生理学レク：細胞（16th Aug 2024）

目的

• 細胞の構造について説明できる
  • 細胞の組織化について説明することが求められます。細胞がどのように組織されているのか、各部分の配置と役割を理解することが重要です。
• 細胞構造の詳細な説明ができる
  • 細胞の構造について詳細に説明できるようにすることが目標です。具体的には、細胞質内の小器官と核を含む典型的な細胞をイラスト化し、その各部分を示すことが求められます。
• 細胞膜またはプラズマ膜について説明できる
  • 細胞膜の構造と機能について理解し、説明することが求められます。細胞膜がどのようにして細胞を保護し、物質の出入りを制御するかを説明できるようになる必要があります。
• 異なる細胞内小器官の機能を説明できる
  • 細胞内に存在する様々な小器官の機能について理解し、説明できるようになることが目標です。これには、ミトコンドリア、リボソーム、ゴルジ体などが含まれます。
• 細胞の消化と運動の概念を説明できる
  • 細胞の消化と運動の背後にある概念を理解し、これらのプロセスがどのように行われるかを説明できるようになることが求められます。

細胞の構成

細胞の組織
細胞は主に以下の2つの部分から成り立っています：

• 核
• 細胞質

原形質（プロトプラズム）
原形質とは、細胞を構成するさまざまな物質の総称です。以下の成分が含まれます：

• 水
  • 細胞の主要な流体媒体であり、細胞全体の70〜85％を占めています。
  • 細胞内の化学物質は、溶解または固体粒子として水中に懸濁されています。
• 電解質（イオン）
  • 主要なイオン：カリウム（K⁺）、マグネシウム（Mg²⁺）、リン酸（PO₄³⁻）、硫酸（SO₄²⁻）、炭酸水素（HCO₃⁻）
  • 微量のイオン：ナトリウム（Na⁺）、塩化物（Cl⁻）、カルシウム（Ca²⁺）
  • これらのイオンは、細胞内反応のための無機化学物質を提供し、細胞の制御機構の一部として機能するために必要です。
• タンパク質
  • 細胞質量の10〜20％を占めます。
  • タンパク質には2つのタイプがあります：
    1. 構造タンパク質：細胞の構造を維持します。
    2. 機能タンパク質：細胞内で特定の機能を果たします。

機能タンパク質

• 構造: 数分子が組み合わさった管状や球状の形をしています。
• 酵素: 細胞内の酵素は、この機能タンパク質に分類されます。
  • しばしば流体中で移動可能であり、細胞内で特定の化学反応を触媒します。
  • 多くの酵素は膜構造に付着しており、他の物質と直接接触して細胞内の化学反応を促進します。

脂質

• 脂溶性の物質であり、以下が含まれます：
  • リン脂質とコレステロール: 細胞全体の2%を占めます。
  • これらは主に水に不溶で、細胞膜や細胞内膜のバリアを形成するために使用されます。
  • トリグリセリド（中性脂肪）: 特に脂肪細胞で重要です。
    • 脂肪細胞は、細胞質量の95%を占め、エネルギー供給のための主要な貯蔵庫として機能します。

炭水化物

• 細胞内では構造的な役割はほとんどありません。
  • 糖タンパク質分子: 栄養供給において重要な役割を果たします。
  • 細胞全体の1%を占めますが、筋細胞では3%、肝細胞では6%含まれます。
  • グリコーゲン: 炭水化物の貯蔵形態であり、エネルギー源として利用されます。

細胞の物理的構造

• 構成: 細胞は細胞内小器官で構成されています。これらの小器官は、細胞の機能にとって重要であり、化学成分と同様に重要です。

細胞の膜構造

• 構成: 主に脂質とタンパク質で構成されています。
  • 細胞膜
  • 核膜
  • 小胞体の膜
  • ミトコンドリア、リソソーム、ゴルジ体の膜
• 脂質: 脂質は水や水溶性物質が細胞の一部から別の部分に移動するのを阻止するバリアとして機能します。
• タンパク質: 膜を貫通し、特定の物質が膜を通過するための特殊な経路（ポア）を提供します。他のタンパク質は酵素として機能します。

細胞膜

• 別名「プラズマ膜」とも呼ばれ、細胞を包む薄く柔軟で弾性のある構造です。
• 厚さは7.5〜10ナノメートルです。
• おおよその組成は以下の通りです：
  • タンパク質: 55%
  • リン脂質: 25%
  • コレステロール: 13%
  • その他の脂質: 4%
  • 炭水化物: 3%

