【発展】生物

生体内の糖まとめ

単糖類

グルコース(ブドウ糖)

一般的な呼吸基質として有名である。ブドウや果実に多く存在する。

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フルクトース(果糖)

強い甘みを持つ単糖である。ハチミツ、木に成る果実、ベリー類、メロン、ある種の根菜に多量に含まれ、精液にも微量に含まれている。アルコール発酵の基質となり、酵母などによってエタノールと二酸化炭素に分解される(解糖系の途中産物にフルクトースが含まれている)。

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ガラクトース

牛乳に含まれているラクトースを加水分解して得られる単糖である。ヒトの体内でも合成され各組織で糖脂質や糖タンパク質の一部を形成する。

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デオキシリボース

DNAを構成する単糖である。

https://www.quora.com/

リボース

RNAやATPを構成する単糖である。

http://rosalind.info/

二糖類

マルトース(麦芽糖) グルコース+グルコース

デンプンが分解される際に生じる中間生成物。麦芽中に多く存在する。水飴の主成分である。マルターゼによって分解される。

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スクロース(ショ糖) グルコース+フルクトース

砂糖の主成分である。サトウキビ、テンサイに多く含まれている。スクラーゼによって分解される。

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ラクトース(乳糖) ガラクトース+グルコース

牛乳や母乳に多く含まれている。β‐ガラクトシダーゼ(ラクターゼ)によって分解される。

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多糖類

デンプン

デンプンはグルコースが多数結合した物質である。グルコース250~300個が直鎖上に結合したものをアミロース、グルコース1000個が分枝して結合したものをアミロペクチンと呼ぶ。デンプンはアミロースとアミロペクチンの混合物である。グルコース同士はα結合と呼ばれる結合の仕方をしている。

セルロース

グルコースが直鎖上に結合した物質である。デンプンとは結合の仕方が異なり、β結合と呼ばれる。細胞壁の主成分で非常に長い繊維構造を作る。

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グリコーゲン

多数のグルコースがα結合した物質である。枝分かれが多いのが特徴で、動物の肝臓で合成され、肝臓や筋肉で蓄えられている。

https://japaneseclass.jp

α結合とβ結合の違い

グルコースにはα-グルコースβグルコースがある。これは一番右端のOHとHの向きの違いによるものである。

グルコースはα同士、β同士で結合して鎖状に延長していく。α-グルコース同士の結合をα結合、β-グルコース同士の結合をβ結合と呼ぶ。なお、α結合にはいくつか種類があり、1番目の炭素と4番目の炭素の部位が結合するα-1,4結合や、1番目と6番目の炭素がの部位が結合するα-1,6結合などがある。これにより分枝が発生する。

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β結合もα同様に、β-グルコース同士で結合していく。

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哺乳類の卵の構造と受精過程

卵の構造は種によって多少異なる

大抵の教科書に掲載されている卵はウニのものである(下画像)。ヒト(哺乳類)の卵もウニと全く同じかとの誤解が生じやすい。しかし、実際は多少の違いがある。

http://unizemi.o.oo7.jp/

哺乳類の卵(卵細胞+極体)

哺乳類の卵は透明帯と呼ばれる膜に覆われている。透明体はウニの卵では卵黄膜に相当する。透明帯は糖タンパク質によって構成されている。透明帯は二次卵母細胞と第一極体を包み込んでいる。下画像では第一極体、第二極体が見える。

