Transcript ｽﾗｲﾄﾞ ﾀｲﾄﾙなし

細胞と多様性の
生物学
第６回 細胞間の情報交換
和田 勝
東京医科歯科大学教養部
今回のお話の舞台
細胞膜の構造
電子顕微鏡で観察すると、上の写真
のように二重の膜である。
細胞膜の構成要素
脂質とタンパク質から構成される。
脂質は以下のように分類できる
単純脂質
複合脂質
誘導脂質
トリアシルグリセロールなどの
中性脂肪
グリセロリン脂質、
グリセロ糖脂質など
中性脂肪
H
H-C-OH
H-C-OH +
H-C-OH
H
O
R1-C
O
O
R3-C
O
O
-
-
H O
O H-C-O-C-R1
R2-C-O-C-H
H-C-O-C-R3
H
O
R2-C
O
-
Rは長い
炭化水素
の鎖。途中
に二重結合
を含むこと
もある。
リン脂質（phospholipid）
フォスファチド（phosphatide）とも言う
H O
O H-C-O-C-R1
R2-C-O-C-H O
H-C-O-P-O-X
H
OX=コリン、セリン、エタノールアミン、
イノシトールなど
フォスファチジルコリン
O H
R1-C-O-C-H O
CH3
H-C-O-P-O-CH2-CH2-N+-CH3
R2-C-O-C-H OCH3
O H
細胞膜の主要な成分
フォスファチジルコリン
頭部
極性
尾部
非極性
のように簡単に
あらわすことが
できる
フォスファチジルコリンを
フォスファチジルコリンをぎっしり
並べると、、、
脂質の二重膜
水分子
脂質
二重膜
lipid
bilayer
水分子
脂質二重膜の性質
分子の性質
例
透過性
疎水性分子
N2、O2、炭化水素
自由に透過
極性のある
小分子
極性のある
大分子
H2O、CO2、グリセロー
ル、尿素
自由に透過
イオンや電荷
を持つ分子
アミノ酸、H+、HCO3-、
Na+、K+、Ca2+、Cl-、
Mg2+
ブドウ糖などの単糖類、 透過できない
二糖類
透過できない
浸透圧
１．溶媒（水）
と溶媒+溶質
（水溶液）を
入れる
２．水も溶質
も自由に行
き来できるの
で、溶質は
拡散によっ
てしだいに左
側へ移動
３．時間が経
つと、両側の
濃度は同じ
になる
全透膜
浸透圧
３．半透膜に
かかる圧力
と水の移動
しようとする
力がつりあう
１．水と水溶
液を入れる
２．水は半透
膜を通って
移動できる
が溶質はで
きない
半透膜
４．この圧力
が溶液の浸
透圧に該当
する
浸透圧
この圧力を
かけておけ
ば、浸透は
おこらない
半透膜
脂質二重膜の性質
水のような溶媒分子は自由に通す
が溶質は通さない膜を、半透膜
（semipermeable membrane）という。
浸透圧溶血（hemolysis）は、赤血球
膜のこのような性質で説明できる。
溶血の原因は、この他免疫性溶血や毒素
などによる溶血など、多岐にわたる
浸透圧溶血
高張（hypertonic）
低張（hypotonic）
等張（isotonic）
水
縮む
赤
血
球
水
変化なし
破裂
選択透過性
しかしながら、半透膜の性質だけでは
細胞は生きていけない。
細胞の活動にとって必要なグルコー
スの取り込み、タンパク質合成の原料
となるアミノ酸の取り込みなど。
そのための通り道が、タンパク質でつ
くられている。その結果、選択透過性
（selective permeability）が生じる
膜タンパク質
細胞膜に埋め込まれたタンパク質を、
とくに膜タンパク質と呼ぶ。
膜タンパク質の膜貫通部はαヘリック
ス構造で、脂質二重膜と接する部分
の側鎖は疎水性。
αヘリックス構造が何本か束ねられた
構造をとる場合が多い。
脂質二重膜とタンパク質
親水部
αヘリックス
疎水部
親水部
細胞膜のモデル
脂質二重膜に膜タンパク質が浮
かんでいる（流動モザイクモデル）
細胞膜のモデル
