その膜があるおかげで細胞の形を保つという重要な役割を果たしているのです。植物における細胞壁は全透膜で形成されています。, 半透膜の構造が分かったところで、それでは浸透圧が生じる仕組みについて説明しましょう。, 繰り返しになりますが、浸透圧は半透膜で仕切られた2つの部屋に入った液体の濃度が異なるときに発生する力ですので、半透膜があれば細胞でなくても生み出すことができます。, 水の粒子は半透膜の隙間よりも小さく、左右の部屋を行き来することができるため、濃度は同じになります。この状態では浸透圧は発生しません。, 続いて、右側に水の粒子よりも大きい粒子の溶質(例えば塩など)を入れた時について説明します。, 半透膜にあいた穴は、水の粒子は通しますが、大きい粒子は通ることができません。穴を通れない大きな粒子は、その穴をふさいでしまいます。, そのため、右から左に移動する水の粒の数は、左から右に移動する水の数よりも少なくなります。粒子の移動に偏りができたため、水は左から右に流れます。, 浸透圧の仕組みが分かったところで、浸透圧が起きた場合の溶液の呼び方がありますので、こちらも覚えておきましょう。ここでは、例として、蒸留水と塩化ナトリウム溶液を比較します。, 溶液の呼び方について説明をしましたが、それぞれの溶液の場合に浸透圧はどうなるのか、整理してみましょう。, 色々な言葉があり混乱しますが、ポイントは細胞の浸透圧は、「水を引き込む力」であることです。, 細胞の浸透圧よりも、外液の浸透圧が大きい状態ではどのような変化がおこるでしょうか。, この状態は、野菜を塩漬けにした状態と考えるとイメージがしやすいです。野菜を塩漬けにすると、シナシナになっていきます。, 細胞も同じように、水分が抜けて細胞は小さくなっていきます。浸透圧は水を引き込む力ですので、細胞の浸透圧は高張液に入れる前に比べて大きくなります。, 細胞の浸透圧が、外液の浸透圧よりも大きい状態ではどのような変化がおこるでしょうか。, この状態は、野菜を水漬けた状態と考えるとイメージがしやすいです。野菜を水に漬けると、水に漬ける前よりも水を吸ってシャキシャキになっていきます。, 細胞も同じように、水分を吸って大きくなっています。浸透圧は水を引き込む力ですので、細胞の浸透圧は低張液に入れる前に比べて小さくなります。, 体積との関係が反対なので、戸惑うかもしれませんが、困ったら「水を引き込む力」と思い出してください。, 浸透圧が発生すると「水を引き込む力」のため、体積が変化しますが、動物細胞と植物細胞で発生する現象が異なります。, ・細胞壁は硬いのであまり変化しないのに対し、細胞膜は縮んでしまうため細胞膜と細胞壁の間に隙間ができます。これを原形質分離とよびます。, ・動物細胞は水を吸収しますが、一定量を超えると細胞膜は膨張に耐えられなくなり破裂して細胞質が外に出てしまいます。これを原形質吐出とよびます。, ・植物細胞は水を吸収しますが、動物細胞と違って細胞壁があるので同じように破裂はしません。理由は細胞壁が硬いためです。, ・植物細胞は細胞膜と細胞壁の間に隙間ができそうできない、原形質分離を起こす寸前の状態です。この状態を限界原形質分離とよびます。, 初めは見慣れない言葉も多く、悩むことも多いかもしれませんが、図やポイント、イメージを抑えるだけでも理解がしやすくなると思います。, 授業が分からなくなったり、問題を解いていて「あれ?」と思ったときは、このページで復習してくださいね!, 細胞・細胞分裂についてのまとめ記事が読みたいという方は「細胞・細胞膜の働きの勉強に役立つ記事まとめ!構造や働きまで網羅」も併せてお読みください。, 受験のミカタでは、読者の皆様により有益な情報を届けるため、中高生の学習事情についてのアンケート調査を行っています。今回はアンケートに答えてくれた方から20名様に勉強に役立つ文房具5点セットをプレゼントいたします。, 「受験のミカタ」は、難関大学在学中の大学生ライターが中心となり運営している、高校生のための「受験応援メディア」です。, このWEBサイトに掲載されている文章・映像・画像等の著作権は受験のミカタおよび株式会社パンタグラフに帰属しています。 Poll Options are limited because JavaScript is disabled in your browser. 生物の授業では浸透圧の仕組みを詳しく学習しますが、紛らわしい言葉がたくさん出てきて混乱してしまうかもしれません。 今回は、生物の細胞の働きである浸透圧について、ひとつひとつ、わかりやすく説明していきたいと思います。 浸透圧の主役は物質量ではなく圧力なので単位はモルではありません。 化学の計算問題では通常は等しい物質量について計算式を立てていくのですが、 ここでは例外的に解法を教科書などのように状態方程式を利用した普通の解法に変えて説明します。 浸透圧を求める公式を導き出して、問題を少し解いておきましょう。, 濃度の違う溶液をセロハンなどの半透膜で仕切ると、濃度の薄い側の溶媒が濃度の濃い方に移ろうとします。 このとき生じる圧力を「浸透圧」といいます。, 希薄溶液では浸透圧 \(P\) は溶媒や溶質の種類に無関係で、 溶液の体積モル濃度 \(C\) と絶対温度 \(T\) に比例します。