http://www.gettyimages.co.uk/

細胞分裂が進んだ胚が子宮に着床する際には胚は透明帯を破り「孵化」する必要がある。

胎生の動物では、胚が受精膜から出てきた段階で孵化と呼ぶが、このままでは成長できず、子宮壁に着床する必要がある。

https://ja.wikipedia.org/

受精と減数分裂

ヒトの場合、卵巣から排卵された直後は減数分裂の第二分裂中期で停止している。

http://www.tenderlovingcare.jp/

卵管で精子と卵子が出会い受精すると、この受精がシグナルとなって減数分裂の再開され、第二極体が放出されて卵の核が出現する。

http://cellbank.nibiohn.go.jp/

精子の核と卵の核は互いに近づくが、融合は起こらず、受精後の最初の細胞分裂を経てようやく核融合する。

http://cellbank.nibiohn.go.jp/

第二極体の利用

第二極体は卵と同じゲノムを持っているため、遺伝子診断などの際にゲノム解析の材料として利用される。

http://www.biol.tsukuba.ac.jp/

極体双生児

透明帯内には極体が存在しており、この極体は通常消失するが、ごく稀に消失せずに精子と受精することがある。この場合、正常な成熟卵と受精して誕生した胎児と合わせて、極体双生児と呼ぶ。極体と受精した側の胎児は無心体となる。無心体とは一卵性双胎の一方で心臓・脳・上半身の形成が殆どみられないもののことである。

※【閲覧注意】無心体の赤ちゃんイラスト

ヒトの卵形成

ヒトの場合、受精後3週には始原生殖細胞が胚の中に認められる。一方、生殖巣の形成は受精一ヶ月後から始まる。始原生殖細胞は生殖巣(卵巣)内に入り、増殖・分化し、出生時には200万個の一次卵母細胞となる。

成長につれて、一次卵母細胞の大多数が死滅し、思春期には40万個の一次卵母細胞が残る。思春期以後は、その中の一部が減数分裂の次の段階に進み、第二分裂中期その後、年を重ねるにつれて、卵の数が減少していく。

http://nconn.org/

呼吸に関係する物質の量的関係

呼吸に関わる物質の量的関係

呼吸は解糖系、クエン酸回路、電子伝達系の3つに分類されるが、それぞれの化学反応式は教科書や参考書によって異なる場合が多く、ある所が省略されていたり、ある部分が詳しく書かれていたりする。改めて、それぞれの量的関係を確認していきたい。

https://www.britannica.com/

解糖系

グルコースから2個ピルビン酸を作る反応である。

取り込まれるもの

  1. C6H12O6
  2. 4ADP + 4H3PO4
  3. 2NAD+

出すもの

  1. C3H4O3
  2. 2NADH + 2H+
  3. 2ATP
  4. 2H2O

これらの物質の出入りをまとめると次のような式になる(東京書籍 生物)。

C6H12O6 + 2ADP + 2H3PO4 +2NAD+ → 2C3H4O3 + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2O

しかし、他の参考書には次のように書かれることもある。

C6H12O6 + 2NAD+ →  2C3H4O+ 2NADH + H+ + 2ATP

この式のどちらが正しいかと言われれば、どちらもある面では正しいし、ある面では不足していると言える。

解糖系全体では水分子の出は0である

先程の東京書籍の化学反応式では解糖系で水分子が2つ生じることになっているが、呼吸全体を示す式においては解糖系の2H2Oは含めない。

C6H12O6 + 6H2O + 6O2 → 6CO2 + 12H2O(この12個の水分子は電子伝達系で生じるものである)

その理由は次の引用の通りである。

まず、解糖系ではGAPから1,3-BPGへの反応の際にATPを使わずにリン酸化するのに水が出ないので、実質的に水を取り込んだことになります(グルコース1分子あたり2分子の水を取り込む)。また、2-PGからPEPへの反応に際して、素直に水が取れます(グルコース1分子あたり2分子の水を放出)。ですから反応に直接関与する水分子だけを見ると解糖系では水を放出していることになりますが、リン酸化の際の実質的に水の出入りを計算に入れた場合は、差し引き0で、解糖系全体では水分子の出入りがなくなります。

http://www.photosynthesis.jp/

とてもややこしいことであるが、リン酸化の際に水が一緒に取り込まれているというイメージである。そもそも、リン酸結合を形成する際には水が発生する。それは、ATP合成の際を例に見れば理解しやすい。

