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光合成の仕組みの解明 

ヒルの研究

ヒルは緑葉をすりつぶした液にシュウ酸鉄(Ⅲ)を加えて光を当てると酸素が発生することを確認した。これをヒル反応という。

緑葉をすりつぶすと、葉緑体が破壊される。そうすると、チラコイド膜での反応(チラコイド膜までは完全に破壊されない)とカルビンベンソン回路の連携が取れなくなる。

チラコイド膜での反応では最終的に電子はNADP+に渡され、NADPHになる。NADPHはカルビンベンソン回路で電子と水素を渡して、NADP+に戻る。緑葉をすりつぶすと、このNADPHがNADP+に戻れなくなる。その結果、電子の受け取り手がいなくなり、チラコイド膜での反応はストップし、酸素は発生しなくなる。

しかし、シュウ酸鉄(Ⅲ)を入れてやると、鉄イオンが電子の受け取り手となり、再びチラコイドでの反応がスタートし、酸素が発生する。この実験から、植物体内における電子受容体はNADP+であることが判明した。

hill reaction

ルーベンの研究

ルーベンはクロレラ(下画像)の培養液に酸素の同位体を含む水と、酸素の同位体を含む二酸化炭素を別々に与えた。光合成を行わせると、酸素の同位体を含む水を与えた方からのみ、酸素の同位体が発生した。
この実験から、光合成で発生する酸素は水由来であることが判明した。

kurorera

カルビン・ベンソンの研究

炭素の放射線同位体を含む二酸化炭素をクロレラに吸収されて光合成を行わせた。クロレラの細胞内の物質を抽出し、2次元クロマトグラフィーで分離させ、X線フィルムに密着させると黒いスポットが現れる。時間経過に伴って黒いスポットがどのように変化するかを追跡し、カルビンベンソン回路を発見した。 

karbin

二次元クロマトグラフィーとは?

クロマトグラフィーで物質を分離した後に、別の展開液を用いてさらに別の角度から展開を試みる実験手法である。物質をさらに細かく分離できる。
二次元クロマトグラフィー
http://www.trunity.net/

ショウジョウバエの観察&飼育方法

ショウジョウバエはジエチルエーテルで麻酔して動きを止めることができる。キイロショウジョウバエのオスメスを確認し、飼育容器へ移す。メスはオスに比べて体が大きく、オスは尾の方が少し黒くなっている。

ショウジョウバエを卵から育て、その生活史の短さを体験しよう。

ショウジョウバエ飼育法製作・監修 動物ホーム 宮内花乃子

 

準備する物
飼育容器  紙コップ ビニール(ポリ袋などを切って用いると都合が良い。ラップはいまいち) 輪ゴム または、試験管(小) 脱脂綿 ストロー セロテープ

 

寒天培地  小麦粉25g 砂糖25g 水250cc 寒天3.5g(1/2本) イースト菌 ビーカー(500cc用) 乳鉢 ガラス棒 絵筆

 

寒天培地の作り方

1.    
ビーカーに水200ccを入れ、寒天1/2本を細かくちぎり30分ほど浸す。

 時間がない時ははぶいても良いが、寒天がうまく溶けないので出来るだけ省略しないように!

 寒天の種類は何でもいいです。ただし、棒寒天が一番安いです。

2.    
このビーカーを火にかける。

 吹きこぼしに注意すること! 沸騰したら、中火にして寒天が完全に溶けるまで加熱しましょう。

3.    
乳鉢に水50ccと小麦粉25gを入れ、よく混ぜる。

 だまにならないように注意すること! だまになってもとりあえずの味は変わりませんのでご心配なく…

4.    
ビーカーが沸騰したら火から下ろし、砂糖25gを全て溶かす。

 ビーカーは熱いので火傷しないように! 火から下ろすと固まり始めるので手早く行うようにしましょう。

5.    
さらに3を加えてよく混ぜる。

 均一になるようにきちんと混ぜること!

