シラバス

１８３８〜１８３９年にシュライデンーシュワンの細胞説が確立したのち、生命のなぞを解き明かすには、細胞の中味を調べることが重要だと理解されるようになった。５０年以上も前にウィルソンは「生物学の問題を解く鍵は、最終的には細胞の中で探しだされるに違いない。」と書いている。しかし、細胞生物学は主に電子顕微鏡観察を基礎にした静的な学問であり、動的なダイナミックなものではなかった。近年、生化学や分子生物学の革命的な発展によって、細胞生物学は細胞の中味の機能をダイナミックに理解できるようになってきた。事実、Molecular Biology of the CellやMolecularCell Bilologyなどのすぐれた成書が発刊され、細胞生物学は 生化学や分子生物学をも包含したダイナミックな学問へとなってきた。そのような時期にあたかも合致したように、1999年、Blobel（ロックフェラー大学）が細胞生物学の分野を代表して、ノーベル医学生理学賞を受賞した。彼は小胞体において生合成されたたんぱく質の局在化の機構を見事に解明し、シグナルペプチドを発見した。

本講では、今後生物諸科学、生命科学を専攻していく学生諸君に現代の細胞生物学の発展の概要をまずおおまかに理解してもらうことを目的に講義したい。

授業の概要
現代細胞生物学（分子細胞生物学）を理解するには、どうしても生化学や分子遺伝学の知識が必要である。しかし、入学
後のフレッシュマンにいきなりこれらの理解はむずかしいことと思われる。そこで、本講では、なるべく簡単に生体分子
の説明を加えながら、細胞の多様性、細胞の微細構造、細胞による遺伝情報の伝達とその発現、細胞によるエネルギー獲
得と利用、細胞による情報の受容、伝達と処理、細胞の分裂と分化の項目についてわかりやすく講義する。
授業計画
４／１２　細胞生物学序論　 Blobelのノーベル賞受賞の概要

４／１９　細胞の進化、細胞の多様性（原核細胞、真核細胞）

４／２６　細胞の微細構造　（生体膜）

５／１０　細胞の微細構造　（細胞内小器官）

５／１７　細胞の微細構造　（細胞内骨格系）

５／２４　細胞による遺伝情報の伝達とその発現　（酵素タンパク質）

５／３１　細胞による遺伝情報の伝達とその発現　（遺伝子）

６／７　　細胞による遺伝情報の伝達とその発現　（遺伝子、特に遺伝子組み換え技術）

６／１４　細胞によるエネルギー獲得と利用　（呼吸）

６／２１　細胞によるエネルギー獲得と利用　（光合成）

６／２８　細胞によるエネルギー獲得と利用　（物質輸送、運動）

７／５　　細胞による情報の受容、伝達と処理　（細胞情報伝達系）

７／１２　細胞の分裂と分化（細胞周期、形態形成）　
授業の進め方
プリントを前もって配付する。それを参照しながら講義する。板書も多いので、ノートを用意すること。私の研究室のホ
ームページに講義ノートをつくるので、これを参考に自学自習もしてほしい。
教科書及び参考図書等
教科書として入門ビジュアルサイエンス「細胞のしくみ」長野敬著（日本実業出版社）を使用する。
細胞の分子生物学　第３版　アルバートら著　中村桂子ら監訳　教育社 東京（１９９５）は参考書としておすすめでき
る。
試験・成績評価等
試験による評価
ホームページ
http://www.nakamura-u.ac.jp/~thara/index.html
その他

細胞生物学序論

細胞生物学の歴史

１６６５年　細胞の発見　（ロバート・フック）

１８３８〜

１８３９年　細胞説の確立（シュライデン、シュワン）

１９５３年　ＤＮＡの構造決定−分子生物学の誕生 (ワトソン、クリック）

１９７４年　細胞の構造と機能に関する研究で、クロード、パラデイー、ドデユーブがノーベル医学生理学賞受賞

１９９９年　ブローベル（パラデイーの弟子）が細胞内におけるタンパク質の輸送機構の解明でノーベル医学生理学賞受賞

細胞生物学　→　分子細胞生物学

細胞の進化　細胞をつくる成分−タンパク質、脂質、糖質、核酸、ミネラル、ビタミン、水

細胞にはどのような物質が含まれているのでしょうか？表に細胞の固形成分（すなわち水を除いたもの）の組成を示しました。

タンパク質、脂質、糖質、核酸、無機質などからつくられています。このうち、タンパク質、脂質、糖質は私たちにとって三大栄養素ともいえるものです。核酸は遺伝子として細胞になくてはならないものです。この他、無機質は細胞のはたらきにとって欠かせない役割をもっています。これから、その１つ１つについて、化学的性質とそのはたらきを考えてみましょう。
タンパク質
タンパク質のことを英語ではプロテイン(protein）と呼んでいます。その由来はギリシア語のproteiosにあり、第一番目に重要なという意味をこめて命名されたものです。どうして、タンパク質は第一番目に重要なのでしょう？それは、表からもわかるように、タンパク質は細胞の固形成分の中で一番多いのです。一番多く含まれているからには、それが重要なものであるという認識が古くからありました。事実、タンパク質は細胞の中で、いろいろな大切な働きをしています。そのはたらきを表にしました。生体内で構造維持に関係したり、酵素としてはたらいたり、輸送に関係したり、外来異物の処理にあったたり（免疫）といろいろなはたらきをもつことがわかります。１つ１つを今すべて理解する必要がありませんが、タンパク質がいかに多くの生命活動に関係しているかを知るだけで十分です。わたしたちの生命活動のほとんどすべてにタンパク質が関わっているのです。

タンパク質の構成成分
タンパク質は２０種類のアミノ酸と呼ばれる有機化合物からつくられています。アミノ酸の一般構造を図に示しました。

アミノ基カルボキシル基

アミノ酸という名前からもわかるように、炭素につく４つの手に、アミノ基と酸性を示すカルボキシル基がついています。あとの２つの手の１つには水素（Ｈ）がついています。残りの１つはふつうＲと表示します。Ｒとは側鎖のことで、英語でresidueと呼ぶので、その頭文字を使います。このＲの部分がいろいろ変わることにより、違った構造のアミノ酸になるのです。アミノ酸のアミノ基をみたときに、ぜひアンモニア水を思い出してください。アンモニア水はアンモニア（ＮＨ３）ガスが水（Ｈ２Ｏ）に溶けたもので、NH4OHと書けます。NH4OH→NH4＋＋ＯＨ−となり、ＯＨ−が出てきますから、アルカリ性ですね。したがって、アミノ基もアルカリ性を示すところだなと思ってください。一方、カルボキシル基については、酢酸（酢）を思い出してください。酢酸はCH3COOHですから、CH3COOH→CH3COO−＋H＋となり、H＋が出てきますから、酸性を示すところだなと思ってください。このアルカリ性と酸性を示す２つの基をもっているところがアミノ酸の特徴です。また、タンパク質をつくっているアミノ酸は１つの例外であるグリシンを除いて、アミノ基は炭素の左側にあるものだけでできています。図に示したように、アミノ基が左と右についているだけで、厳密にはこれらのアミノ酸は構造上、似てはいるが別のものとなるのです。左側にアミノ基があるアミノ酸をＬ−アミノ酸とよび、右側にあるＤ−アミノ酸と区別しています。タンパク質にＬ−アミノ酸しか含まれないのは、タンパク質をつくるときには、方向性があるからです。タンパク質をつくる場合には、Ｌ−アミノ酸どうしをつないでつくるですが、必ずアミノ基が末端にあります。もしも、Ｄ−アミノ酸を使うのなら、カルボキシル基が末端にあることになります。この議論はあとで詳しく述べましょう。プリントに２０種類のアミノ酸を示しました。アミノ酸はふつうアルファベット３文字であらわすと区別がすぐにつきます。プリントに示したように、例えばグリシンはGlycineですからGly、アラニンはAlanineですから、Alaと書きます。わかりにくいのは、イソロインシン、IsoleucineでIleと書きます。トリプトファン（Tryptophan）ですが、チロシン(Tyr)と区別するように、Trpとします。だいたい英語で書いたアミノ酸の最初の３文字を使っています。これを生命系の学生はすべて暗記せよ！とやると、はじめは皆いやになるでしょう。そうではなく、このバラエテイーにまずおどろいてほしいものです。もう１つしいて理解してもらうならば、側鎖には水にとけやすいもの（親水性）と、水にとけにくいもの（疎水性）とがあることです。アミノ酸の側鎖の水にとけにくいところを黄色で、水にとけやすいところを赤(青）で示しましょう。側鎖がすべて黄色になるところと、赤いところが入っているものと２通りあることに気付いてください。これはタンパク質を考える上に大切な見方なのです。これから、タンパク質の構造について考えてみましょう。タンパク質の構造を考えるには、簡単なものから複雑なものへと順序だって考えることが必要です。ちょうど、一次元、二次元、三次元と直線から、平面へ、そして立体へと考えていくのと同じです。タンパク質の構造を考えるには、一次構造、ニ次構造、三次構造、四次構造という構造のみかたがあり、単純な方から複雑な方へと考えていきます。

タンパク質の一次構造
タンパク質の一次構造とは、２０種のアミノ酸が直線的に配列されることをいいます。プリントに示したように、最初のアミノ酸のカルボキシル基と次のアミノ酸のアミノ基との間で、水がとれて、のかたちで結合していきます。この結合をペプチド結合といいます。さらに、２番目のアミノ酸も同様に３番目のアミノ酸との間でペプチド結合をつくり、これがくりかえされてアミノ酸が数珠つなぎにつながっていきます。したがって、タンパク質にはアミノ酸の始まりの部分ともうこれ以上次のアミノ酸をつながない終わりの部分をもっています。最初のアミノ酸の左側には、必ずアミノ基があり、終わりのアミノ酸の右側にはカルボキシル基があります。最初の末端のことをアミノ末端、もしくはアミノ基のＮをとってＮ−末端ともいいます。最後のアミノ酸の右側の末端をカルボキシル末端、もしくはCarboxylの頭文字をとってＣ−末端とよびます。タンパク質とはふつうアミノ酸が５０個以上つながったものをいいます。アミノ酸が５０個よりもすくないものはペプチドとよばれています。よく知られているいちばん小さいタンパク質はインスリンという血糖値を下げるホルモンです。その構造をプリントに示しました。このようにタンパク質をつくる時には２０種あるアミノ酸のどれも使えますので、タンパク質をつくる場合に５０個アミノ酸をつなぐと、その組み合わせは２０通りを５０回かけ合わせることになります。すなわち２０５０通りというまさに無数のちがったタンパク質をつくれる可能性をもっているわけです。生物をつくる物質でこれほど多様性に富んだものは他にはありません。要するに、生物に大きなゾウがいたり、小さなカがいるように、生物の多様性を決めているのはこのタンパク質のおかげであることは間違いありません。昔、恐竜のように大きな生物が誕生したわけも実はこのタンパク質の中に理由があるはずです、タンパク質は無数といってよいほどたくさんの可能性をもってつくれるわけですから、その１つ１つについてタンパク質の役割を研究するまでにはいたっていません。おそらく、これまでわからなかったいろいろな生命のなぞのほとんどがこのタンパク質の中に隠されているわけですから、タンパク質の研究がいかに大切であるかわかるでしょう。
タンパク質のニ次構造
タンパク質の一次構造とは、２０種のアミノ酸の直線的配列のことをいいますが、これを針金にたとえてみると、針金も少しバネのコイルのようになったり、ジグザクの波型になったりします。これをタンパク質のニ次構造といいます。プリントにその代表的な構造の２つを示しています。１つは、バネのコイルのように、アミノ酸どうしがつながって直線的に配列したものが、らせん状になることです。このような構造をとることをα−ヘリックス構造といいます。図のように3.6個のアミノ酸残基で１回転するコイル状構造をとっています。このコイルをつくる力は少しはなれたアミノ酸のペプチド結合の中の−ＮＨとＯ＝C−の間で水素結合とよばれる力で結びつくことでコイルができあがります。もう１つの構造はβ−構造と呼ばれるものです。針金が波型になって、それがいくつか平行に並ぶと図のようにタンパク質の中でトタン屋根のような面をつくれることになります。この場合にも、隣あった鎖のペプチド結合の−ＮＨとＯ＝C−の間での水素結合が固い構造をつくるのにはたらいています。球状をしたタンパク質の内部にはこのようなβ−構造のシートが骨組みをつくっています。
タンパク質の三次構造
タンパク質をつくるアミノ酸の鎖を針金に例えましたが、それはタンパク質のニ次構造では、直線的なものから、ばねのコイルのようになったり、波型になったりしました。そのような針金を折り畳んで立体化していくと球状になったり、だ円状のタンパク質へとなっていきます。これをタンパク質の三次構造といいます。このような折り畳みを生み出すには直線的にできたアミノ酸の鎖の遠く離れたところどうしで結合しあう力が必要になります。図にその結合の力となるものを示しました。一番強い結合はシステインというアミノ酸の側鎖の−ＳＨ基と−ＳＨ基の間で水素がとれて、−Ｓ−Ｓ−の形で結合するもので、Ｓ−Ｓ結合（英語ではジスルフィド結合）とよばれています。これは前に話した共有結合ですから、熱をかけても切れない強い力です。この他、リジンやアルギニンのように、側鎖に−ＮＨ３＋をもつアミノ酸とアスパラギン酸やグルタミン酸のように側鎖に−ＣＯＯ−をもつアミノ酸との間の＋と−のイオンどうしの間ではたらくイオン結合、セリン、スレオニン、チロシンのように、側鎖に水酸基（−ＯＨ）をもつものどうしではたらく水素結合、バリン、ロイシン、イソロイシン、フェニルアラニンなど側鎖が水に溶けにくい、いわゆる疎水結合の側鎖どうしが結合する疎水結合などがあります。アミノ酸にはアミノ基とカルボキシル基があり、いずれの基もイオン化します。しかし、タンパク質はアミノ酸のつながった鎖でできていますが、プリントのようにアミノ酸のカルボキシル基と次のアミノ酸のアミノ基との間でペプチド結合をつくっていますから、ペプチド結合した部分はイオン化できません。Ｎ−末端とＣ−末端の部分だけはイオン化します。したがって、上記のイオン結合に関係するのは、アミノ酸の側鎖にあるアミノ基とカルボキシル基がほとんど関係していることになります。他の結合もすべてほとんどがアミノ酸の側鎖の部分が関係していることになります。もう１度、アミノ酸の構造をみてください。２０種のアミノ酸の側鎖の部分がいかにバラエテイーに富んでいて、これらの結合をつくるのにうまく配されているかがわかることでしょう。タンパク質は細胞の例えば細胞質のように水成分に存在している場合には、その水の中に溶けて存在しなければなりません。このような場合には、下図のようにタンパク質の表面の部分には水にとけやすいアミノ酸、例えば、アスパラギン酸、グルタミン酸、アルギニン、リジンなど側鎖が水に溶けやすいものが集まっています。逆に、タンパク質の内部には、バリン、ロイシン、イソロイシン、フェニルアラニンなど側鎖が水に溶けにくいアミノ酸が集まっています。表面が水に溶けやすければ、タンパク質は水の中で溶けた状態で存在できます。ところが、タンパク質の三次構造をつくる力になっているイオン結合、水素結合、疎水結合などを壊すことが起きると、タンパク質は構造が変化します。表にその作用を起こす条件を示しました。これをタンパク質の変性といいます。タンパク質の変性がおきると、タンパク質の内部にあった疎水性のアミノ酸の側鎖が表面に露出して、タンパク質は水に溶けにくくなります。これをタンパク質の沈澱といいます。