ADP + H3PO4 + エネルギー ⇔ ATP + H2O

同様に、解糖系でもリン酸が結合する際には、本来水が出るはずであるが、出ておらず無水結合している。これは、もっと丁寧に言うならば、水がリン酸化する際に出たが、すぐに物質に取り込まれたと言えるだろう。

C6H12O6 + 2ADP + 2H3PO4 (Pi +  H2O リン酸化の際に水が生じるがすぐに取り込まれる”)+2NAD+ →  H+ + 2ATP + 2H2O + 2NADH 

反応式の表面に出る水分子だけではなく、リン酸化などの際の実質的な水分子の動きも考慮する必要があります。

http://www.photosynthesis.jp/

リン酸を示す式においてはリン酸に水分子が含まれると考えると、右辺に水分子を記している東京書籍の反応式が正しいし、リン酸を示さない式においては右辺にH2Oを書くべきではないと言える。

クエン酸回路

2個のピルビン酸を脱水素・脱炭酸し6CO2にする反応である。

取り込まれるもの

  1. 2C3H4O3
  2. 6H2O
  3. 2ADP + 2H3PO4
  4. 8NAD+
  5. 2FAD

出すもの

  1. 6CO2
  2. 8NADH + 8H+
  3. 2FADH2
  4. 2H2O(回路に再度組み込まれる)

クエン酸回路の水の出は0である

ATPの合成・分解は、ADP+リン酸とATP+水の間の変換が基本であるが、他の反応が組み合わさると見かけが異なってくる。αケトグルたる酸からコハク酸が生じる反応段階で、ADPとリン酸からATPがつくられるときに、普通はATP合成とともに出来るH2Oがおもてに表われずに反応に使われる(東京書籍 生物)。ここでATPとともにH2Oが生じ、このH2Oが反応に取り込まれたと見なすため、呼吸全体(下化学反応式)の化学反応式には登場しない。

C6H12O6 + 6H2O + 6O2 → 6CO2 + 12H2O(この12個の水分子は電子伝達系で生じるものである)

電子伝達系

解糖系とクエン酸回路で生じたNADH+、H+、FADH2を用いて、ATPを合成する反応である。

取り込まれるもの

  1. 6O2
  2. 34ADP + 34H3PO4(最大)
  3. 10NADH + 10H+
  4. 2FADH2

出すもの

  1. 10NAD+
  2. 2FAD
  3. 12H2O
  4. 34ATP(最大)

電子伝達系では、10NADHからは20個の電子、2FADH2からは4個の電子が放出される。

10NADH → 10NAD+ + 10H+ + 20e

2FADH2 → 2FAD + 4H+ + 4e

計24個の電子がH+とO2に渡され、 12H2Oが生成される。

24H+ +  24e + 6O2 → 12H2O

原核生物に染色体はあるのか

染色体とは

染色体の定義は、「真核細胞の核内にある、カーミンなどの塩基性色素でよく染まる構造」(駿台 生物用語集)である。さらに、染色体の項目では、ヒストンがDNAにからみつき、ヌクレオソーム、クロマチン構造を構成している様子が描かれている。

http://biology4alevel.blogspot.jp/

原核生物は染色体を持っているのか

しかし、駿台生物用語集の同ページにおいて、「原核生物の染色体」との項目で、「原核生物の染色体は、タンパク質と結合していない環状の二本鎖DNAによって構成されている」と記されている。先ほどの染色体の定義では、「真核細胞の」と書いていたのにも拘わらず、「原核生物の染色体」を説明し始めるのだから、混乱しないはずがない。

https://www.quora.com/

原核生物には真核生物のような染色体は存在しないが、核様態が存在する。核様態が、「原核生物の染色体」と表現される場合が参考書や問題集によってはある。また、DNAそのものをことを染色体と呼んでいる場合もある(ワトソンの遺伝子の分子生物学 第5版日本語訳)。

最も困るのが、「原核生物は染色体を持っていますか?」との質問であるが、(広義においては)持っていると答えるのが妥当だろう。しかし、「原核生物の染色体」との言葉が指す意味は「原核生物のゲノム」とほぼ同じである。