6.    
紙コップに深さ1cm位づつ移し、冷蔵庫で冷やし固める。

 常温でも固まりますが、保存するときには冷蔵庫に入れないとカビちゃいます。

ラップをかけて乾燥を防ぎましょう。

7.    
使用する前に水で溶いたイースト菌を塗る。

 水浸しのままハエを入れると足を取られて死んでしまいます。少し乾かしてから使いましょう。

 

※注意 水の分量だけは間違わないようにしましょう。

(多すぎると固まらなくなって、いままでの苦労が無駄になってしまいます。)

  作り置きはほどほどに…冷蔵庫の中を占拠しないように心がけましょう。)

http://www-sci.edu.kagoshima-u.ac.jp/st-sci/animal/zenki/syoujoubae.htm

硝化・窒素同化・窒素固定・脱窒

硝化

死体などから発生するアンモニウムイオンNH4+は土中の亜硝酸菌によって、亜硝酸イオンNO2へと酸化される。また、亜硝酸イオンは硝酸菌によって硝酸イオンNO3へと酸化される。この働きを硝化と呼ぶ。

硝化

syouka

窒素同化

植物は土中から硝酸イオンやアンモニウムイオンを根から吸収し、アミノ酸や核酸、ATPなどを合成することができる。この働きを窒素同化と呼ぶ。植物は硝酸イオンを吸収し、アンモニウムイオンへと還元する。アンモニウムイオンを直接根から吸収する場合もある。窒素同化では次の反応は葉緑体で行われる。

  1. アンモニウムイオンはグルタミン酸と結合し、グルタミンとなる。この反応はグルタミン合成酵素が行う。
  2. グルタミンはα-ケトグルタル酸にアミノ基を渡し、グルタミン酸となる。この反応はグルタミン酸合成酵素が行う。
  3. グルタミン酸は、各種の有機物にアミノ基を渡し、各種のアミノ酸が合成される。この反応はアミノ基転移酵素(トランスアミナーゼ)が行う。

窒素固定

根粒菌やある種のシアノバクテリア(ネンジュモ・アナベナ)は大気中の窒素を体内に取り込んで還元し、アンモニウムイオンNH4+に変えることができる。これを窒素固定という。根粒菌はマメ科の根に共生しており、単独では窒素固定は行わない。

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根粒菌と根粒菌が共生している根

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ネンジュモ(左)とアナベナ(右)

窒素固定細菌には根粒菌の他にアゾトバクタークロストリジウムが存在する。アゾトバクターは土壌中・水中に生息する好気性細菌で、クロストリジウムは酸性の土壌に生息する。

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アゾトバクター

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クロストリジウム

脱窒

また、土壌中のNO3-、NO2-などの窒素化合物から窒素N2を取り出す働きを脱窒という。これは脱窒素細菌の働きにより行われる。

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脱窒細菌

細菌の炭酸同化

植物の葉緑体以外においても炭酸同化は行われており、シアノバクテリア光合成細菌化学合成細菌がいる。それぞれカルビンベンソン回路は共通しているが、エネルギーを得る方法が異なっている。

シアノバクテリア

シアノバクテリアは植物の葉緑体と同じく、クロロフィルaを光合成色素として持っている。また、光化学系、電子伝達系、光化学系も備えており、葉緑体と同じ仕組みで光合成を行う。シアノバクテリアは葉緑体の起源と考えられており、共生を経て植物細胞へと進化したとされている。

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シアノバクテリア

光合成細菌

光合成細菌には緑色硫黄細菌紅色硫黄細菌などがいる。光合成色素としてバクテリオクロロフィルを持っており、光化学系に似た反応系を1つだけ持っている。水の代わりに硫化水素や水素から電子を得て光合成を行う。そのため、放出するのは酸素ではなく硫黄などを遊離させる。

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緑色硫黄細菌(写真はpH2の環境)

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紅色硫黄細菌

アメリカの砂漠地帯には、火星の地形に酷似した地域があり、そこの地層を調べると「紅色硫黄細菌」の残骸が見つかる。

http://www.hi-ho.ne.jp/tomiyo-de/new/mars_search_1.html 

化学合成細菌

化学合成細菌は無機物を酸化することによって得られる化学エネルギーを利用し、カルビンベンソン回路で炭酸同化を行う。

硫黄細菌は海底の熱噴出孔付近に生息している化学合成細菌である。熱に強いタンパク質構造をしており、リボソームはPCR法にも利用される。硫黄細菌は熱水中の硫化水素を酸化し、その際に生じる化学エネルギーを利用する。