, こちらでも説明してありますので参考にして下さい。 ⇒ 浸透圧の計算式とファントホッフの法則 沸点上昇や凝固点降下のときと同様にイオンなどの総粒子数に比例するので電解質は浸透圧が大きくなりやすいです。, 浸透圧 \(P\) はモル濃度と絶対温度に比例するので \(\displaystyle \frac{P}{CT}=k\), 変形して \(P=C\cdot k\cdot T\)  ・・・① ※ 浸透圧 \(P\) は \(\Pi\) と表されることもありますが、どちらでもかまいません。, また、溶液の体積を \(V\)(L)、溶質の物質量を \(n\) とするとモル濃度は    \( C=\displaystyle \frac{n}{V}\), なのでこれを②に代入すると    \( P=\displaystyle \frac{n}{V}\cdot k\cdot T\), すなわち \(PV=n\cdot k\cdot T\) この比例定数 \(k\) の値は気体の状態方程式における気体定数 \(R\) に等しいので, \(\color{red}{P=CRT}\) または \(\color{red}{PV=nRT}\) が公式として得られます。, \(PV=nRT\) から \(\displaystyle n=\frac{PV}{RT}\) とすることもできるので物質量の等式としてつなげることができそうですが、意味がとりにくいのでやりません。, 浸透圧は圧力なので単位は \(\mathrm{Pa}\) です。 気体定数 \(R\) は問題に与えられると思いますが、, 前にも書いていますがここでは物質量につなげる公式を利用した解き方はしません。 普通に教科書や問題集にある解き方をしますので問題集などを参考に演習してくれればいいですよ。, 0.1nol/Lの尿素水溶液の27℃における浸透圧を求めよ。 気体定数は \(8.3\times10^3 \mathrm{Pa\cdot L/(K\cdot mol)}\) とする。, 浸透圧の公式を思い出せば代入するだけです。 浸透圧の公式は元は理想気体の状態方程式と同じ形なので覚えやすいと思います。, モル濃度がわかる場合、公式は \(P=CRT\) を使えばいいので  \( P=0.1\times 8.3\times 10^3 \times (273+27)=2.49\times10^5\mathrm{(Pa)}\), 溶液10L中に尿素が120g溶けているとき、27℃における浸透圧を求めよ。 気体定数は \(8.3\times10^3 \mathrm{Pa\cdot L/(K\cdot mol)}\) とする。  \( \mathrm{(NH_2)_2CO=60}\), これは試験会場でのことも考えて2つ解法を紹介しますが、同じことです。 先ずは状態方程式と方程式を利用します。, 求める浸透圧を \(x\) とすると  \( x\times 10=\displaystyle \frac{120}{60}\times 8.3\times10^3 \times (273+27)\), これを解いて \(x=4.98\times 10^5\mathrm{(Pa)}\), \( C=\displaystyle \frac{n}{V}=\displaystyle \frac{w}{M}\times \displaystyle \frac{1}{V}=\displaystyle \frac{120}{60}\times \displaystyle \frac{1}{10}\) (mol/L), \( P=CRT=\displaystyle \frac{120}{60}\times \displaystyle \frac{1}{10}\times 8.3\times 10^3\times (273+27)\), 気をつけておかなければならないのは、気体定数は問題冊子の1番最初に書いてあって問題にはないときがあることと、温度は絶対温度であることです。 絶対温度は、温度が \(t\) ℃のときは \(T=273+t\)(K)となります。 気体定数 \(8.3\times 10^3\) は覚えておくと良いです。, 27℃で0.10mol/L尿酸水溶液と同じ大きさの浸透圧を示す塩化カルシウム水溶液がある。 この溶液100mL中には何gの塩化カルシウムが含まれているか求めよ。  \(\mathrm{CaCl_2=111}\), 等しいのは浸透圧ですが、電解質は電離後のイオンの総数に比例して浸透圧が発生することに注意しておきましょう。 溶質の総粒子が等しいときに浸透圧は等しくなります。 塩化カルシウムは, \( \mathrm{CaCl_2 \rightarrow Ca^{2+}+2Cl^-}\), と電離するので塩化カルシウムの物質量の3倍のイオン粒子がありますね。 このことを考慮して方程式を立ててみましょう。 