「脂質二重層」

• 構成: 各層は1分子厚で、大きな球状のタンパク質が点在しています。
• 主な脂質の種類:
  • リン脂質: 最も豊富で、水に溶ける親水性（リン酸）端と、脂肪にのみ溶ける疎水性（脂肪酸）端を持ちます。
  • スフィンゴ脂質
  • コレステロール
• 機能: 脂質層は水溶性物質（イオン、グルコース、尿素）には不透過性ですが、脂溶性物質（酸素、二酸化炭素、アルコール）は容易にこの膜部分を通過することができます。

スフィンゴ脂質

• アミノアルコールスフィンゴシン: 細胞膜に少量存在します。特に神経細胞で見られます。
• 機能:
  • 有害な環境要因からの保護
  • シグナル伝達
  • 細胞外タンパク質の接着部位として機能

コレステロール

• ステロイド核を持ち、高い脂溶性があります。
• 脂質二重層に溶け込み、以下の機能を果たします：
  • 体液中の水溶性成分に対する二重層の透過性（または不透過性）の程度を決定
  • 細胞膜の流動性を制御

インテグラルプロテイン（内在性タンパク質）

• 膜を全て貫通し、主に糖タンパク質で構成されます。
• 機能:
  • 構造的なチャネル（ポア）として物質の通路を提供
  • キャリアプロテインとして特定の物質を運ぶ
  • 酵素や受容体として機能

ペリフェラルプロテイン（周辺タンパク質）

• インテグラルプロテインに付着しており、主に酵素として機能します。
• 機能:
  • 細胞膜の「ポア」を通じて物質の輸送を制御

グリコカリックス

• 膜の炭水化物: 糖タンパク質または糖脂質から構成され、「グリコ」部分が細胞外に突出しています。
• プロテオグリカン: 小さなタンパク質コアに結合した炭水化物物質で、細胞の外表面にゆるく付着しています。
• 機能:
  • 細胞表面に負の電荷を与える
  • 他の細胞への接着を助ける
  • ホルモン結合の受容体として機能
  • 免疫反応に関与

細胞小器官

• 細胞質基質（サイトゾル）
  • 細胞質のゼリー状の流体部分です。
  • タンパク質、電解質、グルコースが溶解しています。
  • 中性脂肪の小滴、グリコーゲン顆粒、リボソーム、分泌小胞が含まれます。
  • 主な小器官には、小胞体、ゴルジ体、ミトコンドリア、リソソーム、ペルオキシソームが含まれます。

小胞体（エンドプラズミックレティキュラム）

• 構造:
  • **槽（システルナ）**および平坦な小胞構造で構成されています。
  • 脂質二重層の膜壁を持ちます。
  • 小胞体マトリックス: 小胞や管の内部空間で、細胞質基質とは異なる水性媒体が含まれています。
  • 小胞体内の空間は核膜の二重膜の間の空間とつながっています。
• 機能:
  • 細胞が生成する分子の処理を助けます。
  • これらの分子を細胞内または細胞外の特定の目的地へ輸送します。

顆粒小胞体（粗面小胞体）

• 構造: リボソームが付着しています。
  • リボソームはRNAとタンパク質の混合物であり、新しいタンパク質分子の合成を担当します。

無顆粒小胞体（滑面小胞体）

• 構造: リボソームが付着していません。
• 機能:
  • 脂質物質の合成を行います。
  • 細胞内の他のプロセスを、内小胞体酵素によって促進します。

ゴルジ体（ゴルジ装置）

• 構造: 通常、4層以上の薄く平坦な密閉小胞の層で構成され、核の片側に位置しています。
• 特徴: 小胞体と密接に関連しており、特に分泌細胞で顕著です。
• 機能: 小胞体と連携して機能します。小胞体から小胞が絶えず分離し、すぐにゴルジ体と融合します。

リソソーム

• 構造: 小胞性の小器官で、ゴルジ体から分離して形成されます。
• 機能: 以下のものに対する細胞内消化システムを提供します：
  • 損傷した細胞構造
  • 細胞によって取り込まれた食物粒子
  • バクテリアなどの不要な物質
• 構造: 典型的な脂質二重層膜に包まれています。
• 内容物: 多数の小さな顆粒が詰まっており、最大40種類の加水分解酵素（消化酵素）が含まれています。
• 加水分解酵素の働き: 加水分解酵素は、水分子から水素を一部に結合させ、ヒドロキシル部分を別の部分に結合させて有機化合物を2つ以上に分解することができます。