 


2H2S
+ O2 → 2S + 2H2O +
化学エネルギー

他に、化学合成細菌として硝化細菌がいる。硝化細菌はアンモニウムイオン(NH4+)を硝酸イオン(NO3-)に酸化する細菌である。アンモニウムイオンを硝酸イオンに酸化する働きを硝化と呼ぶ。亜硝酸菌硝酸菌の二種類がおり、亜硝酸菌はアンモニウムイオンを亜硝酸イオン(NO2-)へ、硝酸菌は亜硝酸イオンを硝酸イオンへと酸化させる。

亜硝酸菌:2NH4+ + 3O2 → 2NO2- + 4H+ + 2H2O + 化学エネルギー

硝酸菌:2NO2- + O2 → 2NO3- + 化学エネルギー

syouka

 

チラコイド膜での反応

チラコイド膜と膜タンパク質

光合成は葉緑体のチラコイドの膜での反応と、葉緑体のストロマで行われるカルビン・ベンソン回路に分けることができる。チラコイド膜での反応では4つの膜タンパク質が使われており、それらは順に光化学系Ⅱ電子伝達系光化学系ⅠATP合成酵素である。

光化学系Ⅱ

光化学系Ⅱでは太陽光をキャッチするアンテナがあり、これを光合成色素と呼んでいる。光合成色素には小さい順に、カロテン(橙色)、キサントフィル(黄色)、クロロフィルa(青緑)、クロロフィルb(黄緑)などがある。光合成色素には、中央に金属原子が埋め込まれている。

光合成色素

光合成色素は光エネルギーをキャッチし、光化学系Ⅱの反応中心クロロフィルへとエネルギーを伝達する。光化学系Ⅱでは水がH+とO2に分解され、O2は外界へ放出される。これが光合成で酸素が発生する由縁である。水の分解によって生じたeは光化学系Ⅱの反応中心クロロフィルに受け取られ、先ほど集められたエネルギーに受けて放出されて電子伝達系に渡される。この反応を光化学反応と呼ぶ。

2H2O → 4H+ + O2 +4e
光化学系Ⅱ

電子伝達系

電子伝達系(下画像左から二番目)では電子が通るエネルギーを利用してH+をチラコイド内に取り入れている。光化学系Ⅱでも水の分解でH+ができるので、チラコイド内のH+の濃度はストロマのH+の濃度に対して上昇していく。

電子伝達系

光化学系Ⅰ

次に電子は光化学系Ⅰに渡される。光化学系Ⅱと同様に反応中心クロロフィルにエネルギーが集められて、電子が放出される。

光化学系Ⅰ

https://pdb101.rcsb.org/

電子はNADP+に渡され、NADP+とストロマ中にあるH+が結合し、NADPHとなる。NADPHは電子を運ぶための物質である。このような物質を補酵素と呼ぶ。NADPHは後にカルビン・ベンソン回路に電子と水素を運び、NADP+に戻る。NADP+について詳しくはこちらを参照。

NAPD+  + H+ + 2e → NADPH
光化学系Ⅰ

ATP合成酵素

ATP合成酵素にはH+が通る穴が開いている。H+がこの穴を通ってストロマへ拡散するエネルギーを用いてADPにリン酸を結合させ、ATPを合成する。この反応をリン酸化という。

ADP + リン酸 → ATP

まとめ

まとめると、チラコイド膜上では次のような反応が起きている。

水の分解による反応:12H2O + 12NADP+ → 6O2 +12NADPH + 12H+
ATP合成:18ADP + 18リン酸 → 18ATP

ショウジョウバエの発生

多核体

ショウジョウバエは受精すると、まずは核だけを増やす核分裂を行う。核だけが無数に増えたものを多核体と読んでいる。それから細胞膜が形成され胞胚となる。胞胚といっても、カエルやウニのような空洞はなく、胞胚の中央には卵黄が詰まっている。

