この 章 で 学ぶ こと
第 1 章 で 「す べて の 生物 は 細胞 か ら で きて いる」 と い う 細胞説 を 学 び ま し た。 第 2 章 で は、 そ の 細胞 の 中身 を 詳 し く 見 て い き ます。
- 真核細胞 と 原核細胞 の 違 い を 説明 で きる
- 真核細胞 の 主 な オルガネラ (核・ミトコンドリア・葉緑体・小胞体・ゴルジ体・リソソーム) の 役割 を 言 え る
- 動物細胞 と 植物細胞 の 違 い (細胞壁・葉緑体・液胞) を 言 え る
- 細胞膜 が リン脂質二重層そう] で で き て い る こ と を 知 る
- 受動輸送 と 能動輸送 の 違 い を 説明 で きる
ポイント: 細胞 は 「小 さ な 工場」 と た と え ら れ ます。 各オルガネラ が 別 の 仕事 (発電・組 み 立 て・出荷・廃棄等) を 分担 し、 全体 と し て 1 つ の 細胞 を 動 か し て い ます。
**[[ミトコンドリア]]** の [[透過電子顕微鏡|とうかでんしけんびきょう]] (TEM) 像 (哺乳類肺組織)。 内部 に 折 り たたまれ た [[クリステ]] が 見 え る。 [[呼吸|こきゅう]] (酸化的[[リン酸化|リンさんか]]) で [[ATP]] を 作 る 細胞内[[小器官|しょうきかん]]。
**[[葉緑体|ようりょくたい]]** ([[コケ]]植物 の 葉細胞)。 緑色 の 粒一 つ 一 つ が [[葉緑体|ようりょくたい]] で、 内部 の [[チラコイド]] で **[[光合成|こうごうせい]]** の 明反応 が 行 わ れ る。
1. 真核細胞 と 原核細胞
地球上 の すべ て の 細胞 は、 核 (核膜 で 包 ま れ た DNA領域) を 持 つ か 持 た ない か で 2 つ に 分 か れ ます。
真核 と 原核 の 違い
| 項目 | 原核細胞 | 真核細胞 |
|---|---|---|
| 核膜 | な し (DNA が 細胞質 に 露出) | あ り (核 の 中 に DNA) |
| 大 き さ | 1〜10 μm (小 さ い) | 10〜100 μm (大 き い) |
| オルガネラ | ほ ぼ な し (リボソーム の み) | 多種 (ミトコンドリア・葉緑体等) |
| DNA の 形 | 環状 1 本 | 線状多本、 ヒストン と 結合 |
| 例 | 細菌 (大腸菌)・古細菌 | 動物・植物・菌類・原生生物 |
| 出現時期 | 約 38 億年前 | 約 20 億年前 |
原核細胞 の 構造
原核細胞 は シンプル な 構造 で、 主 に 次 の パーツ か ら で き て い ます。
| パーツ | はたらき |
|---|
| [[細胞壁 | さいぼうへき]] |
| [[細胞膜 | さいぼうまく]] |
| [[細胞質 | さいぼうしつ]] |
| 環状DNA | 核様体 と 呼 ば れ る 領域 に 集 ま る |
| [[べん毛 | べんけ]] (一部) |
大事: 原核細胞 が 「シンプル」 と い っ て も、 代謝・複製・転写・翻訳等 の 基本機能 は す べて 持 ち、 れ っ き と し た 生物 で す。
2. 真核細胞 の オルガネラ
真核細胞 に は、 膜 で 区切 ら れ た 特殊 な 構造 = オルガネラ (細胞小器官) が 多数 あ り ます。
主な オルガネラ 一覧
| オルガネラ | 主 な は た ら き | 動物細胞 | 植物細胞 |
|---|
| [[核 | かく]] | DNA を 保管、 [[転写 | てんしゃ]] の 場 |
| [[核小体 | かくこてい]] | リボソーム の 部品 を 作 る | あ り |
| ミトコンドリア | [[呼吸 | こきゅう]] (ATP 合成) | 多数 |
| [[葉緑体 | ようりょくたい]] | [[光合成 | こうごうせい]] |
| [[小胞体 | しょうほうたい]] (ER) | [[タンパク質 | たんぱくしつ]]・脂質 の 合成・輸送 |
| [[ゴルジ体 | ゴルジたい]] | [[タンパク質 | たんぱくしつ]] の 修飾・出荷 |
| リソソーム | 分解酵素 を 含 み 不要物 を 消化 | あ り | (液胞 が 代用) |
| [[液胞 | えきほう]] | 物質 の 貯蔵・浸透圧調節 | 小 さ い |
| [[細胞壁 | さいぼうへき]] | 形 を 保 つ (セルロース製) | な し |
| [[細胞骨格 | さいぼうこっかく]] | 形 を 維持、 細胞内輸送 | あ り |