核様態

核様態は、原核生物において環状DNAが折りたたまれた構造体のことである。中にはヒストン様タンパク質を持ってヌクレオソームのような構造を作る原核生物も存在する。

http://study.com/

高校生物で出てくる染色液まとめ

染色液とは

細胞はふつう、顕微鏡で見ると無色(透明)に見える。そのため、観察したい部位のみを染色し、観察しやすくなる技法が生物学で発展してきた。

https://www.pinterest.jp/

ただし、染色液に浸すと大抵の細胞は死んでしまうため、細胞を生きたまま染色することはできない。生きたままある部位のみを観察しようとする場合は、GFPなどの遺伝子を導入する方法がある。

酢酸オルセイン

細胞核を赤色に染色する。

http://www.rib.okayama-u.ac.jp/

酢酸カーミン

細胞核を赤色に染色する。

http://www2e.biglobe.ne.jp/

メチレンブルー

細胞核を青色に染色する。

http://seesaa4.seesaa.net/

ヤヌスグリーン(ヤヌス緑)

ミトコンドリアを青緑に染色する。

http://www1.iwate-ed.jp/

TTC溶液

2,3,5-トリフェニルテトラゾリウムクロライドの略。ミトコンドリアを赤色に染色する。

http://www1.iwate-ed.jp/

ニュートラルレッド

液胞を赤色に染色する。

http://www.ajevonline.org/

サフラニン

細胞壁を赤色に染色する。

https://ww1.fukuoka-edu.ac.jp/

硝酸銀(ゴルジ染色)

ホルムアルデヒドで固定し、ニクロム酸カリウムに浸した資料を硝酸銀に浸すと神経細胞が染色される。

https://www.pinterest.jp/

DNA複製の間違い(複製エラー)頻度

DNA複製のエラー

DNA複製過程において誤りが生じることがある。その割り合いは、10塩基を複製して1個の誤りである。さらに、DNA誤対合修復タンパク質が、複製エラー箇所を修復してくれるので、生じる誤りの頻度は10(100億)塩基に1個となる。

http://www.riken.jp/

ジャンボ宝くじ1等に当選する確率1千万分の1らしい。また、隕石に衝突する確率が100億分の1らしい(Naverまとめなので信憑性はわからない)。そう考えると、DNAの複製機構がどれほどの正確さを持っているかがよくわかる。

DNA誤対合修復タンパク質とは

DNAに誤った塩基が取り込まれると、二重らせんに歪みが生じる。この歪みをDNA誤対合修復タンパク質が識別し、除去する。除去された結果生じる隙間はDNAポリメラーゼによって合成され、DNAリガーゼによってギャップが修復される。

http://www.biken.osaka-u.ac.jp/

ヒトの複製エラーの蓄積

1010(100億)塩基に1個の割り合いで複製エラーが生じるとすると、ヒトの場合は60億塩基を読み込むため、1回の複製で60/100個の複製エラーが生じる。また、受精卵から生殖細胞になるまでに200回の細胞分裂を経るので、生殖細胞は60/100×200=120個のエラーが最大で生じる。

受精すると、120個のエラーを持つもの同士が接合するため、エラーは240個になる。ヒトは次の世代にいくまでに、複製エラーだけでも240個のエラーが蓄積されている(もちろん、複製エラー以外にも様々な突然変異が生じ、実際のエラーはさらに多い)。100世代後には、2万4千個のエラー(元々のDNAとの差)が生じる。このDNA塩基配列の変化は、決して無視できない数であろう。

受精卵

複製エラーが癌の原因の1つ

脳などの細胞分裂があまり行われない部位よりも、大腸などの細胞分裂が盛んな部位が癌になりやすいことが知られている。このことから、複製の回数が多ければ多いほど、複製エラーが蓄積し、細胞が癌化しやすいのではないかと考えられている。