膜タンパク質の性質によって、細胞膜
の性質が決まる。
脂質二重膜は海のようなもので、タ
ンパク質は氷山のように浮かんで
いて、動くことができる。
細胞膜のモデル
膜タンパク質には、貫通型、表在型、
一部埋め込み型がある。
アクチンフィラメントは、表在型タン
パク質を介して貫通型タンパク質と
結合できる。
膜タンパク質の外に面した部分から
は、糖鎖が出ていることが多い。
細胞膜のモデル
脂質二重膜が流動性を示すのは、脂
質分子が移動できるからである。
コレステロールが埋め込まれると、
膜の流動性が減少する。
グリセロリン脂質以外にも、細胞膜を
構成する脂質がある（セラミドなど）が
今は省略する。
細胞内顆粒の分泌
開口分泌（exocytosis）は、顆粒膜と細
胞膜の融合による。膜タンパク質も
食細胞運動（phagocytosis）はこの
過程の逆で、大きな物質はこうして
細胞内に取り込まれる。
貫通型膜タンパク質の種類
１．細胞間の接着・結合に関するもの
２．チャンネルタンパク質
３．運搬タンパク質
エネルギーを必要としない場合と
必要な場合がある
４．受容体タンパク質
細胞間の結合
細胞は独立しているのではない
密着結合
細胞同士を
結合タンパ
ク質がしっ
かり繋ぎ合
わせている
密着結合
密着結合のおかげで、膜
に区画(compartment）が
生まれる。
接着結合
デスモゾーム結合
ヘミデスモゾーム結合
デスモゾームの半分が基底層のタ
ンパク質と結合している
ギャップ結合
ギャップ結合のおかげで、細胞
同士が電気的に結合できる。
発生における接着の役割
神経管の発生の過程では
神経管分化とカドヘリン
場所によって異なるカドヘリンタン
パク質が発現する
その結果、細胞のソーティングがおこる
E-カドヘリンの一次構造
1
61
121
181
241
301
361
421
481
541
601
661
721
781
841
1
MGPWSRSLSA
TGRQRTAYFS
HHHRPPPHQA
NKDKEGKVFY
AVEDPMEILI
AYTILSQDPE
AVITVTDTND
GQFVVTTNPV
NEAPIFVPPE
AISTRAELDR
FFCERNPKPQ
GDYKINLKLM
LILILLLLLF
EVTRNDVAPT
EAASLSSLNS
11
LLLLLQVSSW
LDTRFKVGTD
SVSGIQAELL
SITGQGADTP
TVTDQNDNKP
LPDKNMFTIN
NPPIFNPTTY
NNDGILKTAK
KRVEVSEDFG
EDFEHVKNST
VINIIDADLP
DNQNKDQVTT
LRRRAVVKEP
LMSVPRYLPR
SESDKDQDYD
21
LCQEPEPCHP
GVITVKRPLR
TFPNSSPGLR
PVGVFIIERE
EFTQEVFKGS
RNTGVISVVT
KGQVPENEAN
GLDFEAKQQY
VGQEITSYTA
YTALIIATDN
PNTSPFTAEL
LEVSVCDCEG
LLPPEDDTRD
PANPDEIGNF
YLNEWGNRFK
31
GFDAESYTFT
FHNPQIHFLV
RQKRDWVIPP
TGWLKVTEPL
VMEGALPGTS
TGLDRESFPT
VVITTLKVTD
ILHVAVTNVV
QEPDTFMEQK
GSPVATGTGT
THGASANWTI
AAGVCRKAQP
NVYYYDEEGG
IDENLKAADT
KLADMYGGGE
41
VPRRHLERGR
YAWDSTYRKF
ISCPENEKGP
DRERIATYTL
VMEVTATDAD
YTLVVQAADL
ADAPNTPAWE
PFEVSLTTST
ITYRIWRDTA
LLLILSDVND
QYNDPTQESI
VEAGLQIPAI
GEEDQDFDLS
