細胞

間接的能動輸送-Naグルコースシンポーター(ナトリウム/グルコース共輸送)-

間接的能動輸送とは

ナトリウムポンプのようにATPのエネルギーを用いて行う輸送を能動輸送(直接能動輸送)と呼ぶ。

それに対し、能動輸送によって生じた溶質の濃度購買を利用して別の溶質を濃度勾配に逆らって輸送することを間接的濃度輸送と呼ぶ。入試等では、小腸上皮のグルコースの取り組みなどの間接的濃度輸送について問われることがある。

Na+- グルコースシンポーター(ナトリウム/グルコース共輸送)

Na+、グルコースシンポーター(ナトリウム/グルコース共輸送)は小腸上皮の腸管側の細胞膜にある膜たんぱく質である。反対の血管側には、ナトリウムポンプとグルコースチャネルが存在している。

http://diabetologistnote.blog119.fc2.com/

血管側のナトリウムポンプにより、細胞内のNa+が細胞外へ輸送され、細胞内のNa+の濃度が低下する。すると、腸管側と上皮細胞内との間にNa+の濃度差が生じる。

http://diabetologistnote.blog119.fc2.com/

Na+が腸管側から細胞内に向けて、Na+、グルコースシンポーターを介して移動する。Na+がこの濃度勾配によって上皮細胞に入る際に、グルコースを細胞内に濃度勾配に逆らって取り込む。このようにして、上皮細胞は腸管からグルコースを細胞内に取り入れている。

https://blogs.yahoo.co.jp/

生物を構成する元素

生物を構成する主要元素

細胞を構成する主な元素はC、H、O、Nである。ヒトの場合、生重量で測定すると、この4元素で約97%を占める。ヒト以外の生物でも、この4つの元素が大部分である。主要4元素以外には、Mg、Ca、K、S、Fe、P、Na、Cl、Cu、Zn、Iなどがある。

http://www.asai-fc.com/

Mg マグネシウム

光合成色素のクロロフィルの構成元素である。

https://www.quora.com/

Ca カルシウム

血液凝固や筋収縮に関与する。また、リン酸カルシウムとして骨の成分である(下画像)。

http://www.scielo.br/

K カリウム

神経細胞の静止電位の発生に関与する。

http://csls-db.c.u-tokyo.ac.jp/

S 硫黄

アミノ酸のシステイン(下画像)、メチオニンに含まれている。

https://www.ssp.co.jp/

Fe 鉄

ヘモグロビン、シトクロム(下画像)の構成元素である。シトクロムは呼吸の電子伝達系に関わる。

http://www.chemtube3d.com/

P リン

拡散、ATP、NADPなどの構成元素である。また、リン酸カルシウムとして骨の成分である。

https://www.researchgate.net/

Na ナトリウム

体液中に最も多く含まれる陽イオンである。神経細胞の活動電位の発生に関与する。

Cl 塩素

胃液中に含まれる。

https://protoclean-aqua.com/

Cu 銅

血液色素のヘモシアニンに含まれる。

http://pubs.rsc.org/

Zn 亜鉛

免疫に関与ている。

http://atopy-cure.com/

I ヨウ素

甲状腺のチロキシンの構成元素となる。

http://www.wikiwand.com/

動物細胞と植物細胞の違い

動物細胞も植物細胞も真核細胞

真核細胞とは核膜に包まれた核を持つ細胞のことであり、動物細胞植物細胞の種類がある。真核細胞は膜で包まれた細胞小器官を持っており、動物細胞も植物細胞も殆ど同一の細胞小器官を持っている。しかし、明確な違いもあるため、混乱しないようにしよう。

https://www.quora.com/

動物細胞と植物細胞の違い①葉緑体

当たり前ではあるが、葉緑体は植物細胞のみが持つ細胞小器官である。しかし、例外的にミドリムシは葉緑体を持っている動物細胞のような細胞(?)である(動物なのか植物なのか現時点で不明である)。