卵の白身の部分が、熱で沈澱したり、凝固したりするのがそのよい例です。アミノ酸の側鎖に疎水性のものと、親水性のものとがあることが、タンパク質の構造をつくるのに、大切なはたらきをしているのです。
タンパク質の四次構造
タンパク質の中には、いくつかのタンパク質が集まって初めて大切な機能をもつようになることがあります。例えば、ヘモグロビンという赤血球の中にある酸素をはこぶタンパク質はαとよばれるタンパク質の鎖とβとよばれるタンパク質の鎖がそれぞれ２個ずつあつまり、計４個そろってはたらいています。このような例はいろいろな調節のはたらきをもつ酵素や生体内の構造維持などに大切です。

脂質の構成成分
脂質というと、みなさんは”あぶら”を想像するでしょう。”あぶら”は水に溶けにくいことは誰しもわかります。全く性質のちがうものをよく水とあぶらの関係にあると言いますね。”あぶら”は漢字で油とも書けますし、脂とも書けます。漢字の油は英語ではオイル（Oil）に当たり、常温で液体のものです。一方、脂は英語ではファット（Fat）に当たり、常温では個体であるものをいいます。このように、脂質には常温で液体と固体という異なる状態をもつものがありますが、そのわけはどこにあるのでしょうか？構成成分についてよくみていくとわかります。脂質はタンパク質に次いで細胞に多い成分です。そのわけはどこにあるのでしょうか？真核細胞の中には図に示したように、多くの膜系からなる細胞内小器官があることは前に言いました。実は膜をつくるのには脂質が欠かせません。このことが細胞に脂質を多くしている大きな要因なのです。
中性脂肪
脂質は単純脂質と複合脂質に分けられます。それぞれに属するものを表に示しました。このうち、特に大切なものをみていきましょう。単純脂質はＣＨＯから構成されていて、その代表的なものが中性脂肪です。中性脂肪は脂肪酸のカルボキシル基（−COOH）とグリセリンの水酸基（−ＯＨ）とが脱水結合して、プリントのようにエステル結合したものです。まずその成分について詳しくみてみましょう。
脂肪酸とグリセリン
脂肪酸は酸という言葉が示すように、アミノ酸と同様に、カルボキシル基を１個もっています。そしてメチル基（−ＣＨ３）を末端にメチレン基（−ＣＨ２−）を中にもっています。炭素の数はほとんど偶数個（２ｎ）であり、その数は４〜３０個です。細胞に多く含まれるものは、炭素数が１２〜２０個のものです。脂肪酸の１つパルミチン酸の構造を下図に示しました。炭素１６個でできていて、カルボキシル基１つもっています。末端にはメチル基があり、その間に１４個のメチレン基があります。

CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-COOH

名前（パルミチン酸）融点（b）　　　　　名前（パルミトレイン酸）融点（d）
融点　ａ．８０℃　ｂ．６３℃　　ｃ．４４℃　　ｄ．-0.5℃

このように正確に書くには骨が折れるので、その下に示すように、メチル基、メチレン基を略して波線状に書いてもかまいません。カルボキシル基のところは赤く塗ったように、親水性を示します。一方、長いメチル基、メチレン基のところは水に溶けない疎水性の部分で黄色く塗りました。これだけ黄色い部分が多くなれば、水に溶けにくくなるのもわかると思います。脂肪酸には、飽和脂肪酸と不飽和脂肪酸とがあります。よく二重結合のないものが飽和脂肪酸で、二重結合のあるものが不飽和脂肪酸と呼ぶという教科書が多いですが、本質をみていません。飽和とは何が飽和しているのか？不飽和とは、何が不飽和なのか考えた方がよいと思います。プリント（ノート）をみてください。先ほど示したパルミチン酸には、二重結合がないので、飽和脂肪酸になるのですが、カルボキシル基のところは決まっていますから、他のどの炭素にももうこれ以上つけないだけの水素（Ｈ）がついています。飽和脂肪酸とは水素がもうこれ以上つけない水素が飽和した脂肪酸のことなのです。メチレン基には最大で２個までしかＨはつけません。ところが、メチレン基とメチレン基の間に二重結合ができると、その部分の炭素には１個しか水素（Ｈ）がついていません。すなわち、不飽和脂肪酸とは水素が不飽和な脂肪酸のことなのです。水素が不飽和な脂肪酸だから、二重結合が結果としてあるのだと考えた方がわかりやすいと思います。不飽和脂肪酸には二重結合が２個以上あるものもあります。これを多価不飽和脂肪酸とよびます。さて、細胞内によくある飽和脂肪酸と不飽和脂肪酸の名前と融点を表に示しました。ここに書かれた脂肪酸くらいは、専門の勉強をする時には、身につけてもらいたいものです。飽和脂肪酸と不飽和脂肪酸の融点はどちらが高いでしょうか？その時に、炭素の数も考える必要があります。例えば、パルミチン酸とパルミトレイン酸では、炭素の数はどちらも１６ですから、この２つの脂肪酸の融点の違いは二重結合のあるなしによっていることがわかります。この２つの脂肪酸で融点は何と63.6℃も違います。パルミチン酸の融点は63.1℃ですから、常温では固体ですが、パルミトレイン酸は-0.5℃で、常温では液体です。このように、飽和脂肪酸は常温ですべて固体です。しかも、炭素の数が増せば増すほど、融点は高くなっていきます。次に、不飽和脂肪酸で二重結合の数が増すとどうなるかをみてみると、オレイン酸、リノール酸、リノレン酸と二重結合が１、２、３と増えていくと、融点はますます低くなることがわかります。このように、脂肪酸には常温で固体のものと、液体のものがあるのです。油と脂の違いは実はそれぞれに含まれる脂肪酸のちがいに由来していたのです。外見だけで、物質をみるとその違いの本質を見誤ることもあります。生命科学の勉強はやはり本質をみる必要があります。なぜ、細胞には飽和脂肪酸と不飽和脂肪酸とがあるのでしょう？飽和脂肪酸は硬さを与えてくれますが、細胞には軟らかさも必要なのです。この２つの絶妙なバランスが生命の妙を生み出しているのかもしれません。
中性脂肪の性質
中性脂肪のことを英語ではトリグリセリドとよびます。プリントのように、グリセリンの３つの水酸基に脂肪酸が３つエステル結合しています。グリセリンの水酸基 -OHと脂肪酸のカルボキシル基 -COOHとの間で水がとれて結合したものです。前に話したように、-OHも-COOHも水に溶けやすい親水性の部分ですから、ここが結合すると、中性脂肪の中には親水性のところがなくなってしまいます。このことは、水に溶けにくくなるので、一見不利に思えるかもしれませんが、水に溶けにくい、すなわち疎水性になることが有利なこともあるのです。何故ならば、疎水性になると、密に物質を濃縮することが可能になります。生体内でこのような脂肪の貯蔵は大切なことです。私たちの体には皮下脂肪のかたちで中性脂肪が貯えられています。この貯えはエネルギーが不足したときに使われるだけではありません。体にまるみを持たせ外界からの物理的な衝撃を柔らげる働きもしています。中性脂肪のかたちの方が体内を運搬するときにもコンパクトに運べるので便利です。
リン脂質
複合脂質の中で生命科学の勉強に欠かせない重要なものがあります。それはリン脂質です。プリントのように、リン脂質は中性脂肪の３つの脂肪酸エステルの１つがないかわりに、グリセリンの-OHのところにリン酸がエーテル結合しています。これをホスファチジン酸といいます。リン酸のことを英語でphosphoric acidといいますから、そのリン脂質という意味でこうよばれています。リン酸の-OHのところにさらにいろいろな化合物がエーテル結合することにより、いろいろなリン脂質となります。結果として、プリントように-OXのかたちでX基がついていることになります。Xにはいろいろな化合物があります。コリンが結合したものはホスファチジルコリンといいます。これを別名レシチンともいい、卵黄に多く含まれています。ホスファチジルコリンは＋の荷電と−の荷電をもっていますから、電気的には中性です。ホスファチジルエタノールアミンも同じです。アミノ酸のセリンがついたホスファチジルセリンでは、電気的には−１のリン脂質で酸性リン脂質とよばれています。いずれにせよ、いろいろなX基をもったリン脂質があることが生体をつくるのに大切になっています。ノートのようにリン脂質には疎水性の脂肪酸の長い側鎖の部分が２つあります。一方、頭部には、リン酸とX基とからなる水に溶けやすい親水性の部分があります。リン脂質はこのように疎水性と親水性の相反する性質の部分をもっています。このような物質のことを両親媒性であるといいます。水と油のような溶媒のどちらにもなじむことができるという意味です。この性質が生体の膜をつくるときに重要になってきます。

糖質
糖質のことを以前は炭水化物とよんでいました。その化学式は [C(H2O)]nで表され、炭素に水が付加された物質であることがわかります。nの数は３〜７ですが、生体に含まれるもので重要なものは炭素が６つからなる糖、６炭糖と炭素が５つからなる糖、５炭糖です。糖質にはこの化学式の原則にあわないものもあり、それらを含めて糖質とよぶようになってきました。この事情を知って、糖質という言葉をつかうように心掛けてください。さて、糖質の代表の物質として６炭糖のグルコース(C6H12O6)を覚えてください。[C(H2O)]6にちゃんとなっていますね。日本語でブドウ糖と言うように、ブドウの果実に多く含まれる糖です。

　　　　　　　　　　 　　α−Ｄ−グルコース

構造は図のように直鎖で書いてみるとわかるように、末端にアルデヒド基をもっています。でも、グルコースの本質を知るには、あとで述べるように環状に表した方がわかりやすいのです。糖の炭素の１つ１つを見てみると、例えば、炭素番号５の炭素には-OH、-H、-CH2OH、あとは炭素番号１〜４の大きな集合体がついています。前にアミノ酸で勉強したように、この炭素は図のように２つの立体的に違う異性体をもてることになります。このとき、-OHが右側にあるものをD型、-OHが左側にあるものをＬ型と分けています。そして、そのように立体異性体が存在する炭素を整っていない炭素という意味から不斉炭素といいます。実は、グルコースの場合には、炭素２〜４も不斉炭素になりますね。炭素に違う基が４つついていれば不斉炭素です。計２、３、４、５の４つの不斉炭素があることになります。その１つ１つを細かく分類すれば、グルコースと同じアルデヒド基をもつ糖には多くの仲間があることになります。１６をDLの２で割ると８つの名前のちがう糖があることになります。それをここで覚える必要はありませんが、ガラクトースやマンノースなどいろいろな糖の名前が出てくるものですから、皆パニックにおちいることにもなりかねません、備えをもっていれば恐いものなしです。さて、何故グルコースを図のように環状に書いた方がよいのか説明します。グルコースは直鎖で書いたのでは説明できない性質をもっているからです。Ｄ−グルコースはさらに２つの性質のちがう糖にみえるのです。それは直鎖で書いたのではわからないのですが、図のように環状に書くとみえてきます。何故環状にあらあらわせるのかというと、アルデヒド基-HC=0と水酸基-OHとが結びつきやすいからなのです。環状に書くと、炭素番号１番の炭素が新たに不斉炭素になります。確かに１番の炭素には違う基が４つついています。よって、D、Lの分け方とはちがう新たなα型とβ型の２つの異性体をもてることになります。このことを知っていると、デンプンとセルロースの違いがわかります。
デンプンとセルロース
デンプンは植物の種子の胚に含まれていて、本来は植物が発芽して次世代の植物体をつくりあげるのに必要なエネルギーを貯蔵しておくためのものです。しかし、私たちはイネを栽培し、その種子を米として主食にしているわけです。デンプンはα−Ｄ−グルコースが数十個から数千個つながったものです。デンプンはα−Ｄ−グルコースがα（１→４）結合という形でつらなったものです。これは、α−Ｄ−グルコースの１番の炭素の-OHと次のα−Ｄ−グルコースの４番目の炭素の-OHとの間で水がとれて結合したものです。デンプンにはプリントのようにα（１→４）結合を主体にして、枝分かれしたところがあります。その部分にはさらにα（１→６）結合という新たな結びつきがみられます。デンプンは私たちの体の中の消化管で完全に加水分解されるので、植物由来ではありますが、栄養にすることができます。動物の体内には、α−Ｄ−グルコースの貯蔵形のグリコーゲンがあります。デンプンと同じようなつくりですが、枝分かれが多く、α−Ｄ−グルコースの数はデンプンよりもかなり多い物質です。
セルロースはβ−Ｄ−グルコースがβ（１→４）結合して連なったものです。セルロースは植物の細胞壁をつくる主成分です。セルロースはウシやウマのような草食動物では栄養になりますが、ヒトの消化管では消化できません。セルロースは植物の大部分を占めるわけで、これをヒトの栄養にできないのは残念なことですが、そういう宿命なのです。草食動物のおかげでセルロースが栄養となり、私たちが草食動物の肉を食することでその栄養が私たちにもたらされていることは言うまでもありません。
核酸
核酸は生物の一番重要な性質すなわち子孫を残すという性質を実現させるのになくてはならない物質です。子孫を残すことを遺伝といいますが、遺伝の因子である遺伝子そのものです。核酸は、塩基、糖ならびにリン酸からできています。その３つの成分が結合して核酸の単位であるヌクレオチドをつくります。核酸に使われている糖に２つの違ったものがあり、１つはデオキシリボースで、もう一方はリボースです。デオキシリボースをもつ核酸をデオキシリボ核酸（Deoxyribonucleic acid）といい、その頭文字をとってDNAといいます。リボースをもつ核酸をリボ核酸（Ribonucleic acid）といい、その頭文字をとってRNAといいます。その違いをみるために塩基、糖ならびにリン酸の構造を詳しくみてみましょう。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2,4-ジオキシ-ピリミジン　4-アミノ-2-オキシ-ピリミジン