27℃で0.10mol/L尿酸水溶液の浸透圧は, \( C=\displaystyle \frac{x}{111}\times 3\times \displaystyle \frac{1000}{100}\), \(\displaystyle P=\frac{x}{111}\times 3\times \frac{1000}{100}\times R\times T\)  ・・・②, \( 0.1\times R\times T=\displaystyle \frac{x}{111}\times 3\times \displaystyle \frac{1000}{100}\times R\times T\), 途中で気体定数や絶対温度を具体的に代入していませんが同じ値なので消えるからです。 代入してももちろんかまいませんよ。, 塩化カルシウムが電離して総粒子(物質量)が3倍になることがわかれば、物質量からだけでも答えは出せます。, \( n=\displaystyle \frac{w}{M}=C\times \displaystyle \frac{v}{1000}\), \( \displaystyle \frac{x}{111}\times 3=0.1\times \displaystyle \frac{100}{1000}\), 次はちょっと圧力の単位を変えて問題を出してみます。 ただ、公式に代入するときは \(\mathrm{Pa}\) に換算しなくてはなりません。, 水 1 Lに、ある非電解質の物質を 1.84 g溶かした溶液の浸透圧は 27 ℃のときに 56 cmHgであった。 この非電解質の分子量を求めよ。  大気圧を \(\mathrm{1.0\times 10^5Pa}\)、  気体定数を \(8.3\times 10^3\mathrm{Pa\cdot L/(K\cdot mol)}\) とする。, 最初に説明しておかなければならないのが水銀柱による圧力でしょう。 問題の中で定義されるかもしれませんがあまり見なくなった圧力なので換算できるようになっておいてください。, 圧力の単位は \(\mathrm{Pa}\) が使われるのが普通ですが、「mmHg」という単位もあります。 1気圧 \(\mathrm{760mmHg}\) です。 浸透圧の公式や気体の状態方程式に使う場合は気体定数 \(R=8.3\times 10^3\) という数値は、 「\(\mathrm{Pa}\)」を利用したものなので換算しておく必要があるのです。, \( \mathrm{1atm=760mmHg=1.013\times 10^5Pa}\), 一応教科書には書いているので確認しておいてください。 計算問題では \(\mathrm{1atm=760mmHg=1.0\times 10^5Pa}\) とされることが多いです。, \( \mathrm{56cmHg=560mmHg \\ \\ =\displaystyle \frac{560}{760}\times 1.0\times 10^5Pa}\), とすればいいだけなのですが、慣れていないと圧力が水銀柱で表された瞬間にあきらめる人がいますので覚えておきましょう。 この問題では \(\mathrm{760mmHg=1.0\times 10^5Pa}\) としていますので計算が少し楽です。, \( P=\mathrm{560mmHg=\displaystyle \frac{560}{760}\times 1.0\times 10^5Pa}\), \( PV=nRT=\displaystyle \frac{w}{M} \times RT\), \( \displaystyle \frac{560}{760}\times 1.0\times 10^5=\displaystyle \frac{1.84}{x}\times 8.3\times 10^3\times (273+27)\), これくらいの計算をさせる問題はたくさんあります。 効率よく計算処理してくださいね。, 37℃のいて7.5気圧の浸透圧を示す食塩水1Lをつくるのに必要な食塩は何gか求めよ。  1気圧は \(\mathrm{1.0\times 10^5Pa}\)  気体定数は \(\mathrm{8.3\times 10^3Pa\cdot L/(K\cdot mol)}\) とする。, となるので食塩の物質量の2倍の浸透圧を示します。 求める食塩の質量を \(x\)(g)とすると 電離後の総粒子(イオン)の物質量は, \( \displaystyle \frac{x}{58.5}\times 2\), 7.5気圧は \(7.5\times 1.0\times 10^5 \mathrm{Pa}\) なので, \( P=7.5\times 1.0\times 10^5\mathrm{Pa}\), \( 7.5\times 1.0\times 10^5 \times 1=\displaystyle \frac{x}{58.5}\times 2 \times 8.3\times 10^3 \times (273+37)\), これは状態方程式 \(PV=nRT\) に代入したことになっていますが、 1Lの溶液なので \(P=CRT\) に代入したことと同じです。, 浸透圧に関する計算は状態方程式と同じなので式自体は立てやすいです。 計算量が多少ありますので効率よく計算していくだけですね。. では、まず問題を解いてみましょう。下のスライドが問題用紙になります。標準解答時間は5分です。5分経っても解けなかった場合は、解答と解説を見ましょう。 