生物学 第13回　個体としてのまとまり 和田　勝

内部環境の恒常性

ホメオスタシス

たとえば浸透圧調節

浸透圧調節（腎臓の構造）

浸透圧調節（濾過と再吸収）

浸透圧調節（濾過と再吸収）

浸透圧調節 水の通り道を細胞膜に造り、その通り道の量を調節して水の出入りを調節。水の通り道はアクアポリンというタンパク質（教科書123ページ）。アクアポリンを含む小胞を細胞膜に融合させる。

膜タンパク質の場合

膜タンパク質の場合

浸透圧調節 この働きを調節するのがバソプレッシンという脳下垂体神経葉ホルモン（アミノ酸9個）で、バソプレッシンは受容体を含む小胞を、移動させて細胞膜にぶつけるようにはたらく。 それでは、バソプレッシンはどのようにして細胞に働くのか？

Ｇタンパク質連結型受容体

浸透圧調節 バソプレッシンが7回膜貫通型の受容体に結合すると、Gタンパク質を活性化し、これがアデニル酸シクラーゼを活性化し、cAMPが作られる。 cAMPがセカンドメッセンジャーとなり、アクアポリンを含む小胞の移動を促進する。

もう一つの例血糖の調節 血糖値の調節については、なんとなく知っているだろうと思う。インスリンが血糖値を下げるように働く。それでは、血糖値を上げるのは？ インスリンはどのようにして血糖値を下げているのだろうか？

血糖の調節 グルコースを細胞が取り込むためには、グルコーストランスポーター （GLUT）というタンパク質が細胞膜に必要 　　小腸の基底膜 GLUT4は、脂肪組織と横紋筋のみ

血糖の調節 GLUTとともに、もう一つ大切なのがナトリウムイオン－グルコース共輸送体で、小腸の管腔側の細胞膜に存在する。

インスリンの分泌 膵臓β細胞で、グルコースがGLUT2で細胞内の取り込まれて細胞内にATPを増加させ、これが分泌につながる。

インスリンの作用の仕方 インスリンは脂肪組織と横紋筋の細胞に働いて、、、

血糖値が下がると 膵臓α細胞が直接、グルコースの低下を感知して、グルカゴンというホルモンが分泌される。 グルカゴンは肝細胞に働いて、Gタンパク質を活性化し、グリコーゲンホスホリラーゼという酵素の活性を高め、グリコーゲンからグルコースを切り出して、血中に放出させる。

血糖値が下がると これ以外にも多くのホルもが、血糖値を上げるように働く。 これらをまとめて図にすると、

血糖値 調節の 全体像

内部環境の恒常性 最初の図には、このような調節を行う内分泌系と神経系が描かれていなかった。 個体として、まとまりをとることができるのはこのような調節系があるからである。それでは神経系はどのように働くのだろうか」？

神経系 ・いろいろな動物の神経系 ・脊椎動物では神経細胞は神経管から分化する

脊椎動物の神経系 大脳、間脳、中脳、 小脳、延髄 脳 中枢神経系 脊髄 脳神経系（ヒトでは12対） 末梢神経系 脊髄神経系（ヒトでは31対）

脊椎動物の神経系 末梢神経系は機能面から分類すると 感覚神経 （脊髄では後根へ入る） 体性神経系 運動神経 （脊髄では前根から出る） （求心性・末梢から中枢に向かう） 運動神経 （脊髄では前根から出る） （遠心性・中枢から末梢へ向かう） 交感神経 自律神経系 副交感神経 （遠心性）