| [[中心体 | ちゅうしんたい]] | [[細胞分裂 | さいぼうぶんれつ]]時 の [[紡錘体 |
核 — 遺伝情報 の 司令室
核 は 細胞 の 中枢すう] で、 直径約 5〜10 μm。
- 核膜: 二重膜。 多数 の 核膜孔 が 開 き、 物質 の 出入 り を 調節
- 染色体: DNA と ヒストン と い う タンパク質 の 複合体。 普段 は ほ ど け て クロマチン と し て 存在、 分裂時 に 凝縮 し て 染色体 と し て 見 え る
- 核小体: 核 の 中 に あ る 小 さ な 構造。 rRNA と リボソーム部品 を 製造
ミトコンドリア — 細胞 の 発電所
- 大 き さ 約 1〜10 μm、 二重膜構造
- 内膜 が 内側 に ひ だ 状 に 入 り 込 ん だ クリステ を 持 つ
- 内部 の 液体 を マトリックス と 呼 ぶ
- 呼吸 (クエン酸回路・電子伝達系) を 行 い、 ATP を 合成
- 独自 の 環状DNA と リボソーム を 持 ち、 細胞 の 中 で 自己複製 す る (→ 共生説 の 根拠)
葉緑体 — 植物 の 発電所
- 大 き さ 約 5〜10 μm、 二重膜構造
- 内部 に 平 た い 袋状 の チラコイド が 重 な っ て グラナ を 形成
- 周囲 の 液体 を ストロマ と 呼 ぶ
- 光合成 で 光エネルギー か ら グルコース と ATP を 合成
- ミトコンドリア 同様独自 の DNA を 持 つ
小胞体 と ゴルジ体 — タンパク質 の 工場 と 出荷場
| オルガネラ | 役割 |
|---|
| [[粗面小胞体 | そめんしょうほうたい]] |
| [[滑面小胞体 | かつめんしょうほうたい]] |
| [[ゴルジ体 | ゴルジたい]] |
| [[小胞 | しょうほう]] (ベシクル) |
リソソーム と 液胞 — 細胞 の 廃棄場・倉庫
- リソソーム: 動物細胞 に 多 い。 強 い 分解酵素 を 含 み、 古 く な っ た オルガネラ や 細胞 が 取 り 込 ん だ 異物 を 分解
- 液胞: 植物細胞 で 大 き く 発達。 水 や 養分・色素 (アントシアン 等) を 貯蔵、 浸透圧 で 細胞 を 膨張 さ せ 形 を 保 つ
細胞骨格 — 細胞 の 骨組み
3 種類 の 繊維 が 細胞内 を ネット ワーク 状 に 走 り、 形 と 動 き を 支 え ます。
| 種類 | 主成分 | 役割 |
|---|
| アクチンフィラメント | アクチン | 細胞 の 形・[[筋収縮 |
| [[微小管 | びしょうかん]] | チューブリン |
| [[中間径フィラメント | ちゅうかんけいふぃらめんと]] | ケラチン 等 |
共生説 — オルガネラ の 起源
ミトコンドリア と 葉緑体 は、 か つ て 別 の 原核生物 が 大 き な 細胞 に 取 り 込 ま れ て 共生 し た こ と で 生 ま れ た と 考 え ら れ て い ます。 こ れ を 共生説 (細胞内共生説) と 呼 び、 マーグリス (米) が 1967 年 に 提唱。 根拠:
- 二重膜構造 (取 り 込 ま れ た 際 の 膜 と 元 の 膜)
- 独自 の 環状DNA と リボソーム を 持 つ
- 細胞 と は 別 の タイミング で 自己分裂
- リボソーム の サイズ が 原核細胞 の も の と 似 る
3. 動物細胞 と 植物細胞 の 比較
構造 の 違い
| 構造 | 動物細胞 | 植物細胞 |
|---|
| [[細胞壁 | さいぼうへき]] | な し |
| [[葉緑体 | ようりょくたい]] | な し |
| [[液胞 | えきほう]] | 小 さ い・少数 |
| [[中心体 | ちゅうしんたい]] | あ り |
| リソソーム | あ り | (液胞 が 代用) |
| 形 | 不定形 | 角 ば っ た 形 (細胞壁 の た め) |
細胞壁 の 役割
植物 の 細胞壁 は セルロース で で き、 細胞 の 形 を 保 ち、 大 き な 浸透圧 に 耐 え ま す。 隣 の 細胞 と は 原形質連絡 (プラスモデスマ) で 連結 さ れ、 物質 を や り 取 り し ま す。
4. 細胞膜 と 物質輸送
す べて の オルガネラ と 細胞 そ の も の は、 細胞膜 (生体膜) と い う 薄 い 膜 で 区切 ら れ て い ま す。
リン 脂質二重層
- 細胞膜 の 主成分 は リン脂質
- リン 脂質 は 親水性 の 頭部 と 疎水性 の 尾部 を 持 つ
- 水中 で は 尾部同士 が 内側 に 向 か い、 二重層そう] を 自動的 に 形成