塩基
塩基とは炭素と窒素から成る環状物質で、プリン誘導体とピリミジン誘導体があります。何故、これらを塩基というかは、窒素を含む化合物はアルカリ性（塩基性）を示すからです。図にそれらの構造を示しました。プリン誘導体にはアデニン（Ａ）とグアニン（Ｇ）があります。ピリミジン誘導体にはシトシン（Ｃ）、チミン（Ｔ）とウラシル（Ｕ）があります。DNAにはＡＧＣＴが含まれています。一方、RNAにはDNAと同じくＡＧＣは含まれていますが、DNAのＴの代わりにＵが含まれていています。塩基のそれぞれをみて気付くことですが、アミノ基 (-NH2)とケト基（-C=O）を持っています。これはあとで話しますが、DNA, RNAの構造を知るのにたいへん重要な意味があります。
デオキシリボースとリボース
デオキシリボースとリボースはともに前に説明した５炭糖です。構造を示すとデオキシリボースでは、リボースの２番目の炭素の水酸基（-OH）が水素（-H）になっています。リボースから酸素がとれた糖であることがわかります。酸素のことは英語でoxygenですから、デオキシリボースとは英語でdeoxyriboseと書きます。英語でdeとは、脱という意味であり、日本語では脱酸素リボースということになります。構造を的確にあらわしていますから、その意味を理解するようにしてください。
リン酸
リン酸は無機化合物ですが、生体を構成するのに欠かせません。脂質のところでリン脂質がで出てきましたが、リン酸化合物はこれまで述べてきたどの物質とも結びつくことができます。元素でいうなら、CHONの次に生体に必要な元素はPであるともいえましょう。リンは５つの結合の手をもてますから、リン酸は図のように示すことができます。このように３つの水酸基をもっていて、これまでみてきたように、-OHが他の化合物のもつ-OHとの間で脱水結合して、タンパク質、脂質、糖質のどの物質とも結ぶつくことができます。
ヌクレオチド

図のように、これまでみてきた塩基、デオキシリボースまたはリボース、そしてリン酸が脱水結合してヌクレオチドができます。このとき重要な約束があります。塩基の炭素、窒素の番号を示すのにピリミジン塩基なら１〜６、プリン塩基なら１〜９を使ったので、デオキシリボースまたはリボースの炭素の番号を示す場合には、1'〜5'を使うことにします。核酸の勉強にはこの1'〜5'が何を意味するか知る必要があります。リン酸はデオキシリボースまたはリボースの3'の炭素の-OHとの間で脱水結合しています。一方、塩基はデオキシリボースまたはリボースの1'の炭素の-OHとの間で脱水結合していることがわかります。こうしてヌクレオチドができるのですが、このヌクレオチドがつながってDNAまたはRNAになります。ある物質の単位がたくさんつながったものをポリマーといいます。その１つ１つの単位をモノマーといいます。したがって、ＤＮＡやＲＮＡはそれぞれのヌクレオチド単位のモノマーのつながったポリマーであり、ポリヌクレオチドというわけです。その構造を図に示しました。ここで、DNAやＲＮＡを考えるときに大切なことがあります。それは、ＤＮＡもＲＮＡもヌクレオチドをつないでいくときに方向性があることです。すなわち、５’末端から３’末端へとヌクレオチドをつないでいきます。このときに、ＤＮＡであれば、デオキシリボースの、ＲＮＡであればリボースの２’の炭素の-OHと２個目のヌクレオチドのリン酸の-OHとの間で脱水結合してつながっていくことになります。これが次々とつながていきます。ちょうど前に説明したタンパク質のアミノ酸のつながりのように方向性をもってつながっていくわけです。ＤＮＡもＲＮＡも無限にヌクレオチドをつないだものではありませんから、最後のヌクレオチドがあります。そこは図のように次のヌクレオチドはつなげませんから、デオキシリボースまたはリボースの２’の炭素の部分には-OHがついていることになります。タンパク質にもＮ−末端とＣ−末端があったのと同じようになっています。さて、ＤＮＡの構造については、１９５３年にワトソンとクリックが図のような二重らせん構造になっていることを発見しました。このとき、らせん階段のステップの部分は塩基がお互いに対を形成し、らせん階段の手すりの部分をむすびつけています。この塩基の対をつくるのには、A=T, G≡Cと対を形成する塩基が必ずきまっています。プリントのように、この対の形成には水素結合が関係しています。A=T、G≡Cと書いたように、AとTの間には２つの、GとCの間には３つの水素結合があります。AとGは前に話したように、プリン塩基です。CとTがピリミジン塩基です。プリン塩基の方がピリミジン塩基より少し大きいですね。A=T、G≡Cのそれぞれの対形成にはプリン塩基とピリミジン塩基が１つずつ使われていることになります。こうすれば、階段のステップの長さは等しくなり、平行ならせん階段ができることになります。ＤＮＡは遺伝子であることがわかったのですが、この物質が自分自身から自分の分身をつくり出す能力を持っていれば可能です。詳しくは後で述べますが、それは本当に簡単な規則、原理から可能になるものだったのです。先ほど
A=T、G≡Cと塩基の結び付きが決まっているといいましたが、実はその簡単な規則が自分自身から自分の分身をつくり出す能力を持たせてくれているのです。ＤＮＡの２本の鎖が１本ずつに分かれて、それがもととうり２つ同じの２本の鎖になってくれれば、分身をつくることに成功です。どうでしょう？できるでしょうか？A=T、G≡Cと塩基の結び付きの規則が守られれば簡単です。実は１９５３年にワトソンとクリックはこのからくりに気付いていました。だから、それまでわからなかった遺伝子の本体がＤＮＡであることも彼等は証明してしまい、生命科学に大きな革命をもたらしてくれました。
無機質
我々のからだは有機化合物だけでは成り立ちません。いろいろな無機質も必要です。人体の４〜６％は無機質でできていています。そのうち、カルシウム、マグネシウム、カリウム、ナトリウム、リンおよび塩素がほとんどを占めています。こららの他にも、微量ですが、必要な元素として、鉄、銅、亜鉛、マンガン、コバルト、モリブデン、セレン、ヨウ素などがあります。例えば、カルシウム、マグネシウムは骨や歯の構成物質として大切ですし、ナトリウムは細胞の外液の、カリウムは細胞の内液のイオンとして利用されています。一方、微量元素のほとんどは酵素の必須因子として必要です。
水
水は人体の６０〜７０％を占め、生命に欠かせない物質です。生命における水の重要性は以下の表のようにまとめることができます。水がこのような働きを可能にしてくれているのは、実は水の性質がユニークであることに由来しています。水の分子量は非常に小さいのですが、液体になる温度−融点と気体になる温度−沸点が他の低分子の液体に比べて異常に高いことがわかります。また、蒸発熱、比熱、融解熱も大きいことがわかります。このような水の性質は水分子のHはδ＋に、Oがδ２−に分極化して、図のように水分子同士が水素結合で２個にくっついたり、ある水分子を４個の水分子が取り囲んだりできます。水は図のようにこの水素結合によって他の分子例えばNa+やCl-、アミノ酸などを取り囲み、それらの分子は水に溶けて存在することになります。水は他の分子を溶かすよい溶媒となります。一方、非極性の分子は図のように水分子と水素結合をつくらず、その分子同士が閉じ込められることになります。すなわち、非極性の分子同士は水と反発する結果、疎水結合することになります。例えば、前に話したリン脂質分子がミセルをつくったり、膜をつくったりするのは、水分子と反発する結果生じるものなのです。

細胞生命の誕生

化学進化

生物進化

原核細胞

真核細胞

前回あまりすすみませんでしたので、今回は何とか挽回します。

細胞生命の誕生

生命のはじまり
生命をつくる細胞がどのようにして誕生したのか、生命のはじまりについて勉強してみたいと思います。生命が誕生したのは今から４０億年も前のことと言われています。地球の歴史は４６億年、太陽系の歴史は５０〜８０億年といいますから、生命の歴史は地球の歴史と変わらないくらい長いものなのです。実は太陽は星としては大きくもなく小さくもない中くらいの星なのです。このことが星の寿命には大切で、大きいものや小さいものはもっと早くに大爆発をして死んでしまいます。太陽が５０〜８０億年と長生きしていることが、生命を生み出すのに欠かせなかったことがわかります。
地球の歴史
これから生命のはじまりの話しをしていきますが、生命は４０億年も前に地球の上にできたわけです。したがって、地球の誕生当時に戻ってその出来かたをしらべてみなければなりません。４６億年前のことを正確に知るのはむずかしいことですが、天文学者や地球物理学者の努力のおかげで、地球誕生当時のことをかなり正確に知ることができるようになってきました。地球は太陽の一惑星ですから、地球の誕生のことを知るには親の星、太陽がどのようにしてできたのかにまでさかのぼらなければなりません。太陽はどのようにして出来たのでしょう？実は太陽はその近くにあった他の星の死からはじまったものなのです。星が死ぬ時には大爆発をもって一生を終えます。大爆発といいましたが、激しい宇宙をとどろかすような大爆発のことです。超新星爆発といいます。この爆発の衝撃は激しい爆風となって宇宙に広がっていきます。この衝撃波が広がっていくときに宇宙のちりと星間ガスとをふきよせて１つの大きなうずをつくることがあります。こうして渦の中心に太陽が誕生したとされています。その中心には宇宙で一番多い元素は水素、次に多いヘリウムのほか、アルミニウムや鉄などの金属、それから岩石、水も含まれていました。とにかく想像を絶するような高温ですから、それらは蒸発した気体のごったにのようなものと思ってください。激しい渦の中心に太陽があり、そのまわりに同心円状にガスがあったとされています。そのガスも冷えていくにつれて固まりはじめて地球を含めて惑星がつくられていきました。固まりはじめたとはいえ、まだ灼熱の溶融した状態です。太陽の惑星がつくられていきました。地球が誕生したのは４６億年前とされています。元素は１番軽い水素から１番重いウランまで軽いものから重いものへと並んでいます。地球が誕生してすぐには、これらの元素はすべて灼熱のごったにの状態でしたから、重い元素は中心へと沈み、逆に軽い元素は表面へと浮いていったでしょう。重い金属の鉄、コバルト、ニッケルや銅は地球の中心へと沈んでいきました。中間にはアルミニウム、ケイ素、リン、マグネシウムなどの比較的軽い元素が層をつくりました。表面には一番軽い水素、炭素、窒素、酸素などが浮いてきて層をつくりました。