自律神経系 黒：交感神経 赤：副交感神経 内蔵や血管へ 両方が分布し、拮抗的にはたらく 中枢から神経節までの神経繊維を節前繊維、神経節から先の神経繊維を節後繊維

神経細胞とグリア細胞

神経細胞の形態 大脳皮質の錐体細胞 小脳のプルキンエ細胞 運動神経細胞 いろいろな形をしているが、一つの単位と考えて、ニューロンと呼ぶ。

ニューロン各部の名称と機能

ニューロン各部の名称と機能 シナプスは、シナプス前膜、シナプス間隙、シナプス後膜から構成されている。

浸透圧 興奮性伝導膜の性質を理解するために、 水のⅠからⅡへの浸透と（ⅡｰⅠ）の圧力が釣り合う。この圧力を浸透圧という。

平衡電位 ⅠにKClを加える １）KイオンがⅠからⅡへ移動 ２）ⅡからⅠへ電気的に引き戻す力 １）と２）が釣り合う

平衡電位 この時、ⅠとⅡの間に平衡電位が生じる ［Ｘ］はモル濃度、Ｒはガス常数、Ｔは絶対温度、ＦはFarady常数、ｚはイオンの価数 上の例では、Ｋイオンは１価、その他の定数を入れて、常用対数に変換するとカリウムイオンの平衡電位は、、

平衡電位 単位はボルト （18℃） 上の例では、Ｋイオンの濃度を代入すると ⅠとⅡの間に58mVの電位差が生じることになる。

静止電位 細胞内と細胞外のイオン濃度には偏りがある。 この濃度差は、エネルギーを使ってつくり出している。 Na+-K+ ATPase 　　　　細胞内（mM） 　　　　細胞外（mM） 　Na 　K 　Cl   　K 　Cl イカgiant axon  　　　49 　　410 　　　40 　　440 　　　22 　　560 カニ神経 　　　52 　　　26  　　510 　　　12 　　540 カエル縫工筋  　　　15 　　125 　　 1.5  　　110 　　　2.6 　　 77 この濃度差は、エネルギーを使ってつくり出している。 Na+-K+ ATPase

静止電位 　興奮性膜を持った細胞が興奮していない（静止時）ときは、膜はＫ+に対する透過性のみ存在し、その他のイオンに対する透過性は極めて小さい　（Ｋ+に対するチャンネルのみが開いている）。 となる（18℃）。　

静止電位 イカのgiant axonでは、表の値を代入して、

静止電位 ガラス電極を使って実際に測定してみると、

活動電位

活動電位

活動電位 オシロスコープを使わないと記録できないような、早い経過をたどる。

電位依存型ナトリウムチャンネル この早い電位変化は、電位依存性ナトリウムチャンネルのためにおこる。

電位依存型ナトリウムチャンネル

電位依存型ナトリウムチャンネル 前ページの動画からわかるように電位依存性ナトリウムチャンネルは、３つの状態をとる。 チャンネル閉、反応性あり この回復過程は時間がかかる チャンネル開 チャンネル閉、反応性なし 不応期

活動電位の伝導 無髄神経 ジワジワと這うように伝わっていく

活動電位の伝導 有髄神経 ランビエ絞輪を飛び飛びに伝わる

実際のニューロンでは ２）軸索を伝導して ３）ここから伝達物質を放出 １）ここで活動電位が発生

神経伝達物質の放出 神経軸索末端まできた電気的信号によって、神経伝達物質放出がおこる。 　神経軸索末端まできた電気的信号によって、神経伝達物質放出がおこる。 　電気的信号が、どうして伝達物質の放出につながるのだろうか。

伝導と伝達 ２）軸索を伝導して ３）ここから伝達物質を放出 １）ここで活動電位が発生

神経伝達物質の放出 神経軸索末端まできた電気的信号によって、どうして神経伝達物質アセチルコリンの放出がおこるのだろうか。 いくつかの膜タンパク質が関わっている。 順を追って説明していこう。

伝達物質の放出　１ インパルスが軸索末端に到着

伝達物質の放出　２ 電位依存型Ｃａチャンネルが開いてＣａイオンが流入

伝達物質の放出　３ シナプス小胞がシナプス前膜と融合して開口分泌で伝達物質を放出

伝達物質の放出　４ 神経伝達物質アセチルコリンはシナプス間隙を拡散し、受容体と結合

伝達物質の放出　５ 受容体は開口し、Ｎａイオンが流入

伝達物質の放出　６ アセチルコリンは分解され、小胞膜はリサイクルされる

シナプスまでくると 神経伝達物質がシナプス間隙に放出され、シナプス後膜の受容体に受け取られます。

アセチルコリン受容体

神経伝達物質の放出 神経軸索末端まできた電気的信号によって、神経伝達物質アセチルコリンの放出がおこる。 シナプス前膜から放出されたアセチルコリンはシナプス間隙を拡散して、シナプス後膜のアセチルコリン受容体と結合する。