ビコイドタンパク質とナノスタンパク質

受精卵の段階でビコイドmRNAが頭部の集中して分布している。一方、ナノスmRNAは尾に集中している。ビコイドタンパク質の濃度が高い方が頭部となり、薄い方が尾になる。ナノスタンパク質についてはよく解明されていない。

Nanos(ナノス)と呼ばれるタンパク質が知られています。当研究室のこれまでの研究により、このタンパク質の機能を失なわせると、始原生殖細胞は生殖
巣への移動途中に細胞死を起こしてしまうことが明らかとなっていました。このことから、ナノス・タンパク質は始原生殖細胞の細胞死を抑制する機能を持つと考えられてきました。しかし、その詳細なメカニズムについて
は明らかにされておらず、解明が待ち望まれていました。

http://www.nibb.ac.jp/

様々な遺伝子の発現

  1. 発生が進むと、ビコイドタンパク質の濃度勾配にしたがってギャップ遺伝子(下図上段)が発現する。ギャップ遺伝子とは複数ある遺伝子の総称であり、だいたいの体節の区画化をする。
  2. 次に、ギャップ遺伝子の発現にしたがってペアルール遺伝子(下図中断)が発現する。ここで体節の帯状のパターンが形成される。
  3. 続いて、セグメントポラリティ遺伝子(下図下段)が発現する。これによって体節の区分がほぼ決定する。
  4. 最後にホックス遺伝子が発現し、頭・胸・腹などが形作られていく。

ホメオティック遺伝子群

ホックス遺伝子の中にはホメオティック遺伝子群と呼ばれる動物の前後軸と体節制を決定する調節遺伝子の集団が存在する。ホメオティック遺伝子群は大きく分けて、アンテナペディア複合体バイソラックス複合体の2つに分類できる。アンテナペディア複合体は頭から中胸部までの構造を決定し、バイソラックス複合体は後胸部から尾部までの構造を決定する。

ホメオティック遺伝子
Antennapedia cluster=アンテナペディア複合体、bithorax cluster=バイソラックス複合体http://reytheo2013.blogspot.jp/2013/02/hox-genes-and-evo-devo.html

ホメオボックス

各ホメオティック遺伝子には互いによく似た180の塩基配列の領域があり、これをホメオボックスと呼んでいる。ホメオボックスは調節タンパク質(ホメオドメイン(DNAに結合する部位))をコードする。ホメオドメインはホメオティック遺伝子だけにあるわけではなく、ホメオドメインをもつタンパク質は調節タンパク質として働く。

ホメオドメイン

ホメオボックスの比較

下の図は異なる生物種のホメオボックスを並べたものである。Dme=キイロショウジョウバエ; Amphi=ナメクジウオ; Tca=コクヌストモドキ, Odi=オタマボヤである。それぞれ非常に類似した塩基配列を持っている。

ホメオドメイン
http://rspb.royalsocietypublishing.org/

ホックス遺伝子、ホメオティック遺伝子、ホメオボックスの違い

それぞれを図でまとめると次のようになる。ホックス遺伝子とホメオティック遺伝子の違いについて非常にわかりづらいが、ホックス遺伝子は各生物のホメオティック遺伝子の総称と考えて良い。

Hox遺伝子群

灰色三日月環

カエルの体軸は表層回転によるディシェベルドタンパク質の移動によって決定される。精子が卵子に到着し、精子の中心体が卵の中に入ると、卵細胞表面がぐるりと30°回転する(表層回転)。これは精子の中心体によって引き起こされる運動である。

表層回転した結果、色素のずれによって灰色の領域が出現する、これを灰色三日月環と呼ぶ。表層回転により、植物極側にあったディシェベルドタンパク質が卵の中央(帯域)まで引き上げられ、それがシグナルとなって様々な調節遺伝子が発現する。精子は動物極側にしか進入できない。灰色三日月環は必ず精子侵入の反対側に出現することが知られている。

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