しかし、現在の地球の地殻にこれらの元素は存在するのでしょうか？表面に浮いてきた水素、炭素は宇宙での比率の水素1000、炭素0.3に比べて、地殻ではそれぞれ0.03、0.0005とその比率を極端に減らしています。どこかにいってしまっています。水素については他の理由例えば地球のように比較的小さな惑星では一番軽い水素を引きつけれずに離れて行ったことも考えられます。しかし、炭素の減り方は異常です。何かの理由を考えなければ説明できません。実は地球にあった炭素のほとんどすべてが生物となって利用されたとすればこのことは説明できます。現在の地球の地殻に多い元素は何でしょう？それは、酸素を除くと、ケイ素、アルミニウムなどで、中間層にあったとされる元素が地球の表面の土の主成分になっています。地球にあった炭素、水素、窒素のほとんどすべてが現在地球に生息する生物にそっくりもっていかれているといえます。生物が誕生して４０億年経ちますが、生物はこの間に地球の環境を大きく変えることに関わってきたことがわかります。例えば人類が地球環境のことを考えずに我がもの顔をするふるまいはこの事実をみてみると、おかしなことと思えませんか？地球と生物の関わりは長い歴史があり、たかだか数百万年前に登場した人類だけのものではないのです。
化学進化
地球誕生当時の簡単な化合物
さきに述べたように地球は誕生当時は高温の気体の球の世界であったでしょう。このような時には、地球の元素の原子どうしから化合物はつくれずに、それぞれ切れた状態であったと思われます。高温の気体の球の地球もだんだんその熱が宇宙空間へと失われていき、次第に温度が下がっていきました。そしていくつかの簡単な化合物がつくられていきました。表にその名前と構造を示しました。このうち、メタン、アンモニア、水は現在の地球の兄弟である他の惑星にもみられますから、量的にも多く存在したと考えられます。その他にもアンモニア、シアン化水素などもありました。水素もあったと思われますが、水素は一番軽い元素であり、比較的小さな惑星の地球の引力では引き付けるのが困難で、次第に地球から離れていったと思われます。宇宙に一番多く存在するはずの水素が地球の地殻に残っていないのは、生物に利用されただけではなく、水素自体が地球から離れていったことにもよるのです。しかし、水素は宇宙で一番多いわけですから、地球誕生当時の簡単な化合物を水素で飽和するのには十分でした。このように、化合物が水素で飽和された状態を還元された状態といいます。水は酸素が水素で還元されたもの、メタンは炭素が水素で還元されたものです。アンモニアは窒素が水素で還元されたものです。最初の簡単な化合物として、一酸化炭素や二酸化炭素も存在したとの説もあります。しかし、地球が誕生当時水素で飽和された状態であるならば、一酸化炭素や二酸化炭素は存在していたとしてもごくわずかではなかったかと思われます。地球の当時の温度は冷えてきていたとはいえ、まだかなりの高温でしたから、これらの簡単な化合物は地球の表面近くに気体として存在していました。地球がさらに冷えていくと、地球の中心にある重い元素が液体になりはじめました。さらに固体へとなっていきます。しかし、中心への圧力のために、中心部はなかなか固体にはなれずにどろどろした液体の状態が続きました。一方、ケイ素やアルミニウムなどを含む中間の層は冷却するにつれてかたい殻になりはじめ地殻がつくられていきました。地殻ではその重みによってひだが生じ、山脈がつくられました。それよりも軽い元素を含む簡単な化合物は気体としてその山脈をおおっていました。さらに表面が冷え出すと、その気体が液体となり、雨となって地殻に注がれはじめました。表にしめしたように、水はこの中でも一番液体から気体になる温度−沸点が高いわけですから、雨になって降り注いだのは水に他なりません。当時水蒸気の層は５００kmくらいあったとされていて、それが雨となって地殻に降り注ぐのですからすさまじいものでした。最初は地殻の温度が１００℃以上であったために、水蒸気爆発のようになって気体に舞い戻っていました。しかし、このくりかえしをしていくうちに地殻も冷えてきます。雨はついに地殻にたまりはじめました。雨は何百年もの間ふりそそいだでしょう。そして、山から水が滝のごとくくぼ地へと流れ込み、くぼ地に海ができたいきました。この海にメタン、アンモニア、シアン化水素などの簡単な化合物も溶け込んでいきました。水が山をけずって海へと流れ込んでいくときに、いろいろな金属や塩も溶け込んでいきました。海洋にある火山でもさかんに海へ直接に金属や塩を注ぎこんでいきました。おそらく早い段階で、海にはこれらの金属や塩が溶け込んでいったとされています。こうして水の惑星−地球が誕生したわけですが、このこと自体たいへんな奇跡なのです。前に図に太陽系の惑星のすべてを示しましたが、地球は太陽から近くもなく遠くもない丁度よい距離にあります。太陽に一番近い水星では温度が太陽面で４３０℃にもなり、水は液体で存在できません。それでは地球の隣の金星ではどうかというと、９０気圧環境が温室効果を引き起こし、温度が５００℃あるといわれています。ここでも、水は液体として存在できません。逆に地球より１つ外側の火星では赤道面での温度が１０〜２０℃あるといわれます。しかし、火星の気圧が小さいために、水が液体として存在するか微妙なところです。おそらく、氷として存在するのではないかと思われます。さらに火星より太陽から遠い木星には水は氷として存在しています。地球だけが、水が液体として存在できる位置を与えられていることがわかります。また、地球が暖かい環境にあるもう１つの理由は地球をとりまく大気が程よい温室効果を果たしているからです。さきほど、金星の温度が水星よりも高い５００℃になることに疑問をもった方も多いでしょう。実は、金星では地球よりも格段に厚い二酸化炭素の層でおおわれていて、その温室効果で温度が５００℃にもなるのです。金星になぜ二酸化炭素が多いのかというと、最初二酸化炭素は水の中に溶けていたのに、水が液体として存在できなくなって金星の空間に放出されたのではとされています。地球でも、二酸化炭素が増えすぎると、金星の二の舞いになることも考えられます。生命が誕生するのに、水が液体として存在することは必須ですが、この液体には二酸化炭素を溶かし、大気の二酸化炭素の濃度を押さえるという大事な効果もあるのです。
有機化合物の誕生
２章で述べたように、生命をかたちづくるタンパク質、脂質、核酸、糖質の構成成分はすべて炭素を主体に、水素、酸素を含む有機化合物からできています。その１つ１つについて構造を注意してみると、簡単な化合物に比べてはるかに複雑なものであることがわかります。最初にあったとされる簡単な化合物から果たしてこれらの複雑な有機化合物ができるのだろうか？１９４０〜１９５０年代の生命科学者たちの中には疑問をもち続け、生命は宇宙からもたらされたのではという考えに傾倒する人たちまで出てきました。１９５３年、アメリカのミラーは当時シカゴ大学の大学院の学生だったのですが、教授のユーリーのアイデアをもとに新たな実験を試みました。ユーリーの解析すなわち原始の大気がアンモニアを含む還元的なものであるとのアドバイスをもとに、メタン、アンモニア、水素、水を図の装置の中に入れて、タングステン電極による火花放電を１週間ほど行わせました。図の５lのフラスコは原始大気になり、冷却水のところで、雨となりトラップの部分の海に流れ込みます。海の水は水蒸気となってまた大気に戻り、反応に加わります。このような実験のことを現在ではシュミレーション実験といってごく一般的なものになりました。しかし、当時としては画期的な試みであったのです。シュミレーション実験とは模擬実験ともいえる手法です。わたしたちは、地球誕生当時に戻ることはできないけれども、実験室で当時と同じような環境をつくりだし、その実験からあることが証明されれば、原始地球でも同じことが起きたということができます。結論が遅くなりましたが、結果は驚くべき事実を含んでいました。この実験から表に示したように、多くのアミノ酸がつくられることが証明されました。簡単な化合物から複雑な有機化合物が火花放電のエネルギーによってつくられるのです。２章のアミノ酸の構造と比べて、どんなアミノ酸がよくできているかみてください。比較的簡単なアラニンやグリシンが多く含まれていますね。原始地球では、火花放電も１つのエネルギー源でしょうが、放射線や紫外線のエネルギーも強かったでしょう。その後、多くの化学者がミラーとちがった条件でこの問題にとりくみました。特にシアン化水素を加えたら、核酸の塩基をつくれることもわかりました。おそらく、原始地球上で当時の豊富なエネルギーをもとに簡単な化合物から複雑な有機化合物がつくられていったことでしょう。このように、簡単な化合物がひとりでに複雑な化合物へとなることを生物進化にたとえて化学進化というようになりました。
高分子有機化合物の誕生
前にも述べましたが、生命をつくる物質、タンパク質、核酸は高分子物質です。タンパク質は、その構成単位の２０種のアミノ酸がペプチド結合でつながったものです。核酸は、その構成単位のヌクレオチドがつながったものです。多糖質はその構成単位の単糖のグルコースなどがつながったもです。脂質自体は高分子ではありませんが、中性脂肪の場合、脂肪酸とグルセリンがエステル結合でつながります。これらの結合にはいずれも脱水結合が共通に使われています。原始地球において、これらの脱水結合反応は簡単におきたのでしょうか？答えはイエスです。例えば、実験室でアミノ酸の混合物を加熱してくと、アミノ酸どうしがペプチド結合でつながったタンパク質ができていきます。１５０℃の加熱によってタンパク質ができていくことがわかりました。原始地球ではこのような環境は十分考えられます。しかし、生命が海の中の水中で起きたとするならば、１５０℃という高温以外で脱水縮合がおきる必要があります。この問題の解決はすぐにみつかりました。適当な触媒があれば、温度をもっと下げても、脱水反応がおきることがわかったからです。図にポリリン酸とよばれる触媒の１つを示しました。この触媒を使えば、水溶液中でも、アミノ酸のつながったタンパク質ができたり、アデニン、リボースとリン酸がつながったアデノシンヌクレオチドができることがわかりました。ポリリン酸は図に示したアデノシン−三リン酸とよく似ていてリボースにアデニンとリン酸が３つ直列につながったものです。英語でAdenosine-5'-triphosphateといい、その頭文字をとってＡＴＰとよばれています。この物質が生体内のエネルギー通貨であることを知っている人はおおいでしょう。１個目のリン酸と２個目のリン酸をつなぐエーテル結合、さらに２個目のリン酸と３個目のリン酸をつなぐエーテル結合の部分を波線〜で表しています。これは高エネルギーリン酸結合とよばれます。リン酸のP=Oの酸素のところがδ−になっていて、１個目と２個目また２個目と３個目のリン酸をつなぐのに、かなりのエネルギーが必要です。したがって、このATPがAdenosine-5'-diphosphate (ADP)とPi [PiとはPのinorganic（無機のリン酸の意）]に加水分解されると、１モルのATPから7.3 kcalのエネルギーが出ます。
ＡＴＰ→ＡＤＰ＋Pｉ＋7.3 kcal
原始地球の早い段階でこのようなATPができていた可能性もあります。そうすれば、生命に必要なタンパク質、脂質、多糖類、核酸といった脱水縮合物ができていったことは容易に類推できます。これまでの化学進化の流れを図に示しました。これらの１つ１つの段階を整理してみてください。
生物進化
生物進化とは生命体の細胞が誕生し、その細胞が進化して現在にいたる永い道のりのことです。この道のりはこれまで話してきた化学進化から順序だって次の段階に入ったというのでなく、本当に偶然に始まったものと考えてください。生命をつくる物質のタンパク質、脂質、多糖類、核酸、無機質などが集まり、細胞がつくられたわけですが、奇跡の出来事だったかもしれません。しかし、いったん細胞生命になると、もうその流れは止まらないのです。ある方向へと走りはじめたのです。その流れ、方向をたどってみることにします。
始原細胞の誕生
永い化学進化の間に生命を形作るタンパク質、脂質、多糖類、核酸（生命物質と呼ぶこのにします。）、それに無機質などは海の中に溶け込んでいきました。しかし、海は広く大きいのです。そこにこれらの生命物質が溶け込んでいたとしても、その量はわずかなものですから、濃度は薄すぎるほどのものであったといえましょう。皆さんに理解してほしいことですが、物質の量と濃度の関係です。生命物質の量を海の水の容量で割ったものが、濃度ですが、生命物質の濃度がいかに薄いものになるかは容易に想像できるでしょう。４章に細胞の電子顕微鏡写真を示しましたが、細胞の中をのぞいてみると、いかに生命物質が濃縮されているかがわかると思います。このような状態とならなければ、細胞生命にはならないのです。海の中に高々生命物質が溶けていたとして、その濃度からは簡単に細胞はできないのです。生命を生み出すには大きなハードルがあったといえます。それを取り除くには、永い年月の間のくり返しによる生命物質の濃縮を考えなければなりません。その生命物質の濃縮が起きるような場所がどこかにあるでしょうか？浜辺の砂浜や粘土質の浜などを考えてみましょう。砂や粘土は有機化合物を吸着する性質があります。永い年月の間に生命物質は浜辺の砂や粘土質の水たまりの中にたくわえられて、その水たまりは蒸発しはじめました。たまたま細胞をつくるのに十分な材料がそろっていた水たまりがあったとしましょう。生命物質は濃縮されていき、ついにリン脂質が膜をつくりました。そして最初の始原細胞ができあがったのです。これはあくまでの想像の世界ですが、この地球に間違いなく少なくとも１回、このような生命の”自然発生”がおきたのです。しかし、このように想像していうと、いとも簡単に細胞ができたと誤解されかねません。わたしたちが実験室で生命物質を混ぜあわせて細胞がつくれたという話しはだれも聞きませんね。この作業はとても偶然としか言い様のないことでした。何億年の自然の試行錯誤の結果が生み出した出来事であり、とても人類が手におえるような代物ではないといってよいでしょう。例えば、せっかく出来上がろうとしていた細胞が大波で押し流されたこともあったでしょう。程よく続いていた日照りが突如大嵐がきて、雨につぶれたかもしれません。とにかく、偶然の偶然によって細胞ができたことを知ってください。しかし、いったん細胞ができると、もう細胞は元に戻れません。新たな流れ、方向をもって歩みはじめます。