それほど一般的にがんが見られない脳などの部位では、一般的にがんが見られる大腸などの部位よりも幹細胞の分裂回数が少ない

http://www.huffingtonpost.jp/

ウミホタルとゲンジボタルのルシフェラーゼの違い

同じ名前だけれども違う物質

ウミホタルとゲンジボタルはルシフェリン(L・H2)を酸化して生物発光を行う。ルシフェリンを酸化する酵素にルシフェラーゼを使用する。しかし、ウミホタルとゲンジボタルのルシフェラーゼは全く別物である。

http://www.seibutsushi.net/

ウミホタルはウミホタルルシフェラーゼを、ホタルはホタルルシフェラーゼを持っている。

https://pdbj.org/

ルシフェリン(基質)

ルシフェリンとはルシフェラーゼによって酸化される物質の総称である。当然、ウミホタルルシフェラーゼとホタルルシフェラーゼが分解するルシフェリンは異なる物質である。

ホタルルシフェリン

ウミホタルルシフェリン

ウミホタルルシフェラーゼ

ウミホタルルシフェラーゼは、基質(ルシフェリン)と酸素があれば、基質を酸化させることができる。酸化する過程において、青色光が発せられる。

ホタルルシフェラーゼ

ホタルルシフェラーゼはATPと基質(ルシフェリン)と酸素がある条件下で、基質を酸化させることができる。基質を酸化する過程において、黄緑色の光が発せられる。

違いまとめ

次の3つの違いが挙げられる。

  1. 構造が違う
  2. 基質が違う
  3. ホタルルシフェラーゼはATPがないと反応できない

特に③が試験などで出題される重要項目である。

浸透圧はなぜ生じるのか(浸透はなぜ起こるのか)

浸透圧とは?

半透膜を境に濃度の異なるスクロース溶液を置くと、濃度の低い方(低張液)から濃い方(高張液)へ水が移動する。この現象を浸透といい、浸透を受ける側の溶液にかかる圧力を浸透圧という。

下画像では蒸留水(管左)とグルコース溶液(管右)を半透膜で遮ると、溶媒の水分子がグルコース溶液側へ浸透する様子が描かれている。

https://socratic.org/questions/

浸透圧はなぜ生じるのか?(なぜ水は移動する?)

浸透が起こる仕組みは難しそうに感じるが、実は極めて簡単な原理である。蒸留水と蒸留水を半透膜で遮ったとき、水分子は自由に行き来している。左右から移動している水分子の量は等しい。

例えば左右から10個水分子が移動しているとしよう。

水10個→ | ←水10個

移動の結果は次のようになる。左右の水分子の量に変化はない。

水10個  |  水10個

ここに、半透膜を通過できない物質(グルコース)などを右側(下図参照)に入れた場合、水分子がグルコースに引き寄せられたりなどして、自由に移動しずらくなる。また、グルコースは膜に衝突しても半透膜を通ることができない。結果、自由に動き回れる左側の粒子が右側に移動する量が多くなる。この水が移動する圧力が浸透圧となる。

中心体と細胞分裂

中心体とは

動物細胞中で微小管形成の基点として働く構造物を中心体と呼び、その中心に存在する構造を中心子(下画像)という。 別名、中心小体中心粒ともよばれる。

https://www.thinglink.com/

中心体は中心子とそれをとりまく周辺物質から構成されている。

中心体の役割

中心体は別名微小管形成中心とよばれ、細胞が分裂期に入ると両側に位置して、微小管を伸ばして星状体の形成を始める。下画像のAsterが星状体。

動物細胞では、さらに微小管(紡錘糸)が成長して染色体に結合し、紡錘体が形成される。下画像では中心体、紡錘糸、染色体が繋がった構造物を紡錘体と呼ぶ。

https://www.sakudaira-angel-clinic.jp/

植物細胞の微小管形成

通常の植物細胞は中心体を持っていないが、微小管形成中心があり、そこから紡錘体微小管が成長する。コケ、シダ、裸子植物等は精子を形成する際に中心体が出現する。

http://www.sci.u-hyogo.ac.jp/

細胞分裂の位置決定

紡錘体の位置によって収縮環の出現する場所が異なることが知られている。収縮環はアクチンフィラメントの環で、細胞質を分裂させる役割を持つ。植物細胞では収縮環の代わりに、隔壁となる細胞膜と細胞板を新生する。

