細胞生物学Ⅱ

2010夏学期、金曜1限、奥野先生

内容

細胞運動の仕組み

運動を支える情報伝達系

運動を支える代謝

2010出題分野予想

・筋肉(筋収縮)
・鞭毛
・情報伝達
ネルンスト→ゴールドマン(膜電位)：式

筋肉(筋収縮)

・ミオシン、アクチンによる運動
・滑走フィラメント法：ミオシンをスライドガラスにつけておいて、アクチンとATPをかける。
・骨格筋
アクチン、ミオシンフィラメント[サルコメア]→筋原繊維→筋繊維→筋肉
・力の発生
ミオシンのメカノケミカルサイクル：化学反応と力発生のカップリング
・神経から筋へのシグナル伝達
→シナプス終板から活動電位が伝わる
→Ca2+放出チャネルを通して筋小胞体からCa2+が放出される＝収縮
→収縮後、筋小胞体のCa2+ATPaseによって細胞質内のCa2+が小胞体内へ取り込まれる。
・ミオシンの制御
：Ca2+による制御[off時は筋小胞体内に蓄えられている]
：骨格筋ではアクチン側、平滑筋ではミオシン側を調節
・骨格筋の収縮調節
TN(トロポニン)にCaが結合すると、TM(トロポミオシン)TN構造が変化、アクチンのミオシン結合部位がむきだし、アクチンとミオシンが結合→収縮
※TN(トロポニン)
：TNI[TMの阻害、ミオシン結合を抑える]
：TNT[IとCの連絡]
：TNC[カルモジュリンと似ている、４つのCa結合部位をもつ]
・平滑筋の収縮調節
：ミオシンの調節軽鎖のリン酸化で調節する。
：キナーゼ[Ca2+で活性化]でon、ホスファターゼ[別のホスファターゼで制御]でoff
：ゆっくり収縮
・運動を支えるエネルギー供給系＠筋細胞
：解糖系→呼吸系に比べ、効率は悪いが速い
：呼吸系→
※クレアチン
※死後、ATPの供給がなくなると
→アクチンとミオシンがくっついたままになる。
→Ca2+ATPaseによるCa2+の回収が起こらない：さらにアクチン、ミオシンが結合
→硬直

鞭毛

鞭毛軸索とダイニン@真核生物

：９本のタブレット微小管
：中心に２本のシングレット微小管
：A管に外腕ダイニンと内腕ダイニンがついていて、B管(不完全微小管)と相互作用して滑る。
：ダイニンはタブレット微小管に周期的(96nm)に結合している。
：ダイニンのモータードメインが活性化されると、ダイニンが隣の微小管に沿って動く。微小管は固定されているので、移動するのではなく、屈曲する。ダイニンは-端へ動くので、微小管は+端に動く。
：半分がon、半分がoffになることで動く。

鞭毛運動の三要素

1:微小管の滑りが鞭毛の屈曲に変換される仕組み
→ダイニンによる力発生メカニズム、9+2構造による屈曲形成+伝播
2:鞭毛運動の制御
→運動開始もしくは活性化、走化性、細胞外シグナルから細胞内シグナルへの変換、細胞内シグナル伝達系から運動器官調節へ
3:鞭毛運動を支えるエネルギー供給系
→解糖系、呼吸系

・運動開始点
例)ニジマスやサケの精子
１．精子の希釈によって細胞外[K+]↓
２．細胞内K+が外へでる。
３．細胞内電位が下がる
４．Ca2+チャネルが開き、Ca2+が入ってくる。
５．Ca2+依存性カルモジュリンの活性化
６．cAMP↑
７．Aキナーゼの活性化
８．チロシンキナーゼの活性化
９．ダイニンの軽鎖、中間鎖をリン酸化→ダイニン活性化
例2)哺乳類の精子
放精→精子活性化
[Ca2+]↑　→Ca-Mキナーゼ→アデニルサイクラーゼ[ATP→cAMP]→Aキナーゼ活性化→タンパク質のリン酸化→精子の活性化