細胞のはたらき
細胞はどんなはたらきをするのか考えてみましょう。無生物の世界では、図のように無秩序性が増大していきます。これを熱力学の第二法則といいます。例えば、コンクリートの建物もいくら立派なものとはいえ、だんだんこわれていき、最後にはこわれてしまいます。しかし、細胞は秩序を保とうとします。そのためには、熱をまわりに放つことにもなり、まわりの環境はさらに無秩序性を増すことになります。生命細胞の誕生は環境をさらに無秩序化することになります。こう考えていくと、細胞生命の誕生はまわりの環境を巻き込んだ大きな変化を与えることは必定なわけです。表に細胞生命のおこなう活動をまとめてみました。１．栄養−細胞は自らの生命活動を行うのに栄養が必要です。栄養になるものは、エネルギーをもつ物質です。表のようにエネルギーとなるものはその物質に化学エネルギーとしてエネルギーが貯えられたものです。すべて水素で還元された物質で、それが、糖質、脂質、タンパク質であり、酸素と反応すると燃焼するものです。燃焼したときに化学エネルギーが熱エネルギーになっていることに注意してください。２．呼吸−この言葉は我々が酸素を肺から取り入れ、二酸化炭素を吐き出すことと思っておられる方もいるでしょうが、広義には、栄養物質を取り込み、それを酸素と反応させ、二酸化炭素と水にまで分解し、エネルギーを取り出す過程のことと理解できます。とった栄養をエネルギーに変える必要があるのです。３．増殖−細胞生命は子孫を残すことができます。このことが、実は生命の一番の特徴かもしれません。他にも、生命細胞のはたらきを書いていますが、さしあたり、これらの言葉の意味を理解してもらえば、これからの勉強には十分です。いったん細胞生命が誕生すると、どんなことがおきるのでしょう？まず、始原細胞は栄養をとらなければなりません。その栄養は海に残っていた有機化合物でした。その結果、二酸化炭素が発生します。しかし、当時は地球には酸素はありませんでしたから、
C6H12O6 　　　→ 2C2H5OH　　+　　2CO2
グルコース　　　　エチルアルコール　二酸化炭素
のようないわゆるアルコール醗酵とよばれる無気呼吸でした。無気の気とは酸素のことをいい、無気呼吸とは、酸素のないところで栄養を取り出すことと理解してください。こうして今まで地球にあったとしてもわずかである二酸化炭素ができはじめました。次に始原細胞の中に増殖するものがあらわれると、海の中の有機化合物はあっという間になくなってしまいました。有機物に富んだ海はいっぺんに栄養物のない無機的環境へとなってしまいました。増殖をはじめた始原細胞はもうあとには戻れません。何の計画もないままに突っ走るのと似ています。

生物細胞のみかた

生物をみる時に覚えてもらいたいキーワードがあります。それは、単細胞生物と多細胞生物です。生物にはたった１個の細胞でできている生物がいます。それらは、ゾウリムシ、ミジンコであったりといくつも思い出しますね。中には、大腸菌もそうだなーと答えてくれる人は生物のことをよく知っている人です。ですから、生物をみるにはこの細胞レベルまでものの見方を小さくしてやらなければ答えが出てこなかったのですね。生命とは何かを考えるには、個体レベル、組織・器官レベル、細胞レベルで考えるものの見方を身につけてください。人が個体として生きていることもわかりますし、心臓が器官として動いて生きているのもわかります。さらに、心臓の細胞の１個１個が生命として生きているのも事実です。それから、皆さんが今後勉強する生命系の学問には、細胞レベルの勉強だけでは不足です。プリントを見て下さい。ここに細胞の模式図を示してあります。次に覚えてもらいたいキーワードがあります。それは原核生物と真核生物です。原核生物とは、大腸菌のように細胞にはっきりした核がない生物のことを言います。核とは細胞が分裂する時に２つに分かれていくので、細胞の中できっと重要な役割をしていると知っている人が多いでしょう。その核を持っている生物が真核生物です。この真核生物の中を注意してのぞいてみると、核以外にミトコンドリア、小胞体、ゴルジ体、液胞などいろいろな膜で仕切られた区画があることに気付きますね。これらを細胞内小器官（オルガネラ）と言います。この言葉も重要です。最近の生命科学の勉強では、このオルガネラの理解も大切です。１つ１つの役割はあとで詳しく勉強しましょう。

動物と植物とに分けるのは確かに便利ではあります。ただし、細菌とカビはどうなるの？植物に入れるのか？でも、植物とは光合成をする生物ではないのか？それでは、細菌やカビは？ということになります。したがって、もっとよい分類はないものか？となります。その要望に答えられる１つの分類方法が生物を５界に分ける方法です。

これによると、原核生物をモネラ界の生物とします。真核生物の方は後生動物界、後生植物界、真菌界と原生生物界に４分類します。もう１つ新しい言葉を使います。それは、従属栄養生物と独立栄養生物です。後生動物界の生物は他の生物から栄養分をいただかなくてはならないから、従属栄養生物ですね。他に、真菌界も従属栄養生物です。一方、後生植物界の生物は自分で栄養をつくりだす独立栄養生物です。モネラ界、原生生物界には、従属栄養生物と独立栄養生物の両方がいます。あとで詳しく述べますが、生物は、４０億年という長い歴史の中で今日まで進化してきたのですから、その流れを知る分類は役に立ちます。図の一番上は現在を示していて、下にいくと過去へ過去へと遡ります。したがって、この現在生きている生物の中で一番古くからいるのは、細菌のような原核生物ということになります。それでは、カビはどうなるのかというと、この分類では、真菌界の仲間になるのです。どちらも、従属栄養生物であり、栄養分を奪い合う関係にあり、カビが細菌を殺す物質−私たちはそれを抗生物質と呼んでいますが−をつくりだすのもわけがあるということです。しかも、カビと細菌では真核生物と原核生物というように、大きなちがいがありますから、カビにとって自分には安全で、細菌には有害な物質をつくれるのです。これを選択毒性といいます。抗生物質が人に安全で、細菌だけを殺すのも同じことです。

生体膜
プリントを見てください。リン脂質を水の中に入れてみます。親水性の部分は水分子となじみますが、疎水性の部分は水分子に反発して中へ入り込んでしまいます。そして球形となるのですが、このような状態をリン脂質のミセルといいます。洗剤が何故油よごれを落とせるのかと同じことですね。洗剤もリン脂質と同じく両親媒性の物質で、着物の表面の油よごれをミセルの中に閉じ込めてきれいにしてくれます。次にリン脂質が二重の層になることもあります。もともとリン脂質は円筒形をしていて二重層を形成しやすいのです。このような二重の層が生体の膜をつくることになります。親水性の部分を外側にして、疎水性の部分どうしでくっつきあい、このような層ができます。疎水性部分どうしの相互作用を疎水結合といいます。この結合は水分子と反発することから生じるものですが、疎水性部分は結果としてお互いにくっつきあう性質をもつことになります。シンガーとニコルソン（１９７２年）は生体膜が流動的なモザイク構造をとっていることを示しました。膜はリン脂質の二重の層により形成されていて、その中にタンパク質が膜面に浮かんでいます。もちろん膜の外側にだけ顔を出したもの、膜の内面にだけ顔を出したものもあります。中には膜を貫通して存在したタンパク質もあります。タンパク質のところで述べましたが、タンパク質をつくるアミノ酸の側鎖の中には疎水性のものがあり、膜の内部の疎水性の部分と結合するには、タンパク質の一次構造をつくるアミノ酸配列にこの疎水性の側鎖をもつアミノ酸が集中してあらわれるようなタンパク質もあり、その部位が膜に結合するのに必要なことがわかります（本日のプリント）。さて、この生体膜ですが、もともと膜は硬いものでなく、ゆらゆらと動ける流動的なもので、タンパク質も膜面に固定されたものではなく、膜面を自由に運動できます。その運動ですが、膜面を回転することもできますし、横方向に動くことも可能です。したがって、生体の膜がかちかちのものではなく、ゆらやらと動けるものだとのイメージをもってください。

コレステロール
動物の生体膜をつくるのに、もう１つ大事な物質があります。コレステロールです。コレステロールというと、動脈硬化をおこす悪い物質とのイメージがあるかもしれませんが、膜をつくるのに欠かせない物質です。

図のように、コレステロールは水に溶けにくい疎水性の物質ですが、１箇所だけ親水性の水酸基-OHをもっています。したがって、図のように膜をつくるリン脂質の間に入り込み、膜の動きをにぶらせる働きがあります。もともとリン脂質の脂肪酸の側鎖の部分は屈曲運動をしたり、回転運動をしたりして、膜のゆらゆらした動きをおこすのに働いていますが、図のようにコレステロールがそのすき間に入るとその動きを妨害することになります。表に示したように、赤血球膜やミエリン膜にはコレステロールが多く含まれています。

細胞の微細構造　（細胞内小器官）

オルガネラ（細胞内小器官）の構造と機能
真核細胞では細胞の中に存在する多種多様なオルガネラが細胞の中で独自の生命活動を営み、その活動をうまく連携させて全体として細胞生命が成り立っています。その１つ１つを理解することで、細胞生命というものの輪郭がみえてくるはずです。まずはオルガネラの起源からみてみましょう。
オルガネラの起源
オルガネラがどのようにしてできたのかを知ることは重要なことですが、その起源が確定したのはつい最近のことです。オルガネラの起源を考えるときに、真核細胞よりも起源の古い原核細胞に細胞の中に膜系をもつものがないかみてみるのは面白いことです。真核細胞と原核細胞の中間のようなものがないかみてみようというわけです。プリント図のように細菌のある仲間には細胞膜の一部分にパッチと呼ばれる特殊なタンパク質の一群を集めたものがあります。これらはある１つのはたらき例えば光合成反応などを行なうために膜上に機能的に集団を形成したものです。さらにすすんだ光合成細菌では膜のパッチ部分が内側に陥入してきたもの、完全に膜をつくり光合成反応をその膜の中で行なうものなどがみられます。したがってオルガネラの膜の起源はほとんどが細胞膜に由来したものといえます。プリント図をみてください。核、小胞体、ゴリジ体、リソソームなどのオルガネラはこのように細胞膜の陥入の結果できたものと考えられます。したがって、これらのオルガネラの膜の内側は色を塗り分けているように、細胞膜の外側にあった部分であることがわかります。一方、このようなオルガネラなどとは起源を全く異にするものがあります。それらは、ミトコンドリアや葉緑体であり、真核細胞の中にある細菌が寄生した結果できたオルガネラなのです。この考え方は１つの仮説であると信じられたきましたが、ミトコンドリアや葉緑体の中に含まれる遺伝子ＤＮＡの塩基配列が決定された結果、これらのオルガネラが細菌起源のものであることが確定しました。原核細胞から真核細胞への進化には、細胞膜系の進化が関係していることになります。生命活動に膜が果たしている役割についてはあとで述べることにしましょう。
オルガネラの分離法
オルガネラの１つ１つがどのようなはたらきをもつのか調べるためには、それぞれのオルガネラを細胞から分離してきれいに取り出すことが必要でした。しかし、この方法はまさしく試行錯誤の結果、経験的に得られたものでした。１９５０年代になって電子顕微鏡による細胞内オルガネラの観察がさかんになりはじめると、それらのオルガネラを単離してその中でおこなわれているはたらきが何かを調べようという試みが始まりました。ちょうどそのころ超遠心分離機が開発されて、小さな膜粒子でも遠心分離によって沈澱させることが可能になり、オルガネラの単離方法の開発が一段とすすみました。現在広く使われているオルガネラの単離方法についてみてみましょう。植物細胞は細胞壁があり、組織が硬いために、最初はもっぱら動物の細胞が用いられました。特に、ラットの肝臓は柔らかくつぶしやすいうえに、９０％以上が均質な肝実質細胞であることから広く使われました。まず、ラットから肝臓を取り出し、その血液を生理食塩水で十分取り除き、すりつぶす操作が必要でした。

