Transcript 第三講 細胞 生命の基本単位

1.生命界 エネルギー流概観
2.水と生体分子
3.細胞 生命の基本単位
4.生体エネルギーと酵素
5.蛋白質と生体膜（１）
6.蛋白質と生体膜（２）
7.定期試験（６月７日）
細胞
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
生命の基本単位
細胞の大きさ
細胞各部の構造と機能
①細胞概観
②細胞各部の構造と機能
③細胞内共生説
『生命の基本単位』= 細胞
・細胞各部の構造と機能について理解する
・蛋白質の細胞内配置はどのように決められるのか
・生命はどのような特徴をもつか？
・細胞は、どうして『生命の基本単位』と考えられているか
Adapted from Fig. 4.2 (Life The Science of Biology)
Adapted from http://www.gly.uga.edu/railsback/SizeofThings.html
補足
150t
>30t
250t
海と船なるほど豆事典より
補足
最古で最大の生物
オニナラタケ(オレゴン州ブルーマウンテン)
Armillaria ostoyae (Blue Montain in Oregon
10km2, >100t, 2000-8500 yr old)
分子生物学的研究により、
地下部の菌糸束rhizomorphが0.15km2にわたり同一の個体に属す
ることが1992年に初めて発見され、2003年にはこの記録が更新された。
See the Web 1 & 2
細胞
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
生命の基本単位
細胞の大きさ
細胞各部の構造と機能
①細胞概観
②細胞各部の構造と機能
③生命の三界と細胞内共生説
『生命の基本単位』= 細胞
①生命の特徴
②『生命の基本単位』= 細胞
真核生物と原核生物
生命界を体制で大分類すると、
真核生物eukaryotesと原核生物prokaryotesに二分される。
基準は細胞核nucleusをもつかもたぬか
染色体
細胞内膜系
細胞骨格系
リボゾーム
薬剤耐性
ミトコンドリア
色素体
真核生物
ヌクレオソーム
＋
＋
80S
シクロヘキシミド
±
植物と藻類
原核生物
裸
－
－
70S
クロラムフェニコール
－
－
真核細胞の二次元的模式図（電顕レベル）
真核細胞の構成
細胞
核膜
細胞膜
細胞質
核
核質
細胞外被
(細胞壁）
細胞質基質
核質基質
顆粒構造
顆粒構造
細胞骨格
細胞骨格
細胞小器官
原核細胞の構成
細胞
核膜
細胞膜
細胞質
核
核様体
細胞外被
(細胞壁）
細胞質基質
核質
核質基質
顆粒構造
顆粒構造
細胞骨格
細胞骨格
細胞小器官
原核細胞
All prokaryotic cells have a plasma membrane, a nucleoid region with DNA, and a
cytoplasm that contains ribosomes, water, and dissolved proteins and small molecules.
Adapted from Fig. 4.5 (Life The Science of Biology)
原核細胞のオプション
Some prokaryotes have additional protective structures: cell wall, outer membrane,
and capsule. Some prokaryotes contain photosynthetic membranes or mesosomes,
and some have flagella or pili.
Adapted from Fig. 4.6 (Life The Science of Biology)
動物細胞
Adapted from Fig. 4.7 (Life The
Science of Biology)
Like prokaryotic cells, eukaryotic cells have a plasma membrane, cytoplasm, and ribosomes. However,
eukaryotic cells are larger and contain many membrane-enclosed organelles.
植物細胞
Adapted from Fig. 4.7 (Life The
Science of Biology)
細胞核
Adapted from Fig. 4.9 (Life The Science of Biology)
細胞核
The nucleus contains most of the cell's DNA, which associates with protein to form
chromatin. Chromatin is diffuse throughout the nucleus until just before cell division,
when it condenses to form chromosomes.
Adapted from Fig. 4.10 (Life The Science of Biology)
Store genes on chromosomes
Organize genes into chromosomes to allow cell
division.