・エネルギー供給系
ウニ(体外受精)では、クレアチンリン酸シャトルやアデニレートキナーゼが働き、鞭毛先端までのATP供給を行っている。
※普通のエネルギーの作り方：プロトンの濃度勾配を利用してATP合成→プロトン濃度を上げるには限界がある。ATPの溶解度にも限界がある。そこで、エネルギーを違うカタチで保存する。
1:クレアチンリン酸シャトル
2:アデニレートキナーゼ[2ADP→ATP+AMP]
※ウニは、体内の脂肪を浸かってATPを合成。ATPを、拡散とクレアチンリン酸の使用によって先端にATPを送っている。濃度勾配を利用。
哺乳類では体液中に単糖類が豊富にあるのでこれをエネルギー源にする。
解糖系：Glc→Pyruvate⇔乳酸
→効率悪い、反応速度速い
呼吸系：クエン酸回路、電子伝達系、酸化的リン酸化
→経路が長いので反応が遅い
※CCCP：「H+がミトコンドリアに入ってくるのに共役してATPを合成する」仕組みを阻害。ミトコンドリア内膜に穴をあけるので、[H+]勾配がなくなり、ATP合成が進まない。呼吸系阻害剤

・呼吸系阻害時の運動と代謝活性
ミトコンドリアの膜電位によって蛍光がかわる特性を浸かった実験：大(活性時)：オレンジ、小(不活性時)：ミドリ
Glc:オレンジ、運動○
Pyruvate+CCCP:ミドリ、運動△
Glc+CCCP:みどり、運動○→呼吸系がはたらくとも、解糖系があれば運動できる。
※解糖系の阻害
Pyruvate:オレンジ、運動○
Pyruvate+DOG:オレンジ、運動△→呼吸系が生きていても解糖系がはたらかないと運動できない
Pyruvate+CCCP：みどり、運動△
⇔Pyrvateで運動が起こるのはなぜか：呼吸系で生じたATPを用いて糖新生が起こり、産出した糖で解糖系が動いたからではないか。
☆呼吸系でできたATPはその周辺で利用されるため、運動のエネルギーとはならない。

・核分裂とモータータンパク質

情報伝達

生体膜の構造

[親水性]
[疎水性]
　 Ⅰ
[疎水性]
[親水性]　脂質二重膜
☆糖の役割：細胞同士の接着、細胞の認識
・気体はイオンとしてチャネルを通じで取り込まれる。
・細胞内外での平衡が保たれている。

膜タンパクの機能

1:生体膜の補強
2:接着
3:物質の輸送
4:情報伝達☆

3:物質の輸送

・輸送体
Glcトランスポーター
→分子構造の変化によって内外の輸送を行う。
→濃度勾配によって輸送する
→ATPなどのエネルギー必要なし：受動輸送
・膜輸送の仕組み
1:イオンの輸送
→ATP依存ポンプ
→イオンチャネル：エネルギー不要
2:輸送体
→単一輸送
→等方輸送：勾配に沿った輸送に便乗
→対向輸送：細胞内のpH変化を抑える。ATPの分解でpHが上昇し、H+を外に出す時、代わりにNa+を取り込むことで電荷の平衡が保たれる。

・ポンプ→明日

静止膜電位の仕組み

・半透膜を挟んだイオン濃度差による膜電位の形成
a)Na+のみ透過できる膜
b)K+のみ

・静止膜電位の形成を式でみる。
μ=μ0+RTlnC+ZFφ
(C:濃度、Z:電荷、F:ファラデー定数、φ:電位)

２つの溶液(細胞外液、内液)が半透膜(細胞膜)を隔てて存在するとき、
各々の自由エネルギー、μ1、μ2は
μ1=μ01+RTlnC1+Z1Fφ1
μ2=μ02+RTlnC2+Z2Fφ2
平衡時：μ1=μ2
同じイオンと考えて、Z1=Z2=Z,μ01=μ02とすると、
RTlnC1+ZFφ1=RTlnC2+ZFφ2
電位差V=φ1-φ2
　　　 =RT(lnC2-lnC1)/ZF
　　　 =RT/ZF×lnC2/C1…<ネルンストの式>
※実際の細胞内では、さまざまなイオンがはたらいているので、一つのイオンだけを考えていては行けない。
そこで、Na+,Ca2+,K+,Cl-の和が0
なればよい。
膜電位=RT/F×ln(Pk[K+]out+Pna[Na+]out+Pcl[Cl-]in/Pk[K+]in+Pna[Na+]in+Pcl[Cl-]out)
…<ゴールドマンの式>
※Pk,Pna,Pcl…大きいほど移動しやすい
→膜電位を決めているのはK+:Pna,Pclは無視できるほど小さい
Pk:Pna:Pcl=1:0.04:0.2
V静止状態=-RT/F×ln(Pk[K+]in/Pk[K+]out)
→[K+]in>[K+]outより、V静<0となる
↓興奮
Pk:Pna:Pcl=1:20:0.23
V興奮状態=-RT/F×ln(Pna[Na+]in/Pna[Na+]out)
→[Na+]in<[Na+]outより、V興奮>0となる。
☆-RT/F×lnX=-58lnX
？RT/F=26.7[Z=1,T=37℃+273]

