細胞質（サイトプラズム）とは — 構成・機能・pHをわかりやすく解説

細胞質（サイトプラズム）の構成・役割・pHを図解でわかりやすく解説。タンパク質割合や代謝・シグナル伝達のポイント、正常pH7.0の意義まで丁寧に紹介。

細胞質（細胞小器官を含む）は細胞の内部の液体であり、細胞の代謝の一部はここで行われる。

この文中の「細胞質」には、膜で囲まれた小器官（ミトコンドリア、ゴルジ体、エンドプラズミックレチiculumなど）と、それらを取り囲む液状成分（サイトゾル：cytosol）が含まれます。サイトゾルは膜で区切られていない部分で、酵素や代謝物が溶け込んだ化学反応の場となっています。

細胞質内のタンパク質は、シグナル伝達経路や解糖に重要な役割を果たしている。

具体例としては、解糖系の酵素群は主にサイトゾルに存在しており、受容体からの信号を伝えるためのキナーゼやアダプタータンパク質も細胞質で機能します。さらに、タンパク質は酵素活性の担い手であると同時に、イオンチャネルや輸送体の構成要素として細胞内外の物質移動を制御します。

細胞質の大部分は、水、溶存イオン、小分子、水溶性の大きな分子（タンパク質など）で構成されている。タンパク質は約20～30％含まれている。

• 水：細胞質の主要成分で、全体の約70％を占めるとされます。
• タンパク質：酵素や構造タンパク質が多く、全体の約20〜30％（乾燥重量ベースで高い割合）を占めます。
• イオンと小分子：Na+, K+, Ca2+, Cl−、ATP、アミノ酸などが溶けています。
• 脂質や糖：膜やエネルギー代謝に関与する分子が局在しますが、脂質の大部分は膜構造に結合しています。

細胞質の主な機能

• 代謝反応の場（解糖、アミノ酸代謝など）
• タンパク質合成の一部（リボソーム上での翻訳、折りたたみや分解の調整）
• 信号伝達の中継点および情報伝達ネットワークの構築
• 細胞骨格による形態維持・輸送・運動（微小管、アクチンフィラメント、中間径フィラメント）
• 生体高分子の「濃縮」効果（マクロ分子混雑：macromolecular crowding）により化学反応の効率が変化する
• 膜で仕切られない隔離領域（生体凝集体／液–液相分離によるコンデンセート：ストレス顆粒やPボディなど）の形成

pHとその制御

ヒトの正常な細胞質のpHは（おおよそ）7.0（つまり中性）で、細胞外液のpHは7.4です。細胞質pHは酵素活性やタンパク質の構造・相互作用に強く影響するため、厳密に制御されています。

• 維持機構：プロトンポンプや交換輸送体（例：Na+/H+交換体）、H+-ATPase、緩衝系（タンパク質やリン酸塩など）によってpHが安定化されます。
• 局所的差：細胞小器官ごとにpHは異なり、例えばリソソームは酸性（pH ~4.5–5.0）です。これは膜透過性や酵素の最適pHに合わせた結果です。
• 変動と病態：虚血やアポトーシス、がん細胞の代謝変化などで細胞内pHが変化し、生理機能や病的状態に影響を与えます。

pHの測定法（代表例）

• pH感受性蛍光プローブ（例：BCECF）や蛍光タンパク質ベースのpHセンサー（pHluorin）
• マイクロ電極やイオン選択電極による直接測定（技術的に難しい）
• 代謝物や酵素活性の変化から間接的に推定する方法

観察上の注意：電子顕微鏡での「粒状」像

細胞質が粒状と表現されるのは、電子顕微鏡を使って質感を調べるためには脱水処理が必要だからです。

さらに説明すると、透過電子顕微鏡（TEM）や走査型電子顕微鏡（SEM）では試料を固定・脱水・埋め込みする過程で細胞内の水分が失われ、タンパク質などが凝縮して「粒状」や「網状」に見えることがあります。生体内の水和状態を保った観察（クライオ電子顕微鏡など）では、より自然な構造が得られます。

その他の性質と臨床的意義

• 拡散と動的性：分子の拡散速度は粘性や混雑度によって制限され、代謝反応や信号伝達の速度に影響します。
• 相分離の生物学的役割：ストレス応答や翻訳調節の場として膜を持たない凝縮体が機能します。これらは可逆的に形成・消失し、病的凝集（例：神経変性疾患での凝集体）との関連が研究されています。
• 病態：がん細胞では代謝再編（Warburg効果）により細胞質の代謝流が変化し、pHやイオン環境が異なることが知られています。酸化ストレスやカルシウム恒常性の異常も細胞質機能に直結します。

まとめると、細胞質は単なる「液体」ではなく、化学反応・情報伝達・物質輸送・構造支持など多様な機能が高度に統合された場です。組成やpH、物理化学的性質の変化は細胞の働きに直ちに影響を与えるため、研究や医療でも重要な注目対象となっています。

質問と回答

Q: サイトゾルとは何ですか?

Q: 細胞質内のタンパク質はどのような役割を担っているのですか?

Q: 細胞質は主に何から構成されているのですか?

Q: ヒトの正常な細胞質pHはどのくらいですか?

Q: 細胞外液のpHはどのくらいですか?

Q: 細胞質はなぜ粒状と表現されるのですか?

Q: サイトゾルのうち、タンパク質は何パーセントですか?

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