遠心力は重力gの何倍の力をかけるかで表します。ふつう核だけを沈澱させるには、９００g（およそ３０００回転／分）で１０分遠心分離します。すると、沈澱に核だけがおちてきます。その上澄みをさらに５０００g（およそ７０００回転／分）で２０分遠心分離すると、沈澱にミトコンドリアだけがおちてきます。さらに上澄みを１００００g（およそ１００００回転／分）で２０分遠心分離すると、沈澱にリソソームがおちてきます。次に、その上澄みを１００，０００g（４００００回転／分）で６０分遠心分離します。すると沈澱に小胞体のちぎれた断片のミクロソーム[ミクロソームとは英語でmicrosomeと書き、小さな（micro）袋（some）の意味］がおちてきます。４００００回転／分とは１秒間に７００回近く回転させることになるわけですが、空気中で回すと、摩擦熱が発生し、サンプルは熱でやられてしまいます。したがって、摩擦熱のかからないように、抵抗を少なくするために真空にして回します。このため、ふつうの遠心分離機とは違う超遠心分離機を用います。性能のよい超遠心分離機が開発されたのが、１９５０年ごろで、オルガネラの分離に威力を発揮しました。さて、４００００回転／分６０分間遠心分離したのちの上澄みはいわゆる細胞質の成分であり、ここには膜系のオルガネラが含まれていません。こうやって分離したオルガネラを電子顕微鏡で観察すると、もともと細胞にあったどのオルガネラかがわかります。また、そこに他のオルガネラが混じっていないかも一目でわかります。最初は多くの他のオルガネラの混じりもみられたでしょうが、改良に改良を重ねて、オルガネラの分離精製が行なわれていきました。こうして得られたそれぞれのオルガネラの成分の分析から、それぞれのオルガネラのはたらきが明らかにされていきました。特に、含まれる酵素タンパク質の分析はこれらのオルガネラのはたらきを明らかにするのに決定的に役立ちました。酵素のことについては、あとでくわしく述べることにします。こうして調べられたそれぞれのオルガネラのはたらきについてみていきましょう。
核
細胞にはふつう１個の球状の核が中心にあります。動物の細胞では核の直径は５〜２０μmであり、細胞の直径の１／２から１／３を占めています。ですから、核の体積は細胞の全体積の１０％くらいになります。表に各オルガネラの体積の比率を示しましたが、１個のオルガネラが１０％もの体積を占めるのですから、かなり大きいオルガネラであることがわかります。核は二重の核膜で包まれていて、外側の膜を核の外膜、内側の膜を核の内膜と呼んでいます。核膜のところどころには核膜孔とよばれる穴があります。細胞質と核の間では、いろいろな物質の輸送がさかんにおこなわれていて、それらはこの核膜孔を通して運ばれています。核の内部に目をむけてみましょう。核の内部には遺伝子の本体であるＤＮＡが核タンパク質と結合して染色体をつくっています。ヒト細胞ではこの染色体が４６本あり、６x１０９塩基対ものＤＮＡをもっています。このＤＮＡをのばして１本の糸にすると、２m近くにもなります。これを１０〜２０μmの細胞の中に入れることはたいへんなことです。したがって、図のようにＤＮＡをヒストンとよばれる塩基性（アルカリ性）のタンパク質に巻き付けてぎっしりとつめこんでいるわけです。ＤＮＡは酸性を示す物質であり、塩基性のヒストンタンパク質と静電結合し、安定化されて、機械的に切れやすいＤＮＡの糸を保護しています。核のはたらきは遺伝子ＤＮＡをもち、遺伝をつかさどることです。遺伝とは子孫を残すことと思ってもらっていいですが、遺伝子ＤＮＡは生命活動に欠かせないものです。図に生物学の中心命題（セントラルドグマ）を示しました。ＤＮＡはタンパク質をつくる暗号です。細胞生命の中で一番大事なはたらきをしているタンパク質をつくる素であり、遺伝子ＤＮＡが細胞の司令塔であることになります。また、ＤＮＡは自分自身から自分自身をつくり出す、いわゆる自己複製能力をもっていて、この複製によって生物は種の情報を子孫に伝えていくことが可能になるのです。ＤＮＡがタンパク質を合成する場合には、ＤＮＡの情報はｍＲＮＡに転写されて、そのｍＲＮＡが核膜孔を通って細胞質に出ていき、タンパク質の合成にかかわります。核の内部にはもう１つ特徴的な構造体がみえます。これを核小体といいます。仁とよばれていたものです。核小体では、細胞質のタンパク質を合成する場であるリボソームを絶えずすばやくつくるために、リボソームＲＮＡとタンパク質でできたリボソームの組み立てが行なわれています。ヒト細胞の核小体は図に示したように、１０本の染色体のリボソームＲＮＡをつくるＤＮＡのループが集まり、遺伝についてはのちに詳しく述べますが、図のような集合体を形成しています。この核小体の集合体だけを単離するには、１０本の染色体のＤＮＡループを機械的に切断してやる必要があります。核小体のはたらきは複雑ですが、図のように細胞質から取り込んだリボソームタンパク質と核小体ＤＮＡから転写されたリボソームＲＮＡとから、リボソームの大粒子と小粒子を合成します。核膜孔はこれらの細胞質から核に取り込むタンパク質や核から細胞質へ送りだすリボソームの大粒子と小粒子などを通す重要な穴であることがわかります。
ミトコンドリア
ミトコンドリアmitochondriaはギリシア語のmitos（糸）とchondros（顆粒）から命名されていて、英語では単数形ではmitochondrion、複数形でmitochondriaで英語の複数形を日本語訳に使っています。昔は糸粒体と呼ばれていました。
ミトコンドリアはだ円球状の小体で長径が0.5〜1μmあります。ミトコンドリアはだ円状のラグビーボールのように硬いイメージで思われがちですが、実は運動性のある柔軟なオルガネラであることがわかってきました（図）。常に変型していて、時には分裂しているようにみえることもあります。細胞１個に〜２０００個含まれていますから、表のように、ミトコンドリアの体積の全細胞体積に占める比率は６％にもなります。外膜、内膜の二重の膜でおおわれていています。内膜はひだ状に折れ込んでいて、くしの歯のように突出した部分をクリステと呼んでいます。ミトコンドリアの内膜の中には水溶性の基質部分があり、マトリックスといいます。また、外膜と内膜の間にも水溶性の基質部分があり、そこを膜間区画といいます。外膜は核外膜や小胞体膜などとの共通性もあり、前に示したオルガネラの起源を考えるときに、好気性の細菌が真核細胞に侵入したときの導入の膜であったのかもしれません。ミトコンドリアには環状の２本鎖のＤＮＡがあります。また、ミトコンドリア固有のタンパク質合成系やｔＲＮＡもあります。ＤＮＡはもともとは核にあるはずですが、ミトコンドリアにＤＮＡがみつかったことから、ミトコンドリアは細胞内の独立したオルガネラであり、昔好気性の細菌が真核細胞に寄生し共生生活を始めたのではないかと興味が持たれました。しかし、現在ではミトコンドリアのＤＮＡが非常に小さく（1.4~1.8x105塩基対）、２つのリボソームＲＮＡ、２２種のｔＲＮＡ、１２〜１３個の内膜の呼吸に関するタンパク質をつくるＤＮＡしか持ち合わせていないことがわかりました。ミトコンドリアのタンパク質の大部分は核内のＤＮＡの支配下にあり、合成されたのちミトコンドリアへ輸送されているのです。したがって、ミトコンドリアが独立したオルガネラであることは否定されました。しかし、ミトコンドリアのＤＮＡの塩基配列がすべて決定された結果、その配列が好気性の細菌のＤＮＡの一部と驚くほど類似性がありました。ミトコンドリアの起源は間違いなく好気性の細菌であることを示しています。
ミトコンドリアのはたらきは図に示したように、細胞内に取り入れた栄養物質であるグルコース、アミノ酸、脂肪酸などを代謝して細胞内のエネルギーの通貨であるＡＴＰをつくることです。このＡＴＰをつくる過程には、酸素が必要であり、細胞内の呼吸の場となっています。これらの代謝についてはのちにくわしく述べます。

葉緑体
葉緑体は藻類、高等植物細胞にみられるオルガネラで光合成を行なっています。高等植物の葉緑体はミトコンドリアに比べるとかなり大きく、その直径は５μm、厚さは２〜３μmの円盤状の構造をしています。

葉緑体は二重の膜でおおわれていて、内膜の内側の基質部分（ストロマ）にさらに扁平な円盤状の袋を積み重ねたチラコイドと呼ばれる第三の膜系をもっています。ミトコンドリアも葉緑体も二重の膜でできていますが、葉緑体にこの第三の膜系があるところが、両オルガネラの大きな違いです。葉緑体は色素体（プラスチド）とよばれるオルガネラの１つです。色素体はどの植物細胞にもみられるオルガネラで、二重の膜でおおわれています。色素体は前色素体（プロプラスチド）から生じます。暗所で葉を成育させると、エチオプラストと呼ばれるオルガネラになります。このオルガネラは光合成色素のクロロフィルの代わりに黄色いクロロフィルの出発物質をもっています。エチオプラストに光を当てると、クロロフィルが生じ、新しいチラコイド膜、光合成のための電子伝達系酵素成分などの合成を行ない、葉緑体に発達していきます。図に葉緑体とミトコンドリアを比較しています。葉緑体はミトコンドリアを大きくして、ミトコンドリアのクリステ部分を切り離して、第三の膜系にしたようなものです。葉緑体もミトコンドリアと同様に環状の２本鎖のＤＮＡをもっています。葉緑体のＤＮＡは1.2~2x10５塩基対あり、ミトコンドリアのＤＮＡよりも１０倍大きいことがわかります。
このＤＮＡはミトコンドリアの場合と同じく、リボソームＲＮＡ、３０個のｔＲＮＡをつくっていて、さらに光合成に関わる光化学系�氓竚�化学系��の成分などもつくっています。しかし、葉緑体の場合にも、すべての葉緑体のタンパク質をつくることはできず、核のＤＮＡに依存しています。葉緑体もミトコンドリアと同じく、独立したオルガネラではありません。葉緑体のＤＮＡの塩基配列が決定され、さらに細菌のゲノムＤＮＡが分析され、葉緑体のＤＮＡは意藍色細菌（シアノバクテリア）と類似性を示すことがわかりました。図にミトコンドリアと葉緑体の起源を示しました。葉緑体はシアノバクテリアの仲間が真核細胞に寄生して、共生生活をはじめたものといえます。一方、ミトコンドリアは紅色細菌が真核細胞に寄生して、共生生活をはじめたのでしょう。
葉緑体のはたらきは光合成を行なうことです。光合成には図に示したように明反応と暗反応があります。明反応はチラコイド膜でおきて、光合成色素が光エネルギーを吸収して水（H2O）を分解して、水素原子（H）を取り出します。また、このときに酸素（O2）が生じます。水素原子はH+（プロトン）と電子となり、電子は光合成の反応の場−光化学系�氓ﾆ光化学系��の電子伝達系成分を流れる間に、ＡＴＰが生じ、生体内の還元物質ＮＡＤＰＨができます。葉緑体のストロマでは、明反応でできたＡＴＰとＮＡＤＰＨを用いて、二酸化炭素（CO2）を有機分子と結合させて、最終的にグルコースにします。二酸化炭素のような無機炭素分子を有機分子と結合させるわけで、炭素固定反応ともいわれています。この回路を発見者にちなんでカルビン回路といいます。このくわしい機構についてはあとで述べます。
小胞体
小胞体は管状、扁平な袋状の構造がつらなった迷路のような網目の構造体で細胞質に広がっています。一枚の膜からできています。その容積は表に示したように核と同じかそれ以上を占める大きなオルガネラです。

小胞体を電子顕微鏡で観察すると、管状や扁平な袋がたくさんみえるのですが、実はこれらは１つの連続した構造体を切片にしてみるために、そのような多くの袋としてみえるのです。小胞体には膜面にタンパク質合成の場のリボソームが多数付着した粗面小胞体とリボソームが着いていない滑面小胞体とがあります。粗面小胞体は電子顕微鏡で観察すると、膜面がざらざらしたようにみえ、面が粗いという意味で名付けられました。一方、滑面小胞体では、その膜面が滑らかにみえることから名付けられたものです。図のようにこれだけ大きな１つのオルガネラですから、細胞をホモジナイズすると、小胞体はばらばらにちぎれてしまい、小さな袋になってしまいます。その袋のことを小さな（micro）袋（some）という意味からミクロソーム（microsome）とよんでいます。粗面小胞体からちぎれたミクロソームにはリボソームがついたままで、滑面小胞体からちぎれたミクロソームとは形態的にも物理的にも区別ができます。前に述べたように、ミクロソームは超遠心分離機によってはじめて分離が可能ですが、粗面ミクロソームと滑面ミクロソームはショ糖の密度勾配を利用した超遠心分離操作でお互いを分離することができます。このようにして分離した粗面ミクロソームと滑面ミクロソームのはたらきをしらべることができます。
　粗面小胞体ではリボソームがありますから、タンパク質の合成を行なっています。そのタンパク質とは小胞体、ゴルジ体、リソソーム、細胞膜に存在するタンパク質、そして細胞外へ出ていくタンパク質（分泌タンパク質）であり、ミトコンドリア、葉緑体、核、ペルオキシソーム、細胞質のタンパク質は細胞質に遊離の形で存在するリボソーム（遊離リボソーム）でつくられています。オルガネラの起源のところで述べたように、小胞体、ゴルジ体、リソソーム、細胞膜はその起源の面から共通性があるのですが、タンパク質の合成という面からみても類似性をもつことがわかります。粗面小胞体でのタンパク質の合成がどのようにしておきるかその概要をみてみましょう。

図のように、細胞質にあるリボソームの大小粒子の共通プールから、タンパク質合成を始めたリボソーム大小粒子が小胞体膜に結合します。

この結合の引き金になっているのは、タンパク質合成を始めた最初の２０〜３０個のアミノ酸のつながりのペプチドです。信号ペプチドという意味でシグナルペプチドと呼ばれ、シグナル認識粒子タンパク質がそれを小胞体膜につれていきます。小胞体膜にはシグナル認識粒子を結合する受容体があり、リボソーム大小粒子は小胞体膜に結合します。そして、小胞体膜上ではじまり、つくられたタンパク質はアミノ酸のつながりの線状になって、小胞体の中に挿入されていきます。
小胞体は細胞内の膜の表面積の５０％以上を占めていて、細胞内の油脂成分を溶かしやすい性質をもっています。滑面小胞体では、そのような水には溶けにくいけれども、油に溶けやすいステロイドホルモン、不飽和脂肪酸の生合成などが行なわれています。また、肝臓の滑面小胞体には薬物を酸化したり、水溶性の物質を抱合したりして解毒する薬物代謝酵素系があります。
ゴルジ体
　ゴルジ体は１９世紀末にイタリアのゴルジ（Golgi）が発見したオルガネラで、発見者に因んで名前がついています。ゴルジ体はふつう核の近くにあります。ゴルジ体は扁平な袋が平行になって重なりあった構造をしています。一枚の膜でできています。

図のように４〜６個の扁平な袋の集まりをゴルジ層板といます。核に近い方のゴルジ体の面をシス面、その反対で細胞膜のほうに向かった面をトランス面とよんでいます。
ゴルジ体では小胞体でできたタンパク質を小胞を仲立ちにして受け渡しをしています。小胞はゴルジ体と融合して、タンパク質はゴルジ層板の中を通過していきます。この過程で、タンパク質に糖鎖が付加されていきます。そして、糖鎖をつけたタンパク質はトランス面からできる小胞の中に濃縮されて、目的の場所、細胞膜、細胞外やリソソームに運ばれていきます。一方、細胞外のタンパク質なども初期エンドソーム、後期エンドソームを経由して、ゴルジ体に行き着き、小胞体に運ばれることもあります。このように、ゴルジ体はいろいろな物質をシス面からトランス面の方向に運ぶだけではなく、細胞外からの物質を運ぶ両方向の運搬をしています。