DPTAPPYDSL
DD
51
VLGRVNFEDC
STKVTLNTVG
FPKNLVQIKS
FSHAVSSNGN
DDVNTYNAAI
QGEGLSTTAT
AVYTILNDDG
ATVTVDVLDV
NWLEINPDTG
NAPIPEPRTI
ILKPKMALEV
LGILGGILAL
QLHRGLDARP
LVFDYEGSGS
赤はシグナルペプチド領域、青は膜貫通部
膜貫通部はすべて非極性アミノ酸であることに注意
60
120
180
240
300
360
420
480
540
600
660
720
780
840
カドヘリンとアクチン
カドヘリンは
サイトゾール
部でカテニン
を介してアク
チンと結合し
ている
膜タンパク質の発現により
このように、細胞表面の接着・結合に
関するタンパク質が発現することに
より、細胞膜の性質が変化する。
こうして細胞間での選別が行なわれ
、分化がおこる。
チャンネルと運搬タンパク質
どうして特定のイオンや物質だけを通
す選択性が生じるか、不明な点も多い
＋
K -チャンネル
K＋は水和している→水和が外れて
ポアに入り、フィルター部を通って抜ける
スクロースポーリン
Salmonella typhimurium
チャンネルンパク質
電位依存型
K＋チャンネル
電位センサー
受動輸送と能動輸送
受容体タンパク質の役割
途中のまとめ
ここまで、細胞の外側を包んでい
る細胞膜について、いろいろなこと
を学んだ。ここまでで細胞の基本的
な構造と機能を学んだ。
細胞は孤立しているのではないの
で、細胞間の情報交換が必要であ
る。
細胞間の情報交換
ヒトとヒトの間の情報交換の主な手
段は言語で、それぞれの単語に意味
がある。
生体では、この単語にあたるのが分
子で、ここではこれを信号分子
(signal molecule)と呼ぼう。
細胞間の情報交換
ギャップジャンクション
膜表面上分子が直接
情報分子を分泌
信号分子による情報交換
神経軸索末端から
周囲の細胞間隙へ
血液中へ
ホルモンによる情報交換
細胞がホルモンによる情報を受け取ること
ができるのは、そのホルモンに対する受容
体（receptor）を持つから。
標的器官（細胞）（target organ, target cell）
ホルモンの分類
分泌器官による
はたらきによる
化学的性質による
ホルモンを
化学的性質によって分類
●水溶性（hydrophilic）
ポリペプチドホルモン、アミン系ホルモン
細胞膜を通過できない
●非水溶性（hydrophobic）、脂溶性（lipophilic）
ステロイド系ホルモン、甲状腺ホルモン
細胞膜を通過できる
受容体のある場所
ポリペプチドホルモンに対しては細胞表面
ステロイドホルモンに対しては細胞質内
水溶性ホルモンの作用機構
細胞表面の受容体には
①イオンチャンネル連結型受容体（channellinked receptors）
②酵素連結型受容体（catalytic receptors）
③Ｇタンパク質連結型型受容体（G proteincoupled receptors、ＧＰＣＲ）
インシュリンは②だったが、ここでは③のＧタン
パク質連結型受容体について述べよう。
繁殖に関するホルモン
視床下部-脳下垂体-生殖腺系
（hypothalamo-hypophysial-ganadal axis）
GnRH：
ゴナドトロ
ピン放出
ホルモン
LH：
黄体形成
ホルモン
Ｇタンパク質連結型受容体
たとえばこれまで学習したGnRHの受容体は
ヒトGnRH受容体（青い部分は膜貫通ドメイン）
1
11
21
31
41
51
1 MANSASPEQN QNHCSAINNS IPLMQGNLPT LTLSGKIRVT VTFFLFLLSA TFNASFLLKL