Transport regulatory factors & gene products via
nuclear pores
Produce messages ( messenger Ribonucleic acid
or mRNA) that code for proteins
Produce ribosomes in the nucleolus
Organize the uncoiling of DNA to replicate key
genes
Visit the web, The Cell Nucleus at http://www.cytochemistry.net/Cell-biology/Nucleus.htm
細胞核の機能
①ゲノム(遺伝子の半数体セット）の格納庫
②細胞分裂における核分裂、受精や接合における核融合
③染色体複製
④遺伝子発現（DNA転写）とその調節
⑤核-細胞質間相互作用
・細胞質性因子による核分裂の制御
・シグナル分子の核移行による遺伝子発現調節
・RNAの細胞質移行による、タンパク質合成制御
粗面小胞体と滑面小胞体
Adapted from Fig. 4.11 (Life The Science of Biology)
肝細胞内各区画の相対的大きさ
MCBより
生体膜の95％以上は内膜系
MCBより
粗面小胞体とリボソーム
リボソーム＝タンパク質合成工場
複数の蛋白質と複数のrRNAからなる巨大複合体
局在性：細胞質、ミトコンドリア礎質、葉緑体ストロマ
細胞質の粗面小胞体結合リボソーム
分泌蛋白質，リソソーム蛋白質，
小胞体やゴルジ体の内腔蛋白質，
小胞体や細胞膜の膜蛋白質
合成された蛋白質は、小胞としてゴルジ装置へ
細胞質の遊離リボソーム
細胞質、ミトコンドリア、葉緑体の蛋白質
蛋白質合成の場
①ミトコンドリアや葉緑体も分裂周期を持つ
環状DNA、ＤＮＡポリメラーゼ
細胞分裂周期とどのように同調しているか？
②ミトコンドリアや葉緑体もDNA転写する
ＲＮＡポリメラーゼ
③ミトコンドリアや葉緑体も蛋白質を合成する
ミトコンドリア 3-67蛋白質の遺伝子
酵母の場合：ミトコンドリア蛋白質400-500（内、自前が～8）
総蛋白質～6000
葉緑体
50-200蛋白質の遺伝子
シロイヌナズナの場合：葉緑体蛋白質2100-3600（内、自前が～87）
ミトコンドリア蛋白質3100
総蛋白質～26000
原核生物
500-5000蛋白質の遺伝子(MBC)
真核生物
6000-30000蛋白質の遺伝子(MBC）
④蛋白質はどのように空間配置されるのか？
蛋白質の局在化
・合成された蛋白質は特定の細胞
内区画に分配されるためのシグナ
ル配列をもつ。
・この配列を認識する固有のレセ
プタ蛋白質を各細胞内区画はもつ
・細胞内各区画ごとの特有な機
能は、各々に特有の蛋白質群に
依る。
・どの細胞内区画も、その区画
がないところでは再生されない。
ゴルジ装置
↑Adapted from The Euglenoid Project
The Golgi apparatus receives materials from the rough ER by means of vesicles that fuse with
its cis region. Vesicles originating from the trans region of the Golgi contain proteins targeted to
different cellular locations. Some of these vesicles fuse with the plasma membrane and release
their contents outside the cell. Adapted from Fig. 4.12 (Life The Science of Biology)
リソソーム
Lysosomes contain many digestive enzymes.
Lysosomes fuse with the phagosomes
produced by phagocytosis to form secondary
lysosomes, in which engulfed materials are
digested. Undigested materials are secreted
from the cell when the secondary lysosome
fuses with the plasma membrane. Adapted
from Fig. 4.13 (Life The Science of Biology)
ミトコンドリア
Adapted from Fig. 4.14 (Life The Science of Biology)
葉緑体
Both mitochondria and chloroplasts contain their own DNA and ribosomes and are capable
of making some of their own proteins Adapted from Fig. 4.15 (Life The Science of
Biology)
ペルオキシソーム
Adapted from Fig. 4.10 (Life The Science of Biology)
液胞
Vacuoles are prominent in many plant cells and consist of a membrane-enclosed compartment
full of water and dissolved substances. By taking in water, vacuoles enlarge and provide the
pressure needed to stretch the cell wall and provide structural support for the plant. Adapted
from Fig. 4.20 (Life The Science of Biology)
細胞骨格
細胞の形や強度、運動性
細胞内の輸送
鞭毛や繊毛
有糸分裂や細胞質分裂
細胞内膜系の配置
Adapted from Fig. 4.21
(Life The Science
of Biology)
微小管：鞭毛・繊毛・紡錘体
Microtubules are composed of dimers of the protein tubulin. They can lengthen and shorten by
adding and losing tubulin dimers. They are involved in the structure and function of cilia and
flagella, both of which have a characteristic "9 + 2" pattern of microtubules Adapted from Fig.