リソソーム

リソソームとはギリシア語でlyso（溶かす、ばらばらにする）＋some（袋、小胞）の意味であり、一重の膜でできています。大きさは0.05〜0.5μmと幅があり、内部にいろいろな加水分解酵素を含んでいます（図）。生体内の分子が高分子でできていることは前に述べました。タンパク質、多糖質、ＤＮＡ、ＲＮＡなどはそれぞれそれらの単位を構成する物質が脱水反応で縮合して大きな高分子になったものでした。高分子になると一般に水に溶けにくくなりますが、それらの高分子を加水分解して、それらの単位物質にまで分解すれば、また水に溶けやすくなります。リソソームは細胞内の不要になったこれらの高分子物質を加水分解して元の構成単位にまで分解して、それらを新たな材料にしています。水に溶けにくい高分子を加水分解して水に溶けやすい構成単位物質にばらばらにしてしまうとの意味から、リソソームが融解する袋であるとうなずけます。何故そのような袋の中で不要な成分を分解しなくてはならないのでしょうか？膜で閉じ込めた袋の中で分解作業を行なうことで細胞質の必要な成分まで分解しないようにしているのです。また、リソソームの内部はpHが５程度になっていて、この酸性のpHの条件で内部の加水分解酵素群は働くようになっています。もしも、これらの酵素群が外に漏れ出ても、外の細胞質のpHが7.2ですから、細胞質の成分は分解しないようになっています。このように二重のガード機能で、リソソームは不要な成分だけを膜の内部だけで分解するようにしています。
不要な成分はリソソームにどのようにして運ばれるのでしょうか？不要な成分といいましたが、いろいろなものがあります。単なる高分子のこともあれば、オルガネラそのものであったり、細菌細胞丸ごとのこともあります。また、不要というよりも、中には細胞外から必要な成分をこの経路で加水分解しているときもあります。まず第一の経路では、そのような成分を細胞外からエンドサイトーシスとよばれる方法で細胞内に取り込みます。エンド（endo）とは内部のことで、サイト（cyt）は細胞のこと、オーシス（osis）は条件のことであり、細胞内に取り込む過程のことをいいます。エンドサイトーシスで取り込まれた物質は初期エンドソーム、後期エンドソームとよばれる小胞を経由します。小胞体、ゴルジ体で経由でつくられた加水分解酵素群は後期エンドソームに運ばれて、リソソームができ加水分解がはじまります。ヒトの細胞にとって細菌やウィルスなどは危険なものです。このような危険な病原細菌などを細胞は食作用で取り込みます。それはファゴソームとよばれる食胞となって二次リソソームとなり、細菌細胞は丸ごと分解されて、不要な残余小体は細胞吐出で細胞外へ出ていきます。これらの２つの分解の経路は細胞外のものを分解することから、他食作用とよばれています。一方、細胞内にも不要になったものがたくさん出来てきます。細胞内の物質やオルガネラにも寿命があり、常に新しい物質やオルガネラを作ってやらなければなりません。例えば肝臓のミトコンドリアの寿命はおよそ１０日間であり、寿命がすぎたミトコンドリアを小胞体由来の膜が取り囲み自食胞（オートファゴソーム）とよばれる袋をつくります。自食胞はリソソームと融合してミトコンドリアの分解が行なわれます。このように、細胞内の物質やオルガネラを分解することを自食作用といいます。
液胞
植物には液胞とよばれる大きな袋があります。ふつう細胞あたり数個の液胞があります。液胞の占める割合は３０％くらいですが、時には９０％以上になることもあります。液胞は植物にのみみられるオルガネラのように思えますが、リソソームとよく似ていていろいろな加水分解酵素群を含んでいます。しかし、液胞のはたらきはリソソームと違って、物質の分解だけでなく、栄養分と老廃物の貯蔵庫のはたらきも持っています。また植物がしおれないように水分を保つ袋として、圧力を細胞壁にかけていることにもはたらいています。
ペルオキシソーム
　ペルオキシソーム（peroxisome）は英語のperoxide（過酸化物）を含む袋（some）という意味からきています。直径0.3〜1.5μmの一重膜のオルガネラで、大きさはミトコンドリアより小さめです。ペルオキシソームのタンパク質は遊離のリボソームでつくられていますから、ミトコンドリアや葉緑体と同じような関係にあるオルガネラでしょう。しかし、ペルオキシソームにはミトコンドリアや葉緑体のようにDNAがありませんから、細菌に由来したものではなく、起源は小胞体のように、細胞膜に由来するものかもしれません。
ペルオキシソームでは、酸素を利用して物質の酸化反応がおこなわれています。ただし、ミトコンドリアのように酸化的リン酸化によるATPの合成はおこなわれていません。このオルガネラではミトコンドリアでは行なわれていない独特の酸化反応が行なわれています。例えば、ペルオキシソームにはカタラーゼやペルオキシダーゼを含み、過酸化水素の分解が行なわれています（図）。過酸化水素は我々の皮膚につくと、皮膚を漂泊する作用があり、有害な物質です。過酸化水素は細胞内でどうしてもできてくる有害なものですから、分解してやらなければなりません。また、ペルオキシソームにはD-アミノ酸酸化酵素が含まれています。D-アミノ酸とはタンパク質に含まれるL-アミノ酸の立体異性体なのですが、このアミノ酸はタンパク質には使えません。タンパク質をつくる材料はL-アミノ酸だけです。したがって、細胞内にあるD-アミノ酸はすべて分解してやる必要があるのです。このように、ペルオキシソームではミトコンドリア以外に酸素を使うオルガネラであり、独特の酸化反応をになうオルガネラとして進化してきたものといえます。
オルガネラの細胞内における意味
　真核細胞の中にはこれまで述べてきたように、多くの異なるオルガネラが存在しますが、どうして膜で閉じ込めた区画が必要なのでしょうか？そのわけを図に示しました。大きく３つのことがあげられます。第一は、オルガネラをもつことで、細胞質と膜で区切られた区画をもつことで、その区画の中で細胞質の化学反応に影響を受けずに独自の化学反応をもつことができます。リソソームのところで述べたように、不要な物質の分解は細胞質の大切な物質を分解してしまうことにもなりますから、膜で仕切ることは非常に有効です。第二には、膜で仕切られた区画の中でそこに含まれる物質を濃縮して、反応を効率よく行なうことができます。反応に関わる酵素を濃縮することもできますし、化学反応を起こす物質そのものを濃縮することも可能です。第三には、膜における化学反応の効率化です。この例として、ミトコンドリアのＡＴＰ合成、葉緑体における光化学反応などがあげられます。詳しくはあとで述べます。このように膜で仕切られた区画をもつことにより、細胞内ではいろいろな生命活動の分業とその見事な連携がおこなわれているわけです。
膜系オルガネラ以外の構造体
　オルガネラとは膜系から成る細胞内小器官だけでなく、膜からできていない構造体もオルガネラに含めるとの考え方もあります。ここでは、膜系から成る構造体をオルガネラとよぶことにします。したがって、細胞内にみられる膜系から成り立っていないものを構造体といい、区別して考えてみましょう。膜系から成り立っていない構造体にはリボソームや細胞骨格系の中心体などがありますが、特にリボソームは膜系から成るオルガネラに比べてはるかに小さいからです。
リボソーム
リボソームは直径１０〜１５nmの大小２つの粒子からできた粒子で電子顕微鏡でのみ観察できます。リボソームはタンパク質合成の反応の場ですが、タンパク質合成反応ほど複雑で込み入ったものはありません。

その反応の場であるリボソームは図のように多くのタンパク質と数種類のＲＮＡからできています。原核生物、真核生物のリボソームを比べると、真核生物のリボソームの方が原核生物のリボソームよりも大きいことがわかります。リボソームの大きさは超遠心分離機によって沈降させたときの沈降速度"S"値であらわします。原核生物のリボソームの大小２粒子の大きさはそれぞれ50Sと30Sとなるのに対して、真核生物のリボソームでは大小２粒子の大きさは60Sと40Sです。また、含まれるタンパク質の種類も真核生物のリボソームの方が原核生物のリボソームよりも多いことがわかります。リボソームは図のように、電子顕微鏡では電子密度の高い粒子として観察されます。リボソームの構造と機能の特徴については、生命の伝わりのところで詳しくみることにします。

細胞骨格

細胞は細胞質全体にタンパク質でできた繊維を張りめぐらせています。この網目はふつうの細胞観察ではみえてこなかったのですが、タンパク質を染色する色素のクマシブルーで細胞を染色すると、その網目がみえてきます（図）。この網目構造は真核細胞にのみみられるもので、原核生物である細菌の細胞にはみられません。これらの構造を総称して細胞骨格といいます。骨格というと、硬い骨を想像しがちですが、それらは柔軟性に富んだ構造であり、細胞が形を変えたり、分裂したり、運動したりするときにはたらく動的なものです。

細胞骨格にはアクチンフィラメント、微小管、中間径フィラメントの３つに分けられます。これら３つの成分をくわしくみてみましょう。
アクチンフィラメント
アクチンフィラメントとはアクチンとよばれるタンパク質の繊維です。アクチンは全細胞タンパク質の５％以上を占める真核細胞に最も多くみられるタンパク質です。アクチンフィラメントでは会合した２つのアクチン分子がその単位をつくっていて、それがらせん状に繊維をつくっていきます。アクチンフィラメントは直径が５〜９ｎｍあり、柔軟性に富んだ構造になっています。それは連なって直線状の束になったり、平面的な網目構造になったり、ときには固形状のゲルになったりします。アクチンフィラメントは細胞膜のすぐ下の皮層に集中していて、細胞を機械的な衝撃から守ったり、細胞内部の細胞質の成分を外に逃がさないように守ったりしています。
微小管
微小管はチューブリンとよばれるタンパク質が集まってできた長い中空の筒になっています。直径は２５ｎｍで、アクチンフィラメントに比べて固い曲がりにくい管です。管には極性があって、一方の端をプラス端、もう一方の端をマイナス端とよんでいます。微小管のマイナス端は中心体とよばれる構造体に埋め込まれています。プラス端の方は遊離していて、チューブリン分子を会合させて急速に伸び出したりできます。微小管は細胞内で物質の輸送に関係していることがわかってきました。微小管は固い曲がりにくい構造体ですが、実は列車のレールの役割をしているのです。

図のように微小管に結合するモータータンパク質があり、キネシンとよばれるモータータンパク質はマイナス端からプラス端へ"荷物"を運びます。逆に、ダイニンとよばれるモータータンパク質はプラス端からマイナス端へ"荷物"を運びます。"荷物"となるものは、高分子だけでなく、ミトコンドリアのようなオルガネラのこともあります。細胞分裂の際の染色体の両極への移動もこの微小管のはたらきによるものです。細胞内での物質やオルガネラの輸送や運動に微小管がレールの役割をしているのです。
中間径フィラメント
中間径フィラメントはロープ状の繊維で、直径はおよそ１０ｎｍです。中間径フィラメントは強くて丈夫なタンパク質の繊維で、核ラミン類、ケラチン類、ビメンチン、ニューロフィラメントタンパク質類などのタンパク質から構成された繊維タンパク質です。中間径フィラメントのあるものは核ラミナとよばれ、核の内膜に固く編んだかごのようになってはりついています。また、ケラチンから成る中間径フィラメントは核を包むようにして、細胞の中心に据えたりしています。さらに、中間径フィラメントには細胞と細胞をまたいでつながっていて細胞間を接着させるものもあります。

代謝に関わる酵素

生体内の温度は恒温動物では３５〜３７℃ぐらいですが、風呂の温度４１〜４２℃よりもやや低めの温度です。植物の場合には、外気温度に影響されますが、日本では夏に４０℃をこえることはめったにありませんから、風呂の温度以下と考えてよいでしょう。３５〜３７℃は温度として高いでしょうか？それとも低いのでしょうか？自動車のエンジンを考えてみてください。自動車のエンジン内では、ガソリンを爆発させてそのエネルギーを動力エネルギーにかえています。エンジンの内部の温度は数千℃になっていますから、それに比べれば、生物の温度ははるかに低いですね。しかし、世界の陸上競技の１００mのトップランナーたちは瞬間的には平均時速４０km／hで走ることができます。アフリカにいる動物チーターは１１０km／h以上で走れるといいますから、自動車顔負けです。どうして、生物は低い温度でこのような仕事ができるのでしょうか？それは細胞内の代謝の化学反応には、自動車のエンジンにはない酵素という触媒が用いられているからです。触媒という言葉は聞き慣れない言葉かもしれませんが、化学反応の速度を高める物質をいいます。ふつうの化学工場で行なわれている化学反応にもよく触媒を使っています。触媒は化学反応の速度を早くしますが、自分自身は何ら変化を受けません。