ペルオキシソーム

• 構造: リソソームに物理的に似ていますが、以下の2つの点で異なります：
  • 形成方法: ゴルジ体ではなく、自身で複製するか、あるいは滑面小胞体から出芽して形成されます。
  • 酵素の種類: 加水分解酵素ではなく、酸化酵素を含んでいます。
• 機能: 酸素を水素イオンと結合させて過酸化水素（H2O2）を生成します。
  過酸化水素は非常に酸化力の強い物質であり、カタラーゼと共に使用され、細胞にとって有害な物質を酸化します。

分泌小胞（SecretoryVesicles）

• 形成: 分泌物質は小胞体-ゴルジ体系によって形成され、その後ゴルジ体から細胞質に放出されます。
• 例: タンパク質プロ酵素などが含まれます。

細胞骨格

• 構造: フィラメントや管状構造を形成する繊維状タンパク質のネットワークです。
  • リボソームで合成された前駆体タンパク質分子から始まり、これが重合してフィラメントを形成します。
• 中間径フィラメント:
  • 強靭なロープ状のフィラメントで、機械的な強度を提供します。
  • マイクロチューブと協力して細胞の構造を支えます。
• マイクロチューブ:
  • 構造: ポリメライズされたチューブリン分子からなる特殊な硬いフィラメントです。
  • 主な機能: 細胞骨格として働き、特定の細胞部分に物理的な構造を提供します。
  • その他の役割:
    • 細胞分裂に関与します。
    • 細胞内輸送の「コンベアベルト」として機能します。

核

• 役割: 細胞の「制御センター」として機能します。
  • DNA: 大量のDNAが含まれており、遺伝子が存在します。
  • 遺伝子: 細胞のタンパク質（構造タンパク質、細胞内酵素など）の特性を決定します。
  • 細胞分裂の制御: 細胞の再生を制御および促進します。
• 核膜:
  • 構造: 核膜は二重の脂質二重層から成り立っています。
  • 外膜: 細胞質の小胞体と連続しており、核膜の間の空間も小胞体内の空間と連続しています。
  • 核膜孔: 数千の核膜孔があり、これによって物質が核内外を通過します。

核小体（ヌクレオラス）

• 構造: 大量のRNAと、リボソームに見られるタイプのタンパク質が蓄積しています。
• 役割: 細胞がタンパク質を活発に合成しているときに拡大します。
  • 形成: 核内で核小体とリボソーム（細胞質内で形成）が形成されます。

細胞の機能的システム

エンドサイトーシス

• 概要: 非常に大きな粒子が細胞膜の特別な機能であるエンドサイトーシスを介して細胞に取り込まれるプロセスです。
• 主な形態:
  • ピノサイトーシス（細胞飲作用）: 微小な粒子が細胞内に形成された小胞として取り込まれる過程です。
  • ファゴサイトーシス（細胞食作用）: バクテリアや全細胞、変性した組織の一部などの大きな粒子が取り込まれる過程です。

ピノサイトーシス（細胞飲作用）

• 特徴:
  • ほとんどの細胞膜で継続的に発生します。
  • マクロファージでは非常に速やかに行われます。
  • ピノサイトーシス小胞は直径100〜200ナノメートルと非常に小さいです。
  • 多くの大きな高分子（タンパク質分子）が細胞内に入る唯一の方法です。
• メカニズム:
  • 分子の結合: 分子は通常、細胞膜の表面にある特定のタイプの受容体に結合します。
  • 凹面（クラスリン）: 細胞膜の外側にある小さな凹みで、受容体が一般的に集中している場所です。
  • クラスリン: 細胞膜内のフィブリラープロテインの格子構造で、アクチンやミオシンの収縮フィラメントを含む場合もあります。
• ピノサイトーシス小胞:
  • ピノサイトーシスの過程で形成される小胞です。

ファゴサイトーシス（細胞食作用）

• 概要: ピノサイトーシス（細胞飲作用）と非常に似たプロセスで行われますが、分子ではなく、大きな粒子を取り込む点が異なります。具体的には、バクテリアや死んだ細胞、組織の破片などの大きな粒子を対象としています。
• マクロファージ: ファゴサイトーシスを実行する細胞で、特に免疫系で重要な役割を果たします。

