. Chemistry for Allied Health . オープン教育リソース（OER）LibreTextsプロジェクト. 2021年8月19日閲覧。
7. Ortiz, RM (2001年6月). 「海洋哺乳類における浸透圧調節」 . The Journal of Experimental Biology . 204 (Pt 11): 1831–44 . doi : 10.1242/jeb.204.11.1831 . PMID 11441026 . 
8. 「定義 — 低張性」フリーディクショナリー. 2012年8月23日閲覧。