ミドリムシ(ユーグレナ)は、葉緑体をもって炭酸同化作用を行い、植物のようにでんぷん類を栄養として蓄えることができる。しかし、植物にある細胞壁がなく、先端についている鞭毛で泳ぎながら、体をくねくねと変形させる。また、光のない環境では、外部から食物を取り込んで生きていける動物的な要素を備えている。このため、植物学者はミドリムシ植物門のミドリムシ藻類に、一方動物学者は原生動物門のミドリムシ類に分類するというありさまで、いまだに動物か植物かの決着がついていない。

https://www.brh.co.jp/

また、たまに藻類を動物が食べて共生させている生物もいるが(ミドリゾウリムシなど)、あれは消化をしない特別な食胞のような膜に包んでいるため、自分の一部ではなく、どちらかというと消化途中(もしくは共生)と言えるだろう。

https://academist-cf.com/

クロレラ(藻類)は、ミドリゾウリムシの中で「Perialgal vacuole (PV) 膜」とよばれる宿主の食胞膜由来の膜に包まれています。そして、このPV膜は食胞膜とは異なって宿主のリソソームが融合しないので、内部に存在するクロレラは消化を免れています。しかし、ミドリゾウリムシを飢餓状態におくと、共生クロレラの一部は消化されることも観察されています。つまり、クロレラは非常食としても利用されているのです。

https://academist-cf.com/

動物細胞と植物細胞の違い②細胞壁

植物細胞のみが持つ構造として細胞壁がある。ちなみにこの細胞壁は細菌などの原核細胞が持つ細胞壁とは成分が異なるため注意すること。

植物細胞の細胞壁 セルロースが主成分
原核細胞の細胞壁 ペプチドグリカンが主成分

https://micro.magnet.fsu.edu/

混乱しやすいポイント―中心体・液胞―

よく間違われやすいポイントとして、中心体液胞がある。簡単な参考書等には、中心体は植物細胞にはないと書かれているが、一部の植物細胞(コケ、シダ、裸子)では、精子を形成する際に中心体が出現することが知られている。

https://www.thinglink.com/

また、液胞は植物細胞のように大きく発達したもの(下画像中央)は動物細胞にはないが、電子顕微鏡レベルで観察できる極めて小さいものならば動物細胞にも存在する。

http://biology-pictures.blogspot.jp/

液胞はもともとは光学顕微鏡で観察可能な中身がからっぽなものを指しており、現在でも普通に液胞といった時にはこのようなものを指します。こういう意味での液胞は正常な動物細胞や未分化の植物細胞にはありません。しかし、細胞を電子顕微鏡で観察するようになりますと、大きさはとても小さいのですが、構造としては液胞とよく似たものが動物細胞にも植物細胞にもあることが分ってきました。

https://jspp.org/

まとめ

動物細胞と植物細胞の違いをまとめると次のようになる。

葉緑体 植物細胞のみ
細胞壁 植物細胞のみ

(原核細胞の細胞壁とは成分が異なる)

中心体 動物細胞と一部の植物細胞
液胞 動物細胞と植物細胞
その他細胞小器官 動物細胞と植物細胞

ボルボックスは細胞群体?多細胞生物?

細胞群体とは?

受験のツールとして細胞群体を理解するのは簡単である。「ボルボックス目と、クンショウモなど細胞がゆるく結合している生物を細胞群体と呼ぶ」と覚えておけば良い。有無を言わずに覚える、機械的に答えれば、取り敢えず損はしない。

しかし、ボルボックスなどは1000個も細胞があるし、細胞が分化しているし、ボルボックスの細胞同士は原形質連絡糸(下画像)と呼ばれる糸で結ばれている。これで、本当に多細胞生物ではないと言っていいのだろうかと誰しもが考えるだろう。

http://www.seibutsushi.net/

「細胞群体」は高校生物のみ

ここで驚きの事実だが、調べてみると「細胞群体」との言葉は、生物学の研究分野では使わない用語らしい。これはショックだ。その代わりとして用いられるのが、「定数群体」である。