選択肢を選ぶだけの問題でしたが、解くことはできたでしょうか。カニの体液濃度調節のグラフの典型問題は、ほぼ知識問題になります。以下の解答・解説を確認して、知識に抜けがないか確認しましょう。 2020/1/7 浸透圧の主役は物質量ではなく圧力なので単位はモルではありません。 化学の計算問題では通常は等しい物質量について計算式を立てていくのですが、 ここでは例外的に解法を教科書などのように状態方程式を利用した普通の解法に変えて説 … 生物や生物基礎の勉強を進めるにあたって、浸透圧という圧力の話が登場します。水が浸透する現象によって生じる圧力ですが、この浸透圧を詳しく解説します。動物細胞や植物細胞の変化に注目しながら、浸透圧について学習していきましょう。, 浸透圧とは、身近な例でいうと、野菜を塩漬けするとしわしわになり漬物ができる現象や、ナメクジに塩をかけると小さくなっていく現象などがイメージしやすいのではないでしょうか。この浸透という現象を学習します。, 浸透圧を勉強する前に、まずは拡散という現象について説明します。拡散とは、粒子の濃度が均一になろうと、濃度が高いほうから濃度が低いほうに広がっていく現象です。気体中でも液体中でも、すべての物質は拡散しようという性質があるのです。, 物質には、この拡散するという性質があるので、粒子の濃度が高いほうから低いほうに粒子が移動します。濃度の差を濃度勾配といいますので、濃度勾配に従って、粒子が移動して行くわけです。, 下の図のように、蒸留水とスクロース溶液を半透膜に仕切られた容器に入れます。半透膜は、膜に小さな穴が開いており、水分子などの小さな粒子は通過できますが、スクロースなどの大きな分子は通過できない膜です。生物を構成する生体膜も、半透膜の性質をもっています。, 始めは、半透膜の左側に水分子が多く存在し、右側にはスクロース分子が多く存在する状態です。水分子もスクロース分子も拡散しようとする性質があるので、水分子は半透膜を通過して右側に移動しますが、スクロース分子は半透膜を通過できないので、左側に通過できません。その結果、半透膜に仕切られた右側に水分子のみが流入し、水位差が生じます。, このとき、水分子が半透膜を通過して移動することを浸透といい、水を浸透させる圧力を浸透圧というのです。蒸留水側から、スクロース溶液側に水分子が移動したので、蒸留水よりもスクロース溶液のほうが浸透圧が高いということになります。, イメージしにくい場合は、水分子を引く力と覚えておいても構いません。スクロース溶液側に水分子が移動したので、蒸留水よりもスクロース溶液の方が浸透圧が大きいといえますね。, 動物細胞を、さまざまな濃度の溶液に入れてみましょう。濃度が異なる溶液ですから、浸透圧も違ってきます。細胞内の液体の浸透圧と細胞外の浸透圧の差によって水が浸透します。, 細胞内の液体と細胞外の溶液の濃度が等しく、見かけ上水の移動が無く、細胞の体積が変化しない溶液を等張液といいます。細胞外の溶液の濃度が高く、水が細胞内から細胞外に浸透し、細胞の体積が小さくなる高濃度の溶液を高張液といいます。また、細胞外の溶液の濃度が低く、水が細胞外から細胞内に浸透し、細胞の体積が大きくなる低濃度の溶液を低張液といいます。, 動物細胞を濃度が低い低張液に入れると、細胞の体積が大きくなりますが、蒸留水のように非常に低張な液体に入れた場合、細胞内外の浸透圧差が大きくなり、細胞が水をたくさん吸水し破裂する場合があります。赤血球が吸水して破裂する場合は、特に溶血と呼ばれています。, なお、細胞の体積と細胞内の液体の浸透圧の間には、反比例の関係があることも覚えておいてください。, 動物の体液と濃度が同じで浸透圧が等しい食塩水を生理食塩水といいます。浸透圧が等しいので細胞と外液の間で水の移動は見かけ上ありません。ヒトの生理食塩水の塩分濃度は0.9%であることは覚えておきましょう。, また、生理食塩水の食塩の一部を他の塩類に置き換え、さらに緩衝液などを加えることで、より一層体液の組成に近づけた溶液を生理的塩類溶液といいます。心臓の自動性の実験で登場するリンガー液などがその代表例となります。, 次は植物細胞です。動物細胞との大きな違いは、細胞膜の外側に細胞壁があることが大きな違いになります。細胞膜は水分子のような小さな粒子しか通過できない半透膜でしたが、細胞壁は水分子のような小さな粒子も、スクロースのような大きな粒子も通過させることができる全透膜になります。, 植物細胞を濃度が高い高張液に浸すと、水が細胞膜内(原形質)から外へ浸透し、原形質の体積が小さくなります。このとき、全透膜である細胞壁は変形しませんので、原形質が細胞壁から離れる原形質分離という現象が観察されます。, 植物細胞を原形質と同じ濃度の等張液に浸すと、見かけ上水の浸透が見られず、原形質の部分が細胞壁を押しもせず、離れもしない状態の限界原形質分離になります。多数の細胞を観察したときは、観察している細胞の半数が原形質分離を起こしている状態を限界原形質分離の状態と定義しています。, 植物細胞を濃度が低い低張液に浸すと、水が原形質内に浸透し、細胞壁を押し広げようとする力である膨圧が生じます。膨圧により引き延ばされた細胞壁には、元に戻ろうとする力がはたらくので、この力により水が原形質ないに浸透するのを妨げます。