ファゴサイトーシスのステップ

1. 粒子の結合:
   • 細胞膜上の受容体が粒子の表面リガンドに結合します。リガンドは、バクテリアや細胞の破片などの大きな粒子に存在する分子です。
2. 膜の膨出:
   • 受容体が粒子に結合する点で、膜の端がわずかの秒で外側に膨らみ、粒子を完全に囲みます。この過程で、膜の受容体が段階的に粒子のリガンドに結合し、ジッパーのように一気に閉じられてファゴサイトーシス小胞を形成します。
3. 小胞の内向き運動:
   • 細胞質のアクチンやその他の収縮フィラメントがファゴサイトーシス小胞の周囲を取り囲み、その外側の端で収縮します。この収縮によって小胞が細胞内へ押し込まれます。
4. 小胞の分離:
   • 収縮する収縮タンパク質が小胞の首を完全に絞り、最終的に小胞が細胞膜から完全に分離します。これにより、小胞は細胞内部に残ります。

この過程を通じて、細胞は大きな粒子を効率的に取り込み、内部で処理することができます。ファゴサイトーシスは、免疫応答や細胞の保守機能に重要な役割を果たしています。

リソソームによる消化

リソソームの役割

• リソソームの付着: ピノサイトーシスやファゴサイトーシスで形成された小胞が細胞内に現れると、リソソームがこれに付着します。
• 消化酵素の放出: リソソームは、酸性加水分解酵素（酸性ヒドロラーゼ）を放出し、消化小胞内のタンパク質、炭水化物、脂質などを分解します。
• 残留体の形成: 消化不可能な物質は残留体として細胞内に残ります。最終的には、これが細胞外へ排出される（エクソサイトーシス）プロセスが行われます。

退行と自己消化（オートリシス）

• 組織の退行:
  • 例: 妊娠後の子宮の退行。
  • 損傷した細胞や細胞の一部を除去し、細胞全体が消化される（オートリシス）ことで組織が再構成されます。
• バクテリアの殺菌:
  • リソソームには以下のバクテリア殺菌剤が含まれ、ファゴサイトーシスによって取り込まれたバクテリアを殺菌します。
    • リゾチーム: 細菌の細胞壁を分解する酵素。
    • リソフェリン: 鉄と結びつき、細菌の成長を抑制します。
    • 酸性pH: 約5.0の酸性環境が、酵素の活性を助けます。

オートファジーとリサイクル

• オートファジー:
  • 概要: 古くなった細胞小器官や大きなタンパク質凝集体を分解し、リサイクルするプロセスです。
  • 役割:
    • 細胞質成分のルーチンなターンオーバーに寄与します。
    • 組織の発達、細胞の生存、ホメオスタシスの維持に重要なメカニズムです。

細胞構造の合成

• 内因性網（ER）の機能:
  • 粗面内因性網（RER）: リボソームでタンパク質分子が合成されます。
  • 滑面内因性網（SER）: 脂質（特にリン脂質とコレステロール）の合成を行います。ER小胞が芽生え、ゴルジ装置に運ばれます。
  • その他の機能:
    • グリコーゲン分解を制御する酵素を提供。
    • 解毒作用を持つ多数の酵素を提供。
• ゴルジ装置の機能:
  • 追加の処理: ERで形成された物質の追加処理を行います。
  • 糖類の合成: ERで形成できない特定の糖類（例: コンドロイチン硫酸、ヒアルロン酸）の合成を行います。

内因性網（ER）分泌物の処理

内因性網（ER）の機能

• 粗面内因性網（RER）:
  • タンパク質合成: リボソーム内でタンパク質分子が合成されます。合成されたタンパク質はER小胞に包まれ、ゴルジ装置に運ばれます。
• 滑面内因性網（SER）:
  • 脂質合成: 特にリン脂質とコレステロールの合成を行います。合成された脂質もER小胞に包まれ、ゴルジ装置に運ばれます。
  • グリコーゲン分解酵素: グリコーゲンの分解を制御する酵素を提供します。
  • 解毒酵素: 有害物質を解毒するための多数の酵素を提供します。

アメーバ運動

アメーバ運動の概要

• 全体的な細胞運動:
  • 細胞がその周囲に対して全体的に移動します（例: 白血球が組織内を移動する）。
  • 擬似足（ pseudopodium ）の突出: 擬似足が細胞体から外に突出し、細胞の残り部分が擬似足の方向に引き寄せられます。
  • 細胞膜の移動: 細胞の前方部は継続的に前進し、後方部は細胞の移動に従います。

メカニズム

• 細胞膜の形成と吸収:
  • 擬似足の先端で新しい細胞膜が形成され、中部および後部で膜が吸収されます。
• ロコモーションに必要な要素:
  • 擬似足の付着: 周囲の組織に擬似足が付着する（レセプタープロテインによる）。
  • エネルギーの供給: 擬似足の方向に細胞体を引っ張るためにエネルギーが必要です（アクチン・ミオシンの結合による）。