アセチルコリン結合から活動電位 アセチルコリン結合 電位依存型Ｎａチャンネル開 チャンネル開 Ｎａイオン流入 電位変化（小） 電位変化 アセチルコリン受容体 電位依存型 Ｎａチャンネル アセチルコリン結合 電位依存型Ｎａチャンネル開 チャンネル開 このサイクルを繰り返す Ｎａイオン流入 活動電位発生 電位変化（小） 電位変化

電位依存型Ｎａチャンネルと アセチルコリン受容体 どちらもＮａイオンを通すチャンネルを有す。 　　アセチルコリン受容体 どちらもＮａイオンを通すチャンネルを有す。 電位依存型Ｎａチャンネルは、電位変化で開口し、アセチルコリン受容体はアセチルコリンが受容体に結合すると開口する。 電位変化の影響を受けず、アセチルコリンの量に比例して開口し、全か無かの反応ではなく、段階的反応。

リガンド連結型受容体 一般的に、アセチルコリンのように受容体に結合できる分子をリガンドと呼ぶ。 リガンド連結型受容体は、チャンネルであるとともに受容体という、二重の性格。 １）リガンドに対する特異性 ２）チャンネルとしてのイオン選択性

アセチルコリンの分解 アセチルコリンはシナプス間隙でアセチルコリンエステラーゼによって分解される。 上：分子全体、右：酵素部分

アセチルコリン受容体 それでは、アセチルコリン受容体の本体は？ ダイバーのための海水魚図鑑より いきなりシビレエイが出てきたが、、

アセチルコリン受容体 シビレエイの電気器官からｍＲＮＡを取り出し、ｃＤＮＡをつくり、アミノ酸配列を推定。 電気器官：筋細胞の特殊化した電気細胞が、積層電池のように重なって高電圧をつくれる。 アミノ酸の疎水性の度合いを計算して、横軸にアミノ酸番号を、縦軸に疎水性度をとってプロット、こうしてタンパクの構造を推定。

アセチルコリン受容体

アセチルコリン受容体 ４回膜貫通型のモノマーが、５つ会合した五量体である。 サブユニットは、α、β、γ、δからなり、αは２個で、α２βγδという構造 サブユニットαにアセチルコリン受容部がある。 アセチルコリンが２個、結合できる。

アセチルコリン受容体

アセチルコリン受容体の性質 パッチクランプ法による

終板電位 ナトリウムイオンが流入すれば電流が流れ、局所的に電位が脱分極に向かう。 ガラス電極を終板のシナプス後膜側に刺入して、この電位変化を測定することができる。 この電位を終板電位（endplate potential、EPP）という。 EPPは活動電位とは異なり、全か無かの法則にはしたがわない。

シナプス後電位 ニューロンが次のニューロンとシナプスをつくる場合も、終板電位と同じように、シナプス後膜側に微小な電位が発生する。 この電位をシナプス後電位（postsynaptic potential、PSP）という。 リガンドの種類によっては、塩素イオンを通して膜電位を過分極側に振ることもある。

シナプス後電位 ●Ｎａイオンを通して膜電位を脱分極側に 興奮性シナプス後電位（EPSP） ●塩素イオンを通して膜電位を過分極側に 抑制性シナプス後電位（IPSP）

ニューロンにはシナプスがいっぱい

ニューロンにはシナプスがいっぱい 神経伝達物質の種類によって、「＋」と「ー」の変化が、それぞれシナプスで生じる。 これが合計されて、軸索の根元の軸索丘に伝わり、活動電位（インパルス）の引き金になる。

シナプス入力の統合 １つのニューロンは、他のニューロンからの多数のシナプスを、細胞体部と樹状突起上につくっている。 これらの入力は、時間的、空間的に加算されて軸索丘ヘ伝えられ、軸索丘で閾電位を越えれば、活動電位が発射される。 シナプス後電位は段階的だが、軸索丘では全か無かの反応→アナログデジタル変換。