, 膨圧により浸透が妨げられるので、その分、原形質への水の流入は減少します。この膨圧によって減少した水の流入する力を吸水力といいます。吸水力は次の式で求めることができます。, 濃度が高い高張液中で脱水して縮んだ原形質が、吸水してもとの状態に戻ることを原形質復帰といいます。高張液に浸して原形質分離を起こしている細胞を低張液に浸した場合などに見られます。, 植物細胞の浸透圧はグラフで登場することが多いので、次のグラフも読めるようにしておきましょう。, TEKIBO【テキボ】は、高校生のための無料で学べる学習プラットフォームサイトです。各教科の学習からAO入試・推薦入試対策まで網羅しています。ポイントを押さえながら、スムーズに学習できるよう配慮しています。, 拡散とは、粒子の濃度が均一になろうと、濃度が高いほうから濃度が低いほうに広がっていく現象, 細胞内の液体と細胞外の溶液の濃度が等しく、見かけ上水の移動が無く、細胞の体積が変化しない溶液を, 細胞外の溶液の濃度が高く、水が細胞内から細胞外に浸透し、細胞の体積が小さくなる高濃度の溶液を, 細胞外の溶液の濃度が低く、水が細胞外から細胞内に浸透し、細胞の体積が大きくなる低濃度の溶液を, 細胞壁は水分子のような小さな粒子も、スクロースのような大きな粒子も通過させることができる. 濾液がDCTに達するまでに、ほとんどの尿と溶質が再吸収されています。もし体が追加の水分を必要としている場合には、この時点ですべてを再吸収することができます。さらなる再吸収はホルモンによって制御されますが、これについては後の節で説明します。尿細管分泌と組み合わされた再吸収が不足すると、廃棄物の排出が起こります。代謝性廃棄物、尿素、尿酸、特定の薬などの望ましくない産物は尿細管分泌によって排泄されます。尿細管分泌の大部分はDCTで起こりますが、一部は集合管の初期部分で起こります。腎臓はまた、過剰のH⁺イオンを分泌することによって酸-塩基平衡を維持します。, 尿細管の一部は近位および遠位と命名されていますが、腎臓の断面では、尿細管は互いに接近して配置され、お互いに接触するとともに糸球体とも接触しています。これにより、異なる細胞タイプ間の化学的メッセンジャーの交換が可能になります。たとえば、ヘンレのループのDCT上行脚は、緻密斑と呼ばれる細胞の塊を有し、これは傍糸球体細胞と呼ばれる輸入細動脈の細胞と接触しています。緻密斑および傍糸球体細胞は、一緒になって、傍糸球体複合体(JGC)を形成します。JGCは、酵素のレニンとホルモンのエリスロポエチンを分泌する内分泌構造です。血液量、血圧、または電解質平衡の変化によりホルモンがDCT内の緻密斑細胞の引き金を引くと、これらの細胞は輸入細動脈および輸出細動脈の毛細血管にその問題を直ちに伝達し、それが収縮または弛緩して腎臓の糸球体濾過率を変化させます。, 腎臓専門医は腎臓の疾患 — 腎不全の原因となる疾患(糖尿病など)と腎疾患によって引き起こされる症状(高血圧など)の両方 — を研究し、取り組みます。血圧、血液量、および電解質平衡の変化が腎臓専門医の管轄の範囲に含まれます。, 腎臓専門医は通常、患者を紹介してきたり、特定の診断や治療計画について相談してきたりした他の医師たちと協力して働きます。患者は通常、尿中の血液やタンパク質、非常に高い血圧、腎結石、腎不全などの症状のために腎臓専門医に紹介されてきます。, 腎臓病学は内科の下位専門分野です。腎臓専門医になるためには、医科大学院に加えて、内科医学で資格を得るために追加の訓練を受けます。さらに、特に腎臓障害とそれに伴う身体への影響の研究に2年以上を費やす必要があります。, この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:•微生物に存在する液胞がどのようにして廃棄物を排出するのかを説明する•蠕虫の炎細胞と腎管が排泄機能を果たして浸透圧平衡を維持する方法を記述する•どのようにして昆虫がマルピーギ管を使用して廃棄物を排出し、浸透圧平衡を維持するかを説明する, 微生物や無脊椎動物は、哺乳類の腎臓系や排尿機能よりも原始的で単純なメカニズムを使って代謝性廃棄物を取り除きます。複雑な腎臓の以前には、生物の中で3つの排泄系が進化していました:液胞、炎細胞、マルピーギ管です。, 生命の最も基本的な特徴は細胞の存在です。言い換えれば、細胞は生命の最も単純な機能単位です。細菌は単細胞の原核生物で、最も複雑さの少ない生命プロセスを有しています。しかしながら、細菌のような原核生物は膜に包まれた液胞を含みません。細菌、原虫、菌類のような微生物の細胞は細胞膜によって包まれており、それらを使用して環境と相互作用します。人間のいくつかの白血球を含むいくつかの細胞は、エンドサイトーシス(すなわち細胞内の細胞膜の包み込みによる小胞の形成)によって食物を飲み込むことができます。その同じ小胞は、細胞内環境と相互作用し代謝産物を交換することができます。図41.9に示されるアメーバのような単細胞の真核生物では、細胞性廃棄物と過剰な水分はエキソサイトーシス(収縮性液胞が細胞膜と融合して、環境中へと廃棄物を排出すること)によって排出されます。収縮性液胞(CV)は、食物や水分を貯蔵する液胞とは混同されるべきではありません。