「細胞群体」という言葉は、主に高校の生物教育用語として使われるようです。

https://jspp.org/hiroba/

定数群体とは

定数群体とは、単細胞生物的細胞からなる特殊な群体のことである。単細胞生物的細胞でありながら、1群体の細胞数は定数であるなど多細胞生物的特徴も持つ。

個々の細胞の独立性はかなり高いことが知られており、例えば群体が壊れても、破片になった細胞数の少ない状態でも生き続けるなどの性質を持つ。また、無性生殖時には個々の細胞がすべて新しい群体を形成する。

定数群体の中には、補食や傷害などにより単独の細胞となっても、生き続ける能力を持っている場合があります。私たちの実験で、緑藻のアミミドロ(分類学上、クンショウモと近縁な種)という網状の群体中の細胞を機械的にばらばらにしたところ、しばらく単独の細胞でも成長を続け、やがてその内部に娘群体が形成されました。

https://jspp.org/hiroba/

ボルボックスは多細胞生物か?

いよいよ本題に入りたい。ボルボックスは多細胞生物なのだろうか、それとも細胞群体(定数群体)なのだろうか。このカテゴリーについては、研究者の間でもあやふやで、福岡伸一氏などは多細胞生物と発言している。

しかしボルボックスは多細胞生物

https://www.sotokoto.net/

また、東京大学の研究でボルボックスよりも単純なシアワセ藻(4細胞)は「多細胞生物」であるとの記述がある。この定義では、当然ボルボックスは多細胞となるだろう。

シアワセモ が世界最小の多細胞生物であることが明らかとなりました。シアワセモは群体性ボルボックス目の中でも最も初期に出現した生物であり、本研究の成果は単細胞生物から多細胞生物への転換の初期段階を明らかにするものであり、進化の研究のブレイクスルーになるものです。

東京大学https://www.s.u-tokyo.ac.jp/

しかし、私が色々と調べていて感じたのは、ボルボックスを定数群体のカテゴリーに入れる風潮の背景に「進化の流れ」があることである。

パンドリナやユードリナなどは、ボルボックスよりも遙かに単細胞的である。この生物は単細胞と多細胞の中間である「定数群体」と認識できやすい。だんだんと単細胞生物が多細胞生物になる過程として、これらの生物は非常に重要である。その進化の流れ、パンドリナ→ユードリナ→ボルボックス…を明確にするため、ボルボックスもグレーゾーンとして定数群体のカテゴリーに入れられているように思う。

ボルボックス1つだけを取り出して見てみると、明らかに「多細胞」である(上述した研究者たちもそのように認識している)。しかし、この生物は単細胞→多細胞の進化の流れとして認識することに大きな意味がある。それ以外にわざわざボルボックスにスポットライトがあてる理由があるだろうか。敢えて高校生物にこのややこしい生物を細胞群体(定数群体)として掲載することは、クラミドモナスから続く単細胞から多細胞生物の流れを明確にするためであると思われる。

まとめると、実際、ボルボックスは多細胞と考えても、メディアで公表しても、研究者が発言しても、全く差し支えはない。単細胞生物でないことは、誰が見ても明らかである。しかし、高校生物において、ボルボックスが細胞群体(定数群体)という訳の分からないカテゴリーに分類されるのは、「単細胞から多細胞への進化過程としての細胞群体」を意識した結果であると考えられる。