4.23 (Life The Science of Biology)
モータータンパク質と細胞運動
The movements of cilia and flagella result from the binding of the motor protein dynein
to the microtubules. Dynein and another motor protein, kinesin, also bind to
microtubules to move organelles through the cell. Adapted from Fig. 4.24 (Life The
Science of Biology)
細胞壁
Materials external to the plasma membrane provide protection, support, and attachment for
cells in multicellular systems. The cell walls of plants consist principally of cellulose. They are
pierced by plasmodesmata that join the cytoplasm of adjacent cells. Adapted from Fig. 4.25
(Life The Science of Biology)
細胞外マトリックス
In multicellular animals, the extracellular matrix consists of different kinds of proteins,
including proteoglycans. In bone and cartilage, the protein collagen predominates. Adapted
from Fig. 4.26 (Life The Science of Biology)
細胞
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
生命の基本単位
細胞の大きさ
細胞各部の構造と機能
①細胞概観
②細胞各部の構造と機能
③生命の三界と細胞内共生説
『生命の基本単位』= 細胞
①生命の特徴
②『生命の基本単位』= 細胞
生命の三界
進化的系統を基準にとると、生命界は三つに大分類される
①真核生物eukaryotes
②細菌（真正細菌）bacteria (eubacteria)
③アーケア（古細菌）archaea (arcaebacteria)
ミトコンドリアと葉緑体起源の細胞内共生説
ミトコンドリア
α-プロテオバクテリア（真正細菌）が
古細菌またはミトコンドリアを欠く真核生物に共生
葉緑体
・シアノバクテリア
（真正細菌）が真核生
物に共生（一次共生）
・緑藻が真核生物に共
生（二次共生）
Adapted from Science 9 April 2004 253-257
補足
細胞
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
生命の基本単位
細胞の大きさ
細胞各部の構造と機能
①細胞概観
②細胞各部の構造と機能
③生命の三界と細胞内共生説
『生命の基本単位』= 細胞
生命の特徴
Ⅰ
動的秩序（自己組織化・散逸構造）
・エネルギー代謝や物質代謝によって支えられる秩序
詳しくは⇒動的秩序とは？
Ⅱ
自己複製(自己増殖)
・これをもつ自然な動的秩序は生命以外に実在しない
・生態系は動的秩序だが、自己複製しない
・自己複製をプロセスとしてみると、生命はサイクル
となっている。細胞周期cell cycle と受精卵サイクル
・生命の一瞬は直前の位相によってつくられ、直後の位
相を準備するものとしてのみ実在する
Ⅲ
生命サイクルは遺伝的プログラムの実現過程
・生命サイクルの位相進行が『生命の設計図』に予め組
み込まれており、遺伝子発現の過程として生命サイク
ルは進行する
生命の特徴
Ⅳ
つづき
刺激応答（環境適応)
・刺激に対する応答様式も予め『生命の設計図』に組み
込まれている。
・その生物がうまく子孫を残せるような形での応答様式
なので、これを環境適応といってよい。
・例えば、植物が感じる遠赤色光 far red を動物はみる
ことができない。
Ⅴ
恒常性維持(ホメオスタシス)
・内部環境(個体内、細胞内)を一定の幅に保つよう復元
力が働く（負のフィードバック)
・これもまた『生命の設計図』に組み込まれている。
Ⅵ
生命の基本単位は細胞である
・細胞は以上のⅠ～Ⅴの全ての性質を有する。
・Ⅰ～Vの全ての性質を有するもの=生物は全て細胞からなる
生命の特徴
まとめ
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
動的秩序（自己組織化・散逸構造）
自己複製(自己増殖)
生命サイクルは遺伝的プログラムの実現過程
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
刺激応答（環境適応)
恒常性維持(ホメオスタシス)
生命の基本単位は細胞である
始めへ
細胞周期の四つの位相
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３０４ページ
図９－３３
走
（査
二電
枚顕
貝
の
卵
と
精
子
）
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ＣＣＩ１７ページ
図２－３