61 QKWTQKKEKG KKLSRMKLLL KHLTLANLLE TLIVMPLDGM WNITVQWYAG ELLCKVLSYL
121 KLFSMYAPAF MMVVISLDRS LAITRPLALK SNSKVGQSMV GLAWILSSVF AGPQLYIFRM
181 IHLADSSGQT KVFSQCVTHC SFSQWWHQAF YNFFTFSCLF IIPLFIMLIC NAKIIFTLTR
241 VLHQDPHELQ LNQSKNNIPR ARLKTLKMTV AFATSFTVCW TPYYVLGIWY WFDPEMLNRL
301 SDPVNHFFFL FAFLNPCFDP LIYGYFSL
ヒトGnRHは
pEHWSYGLRPG-NH2
60
120
180
240
300
Ｇタンパク質連結型受容体
LHの受容体は
ヒトＬＨ受容体（赤い部分はシグナルペプチド、
青い部分は膜貫通ドメイン）
1
61
121
181
241
301
361
421
481
541
601
661
1
MKQRFSALQL
VKVIPSQAFR
NLPGLKYLSI
LYGNGFEEVQ
GLESIQRLIA
SKQCESTVRK
FLRVLIWLIN
QTKGQYYNHA
RHAILIMLGG
IICACYIKIY
VTNSKVLLVL
SNCKNGFTGS
11
LKLLLLLQPP
GLNEVIKIEI
CNTGIRKFPD
SHAFNGTTLT
TSSYSLKKLP
VSNKTLYSSM
ILAIMGNMTV
IDWQTGSGCS
WLFSSLIAML
FAVRNPELMA
FYPINSCANP
NKPSQSTLKL
21
LPRALREALC
SQIDSLERIE
VTKVFSSESN
SLELKENVHL
SRETFVNLLE
LAESELSGWD
LFVLLTSRYK
TAGFFTVFAS
PLVGVSNYMK
TNKDTKIAKK
FLYAIFTKTF
STLHCQGTAL
31
PEPCNCVPDG
ANAFDNLLNL
FILEICDNLH
EKMHNGAFRG
ATLTYPSHCC
YEYGFCLPKT
LTVPRFLMCN
ELSVYTLTVI
VSICFPMDVE
MAILIFTDFT
QRDFFLLLSK
LDKTRYTEC
41
ALRCPGPTAG
SEILIQNTKN
ITTIPGNAFQ
ATGPKTLDIS
AFRNLPTKEQ
PRCAPEPDAF
LSFADFCMGL
TLERWHTITY
TTLSQVYILT
CMAPISFFAI
FGCCKRRAEL
51
LTRLSLAYLP
LRYIEPGAFI
GMNNESVTLK
STKLQALPSY
NFSHSISENF
NPCEDIMGYD
YLLLIASVDS
AIHLDQKLRL
ILILNVVAFF
SAAFKVPLIT
YRRKDFSAYT
60
120
180
240
300
360
420
480
540
600
660
Ｇタンパク質連結型受容体
７個の膜貫通ドメインをもつ
Ｇタンパク質連結型受容体
Ｇタンパク質連結型受容体
活性化したＧタンパク質は、標的酵素である
アデニル酸シクラーゼを活性化
活性化したアデニル酸シクラーゼはＡＴＰから
環状アデノシンモノリン酸（cAMP）を生成
Ｇタンパク質連結型受容体
cAMPは細胞質中にあるcAMP依存性タンパク質
キナーゼ（Aキナーゼ）と結合して、この酵素を
活性化する
Aキナーゼは標的酵素をリン酸化して、その酵素
を活性化する
活性化された酵素は次の酵素を活性化
多段階カスケード反応によって増幅される
Ｇタンパク質連結型受容体
ホルモン
（アドレ
ナリン）
Ｇタンパク質連結型受容体２
連結するＧタンパク質が異なる場合もある
脂溶性ホルモンの作用機構
脂溶性ホルモンの作用機構
ステロイドホルモンのかたち
テストステロン（Ball & Stick model）