, 身体の代謝的な要求を分担する器官系を有するように多細胞系が進化するにつれて、個々の器官は排泄機能を果たすように進化しました。プラナリアは淡水に生息する扁形動物です。それらの排泄系は、高度に分岐した管系に接続された2本の小管からなります。図41.10aに示されるように、小管内の細胞は、顕微鏡下で見たときにゆらめく炎のように見える繊毛の塊を有するため、炎細胞(または原腎管)と呼ばれます。繊毛は、小管の中で排泄物を推進し、体表面に開いている排泄孔を通じて体外に排出します。繊毛はまた、間質液から水を吸い込み、濾過することができます。価値のあるすべての代謝産物が再吸収によって回収されます。炎細胞は、寄生性のサナダムシや自由生活性のプラナリアを含む、扁形動物に見られます。それらはまた生物の浸透圧平衡も維持します。, 図41.10bに示されるように、ミミズ(環形動物)は、わずかに進化した腎管と呼ばれる排泄構造を持っています。ミミズのそれぞれの節には、一対の腎管があります。それらは繊毛を伴う小管を有するという点で炎細胞に似ています。排泄は、腎管孔と呼ばれる細孔を通して起こります。それらは、排泄前に、毛細管網による管での再吸収のためのシステムを有するという点で、炎細胞よりも進化しています。, 図41.11に示されるハチのような節足動物の一部の種では、マルピーギ管が腸の裏打ちに見られます。それらは通常は対となって見られ、小管の数は昆虫の種によって異なります。マルピーギ管は回旋状のため表面積が増加しており、再吸収と浸透圧平衡の維持のための微絨毛で裏打ちされています。マルピーギ管は直腸の壁にある特殊な腺と協調的に作用します。体液は、腎管の場合のようには濾過されません。尿は、血リンパ(昆虫と他の節足動物やほとんどの軟体動物に見られる血液と間質液の混合物)に浸っているマルピーギ管を裏打ちする細胞による小管分泌メカニズムによって産生されます。尿酸のような代謝性廃棄物は小管の中へと自由に拡散します。小管を裏打ちする交換ポンプが存在し、それはH⁺イオンを細胞内へ、K⁺イオンやNa⁺イオンを外へと能動輸送します。水分は受動的に続いて、尿を形成します。イオンの分泌は浸透圧を変化させて、それが水分、電解質、および窒素性廃棄物(尿酸)を小管に引き込みます。これらの生物が低水分環境に直面すると、水と電解質は再吸収され、尿酸は濃いペーストまたは粉末として排泄されます。廃棄物を水に溶かさないことは、これらの生物が水を節約するのを助けます。これは乾燥した環境での生命にとって特に重要です。, このビデオ(https://openstax.org/l/malpighian)で、解剖されたゴキブリと、クローズアップされたマルピーギ管の外観を観察してください。, この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:•水生動物と陸生動物がその系から有毒なアンモニアを除去する方法を比較対照する•脊椎動物のアンモニア代謝の主な副生成物を鳥類、昆虫、爬虫類のものと比較する, 生物学的な系の4つの主要高分子のうち、タンパク質と核酸の両方に窒素が含まれています。窒素含有高分子の異化(すなわち分解)の間に、炭素、水素、および酸素が抽出され、炭水化物および脂肪の形で貯蔵されます。過剰な窒素は体から排出されます。窒素性廃棄物は有毒なアンモニアを形成する傾向があり、それは体液のpHを上昇させます。アンモニアそれ自体の形成は、生物学的な系からATPの形態のエネルギーを必要とするとともに、それを希釈するために大量の水も必要とします。水中環境に住んでいる動物は水中にアンモニアを放出する傾向があります。アンモニアを排出する動物はアンモニア排出動物と言われます。陸生生物は窒素性廃棄物を排出するために他のメカニズムを進化させてきました。動物は、アンモニアを尿素や尿酸のような比較的無毒な形に変換することによって、アンモニアを解毒しなければなりません。人間を含む哺乳動物は尿素を生産しますが、爬虫類と多くの陸生無脊椎動物は尿酸を生産します。主要な窒素性廃棄物として尿素を分泌する動物は、尿素排出動物と呼ばれます。, 尿素回路は、哺乳動物がアンモニアを尿素に変換する主要なメカニズムです。尿素は肝臓で作られ、尿の中で排泄されます。アンモニアが尿素に変換される全体の化学反応は、2NH₃(アンモニア) + CO₂ + 3ATP + H₂O → H₂N-CO-NH₂(尿素) + 2ADP + 4Pᵢ + AMPです。, 図41.12に示されるように、尿素回路は、5つの異なる酵素によって触媒される5つの中間段階を利用して、アンモニアを尿素に変換します。アミノ酸のL-オルニチンは、さまざまな中間体に変換された後に、尿素回路の最後で再生されます。したがって、尿素回路はオルニチン回路とも呼ばれます。酵素のオルニチントランスカルバミラーゼは、尿素回路における重要なステップを触媒し、それが欠乏すると体内に有毒なレベルのアンモニアが蓄積することがあります。最初の2つの反応はミトコンドリアの中で起こり、最後の3つの反応はサイトゾルの中で起こります。血液中の尿素濃度(血液尿素窒素またはBUNと呼ばれます)は、腎臓機能の指標として使用されます。, 進化論によれば、生命は水中環境で始まったことが示唆されています。