細胞骨格の種類

細胞骨格の種類

細胞骨格には3種類ある。それらは、アクチンフィラメント(画像下段)、中間径フィラメント(画像上段)、微小管(画像中段)である。

細胞骨格

https://online.science.psu.edu/

蛍光顕微鏡による細胞骨格観察

下画像では緑色が微小管、赤色がアクチンフィラメントを示している。微小管は細胞内に張り巡らされており、アクチンフィラメントは細胞膜直下に多く存在している。

細胞骨格

アクチンフィラメント

別名マイクロフィラメントと呼ばれる。アクチンと呼ばれる球状タンパク質が螺旋状に結合している。筋肉収縮に関わる他、アメーバ運動原形質流動にも関わる。

アクチンフィラメント

http://motility-machinery.jp/

アメーバ運動

アクチンフィラメントの特徴は、アクチンが結合・解離することによって、フィラメントを伸長することができる点にある。

原形質流動

細胞小器官と結合したミオシンがアクチンフィラメントに結合して移動することによって原形質流動が起こる。

 

中間径フィラメント

繊維状のタンパク質が結合し、ロープ状の構造をしている。細胞に強度を加える。

中間径フィラメント

http://www.tmd.ac.jp/

中間径フィラメント

http://www.jscb.gr.jp/

微小管

チューブリンと呼ばれる球状のタンパク質が多数結合し、管状の構造を形成してる。チューブリンはαチューブリンβチューブリンから成っている。チューブリンが結合・解離することによって管を伸長することができる。

微小管

http://www.tmd.ac.jp/

紡錘糸

細胞分裂時の紡錘糸は微小管でできている。

浸透-高張液・等張液・低張液-

浸透とは

浸透とは半透膜を境にして、濃度の異なる溶液同士の間で水などの溶媒の移動が起こる現象である。植物細胞などを高濃度のスクロース溶液になどに浸すと、中の水分が抜けて細胞質が小さくなる原形質分離が起こる。原形質分離は浸透によるものである。

半透膜とは

ある物質(大抵は小さな物質)は通すが、ある物質(大抵は大きな物質)は通さないような膜を半透膜と呼ぶ。細胞膜は半透膜である。

半透膜

浸透と浸透圧

半透膜を境に濃度の異なるスクロース溶液を置くと、濃度の低い方から濃い方へ水が移動する。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。

高張液、等張液、低張液とは

浸透は異なる濃度の溶液が半透膜で仕切られた時に生じる現象である。実際、溶液の成分自体が違ったりするため、「濃度が高い」「濃度が低い」という表現は適切ではない。そのため、異なる濃度の溶液があった場合、溶媒の移動によって次のような名称をつける。

  1. 溶媒が移動によって体積が減る溶液を低張液
  2. 溶媒が移動によって体積が増える溶液を高張液
  3. 溶媒の移動が起こらない溶液を等張液

動物細胞と浸透

動物細胞を高張液、等張液、低張液に浸すと次のような現象が起こる。

  • 高張液に浸す:水分が取られ収縮する。
  • 等張液に浸す:何も起こらない。このような食塩水を生理食塩水と呼ぶ。恒温動物では0.9%、両生類では0.7%である。
  • 低張液に浸す:細胞内に水が侵入し、破裂する。赤血球が破裂する現象を溶血と呼ぶ。
youketu

植物細胞と浸透

植物細胞を高張液、等張液、低張液に浸すと次の現象が起こる。

  • 高張液に浸す:水分が奪われて収縮する。細胞壁と細胞膜が離れる原形質分離が起こる。

  • 等張液に浸す:何も起こらない。細胞外の溶液の浸透圧が僅かにでも上昇したら原形質分離が起こるため、等張液に浸した状態を限界原形質分離と呼ぶ。
  • 低張液に浸す:細胞内に水が侵入し、細胞壁を押し上げようとする。この圧力を膨圧と呼ぶ。浸透圧から膨圧を引いた圧力を吸水力と呼ぶ(吸水力=浸透圧 - 膨圧)。

生理的塩類溶液

生理食塩水は単純に等張液の食塩水を指すが、生理食塩水の食塩の一部を他の塩類に置き換え、緩衝液などを加えることで、より体液の成分に近づけた溶液を生理的塩類溶液と呼ぶ。1882年にリンガーがによって作られたリンガー液が有名である。