平行膜電位

・Na+：+67mV
・K+：-75mV
・Cl-：-91mV

静止膜電位(wiki)

神経細胞の典型的な軸索において、静止膜電位は負であり、おおよそ-70mV程度である。このことは、細胞外に陽イオンが比較的多い（もしくは細胞内に陰イオンが比較的多い）ことを示唆している。実際には前者が正しい。前述したNa+-K+交換イオンポンプは3個のナトリウムイオンと2個のカリウムイオンを交換しているだけなので膜電位の変化にはそれほど大きく寄与しないが、外にくみ出されたナトリウムイオンが細胞内に入り込むためのナトリウムチャネルは通常不活性化されており、開いていないのに対し、カリウムが細胞外に流出するカリウムチャネルの中には、通常開きっぱなしのものが存在する。つまり、カリウムイオンは汲み入れても汲み入れても、ある程度は細胞外に漏れ出て行ってしまうのである。これが、静止膜電位が負になってしまう主な原因である。このカリウムイオンを漏れ出させてしまうチャネルを、カリウム漏洩チャネルと呼ぶ。

Na+の動態

カリウムイオンの透過と異なり、 Na+-K+交換ポンプの作用に寄るイオン移動(P)が逆方向であることに注目すべきである。電気化学的なイオンの移動(E)は同方向であるので、ポンプによる電流が電気化学的移動を多少相殺していることになる。しかし、ナトリウムイオンはほとんど細胞内に漏洩しないので、ナトリウムチャネルが開くと大きな透過力(F)を発生することになる。これが活動電位の正体であり、この大きな力により、-70mV程度の膜電位は、+40mV付近まで一気に変化する。

イオンチャネルの特性

１：受動輸送
２：イオン特異性
３：整流作用(濃度大→小のみに流れる)
４：ゲートの開閉が調節される
→電位依存性、化学物質依存性、張力依存性

・嗅覚のチャネル
↓臭い物質の受容
↓Gタンパク活性化
↓cAMP活性化
↓Na+/K+チャネルopen
☆味覚も同様の流れ

・受精
↓精子が卵細胞膜と融合
↓Na+流入
↓卵全体が脱分極
↓他の精子が入りにくくなる
同時にCa2+が小胞帯から細胞質へ流出→受精膜形成(遅い多精拒否)

・チャネルがしていること
液胞内外への物質輸送
細胞質pHの調節
Glcの輸送
胃内腔の酸性化

活動電位発生における各チャネルのはたらき

・G：コンダクタンス(通りやすさ)
Gm=Gna+Gk
Gkはゆっくり、Gnaは急激に変化する。
・K+チャネルサブユニット：四つ
・活動電位と閾値
刺激が閾値を超えると、活動電位が発生。ポジティブフィードバックによって電位が急上昇する

PnaがPk、Pclに比べて大きくなると、
Pk:Pna:Pcl=1:0.04:0.2
→1:20:0.23
V静止状態=-RT/F×ln(Pk[K+]in/Pk[K+]out)<0
V興奮状態=-RT/F×ln(Pna[Na+]in/Pna[Na+]out)>0

神経繊維と活動電位の伝播

1:電位依存性Na+チャネルによる
2:不活性期がある→パルスとして一方向へ伝わる
3:伝達速度
　無髄繊維：ゆっくり
　有髄繊維：跳躍伝導、速い。
4:全か無かの法則　all or none
[Na+]と透過係数によって決まる活動電位の+の値は一定
静止電位も一定
閾値以下の刺激では静止電位のまま
※強弱は刺激の回数で決まる。