陸生の生命形態が進化したときに、変わりゆく環境に適応するように尿素回路のような生化学的経路が進化したことを見たとしても驚くには当たりません。おそらく、乾燥した条件が水を節約する手段としての尿酸経路の進化をもたらしました。, 鳥類、爬虫類、そしてほとんどの陸生の節足動物は、有毒なアンモニアを尿素の代わりに尿酸または密接に関連した化合物グアニン(グアノ)に変換します。哺乳動物もまた、核酸の分解中にいくらかの尿酸を形成します。尿酸は、核酸の中にみられるプリンに似た化合物です。それは水に不溶性であり、そして白色のペーストまたは粉末を形成する傾向があります。それは鳥類、昆虫、そして爬虫類によって排泄されます。アンモニアから尿酸への変換はより多くのエネルギーを必要とし、アンモニアから尿素への変換よりもはるかに複雑です(図41.13)。, 哺乳類は、細胞内の抗酸化剤として尿酸結晶を使用しています。しかしながら、多すぎる尿酸は腎臓結石を形成する傾向があり、痛風と呼ばれる痛みを伴う状態を引き起こすことがあります。図41.14に示されるように、痛風では、尿酸結晶が関節に蓄積します。痛風のリスクを減らすためには、食事中の窒素含有塩基の量を減らすような食品の選択が役立ちます。たとえば、紅茶、コーヒー、チョコレートにはキサンチンと呼ばれるプリンに似た化合物があり、痛風や腎臓結石のある人は避けるべきです。, この節が終わるまでに、あなたは次のことができるようになります:•腎臓が体の浸透圧の必要性を同期させるのを、どのようにしてホルモンの合図が助けるかを説明する•エピネフリン、ノルエピネフリン、レニン-アンジオテンシン、アルドステロン、抗利尿ホルモン、心房性ナトリウム利尿ペプチドなどのホルモンが、どのようにして排泄物の除去を調節し、正しいオスモル濃度を維持し、その他の浸透圧調節機能を果たすのかを記述する, 腎臓は体内の浸透圧平衡と血圧を維持するように機能しますが、それらはまた、ホルモンと協調して作用もします。ホルモンとは、体内でメッセンジャーとして働く小さな分子です。ホルモンは典型的には1つの細胞から分泌され、血流の中を移動して身体の他の部分の標的細胞に影響を及ぼします。ネフロンのさまざまな領域は、化学的メッセンジャーおよびホルモンに反応するための受容体を伴う特殊な細胞を有しています。表41.1は、浸透圧調節機能を制御するホルモンを要約しています。, エピネフリンとノルエピネフリンはそれぞれ副腎髄質と神経系によって放出されます。それらは体が極端なストレス下にあるときに放出される逃走/闘争のホルモンです。ストレスの間、体のエネルギーの大部分は差し迫った危険と戦うために使われます。腎機能はエピネフリンとノルエピネフリンによって一時的に停止されます。これらのホルモンは血管の平滑筋に直接作用してそれらを収縮させることによって機能します。輸入細動脈が収縮すると、ネフロンへの血流が止まります。これらのホルモンはさらに一歩進み、レニン-アンジオテンシン-アルドステロン系の引き金を引きます。, 図41.15に示されるレニン-アンジオテンシン-アルドステロン系は、いくつかの段階を経て進行してアンジオテンシンIIを生成し、これは血圧および血液量を安定させるように作用します。レニン(傍糸球体複合体の一部によって分泌される)は、輸入細動脈および輸出細動脈の顆粒細胞によって産生されます。したがって、腎臓は血圧と血液量を直接制御します。レニンは、肝臓で作られるアンジオテンシノーゲンに作用し、それをアンジオテンシンIに変換します。アンジオテンシン変換酵素(ACE)は、アンジオテンシンIをアンジオテンシンIIに変換します。アンジオテンシンIIは血管を収縮させることによって血圧を上昇させます。それはまた副腎皮質からミネラロコルチコイドのアルドステロンの放出も引き起こし、それが次に尿細管を刺激してより多くのナトリウムを再吸収させます。アンジオテンシンIIはまた、視床下部からの抗利尿ホルモン(ADH)の放出を引き起こし、腎臓での水分貯留を引き起こします。それはネフロンに直接作用して糸球体濾過率を低下させます。医学的には、血圧はACEを阻害する薬剤(ACE阻害剤と呼ばれます)によって制御することができます。, ミネラロコルチコイドは副腎皮質によって合成されるホルモンであり、浸透圧平衡に影響を与えます。アルドステロンは、血中のナトリウム濃度を調節するミネラロコルチコイドです。血中のナトリウムのほとんどすべては、アルドステロンの影響下で尿細管によって回収されます。ナトリウムは常に能動輸送によって再吸収され、水は浸透圧平衡を維持するためにナトリウムに続くので、アルドステロンは体液中のナトリウムレベルだけでなく水分レベルも管理します。一方で、アルドステロンはナトリウム再吸収と同時にカリウム分泌も刺激します。対照的に、アルドステロンの不在は、ナトリウムが尿細管に再吸収されず、その全てが尿によって排泄されることを意味します。さらに、毎日の食事で運び込まれるカリウムは分泌されず、このK⁺の保持は血漿K⁺濃度の危険な増加を引き起こすことがあります。アジソン病を患っている患者は、副腎皮質に障害があり、アルドステロンを生成できません。彼らは絶えず尿中にナトリウムを失い、そして供給が補充されなければ、その結果は致命的になり得ます。