生物学特論B 第１回　多細胞生物の個体の調節 和田　勝 東京医科歯科大学教養部

この講義の目標 生物学基礎では一つの細胞の構造や働きを述べてきたが、細胞は孤立しているのではない。 ヒトは多細胞生物である。細胞の集団がどのように組織化され、情報を交換し合って個体として生きているかを学んでいこう。

真核生物の多くは多細胞 多細胞生物の体のつくりについてはすでに、組織、器官、器官系というくくりで学んだ。 さて、多細胞生物は、1つの受精卵が卵割（細胞分裂）によって、細胞数を増やしていく。しかもただ単に数を増やすわけではない。 ちょっと復習！

ウニの発生Ⅰ

ウニの発生Ⅱ

カエルの発生Ⅰ

カエルの発生Ⅱ

胚葉の分化 ウニの場合もカエルの場合も、こうして 外胚葉、内胚葉、中胚葉に分化する 外胚葉、内胚葉、中胚葉からは、それぞれ 異なる器官が分化してくる

●外胚葉からできる器官 　　表皮　　　皮膚の表皮（毛、つめ、汗腺など）、眼の水晶体、 　　　　　　　　角膜、口腔上皮、嗅上皮 　　神経管　　脳、脊髄、脳神経、眼の網膜 ●内胚葉からできる器官 　　消化管（食道・胃・小腸・大腸の内面の上皮）、えら、中耳、 　　肺、気管 ●中胚葉からできる器官 　　脊索（みずからは器官を作らないが、脊椎骨や筋肉の分 　　　　　化に関与する） 　　体節　　脊椎骨、骨格、骨格筋（横紋筋）、皮膚の真皮 　　腎節　　腎臓、輸尿管、生殖腺、生殖輸管 　　側板　　腹膜、腸管膜、内蔵筋（平滑筋）、心臓、血管、 　　　　　　　結合組織

受精卵から発生する 均一に見える一個の受精卵から、どうしてこのように複雑な構造と働きをもつ個体が生まれるのだろうか。 昔から、多くの人々の知的好奇心を惹起してきた、発生（development）と分化（differentiation）の問題がここにある。

眼の発生 水晶体は眼杯の誘導によって表皮から分化 網膜は眼杯の内側の層からできる

誘導・反応能・分化、拘束（指定、決定） 表皮 眼杯 表皮 拘束 誘導 水晶体 反応能のない Ｘ 中立的な環境だ と分化できる状態 指定を受 けた表皮 拘束 中立的な環境だ と分化できる状態 決定を受 けた表皮 どんな環境でも分 化できる状態 水晶体

細胞同士の働きかけには

細胞膜の構造 電子顕微鏡で観察すると、上の写真のように二重の膜である。

細胞膜の構成要素 脂質とタンパク質から構成される。 脂質は以下のように分類できる 単純脂質 複合脂質 誘導脂質 トリアシルグリセロールなどの中性脂肪 単純脂質 複合脂質 グリセロリン脂質、グリセロ糖脂質など 誘導脂質

中性脂肪 O R1-C O- O R2-C O- H H-C-OH H + O R3-C O- H O O H-C-O-C-R1 炭化水素 の鎖。途中に二重結合を含むこともある。 　　 H　　O 　　O H-C-O-C-R1 R2-C-O-C-H 　　 H-C-O-C-R3 　　　 H O

リン脂質（phospholipid） フォスファチド（phosphatide）とも言う H O O H-C-O-C-R1 R2-C-O-C-H O 　　 H-C-O-P-O-X 　　　 H O- X=コリン、セリン、エタノールアミン、 　　イノシトールなど