細胞膜と物質の輸送

細胞膜の構造

リン脂質には疎水部親水部があり、疎水部同士がくっついて細胞膜が構成されている。これをリン脂質二重層と呼ぶ。疎水部になじむ脂溶性分子などは細胞膜を通りやすいが、イオンなどの水に溶ける物質は細胞膜を通過できない。また、酸素や二酸化炭素、水などの小さな分子は細胞膜を通過できるが、タンパク質などの大きな分子は通過できない。

リン脂質

細胞膜の物質の透過

疎水部になじむ脂溶性分子などは細胞膜を通りやすいが、イオンなどの水に溶ける物質は細胞膜を通過できない。また、酸素や二酸化炭素、水などの小さな分子は細胞膜を通過できるが、タンパク質などの大きな分子は通過できない。

細胞膜
https://www.tumblr.com/

選択的透過性

細胞膜には様々なタンパク質が埋め込まれており、細胞内外の物質の輸送に関与している。チャネル、輸送体、ポンプは適合する物質のみを選択して透過させる。このような性質を選択的透過性と呼ぶ。

受動輸送

エネルギーを使わないで、濃度勾配によって物質を輸送させる方法を受動輸送と呼ぶ。拡散、チャネル、輸送体、アクアポリンなどの種類がある。

①拡散

細胞膜を小さな分子や、脂溶性分子が濃度勾配にしたがって細胞膜を通過する現象。

拡散

②チャネルと輸送体

チャネルはイオンなどを通す膜タンパク質であり、開いたり閉じたりする。輸送体はアミノ酸や糖などが結合すると、構造が変化し、細胞内に物質を取り入れるタンパク質である。

チャネル

③アクアポリン

水分子が透過するチャネルである。

アクアポリン

能動輸送

濃度勾配に逆らってエネルギーを使う輸送を能動輸送と呼ぶ。ナトリウム・カリウムポンプは細胞内にカリウムイオンを2個取り入れ、ナトリウムイオンを3個細胞外へ排出する。この輸送にはATPが消費されるため、ナトリウムポンプはATP分解酵素としても働く。

細胞膜を使う輸送

細胞膜を使って物質を取り込んだり(エンドサイトーシス)、細胞膜に包んで物質を細胞外へ放出したりすることができる(エキソサイトーシス)。

エンドエキソ

白血球などはエンドサイトーシスで異物を細胞内に取り入れ、分解している。

真核細胞の構造

真核細胞とは

真核細胞とはDNAが核膜に包まれており、細胞小器官を持つ細胞である。真核細胞の構造は細胞質に大別することができる。また、動物細胞植物細胞には多少の違いがある。

細胞

核膜

二重の細胞膜を持っている。核孔(核膜孔)と呼ばれる無数の穴があり、物質のやりとりを行う。

染色体

DNAがヒストンというタンパク質に絡まったヌクレオソームがコンパクトにまとまり、クロマチン構造を取ってコンパクトにまとまったもの。酢酸オルセイン溶液酢酸カーミン溶液に染まる。

核小体

リボソームRNAを合成する所。下画像では黒っぽくなっている部分が核小体である。核内に1個~数個存在する。

細胞質

細胞膜

リン脂質二重層という構造からなる。膜たんぱく質が多数埋め込まれている。

細胞質基質

細胞小器官以外の液状のところ。ほとんど水であるが、様々な物質が溶けている。

ミトコンドリア

呼吸をおこなう。独自のDNAを持っている。

ミトコンドリア

葉緑体

光合成をおこなう。独自のDNAを持っている。原色素体と呼ばれる構造体に由来する。原色素体は有色体白色体にも分化する。

原色素体

緑色植物の細胞に含まれる葉緑体と,その類縁で色素を含むことで特徴づけられる細胞小器官の総称。葉緑体は、葉が形成されるときに未分化の色素体である原色素体をもとにして作られる。これを、葉緑体は原色素体から分化するという。
http://www.c.u-tokyo.ac.jp/