- 全体 と し て 約 10 nm の 厚 さ
流動 モザイク モデル
1972 年、 シンガー と ニコルソン が 提案: 細胞膜 は 「リン 脂質 の 海 に 膜タンパク質 が 浮 か ぶ」 動的 な 構造。
| 構成要素 | 役割 |
|---|
| [[リン脂質 | リンししつ]]二重層 |
| [[膜タンパク質 | まくたんぱくしつ]] |
| コレステロール | 膜 の 流動性 を 調節 (動物細胞) |
| [[糖鎖 | とうくさり]] |
選択透過性
細胞膜 は 「通 す も の」 と 「通 さ ない も の」 を 選 ぶ 性質 = 選択透過性 を 持 ち ます。
| 通 し や す さ | 物質 |
|---|
| 通 し や す い | 酸素・二酸化炭素・水 (小 さ く 電気 を 帯 び ない) |
| 通 し に く い | グルコース・アミノ 酸・イオン (大 き い ま た は 電気 を 帯 び る) → **[[膜タンパク質 |
受動輸送 と 能動輸送
物質 の 輸送 は エネルギー 消費 の 有無 で 2 種類 に 分 か れ ます。
| 種類 | エネルギー | 方向 | 例 |
|---|
| [[受動輸送 | じゅどうゆそう]] | 不要 | 濃度高 → 低 ([[拡散 |
| [[能動輸送 | のうどうゆそう]] | ATP必要 | 濃度低 → 高 (拡散 と 逆) |
浸透圧 — 水 の 動き
半透膜 (水 だ け 通 す 膜) を は さ ん で 濃度 が 違 う と、 水 が 薄 い 側 か ら 濃 い 側 へ 移動 し ます。 こ の と き に 生 ま れ る 圧力 が 浸透圧。
| 細胞 を 入 れ た 液 | 動物細胞 | 植物細胞 |
|---|
| **[[低張液 | ていちょうえき]]** (薄 い) | 水 が 入 り 膨張 → **[[溶血 |
| **[[等張液 | とうちょうえき]]** | 変化 な し |
| **[[高張液 | たかはりえき]]** (濃 い) | 水 が 出 て 縮 む |
大事: 病院 で 点滴 に 使 う 生理食塩水 (0.9 % NaCl) は ヒト の 赤血球 に と っ て 等張液 な の で、 細胞 を 壊 し ま せ ん。 こ れ が 浸透圧 知識 の 実用例 で す。
5. 観察実習 — オオカナダモ の 原形質流動
植物細胞 の 葉緑体 が 流 れ る よ う に 動 く 現象 を 原形質流動 (細胞質流動) と 呼 び ま す。 アクチンフィラメント と ミオシン が 関与。
観察手順
- オオカナダモ の 若 い 葉 を 1 枚採取
- スライドガラス に 載 せ、 水 を 1 滴
- カバーガラス を か ぶ せ る (染色液不要)
- 顕微鏡 (低倍 → 400 倍) で 観察
- 緑 の つ ぶ (葉緑体) が 細胞 の 内側 を 一定方向 に 流 れ る の を 確認
安全配慮 + 生命尊重: オオカナダモ は 自然環境 か ら 採 ら ず、 学校 で 栽培 し た も の を 使 う。 特定外来生物法 で 移動 が 規制 さ れ て い ま す。 観察後 は 流 し に 流 さ ず 廃棄容器 に。
6. ふりかえり
- [ ]原核細胞 と 真核細胞 の 違 い (核膜 の 有無) が 言 え る
- [ ]ミトコンドリア・葉緑体・小胞体・ゴルジ体・リソソーム の 役割 を 言 え る
- [ ]動物細胞 と 植物細胞 の 違 い (細胞壁・葉緑体・液胞) を 言 え る
- [ ]共生説 の 根拠 (二重膜・環状DNA) を 1 つ 言 え る
- [ ]細胞膜 が リン脂質二重層そう] で で き て い る と 知 っ て い る
- [ ]受動輸送 と 能動輸送 の 違 い (ATP の 有無) が 言 え る
- [ ]浸透圧 で 溶血・原形質分離 が 起 こ る こ と を 説明 で きる
この 章 の 安全配慮
- 生体試料 (オオカナダモ・タマネギ 等) は 自然 か ら 採 ら ず 学校 で 栽培 し た も の を 使 う (特定外来生物法)
- 観察後 の 試料 は 流 し に 流 さ ず 廃棄容器 へ
- 顕微鏡 の 油浸 レンズ (100×) は イマージョン オイル が 必要、 こ ぼ さ ない
次 の 章: 第 3 章 で は、 細胞 の 中 で 行 わ れ る 化学反応 = 代謝 を 学 び ます。 葉緑体 が 行 う 光合成 と ミトコンドリア が 行 う 呼吸 が、 ATP と い う エネルギー通貨 を 介 し て ど う つ な が る か を 見 て い き ま しょ う。