フォスファチジルコリン O H R1-C-O-C-H O CH3 H-C-O-P-O-CH2-CH2-N+-CH3 細胞膜の主要な成分

フォスファチジルコリン 頭部 極性 尾部 非極性 のように簡単にあらわすことができる

フォスファチジルコリンを フォスファチジルコリンをぎっしり並べると、、、

脂質の二重膜 水分子 脂質 二重膜 lipid bilayer

脂質二重膜の性質 疎水性分子 極性のある 小分子 大分子 イオンや電荷を持つ分子 N2、O2、炭化水素 自由に透過 分子の性質 例 透過性 疎水性分子 N2、O2、炭化水素 自由に透過 極性のある 小分子 H2O、CO2、グリセロール、尿素 大分子 ブドウ糖などの単糖類、二糖類 透過できない イオンや電荷を持つ分子 アミノ酸、H+、HCO3-、Na+、K+、Ca2+、Cl-、Mg2+

浸透圧 １．溶媒（水）と溶媒+溶質（水溶液）を入れる ３．時間が経つと、両側の濃度は同じになる ２．水も溶質も自由に行き来できるので、溶質は拡散によってしだいに左側へ移動 全透膜

浸透圧 ３．半透膜にかかる圧力と水の移動しようとする力がつりあう １．水と水溶液を入れる ２．水は半透膜を通って移動できるが溶質はできない ４．この圧力が溶液の浸透圧に該当する 半透膜

浸透圧 この圧力をかけておけば、浸透はおこらない 半透膜

脂質二重膜の性質 水のような溶媒分子は自由に通すが溶質は通さない膜を、半透膜 （semipermeable membrane）という。 浸透圧溶血（hemolysis）は、赤血球膜のこのような性質で説明できる。 溶血の原因は、この他免疫性溶血や毒素などによる溶血など、多岐にわたる

浸透圧溶血 高張（hypertonic） 低張（hypotonic） 等張（isotonic） 赤血球 水 破裂 縮む 変化なし

選択透過性 しかしながら、半透膜の性質だけでは細胞は生きていけない。 細胞の活動にとって必要なグルコースの取り込み、タンパク質合成の原料となるアミノ酸の取り込みなど。 そのための通り道が、タンパク質でつくられている。その結果、選択透過性（selective permeability）が生じる

膜タンパク質 細胞膜に埋め込まれたタンパク質を、とくに膜タンパク質と呼ぶ。 膜タンパク質の膜貫通部はαヘリックス構造で、脂質二重膜と接する部分の側鎖は疎水性。 αヘリックス構造が何本か束ねられた構造をとる場合が多い。

脂質二重膜とタンパク質 親水部 αヘリックス 疎水部 親水部

細胞膜のモデル 脂質二重膜に膜タンパク質が浮かんでいる（流動モザイクモデル）

細胞膜のモデル 膜タンパク質の性質によって、細胞膜の性質が決まる。 脂質二重膜は海のようなもので、タンパク質は氷山のように浮かんでいて、動くことができる。

細胞膜のモデル 膜タンパク質には、貫通型、表在型、一部埋め込み型がある。 アクチンフィラメントは、表在型タンパク質を介して貫通型タンパク質と結合できる。 膜タンパク質の外に面した部分からは、糖鎖が出ていることが多い。

細胞膜のモデル 脂質二重膜が流動性を示すのは、脂質分子が移動できるからである。 コレステロールが埋め込まれると、膜の流動性が減少する。 グリセロリン脂質以外にも、細胞膜を構成する脂質がある（セラミドなど）が今は省略する。

細胞内顆粒の分泌 開口分泌（exocytosis）は、顆粒膜と細胞膜の融合による。膜タンパク質も 食細胞運動（phagocytosis）はこの過程の逆で、大きな物質はこうして細胞内に取り込まれる。

貫通型膜タンパク質の種類 １．細胞間の接着・結合に関するもの ２．チャンネルタンパク質 ３．運搬タンパク質 エネルギーを必要としない場合と 　　エネルギーを必要としない場合と 　　必要な場合がある ４．受容体タンパク質