, 前述のように、抗利尿ホルモンまたはADH(バソプレシンとも呼ばれます)は、その名のとおり、体液量(特に血液の量)が少ない場合に体が水分を節約するのに役立ちます。それは視床下部によって形成され、下垂体後葉に貯蔵され放出されます。それは集合管にアクアポリンを挿入することによって作用し、水分の再吸収を促進します。ADHは血管収縮剤としても働き、出血中の血圧を上昇させます。, 心房性ナトリウム利尿ペプチド(ANP)は血管拡張剤として作用することによって血圧を下げます。それは、高血圧に反応して、あるいは睡眠時無呼吸症を患っている患者において、心臓の心房内の細胞によって放出されます。ANPは塩分放出に影響を及ぼします。そして水分は浸透圧平衡を維持するために受動的に塩分に続くので、それはまた利尿効果も有します。ANPはまた、尿細管によるナトリウムの再吸収を防ぎ、水の再吸収を減らし(したがって利尿薬として作用します)、そして血圧を下げます。その作用はアルドステロン、ADH、およびレニンの作用を抑制します。, アンジオテンシン変換酵素(ACE):アンジオテンシンIをアンジオテンシンIIに変換する酵素, 緻密斑:ナトリウムイオン濃度の変化を感知する細胞群。尿細管および集合管の一部に存在する, 浸透圧平衡:すべての区画内において所望の浸透圧および溶質濃度を乱すことなく、生物学的な系の内外へ出入りする水分および塩分の量のバランス, レニン-アンジオテンシン-アルドステロン:血圧を上昇させるアンジオテンシンIIを活性化する生化学的経路, 半透膜の両側の溶質濃度は、膜を横切る水と溶質の動きに影響を及ぼします。浸透に重要なのは溶質分子の数であって、分子サイズではありません。浸透圧調節と浸透圧平衡は重要な身体機能であり、水分と塩分の平衡をもたらします。すべての溶質が半透膜を通過できるわけではありません。浸透は膜を横切る水の動きです。浸透は、溶質濃度がより高い側へ水を移動させることによって半透膜の両側で溶質分子の数を等しくするために起こります。促進拡散では、高濃度の領域から低濃度の領域へと溶質分子を移動させるためにタンパク質チャネルを利用する一方で、濃度勾配に逆らうように溶質を移動させるには能動輸送機構が必要とされます。オスモル濃度は、ミリ当量またはミリオスモルの単位で測定され、その両方とも溶質粒子の数およびそれらの電荷を考慮に入れます。淡水や海水の中に住んでいる魚類は、浸透圧調節動物または浸透圧順応動物として適応しています。, 腎臓は哺乳類の系における主要な浸透圧調節器官です。それらは血液を濾過し、そして体液のオスモル濃度を300mOsmに維持するように機能します。それらは3つの層に囲まれており、その内部は皮質、髄質、腎盂という3つの異なる領域で構成されています。, 腎臓に出入りする血液を輸送する血管は、大動脈から生じ、下大静脈と合流します。腎動脈は大動脈から分岐して腎臓に入り、そこで区動脈、葉間動脈、弓状動脈、そして皮質放射状動脈へとさらに分割されます。, ネフロンは腎臓の機能単位であり、それは能動的に血液を濾過して尿を生成します。ネフロンは腎小体と尿細管で構成されています。皮質ネフロンは腎皮質の中に見られ、一方で、傍髄質ネフロンは腎髄質に近い腎皮質の中に見られます。ネフロンは、2組の血管と腎臓内の組織液でもって、水分と溶質を濾過して交換します。, 尿の形成には3つのステップがあります:糸球体で起こる糸球体濾過、尿細管で起こる尿細管再吸収、やはり尿細管で起こる尿細管分泌です。, 脊椎動物の腎臓や泌尿器系よりも単純であるような、廃棄物を排出するための多くの系が進化してきました。最も単純な系は、微生物に存在する収縮性液胞の系です。蠕虫の炎細胞と腎管は排泄機能を果たし、浸透圧平衡を維持します。いくつかの昆虫は、廃棄物を排泄し浸透圧平衡を維持するためにマルピーギ管を進化させました。, アンモニアは、タンパク質や核酸などの窒素含有化合物の代謝によって生成される廃棄物です。水生動物は周囲の水環境にアンモニアを容易に排出することができますが、陸生動物はその系から有毒なアンモニアを除去するために特別なメカニズムを進化させてきました。尿素は脊椎動物のアンモニア代謝の主な副生成物です。尿酸は、鳥類、陸生節足動物、および爬虫類のアンモニア代謝の主な副生成物です。, ホルモンの合図は、腎臓が体における浸透の必要性を同調させるのを助けます。エピネフリン、ノルエピネフリン、レニン-アンジオテンシン、アルドステロン、抗利尿ホルモン、および心房性ナトリウム利尿ペプチドのようなホルモンは、身体の必要性や異なる器官系間の通信を調整するのを助けます。, 1.図41.5 | 腎臓についての次の記述のうち、間違っているものはどれですか?a.腎盂は尿管へと排出する。b.腎錐体は髄質の中にある。c.皮質が被膜を覆っている。d.ネフロンは腎皮質の中にある。, 2.図41.6 | ネフロンについての次の記述のうち、間違っているものはどれですか?a.集合管は遠位尿細管内へと排出する。b.ボーマン嚢は糸球体を取り囲んでいる。c.ヘンレのループは近位尿細管と遠位尿細管の間にある。d.ヘンレのループは遠位尿細管へと排出する。.

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