リボソーム

タンパク質合成の場。リボソームRNAとタンパク質からなる。

小胞体

粗面小胞体滑面小胞体からなる。核膜とつながっており、粗面小胞体はタンパク質などの移動通路となっている。滑面小胞体は脂質の合成をする。

ゴルジ体

どの物質がどこへいくのかの宛名づけ(化学装飾)をする。

リソソーム

分解酵素を含む。細胞ゴミ箱。自食作用をする。

細胞骨格

中間径フィラメント、微小管、アクチンフィラメントなどの繊維からなる。細胞の形の保持や運動などを行う。

中心体

基本的に動物細胞のみにある。一部の植物細胞(コケ、シダ、裸子)では、精子を形成する際に出現することが知られている。中心体は細胞分裂の際に微小管が伸長する基点となる。

 

陸上植物では、先に挙げたコケ植物、シダ植物、裸子植物の一部の精子形成時にのみ中心子(別名:中心粒)が出現する。普通の細胞には中心子が無く、中心体とよべるようなはっきりした構造は形成しない。しかし散在した微小管形成中心は存在し、細胞周期によってその位置が変化している。

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

液胞

大きく成長した液胞は植物細胞のみにあるが、極めて小さい液胞ならば動物細胞にもある。。中には液体が満たされており、糖分や塩分、有機酸、アントシアニンなどが溶けている。浸透圧調節を行う。

その他

細胞壁

セルロースでできた固い壁。リグニンが沈着すると木化する。スベリンが沈着するとコルク化する。細胞同士が連絡を取るための原形質連絡という構造を持つ。

生体物質

細胞の化学組成

細胞は主に、水、タンパク質、脂質、炭水化物、核酸、無機質から構成されている。

細胞

比熱が大きく温度が変化しにくい。様々な物質を溶かす。

水

タンパク質

アミノ酸がたくさんつながったもの。酵素や細胞骨格などを形成する。

タンパク質

脂質

脂肪はエネルギーとなり、リン脂質は細胞膜となり、ステロイドはホルモンとなる。脂質とは単純に説明すると、アルコールと脂肪酸が結合したもの(エステルと呼ぶ)である。脂肪酸とは炭素と水素の骨格にカルボキシ基(-COOH)が結合したものを指す。脂肪の中には、糖やリン酸を含むものもあれば、加水分解によって生成されたものも脂質と呼ぶ。

中性脂肪

下画像のXがグリセリン、Yが脂肪酸。結合すると中性脂肪となる。

リン脂質

炭素の骨格にリン酸が結合したもの。脂肪酸とリン酸が結合し、さらにリン酸にアルコールがエステル結合した構造をもつ。

リン脂質
http://ja.wikipedia.org/

ステロイド

複合脂質(色々混ざった脂質)から加水分解によって生成される。

コレステロール
http://ja.wikipedia.org/

炭水化物

CとHとOからできている物質。エネルギー源。セルロースは細胞壁になる。単糖(グルコース、リボース)、二糖(スクロース、ラクトース)、多糖(セルロース、グリコーゲン、デンプン)などがある。

グルコース
単糖:グルコースhttp://www1.iwate-ed.jp/

スクロース
二糖:スクロースhttp://square.umin.ac.jp/

グリコーゲン
多糖:グリコーゲンhttp://askgeorgie.com/

核酸

遺伝物質であるDNA、RNAを構成する。糖とリン酸と塩基が結合したヌクレオチドが基本単位。

無機物

Na+(神経細胞で重要な働きをする)、リン酸カルシウム(骨の材料)、鉄(ヘモグロビンに埋め込まれている)などがある。

細胞を構成する物質の割合

細胞の大部分はどの細胞でおいても水であるが、植物細胞、動物細胞では炭水化物の量の割合が異なる。また、ヒトの細胞と大腸菌の細胞では、脂質の量の割合が異なることは覚えておこう。

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