シナプスにおける情報伝達

１：活動電位が伝わり、Ca2+チャネルが開く→Ca2+の流入
２：神経伝達物質が放出される。
３：神経伝達物質がその受容体に結合し、Na+が流入
※ex.ニコチン性アセチルコリン受容体は化学物質依存性イオンチャネルになっている。
４：電位依存性Na+チャネルが開き、Na+が流入→興奮
パターン：受容すると構造変化、受容するとGタンパク質の活性化→Na+イオンの流入

シグナル伝達物質と細胞表面受容体

・シグナル細胞→シグナル物質→受容体→細胞内シグナル→標的細胞

・化学情報伝達の方法
A:自己分泌：フィードバック
B:傍分泌：組織間液、細胞間gap junction を介して分泌物が近隣の細胞に作用
C:内分泌：分泌物が血中へ放出され、遠隔細胞へ作用　
※外分泌：体外へ流出
※これを特殊化したのが神経系

・細胞表面受容体：Gタンパク、サイトカイン、wnt、受容体型チロシンキナーゼ等

・受容体とリガンドの結合：成長ホルモン
→わずかな結合で大きな反応：カスケード反応

2009過去問

1.死後硬直の理由を筋細胞内のレベルで説明せよ。

2.チューブリンの重合・脱重合が関与する細胞運動現象と、モータータンパク質による微小管の能動的滑り運動により運動する例を一つずつ挙げ、説明せよ。

3.神経線維において、以下の問いに答えよ。

・静止膜電位はなぜ-60mV程度なのか。
ATP駆動のNa+/K+交換ポンプは、Na+をくみ出し、K+を組み入れるが、ナトリウムチャネルが常に閉じていること、K+漏洩チャネルがあることから、細胞内は細胞外にくらべて陽イオンが少ないから。
・活動電位はなぜ+40mV程度なのか。
細胞内の陽イオン、とくにNa+濃度が低く保たれているためNa+チャネルが開くと一気にNa+が細胞内に流れ込み、膜電位が急上昇するため。
・全か無かの法則について説明せよ。
[Na+]と透過係数によって決まる活動電位の＋の値は一定であり、静止膜電位も一定で閾値以下の刺激では静止膜電位のままであること。
・活動電位がパルス[短時間の間に急峻な変化をする（通常単発の）信号の総称。また、脈動の意。]である理由。　
パルスの回数で閾値以上の刺激による強弱をつけるため。
不活性期がある。←？
１方向へ伝わる。←？

4.3量体型Gタンパク質が関与する現象を一つ挙げ、説明せよ。

アデニル酸シクラーゼの活性化。
GDP⇔GTP→Gα活性化→エフェクタータンパク質の活性化→抑制or促進
抑制：PGR
促進：アドレナリン、グルカゴン、ACTH

キーワード

・dynamic instability
・微小管結合タンパク質
・キネシン
・ダイニン
・K+チャネルとCa2+チャネル
・細胞分裂
・トレッドミル
・Gタンパク質

Ⅰ序論

細胞とは

・生命の最小単位→システムとしての細胞を考える。
・細胞を支える三要素
自立(脂質)、情報(核酸)、機能(タンパク質)
＋エネルギー(糖など)

細胞の起源

・核酸、アミノ酸、脂質が化学的、非生物的に形成され、細胞になった。
・RNAワールド仮説
・非対称性の起源は？アミノ酸：L型、リボース：D型

細胞のサイズを規定するもの

・生体膜の透過性：粒子の大きさ、チャネルの穴
・細胞膜の強度
↓以下の三つは互いに関連している。
・拡散速度
・情報伝達速度
・反応速度
→これらのことを考慮すると大きな細胞は形成できないので多細胞化したと考えられる。

具体例
・サイズが2倍になると、重量は８倍になる
・細胞膜は薄いので、大きすぎると重力のせいで、膜のみでは形態を維持できなくなる。
・シグナル伝達問題：単純拡散は大きいほど伝わりが鈍い。
・エネルギー：単位体積あたりの供給量は1/L。さいぼうが大きいほど供給量は小さい。

運動はなぜ必要か

・食べ物の確保
・最適な生息環境の確保
※小さな生物ほど慣性(質量)による力が小さく、熱運動による力が大きくなる。
→大きな生物は筋肉でからだ全体を動かす。
→小さな生物は繊毛や鞭毛で動く。
例：バクテリアの鞭毛による移動速度は20μm/sec
　　アミノ酸などの拡散速度は45μm/sec
自分でえさをもとめて動いていくよりも、拡散するのを待っていた方がよい。このため、運動器官が発達していない。