細胞間の結合には この膜貫通型のタンパク質が関与している。 それでは、細胞間の結合にはどんなタンパク質が関与し、どのような働きをもっているのだろうか。

細胞間の結合 結合の種類と名前

密着結合 細胞同士を結合タンパク質がしっかり繋ぎ合わせている

密着結合 密着結合のおかげで、膜に区画(compartment）が生まれる。

接着結合

デスモゾーム結合

ヘミデスモゾーム結合 デスモゾームの半分が基底層のタンパク質と結合している

ギャップ結合 ギャップ結合のおかげで、細胞同士が電気的に結合できる。

発生における接着の役割 神経管の発生の過程では

神経管分化とカドヘリン 場所によって異なるカドヘリンタンパク質が発現する その結果、細胞のソーティングがおこる

膜貫通部はすべて非極性アミノ酸であることに注意 E-カドヘリンの一次構造 1 11 21 31 41 51 1 MGPWSRSLSA LLLLLQVSSW LCQEPEPCHP GFDAESYTFT VPRRHLERGR VLGRVNFEDC 60 61 TGRQRTAYFS LDTRFKVGTD GVITVKRPLR FHNPQIHFLV YAWDSTYRKF STKVTLNTVG 120 121 HHHRPPPHQA SVSGIQAELL TFPNSSPGLR RQKRDWVIPP ISCPENEKGP FPKNLVQIKS 180 181 NKDKEGKVFY SITGQGADTP PVGVFIIERE TGWLKVTEPL DRERIATYTL FSHAVSSNGN 240 241 AVEDPMEILI TVTDQNDNKP EFTQEVFKGS VMEGALPGTS VMEVTATDAD DDVNTYNAAI 300 301 AYTILSQDPE LPDKNMFTIN RNTGVISVVT TGLDRESFPT YTLVVQAADL QGEGLSTTAT 360 361 AVITVTDTND NPPIFNPTTY KGQVPENEAN VVITTLKVTD ADAPNTPAWE AVYTILNDDG 420 421 GQFVVTTNPV NNDGILKTAK GLDFEAKQQY ILHVAVTNVV PFEVSLTTST ATVTVDVLDV 480 481 NEAPIFVPPE KRVEVSEDFG VGQEITSYTA QEPDTFMEQK ITYRIWRDTA NWLEINPDTG 540 541 AISTRAELDR EDFEHVKNST YTALIIATDN GSPVATGTGT LLLILSDVND NAPIPEPRTI 600 601 FFCERNPKPQ VINIIDADLP PNTSPFTAEL THGASANWTI QYNDPTQESI ILKPKMALEV 660 661 GDYKINLKLM DNQNKDQVTT LEVSVCDCEG AAGVCRKAQP VEAGLQIPAI LGILGGILAL 720 721 LILILLLLLF LRRRAVVKEP LLPPEDDTRD NVYYYDEEGG GEEDQDFDLS QLHRGLDARP 780 781 EVTRNDVAPT LMSVPRYLPR PANPDEIGNF IDENLKAADT DPTAPPYDSL LVFDYEGSGS 840 841 EAASLSSLNS SESDKDQDYD YLNEWGNRFK KLADMYGGGE DD 赤はシグナルペプチド領域、青は膜貫通部 膜貫通部はすべて非極性アミノ酸であることに注意

カドヘリンとアクチン カドヘリンはサイトゾール部でカテニンを介してアクチンと結合している

膜タンパク質の発現により このように、細胞表面の接着・結合に関するタンパク質が発現することにより、細胞膜の性質が変化する。 こうして細胞間での選別が行なわれ、分化がおこる。

チャンネルと運搬タンパク質 どうして特定のイオンや物質だけを通す選択性が生じるか、不明な点も多い

K＋-チャンネル K＋は水和している→水和が外れて ポアに入り、フィルター部を通って抜ける

スクロースポーリン Salmonella typhimurium

チャンネルンパク質 電位依存型 K＋チャンネル 電位センサー

受動輸送と能動輸送

受容体タンパク質の役割