シナプス入力の統合 ３）軸索を伝導して ４）ここから伝達物質を放出 ２）ここで活動電位が発生 １）ここで多数のシナプス入力が統合

シナプス入力の統合 EPSPはナトリウムイオンチャンネルが開くため。 IPSPは塩素イオンチャンネルが開くため。 どうしてその様な差が生じるか？　

リガンド依存性チャンネル リガンド依存性チャンネルは、チャンネルであるとともに受容体という、二重の性格。 １）リガンドに対する特異性 ２）チャンネルとしてのイオン選択性

リガンド依存性チャンネル アセチルコリン ナトリウムイオンチャンネルを開口 EPSPが発生 GABA 塩素イオンチャンネルを開口 アセチルコリン　ナトリウムイオンチャンネルを開口 EPSPが発生 GABA　塩素イオンチャンネルを開口 IPSPが発生

シナプス後電位には＋とー Na＋を通して膜電位を脱分極（＋） Clーを通して膜電位を過分極側（－） 興奮性シナプス後電位（EPSP）と呼う。 抑制性シナプス後電位（IPSP）と呼ぶ。

シナプス電位と活動電位 EPSP、IPSPの総和は段階的シナプス電位 軸索丘で閾電位を越えれば活動電位が発生 次のニューロン（あるいは筋肉などの効果器）へ伝えられる

早いシナプス伝達 さて、すでに話したように、アセチルコリンやGABAは、リガンド連結型受容体と結合 受容体に結合すると、チャンネルが開いてシナプス後電位を発生 これを早いシナプス伝達という

早いシナプス伝達 早いシナプス伝達に関わる主な伝達物質 アセチルコリン γアミノ酪酸（γ-aminobutyric acid、GABA） グリシン（glycine） グルタミン酸（glutamic acid） このうち、アセチルコリンとグルタミン酸は興奮性、GABAとグリシンは抑制性

グルタミン酸受容体 パッチクランプ の結果 ４個結合するらしい Naイオンを通す

GABA受容体 Clイオンを 通す

早いシナプス伝達 ここまでは早いシナプス伝達のお話 早いシナプス伝達は、比較的単純 神経系の多様なはたらきを作っているのは、もう一つのシナプス伝達様式があるから。

遅いシナプス伝達 アセチルコリンの発見 カエルの心臓をリンガー液中に入れ、迷走神経を刺激すると心拍数が下がる リンガー液を別のカエルの心臓に作用すると、この心臓の拍動は抑制される 迷走神経から液性物質が分泌される

遅いシナプス伝達 この物質がアセチルコリンであると同定される 神経筋接合部にアセチルコリンがあることが確認され、神経伝達物質であると認定される 神経筋接合部でのアセチルコリンのはたらきはこれまで話したとおりである それでは、このアセチルコリンがどうやって心臓の拍動を抑制するのだろうか

アゴニストとアンタゴニスト 薬理学ではいろいろな薬物を使い、生理反応を代替できるか、あるいは阻害するかという研究をおこなう 代替できる薬物をアゴニスト（agonist）、阻害する薬物をアンタゴニスト（antagonist）と言う アゴニストは受容体に結合して本来の作用を起こすことができるが、アンタゴニストは受容体に結合はするが、本来の作用は起こさず、場所を塞いでしまう

アゴニストとアンタゴニスト アセチルコリンの場合 神経筋接合部では、アゴニストはニコチン、アンタゴニストは矢毒であるクラーレ 心臓の迷走神経では、アゴニストはムスカリン、アンタゴニストはベラドンナの成分であるアトロピン

アセチルコリンのアゴニスト ここで回転できるのでAchは両方の受容体に結合できる。一方、下の二つの分子は片方の受容体のみと結合。 ニコチン受容体と呼ぶ ムスカリン受容体と呼ぶ