多細胞生物の工夫

・細胞間の連絡をはやくする。神経＞血液
・骨格による形態維持。

Ⅱ細胞膜・生体膜

生理的機能

・外部からの隔離←脂質
・物質の出入り、情報伝達←タンパク質
・接着、融合←タンパク質、糖(細胞認識)

リン脂質の生体膜の透過性

○気体、電荷をもたない小さな親水性分子
×電荷をもたない大きな親水性分子、イオン、電荷をもつ疎水性分子

シグナル伝達からみた生体膜

１：物理的シグナル
光→光受容体(色素、疎水性で膜タンパク質の中にある)→タンパク質内構造変化、酸化還元→細胞内シグナル
電気→タンパク質の構造変化　　　→膜電位→細胞内シグナル
音・圧力→タンパク質の構造変化　↑

２：化学的シグナル
ホルモン、成長因子、神経伝達物質
↓
膜貫通タンパク質受容体、細胞内タンパク質受容体、タンパク質構造変化
↓
細胞内シグナル
↑
膜電位
↑
イオン

※シグナルはカスケード反応で伝わることが多い。

Ⅲ細胞運動とその制御

(1)細胞運動

・細胞骨格
アクチンフィラメント、微小管(小胞輸送)、(中間径フィラメント)
・重合と脱重合
アクチン：+端は重合しやすい、-端は重合しにくい。
Gアクチンが中だと、トレッドミル：+端での重合と-端での脱重合が促進され、+端へ動いているように見える。
・滑り運動、その特徴
1:細胞骨格を用いた1次元1方向の運動
2:細胞骨格繊維の組み合わせ方で二次元、三次元の運動
3:原核生物はモーターで動く。
・原核生物の鞭毛運動
スクリューのように回転。ATPaseに似たモーターで原動力を得る。
シグナル→受容体：ATPによるリン酸化で伝達→鞭毛活性化
flagellinでできている。真核生物の鞭毛はMTなので、チューブリン。

アクチン

・+端は重合しやすい、-端は重合しにくい。
Gアクチンが中だと、トレッドミル：+端での重合と-端での脱重合が促進され、+端へ動いているように見える。
Gアクチンがある間って、Fアクチンという二本のらせん構造を造る。
ミオシン頭部が結合すると、矢じり構造ができる。極性を持つ。

・アクチン結合タンパク質：アクチンの伸張を止める、切断する。
(1)ジストロフィン
(2)フェインブリン：Fアクチンを架橋。Fアクチンが側面結合して束になる。
(3)スペクトリン：裏打ち構造に大切：膜とFアクチンをつなげる。
(4)フィラミン：Fアクチンを網目状にする。
(5)Arp213：7つのサブユニット
アクチン重合核を形成、分岐点となる。フィラメントと比べて規則的な枝分かれをとる。

・アクチン重合を調節するタンパク質
(1)コフィリン：-端からの解離
(2)セベリン：切断、キャップ[+端]重合をストップ→伸びなくなる
(3)ゲルゾリン：↑
(4)Capz：キャップ[+端]
(5)トロポモジュリン：キャップ[-端]脱重合をストップ→どんどん伸びる
(6)Arp213複合体：キャップ[-端]、側面結合と核形成

・アクチンとATP,ADP
ATP結合アクチン：重合しやすい
ADP結合アクチン：脱重合しやすい
※プロフィリン：アクチンにATPが結合するのを助ける。
※チモシンβ4：ATP-Gアクチンの重合を妨げる。

・サルコメア(?)におけるキャップタンパク質
Capz[+端]、トロポモジュリン[-端]が筋収縮中のアクチンの重合、脱重合を防いでいる。

・仮足形成の制御
細胞外刺激→２通り、２つのシグナル→Arp213複合体によるアクチン重合の促進→糸状仮足、葉状仮足の形成
※ノート参照

・ミオシン[myosin]：運動タンパク質
　18のファミリー「骨格筋はミオシンⅡ、ミオシンⅠなどは単頭」
　ミオシンはAAAファミリーの一つ
　HCとLDを持つ
　LC:必須LCと調節LC[カルモジュリンLC:Ca2+結合の有無]
　＠平滑筋では、ATP,ADP結合で調節LCによってレバーアームが動く。

　

④から