赤：酸素、灰色：炭素、白：水素
右はテストステロン分子を横から見たもの
脂溶性ホルモンの作用機構
ラットアンドロジェン受容体(青い部分はDNA結合ドメイン、
赤い部分はホルモン結合ドメイン)
1
61
121
181
241
301
361
421
481
541
601
661
721
781
841
901
1
MEVQLGLGRV
SPRRRRRQQH
GKGLPQQPPA
QQQQQQQQQQ
VSMGLGVEAL
ETAEYSSFKG
YNFPLALSGP
GSPPATASSS
ASEVWYPGGV
TCLICGDEAS
KCYEAGMTLG
EAIEPGVVCA
QYSWMGLMVF
QITPQEFLCM
QLTKLLDSVQ
TQ
11
YPRPPSKTYR
PEDGSPQAHI
PPDQDDSAAP
QQQQQEVISE
EHLSPGEQLR
GYAKGLEGES
PHPPPPTHPH
WHTLFTAEEG
VNRVPYPSPS
GCHYGALTCG
ARKLKKLGNL
GHDNNQPDSF
AMGWRSFTNV
KALLLFSIIP
PIARELHQFT
21
GAFQNLFQSV
RGTTGYLALE
STLSLLGPTF
GSSSVRAREA
GDCMYASLLG
LGCSGSSEAG
ARIKLENPSD
QLYGPGGGGG
CVKSEMGPWM
SCKVFFKRAA
KLQEEGENSS
AALLSSLNEL
NSRMLYFAPD
VDGLKNQKFF
FDLLIKSHMV
31
REAIQNPGPR
EEQQPSQQQS
PGLSSCSADI
TGAPSSSKDS
GPPAVRPTPC
SSGTLEIPSS
YGSAWAAAAA
SSSPSDAGPV
ENYSGPYGDM
EGKQKYLCAS
AGSPTEDPSQ
GERQLVHVVK
LVFNEYRMHK
DELRMNYIKE
SVDFPEMMAE
41
HPEAASIAPP
ASEGHPESGC
KDILSEAGTM
YLGGNSTISD
APLAECKGLS
LSLYKSGAVD
QCRYGDLASL
APYGYTRPPQ
RLDSTRDHVL
RNDCTIDKFR
KMTVSHIEGY
WAKALPGFRN
SRMYSQCVRM
LDRIIACKRK
IISVQVPKIL
51
GACLQQRQET
LPEPGAATAP
QLLQQQQQQQ
SAKELCKAVS
LDEGPGKGTE
EAAAYQNRDY
HGGSVAGPST
GLASQEGDFS
PIDYYFPPQK
RKNCPSCRLR
ECQPIFLNVL
LHVDDQMAVI
RHLSQEFGWL
NPTSCSRRFY
SGKVKPIYFH
60
120
180
240
300
360
420
480
540
600
660
720
780
840
900
脂溶性ホルモンの作用機構
ラットアンドロジェン受容体のホルモン
結合部分の構造模型
細胞質受容体
スーパーファミリー
DNAとタンパク質の相互作用
DNAとタンパク質の相互作用
結合する
タンパク質
水素
結合
DNAとタンパク質の相互作用
ホメオドメイン
タンパク質
ジンク
フィンガー
ロイシン
ジッパー
脂溶性ホルモンの作用機構
Ｚｎフィンガー
ホルモン応答エレメント（HRE)
５’-AGGTCAnnnTGACCT-３’
脂溶性ホルモンの作用機構
ステロイドホルモンが受容体に結合
HspがはずれてDNA結合部位が露出
ニ量体となってDNAのHREに結合
下流の遺伝子の転写を促進
タンパク質合成
信号分子による情報
このように、信号分子が外から働き
かけることにより、細胞内の代謝経
路が動き出したり、変化が起こる。
あるいは、信号分子が細胞内へ入り
、新しくタンパク合成を誘導して細胞
の性質を変える。