ムスカリン受容体 アセチルコリンが迷走神経の節後繊維から放出されて抑制的にはたらくのは、アセチルコリンがムスカリン受容体と結合するため この受容体は、ホルモン受容体のところで述べたＧタンパク質連結型受容体 ヒトムスカリン受容体（青い部分は膜貫通ドメイン） 1 11 21 31 41 51 1 MNNSTNSSNN SLALTSPYKT FEVVFIVLVA GSLSLVTIIG NILVMVSIKV NRHLQTVNNY 60 61 FLFSLACADL IIGVFSMNLY TLYTVIGYWP LGPVVCDLWL ALDYVVSNAS VMNLLIISFD 120 121 RYFCVTKPLT YPVKRTTKMA GMMIAAAWVL SFILWAPAIL FWQFIVGVRT VEDGECYIQF 180 181 FSNAAVTFGT AIAAFYLPVI IMTVLYWHIS RASKSRIKKD KKEPVANQDP VSPSLVQGRI 240 241 VKPNNNNMPS SDDGLEHNKI QNGKAPRDPV TENCVQGEEK ESSNDSTSVS AVASNMRDDE 300 301 ITQDENTVST SLGHSKDENS KQTCIRIGTK TPKSDSCTPT NTTVEVVGSS GQNGDEKQNI 360 361 VARKIVKMTK QPAKKKPPPS REKKVTRTIL AILLAFIITW APYNVMVLIN TFCAPCIPNT 420 421 VWTIGYWLCY INSTINPACY ALCNATFKKT FKHLLMCHYK NIGATR

ムスカリン受容体 副交感神経迷走神経末端から放出 心臓のアセチルコリン（ムスカリン）受容体と結合 Ｇタンパク質を活性化 Ｋチャンネルを開く

交感神経と副交感神経 副交感神経である迷走神経の節後繊維から放出されたアセチルコリンが、心臓に抑制的にはたらくのは、ムスカリン受容体と結合するため。 それでは、交感神経が興奮性にはたらくのは？ 交感神経の節後繊維からはノルアドレナリンが分泌される。

交感神経の心臓への作用 交感神経の節後繊維からはアドレナリンが分泌される。 心臓ではアドレナリンは受容体に結合し、アデニル酸シクラーゼを活性化してcAMPを産生する。 アドレナリン受容体β１（青い部分は膜貫通ドメイン） 1 11 21 31 41 51 1 MGAGVLVLGA SEPGNLSSAA PLPDGAATAA RLLVPASPPA SLLPPASESP EPLSQQWTAG 60 61 MGLLMALIVL LIVAGNVLVI VAIAKTPRLQ TLTNLFIMSL ASADLVMGLL VVPFGATIVV 120 121 WGRWEYGSFF CELWTSVDVL CVTASIETLC VIALDRYLAI TSPFRYQSLL TRARARGLVC 180 181 TVWAISALVS FLPILMHWWR AESDEARRCY NDPKCCDFVT NRAYAIASSV VSFYVPLCIM 240 241 AFVYLRVFRE AQKQVKKIDS CERRFLGGPA RPPSPSPSPV PAPAPPPGPP RPAAAAATAP 300 301 LANGRAGKRR PSRLVALREQ KALKTLGIIM GVFTLCWLPF FLANVVKAFH RELVPDRLFV 360 361 FFNWLGYANS AFNPIIYCRS PDFRKAFQGL LCCARRAARR RHATHGDRPR ASGCLARPGP 420 421 PPSPGAASDD DDDDVVGATP PARLLEPWAG CNGGAAADSD SSLDEPCRPG FASESKV

交感神経の心臓への作用 cAMPはPKA（Ａキナーゼ）を活性化し、心臓ではPKAは電位依存性カルシウムチャンネルを開くことによって、興奮しやすくして心臓の鼓動を早めている。 心臓に対する交感神経系と副交感神経系の拮抗的なはたらきは、このような仕組みで達成されている 。

自律神経系と運動神経系

シナプスにおける伝達 早いシナプス伝達は信号を伝える 早いシナプス伝達には興奮性伝達と抑制性伝達がある 遅いシナプス伝達もある 遅いシナプス伝達によって､信号の伝わり方が修飾される。

伝達の修飾 リガンド依存型チャンネルによる早い伝達は、チャンネルとリンクしていない細胞表面受容体により修飾される。 　リガンド依存型チャンネルによる早い伝達は、チャンネルとリンクしていない細胞表面受容体により修飾される。 　このような遅い効果は神経修飾（neuro-modulation）とも言う。 　交感神経のところで述べたように、Ｇタンパク質連結型受容体を介している。