収縮環

http://www.bio.miami.edu/

両極から中心体から伸びた紡錘糸が、細胞膜に達するとシグナルが表層に伝わり、収縮環形成が始まる。収縮紡錘体が中央にあれば細胞質は均等に分裂するが、紡錘体が片方に偏れば、不均等分裂が起こる。発生初期に起こる不等割などは、紡錘体の位置の偏りによって生じている。

http://raven.zoology.washington.edu/

ひとたびシグナルが表層に伝えられれば、微細なガラス管で中心体を吸い取っても、分裂を止めることはできない。また、細胞を遠心して紡錘体の位置を別の部位に移動させると、新たに分裂面を生じさせることもできる。

倍数性・倍数体

ゲノムとは?

ヒトは46本の染色体を持っており、1セットは23本であある。この染色体23本分の塩基配列をゲノムと呼ぶ。染色体23本にはヒトの基本的情報が全て詰まっており、設計図である。つまり、ヒトは設計図を2枚持っていると言える。

相同染色体とは?

ヒトは23種類の染色体を、父から1セット、母から1セット受け継ぐ。そうして、23種類×2セット=46本となる。つまり、ヒトは同じ種類の染色体を2本ずつ持っているのであり、このペアのことを相同染色体と呼ぶ。

ミツバチの単為生殖

有性生殖をする生物が受精なしに単独で子を作ることを単為生殖と呼ぶ。相同染色体が無くても、基本的な設計図(ゲノム)は持っているため、生物種によっては受精無しに発生が可能である。
ミツバチ(女王蜂)は染色体数が36本であり、減数分裂によって生じた配偶子(卵)は18本となる。受精しなくとも発生が進み、染色体数18本の雄バチとなる。受精したものは雌バチとなる。ちなみに、雄が精子を作る際は減数分裂をせずに18本の染色体を持つ精子を生産する。

http://y-arisa.sakura.ne.jp/

倍数性・倍数体

ゲノムのワンセットをいくつ持っているのかという性質を倍数性と呼ぶ。例えば、ヒトは23本の染色体セットを2つ持っているので、2倍性である。また、そのような生物を2倍体と呼ぶ。自然界には3倍性・3倍体の生物や、4倍性・4倍体の生物もいる。

46本

http://square.umin.ac.jp/

3倍体の生物例:アマゴ

アマゴの卵は最初、二組のゲノム(2n)を持っているが、精子(n)と接合するとそのうちの1組(n)が捨てられて、通常の個体(2n)が生まれる。しかし、受精卵をぬるま湯につけておくと、余分な一組(n)が捨てられずに、3nのアマゴが誕生する。

http://www.miyagi.kopas.co.jp/

このような3倍体の生物は、相同染色体数が奇数なので配偶子を作る際に上手く減数分裂することができず、生殖能力を持たない。このような生殖能力を持たない性質を不稔性と呼ぶ。また、染色体のセットが大きいほど、生物が巨大化する傾向がある。

http://www.miyagi.kopas.co.jp/

増殖可能な3倍体:植物

植物は動物よりも3倍体などの種が多い。これは、植物は球根などの栄養生殖(クローン)によって増殖することが可能であるためである。また、セイヨウタンポポなどは3倍体であるため減数分裂を上手く行うことができないが、種子形成する際には3倍体のクローンを作成する。そのため、セイヨウタンポポは種子で増殖することができる。しかし、受粉はできない。ちなみに、日本の在来種は2倍体や、4倍体などの種なので、普通に有性生殖を行うことができる。

http://www.sci.u-toyama.ac.jp/