化学誘引（ケモタキシス）

ケモタキシスの概要

• ケモタキシスの重要性:
  • アメーバ運動の最も重要な誘因であり、組織内の特定の化学物質の出現によって引き起こされます。
• ポジティブケモタキシス:
  • 化学物質の源に向かって移動します。低濃度の領域から高濃度の領域へ移動します。
• ネガティブケモタキシス:
  • 化学物質の源から遠ざかって移動します。

繊毛と繊毛運動

繊毛の種類

1. 運動繊毛（Motile Cilia）
   • 動き: 鞭のような動きを持ち、特に目立つ。
   • 位置:
     • 呼吸器系: 気道の表面に存在し、粘液の移動を助けます。
     • 子宮管: 子宮管内側にあり、流体を子宮方向に移動させます。
   • 機能:
     • 気道: 粘液層を毎分約1 cmの速度で咽頭へ向かって移動させる。
     • 子宮管: 卵子を卵巣から子宮に運ぶ。流体を子宮管の開口部から子宮腔へゆっくり移動させる。

1. 非運動繊毛（Nonmotile Cilia）または一次繊毛（Primary Cilia）
   • 位置:
     • 鼻腔と下気道: これらの繊毛は運動しませんが、感覚受容器として機能することがあります。
   • 機能: 特定の感覚信号を受け取ることに関与することが多い。

繊毛の構造

• 形状: 鋭く尖った直線または曲線の髪のような構造で、細胞表面から2〜4マイクロメートル突出している。
• 数: 1つの細胞から多くの繊毛が突き出ている。
• 被覆: 細胞膜の外層で覆われている。
• 支持:
  • 微小管（Microtubules）:
    • 9対の二重管: 繊毛の周辺に配置。
    • 中央の2本の単管: 中央に存在する。

繊毛の動き

• 前進運動: 繊毛は突然かつ急速に鞭のように動き、1秒間に10〜20回の速度で前進します。
  • 動き: 繊毛が細胞表面から突出する部分で急激に曲がります。
  • 流体の移動: 繊毛が前進することで、隣接する流体を移動させます。
• 後退運動: 繊毛は初期位置に向かってゆっくりと戻ります。
  • 動き: 後退中の動きは流体の移動にほとんど影響を与えません。

このプロセスにより、繊毛は体内での流体の移動や物質の輸送を助ける重要な役割を果たします。

繊毛運動 (Ciliary Movement)

メカニズム:

1. アクソネーム (Axoneme) の構造:
   • 繊毛の基部には、9対の二重微小管と2本の単一微小管が組み合わさっており、この複合体が「アクソネーム」と呼ばれます。
2. 膜除去後の運動:
   • 繊毛の膜やその他の構造が除去されても、アクソネームは適切な条件下で運動を続けることができます。
3. 運動に必要な条件:
   • アクソネームが継続的に動作するためには、(1) ATPの存在と、(2) 適切なイオン条件（マグネシウムとカルシウム）が必要です。
4. 前進運動のメカニズム:
   • 繊毛の前方の二重微小管は、繊毛の先端に向かって外側にスライドし、一方で後方の微小管はその場に留まります。
   • この動きは、二重微小管上にある複数のタンパク質アーム（ダイニンによって構成される）が隣接する二重微小管上を素早く「這う」ことによって引き起こされます。ATPのエネルギーがダイニンアームと接触し、アームの先端が素早く移動することで、前方の微小管が外側にスライドし、後方の微小管が静止することで曲がりが生じます。
5. 繊毛の運動:
   • 繊毛は、急速な前進の「鞭のような」動きと、ゆっくりと元の位置に戻る後退の動きを繰り返します。前進の動きは、繊毛の近くの液体を移動させるのに役立ちますが、後退の動きは流体の移動にはほとんど影響を与えません。

Kartagener’s Syndrome (カルタゲナー症候群):

• この希少な遺伝性疾患は、繊毛の運動に欠陥があることによって引き起こされます。
• 主な症状として、内臓逆位（内臓の位置が通常と逆になる）、慢性副鼻腔炎、気管支拡張症が含まれます。
• 繊毛の運動不良により、繰り返し感染、耳鼻咽喉症状、不妊などの問題が生じます。

鞭毛 (Flagellum)

• 精子の鞭毛は、繊毛と似た構造と収縮メカニズムを持ちますが、はるかに長く、波状の動きをすることで移動します。