図のように、Xという物質がYという全く構造のちがう物質に変化するとき、必ず一度エネルギー状態をあげてやらないといけません。そのエネルギーの上がった状態をむずかしい言葉ですが、遷移状態といいます。そのエネルギーレベルの差のことを活性化エネルギーといいます。ふつう触媒はこの活性化エネルギーを小さくして、化学反応速度を速めています。酵素はタンパク質でできています。酵素が触媒になると、その活性化エネルギーをより小さくすることができるのです。なぜ酵素タンパク質はこの活性化エネルギーを小さくするのでしょう？酵素の触媒する物質のことを基質といいます。酵素のことを英語でEnzyme、基質のことをSubstrateといいます。酵素反応を式にすると、
E+S�ﾌES→E+P
ここで、E:　Enzyme（酵素）、S: Substrate（基質）、P: Product（生成物）です。
基質Sは必ず酵素Eと複合体ESをつくります。そして基質が酵素タンパク質の大きな高分子の基質結合部位に結合することにより、活性化エネルギーを小さくすることが可能となるのです。まず、酵素がいかに効率よく化学反応を触媒するか少し漫画的かもしれませんが紹介しましょう。今基質の○と△から生成物□ができる化学反応を例に考えてみましょう。化学反応式であらわすと、
○+△�ﾌ□
になります。図のように、○と△をビーカーの水の中に溶かしてみましょう。○と△から□ができるには、○と△は衝突しなければ反応は起きませんね。しかし、ビーカーの水溶液の中では○と△はお互いに運動はしていますが、衝突の確率は非常に低いのです。では、その確率をあげるよい手立てはないものかとなります。１つはビーカーに熱をかけることでしょう。そうすると、水溶液中の○と△の運動が早くなり、衝突の確率はあがるでしょう。それでも簡単には○と△から□はできないのです。ところが、酵素タンパク質の場合には、○と△がすっぽり収まる基質結合部位をもっています。しかも、この酵素タンパク質は○と△が居ながらにして接するように設計されています。つまり、衝突の確率を１にするように設計されているのです。しかも、○と△が酵素タンパク質に結合すると、酵素タンパク質の基質○と△がくっついた部分の構造を□にかえるような局所的な変化がおきて○と△から□ができやすいように、はたらいてくれます。このようなタンパク質の立体構造の局所的変化を引き起こすにはタンパク質分子が大きくなければなりません。

図に書いているように、タンパク質分子の基質結合部位から遠くはなれた部位がいくつか集まって応力のようなものをはたらかせるのです。タンパク質分子は決してかちかちの固定したものではなく、常にゆらゆらしたゆらぎをもっています。柔軟性のある分子なのです。よって、基質結合部位を○と△から□にかえるようなことができるのです。この議論と酵素が活性化エネルギーを下げることとどう結びつくのでしょうか？
　今、セリンプロテアーゼを例にとって考えてみましょう。酵素の名前をつけるときには英語で語尾に-ase（アーゼはドイツ語読みです。日本人は医学や化学を明治時代にドイツから取り入れたので、アーゼと言ってます。ちなみにアメリカ人はエイスと発音します）をつけるように決まっています。プロテアーゼとはタンパク質（protein）を分解する酵素のことです。タンパク質はアミノ酸がペプチド結合により長く連なったものです。そのペプチド結合を加水分解反応によって切断するのがプロテアーゼです。反応を簡略にするために、基質としてアミノ酸がいくつかつながったペプチドにして話しをすすめます。セリンプロテアーゼの１つキモトリプシンは、２４５個のアミノ酸からできた酵素タンパク質です。その活性の中心には１９５番目のアミノ酸であるセリンの側鎖、５１番目のアミノ酸であるヒスチジンの側鎖があり、酵素の基質と相互作用をしています。前に述べたように、基質から生成物になるときには、遷移状態というエネルギーの高い状態になる必要がありますが、実は基質分子は形や電子分布のちがういくつもの中間体をつくりながら最終生成物になっていきます。そのうち最も不安定なエネルギーの高いものが酵素の結合部位に結合しやすくなっています。この結合が基質分子の遷移状態のエネルギーを低くすることになります。

図のように、基質ペプチドが活性中心に結合し、いろいろな中間体基質をつくりながら、基質ペプチドを加水分解していくことをみてください。このとき重要なことは、加水分解をうけて２つに切断されたペプチドが酵素から離れたならば、酵素はもとの状態にもどっています。酵素自体は何ら変化をうけていません。そして、次にまた同じ基質ペプチドが同じ場所に結合し、同じ反応をくり返すのです。ふつう、酵素は１秒間にこのくり返しを１０００回以上行なっていることが多く、１００００回になることもまれではありません。このくり返し、回転のことを酵素の代謝回転といます。生体内の化学反応がいかにすばやくおこなわれているかがわかります。
　酵素がはたらかないと、生命活動は成り立ちません。人の栄養のところで、ビタミンの話しをしました。ビタミン欠乏症という病気を知っていますか？例えば、ビタミンB１が欠乏すると、脚気という多発性神経炎という病気になります。

この原因は、ビタミンB１であるチアミンピロリン酸という物質がピルビン酸デヒドロゲナーゼとよばれる酵素のはたらきを助ける補酵素としてはたらいていることと関係しています。ビタミンB１が欠乏すると、その酵素のはたらきが悪くなり、エネルギーを体内で生み出せにくくなるために起きるのです。遺伝のところでも述べますが、先天性の代謝異常をおこす病気もたくさんあります。この場合の多くは、突然変異によって酵素タンパク質がはたらかなくなるためにおきます。フェニルケトン尿症では、図（板書参照）のようにアミノ酸のフェニルアラニンをチロシンという別のアミノ酸に代謝するフェニルアラニンヒドロキシラーゼがはたらかないために、体内にフェニルピルビン酸が蓄積し、知恵遅れをおこしてしまいます。酵素のはたらきが生命活動を遂行するのに欠かせないものであることがわかります。これから生命科学分野で勉強する皆さんにとって、酵素の勉強は大切な１つです。英語を学ぶのに、英単語が必要なように、生命活動の勉強には、代謝の１つ１つを勉強し、その代謝反応を触媒する酵素の１つ１つを勉強していくことが必要です。１つ１つの酵素が生体内でどんな意味をもつのか、その酵素がなかったら、人は生きていけるのか？生きていけるとしてもどんな病気を引き起こすのだろうか？などを考えながら勉強していけば、酵素についても興味がわいてくるかもしれません。

遺伝子ＤＮＡのしくみ
遺伝子ＤＮＡの勉強をしていて、皆さんまだわからないことがたくさんあるはずです。遺伝子ＤＮＡはどんな働きをもっているのか？これまで学んできた遺伝とＤＮＡの複製がどのように関係しているのか？など未解決のままですね。先に答えを言ってから、学んだ方がよいと思います。下に生物学のセントラルドグマを示します。

セントラルとは中心のことです。ドグマとは命題のことです。したがって、生物学の中心命題と日本語訳されています。生物学には、物理学や数学などの法則と呼ばれるものはあまりないのですが、遺伝子ＤＮＡがどんなはたらきをしているのか、それがはたらく時にはどのようにしてはたらくのかについて、中心命題という法則があることがわかりました。これはどの生物にも当てはまるもので、ＤＮＡ→ＲＮＡ→タンパク質という流れがあるのです。ここに複製以外に新しい言葉が登場しました、それは、転写、翻訳です。ｍＲＮＡも耳慣れない言葉である人もいるでしょう。今すべてを理解しなくてもけっこうです。これを見て、２つだけ、驚いてほしいことがあります。１−ＤＮＡは自分自身から自分をつくる複製ができること。２−ＤＮＡは実はタンパク質をつくる暗号であること。この２つを頭に入れて、複製、転写、翻訳について説明していきましょう。
ＤＮＡ複製
まず、ＤＮＡ複製から説明していきましょう。これまで何度も述べてきましたが、生命のいちばんの特徴は子孫をつくれることでした。むずかしい言葉では、自己複製能力があることです。生物学のセントラルドグマを見てわかるように、矢印が丸くなっていて、自分から自分に戻ってきていますね。これが大切なところです。これまで学んできたように、ＤＮＡは自分自身から全く同じＤＮＡのコピーをつくれるのでした。そのわけは、ＤＮＡの塩基がA=T, G≡Cの塩基の相補性の原理で結びつくからでした。簡単な原理が複製を支えているのです。子孫をつくることは、すなわち親のもっているものを子、孫へと受け継いでいくことなのですが、ＤＮＡという単純な物質にのみこの複製能力があり、ＤＮＡが親から子へ、子から孫へと伝わり、遺伝が可能になるのです。
ＤＮＡ複製のしくみ
図に示したように、ＤＮＡが複製されるときに二重らせんのリボンがほどけながら、そこに新たなリボンが巻き付いていきながら複製がおきると信じている人も多いかと思います。しかし、この単純なモデルはＤＮＡの構造を知る人には矛盾を含んでいます。ＤＮＡの構造をもう一度思い出してください（板書予定）。板書のようにＤＮＡの鎖の一方は上側が5'-末端であり、下に向かって3'-末端へと伸びています。ところが、もう一方の鎖は二重らせんをつくる時には、下側が5'-末端であり上に向かって3'-末端へと伸びています。ＤＮＡは図のように、dATP, dGTP, dCTP, dTTPと呼ばれるヌクレオチドをＤＮＡポリメラーゼという酵素でつないでいきます。ポリメラーゼというのは、英語でpolymeraseと書き、ＤＮＡがつながって高分子となったポリマー（polymer）をつくる酵素（ase）という意味です。この時には、必ず5'-末端から3'-末端へとヌクレオチドをつないでいきます。ちょうど、アミノ酸を使ってタンパク質をつくる時にN-末端からC-末端へとアミノ酸をつないでいくように、ＤＮＡの複製−合成にも方向性があるのです。そうすると、１つのＤＮＡの鎖は下から上に5'-末端から3'-末端へと合成できますが、もう１つの鎖は下から上に合成がおきるのならば、3'-末端から5'-末端へと合成することになり、矛盾が生じます。

ＤＮＡの複製は図のようにＤＮＡフォークと呼ばれるように、ＤＮＡが開いて複製が始まります。5'-末端から3'-末端へと複製が連続しておきるもとの鎖をリーデイング（進む）鎖といいます。一方、合成がうまくいかないもとの鎖ですが、実際にはいくつかのＤＮＡの断片を不連続的に合成し、それをあとでつなぐ操作をしていることがわかりました。この断片（フラグメント）は発見者の岡崎令治（１９６６年）によって岡崎フラグメントと呼ばれています。岡崎フラグメント自体は5'-末端から3'-末端へと合成していて、ＤＮＡ合成の方向性は規則通りになっています。不連続的にＤＮＡを合成する方のもとの鎖のことをラギング（遅れる）鎖と呼んでいます。
生物の形質発現
これまでに、生物学のセントラルドグマのうち、ＤＮＡの複製に関わる問題を扱ってきました。これからは、遺伝子ＤＮＡのもつもう１つの重要なはたらきである生物の形質発現について考えてみましょう。生物にはいろいろな性質があります。まず、大きさに目をむけてみましょう。映画でジュラシックパークが大流行したので、昔恐竜が住んでいたことに驚きをもつ人が増えたことでしょう。現在生息する生物の中で最大のものはゾウの仲間でしょう。それでは、最も小さい生物というと、カの仲間もその１つでしょう。このように、生物には大きさだけみても驚くほど大きいものから、驚くほど小さいものまでいろいろです。細胞の大きさはこの２つの種で大きく違いはないでしょうから、大きさの違うわけは全体の細胞数の違いということも皆さんおわかりでしょう。では、何故、細胞の数を変えてもよいような生命ができるのか？それは、ゾウやカ自身のもつＤＮＡの中にその不思議が潜んでいて、その不思議を実体化しているものはまぎれもなくタンパク質です。人を例にとるなら、背が高い低い、足が長い短い、手が長い短い、指は太い細い、どれをとってもその形質を決めているのはタンパク質なのです。前にも、述べましたが、タンパク質は５０個以上のアミノ酸でつくられていて、そのアミノ酸には２０種類もの違ったものがあります。一番小さいタンパク質をつくる組み合わせであっても、２０x２０x２０x・・・・・x２０と５０回２０をかけるのを繰り返すと、２０５０通りにもなります。このようにタンパク質をつくる組み合わせはほぼ無限に可能なわけで、その中にはきっとゾウをつくるのに、大事なはたらきをするタンパク質やカをつくるのに大事なタンパク質があることでしょう。前にも述べたように、ＤＮＡはタンパク質をつくる暗号となっているのです。これから、どのようにして、ＤＮＡからタンパク質がつくられていくのか考えていきましょう。
転写
もう１つの核酸−ＲＮＡ
生物学のセントラルドグマから明らかなように、ＤＮＡは直接にタンパク質をつくりません。間にＲＮＡという別の核酸を介してタンパク質をつくります。前にＤＮＡとＲＮＡの違いを化学的に勉強しました。ＤＮＡのもつ糖はデオキシリボースで、ＲＮＡのもつ糖はリボースでした。それから、ＤＮＡの使う塩基はATGCでしたが、ＲＮＡではAUGCでした。ＤＮＡは二本の鎖でできていますが、ＲＮＡはふつう一本鎖です。ＤＮＡとＲＮＡでは性質が大きく異なっています。ＤＮＡは二本鎖でできており、非常に安定です。例えば、９５℃にしても二本鎖が一本鎖になるものの、壊れることはありません。弱アルカリ性にしても壊れません。ところが、ＲＮＡは弱アルカリ性にするだけで簡単に壊れてしまいます。このような安定性の違いを生命は見事に利用しているのです。ＤＮＡは子孫へと伝えていかねばならない生命の源ともいえる物質ですから、安定でなければなりません。一方、ＲＮＡはタンパク質をつくるために一時的に介在する橋渡しの役目をもっていますから、タンパク質をつくる役目を終えたのならば、すみやかに壊れることが必要なのです。ここで、ＲＮＡとＤＮＡのどちらが先に地球上にあったのか考えてみましょう。これを考える１つの化学的な根拠は両者の糖の構造の違いにあります。ＲＮＡをつくるリボースとＤＮＡをつくるデオキシリボースですが、特殊なのはデオキシリーボースの方です。天然にあるリボースをわざわざ還元してつくる必要があります。細胞内では、リボヌクレオチドをつくった後にそれをリボヌクレオチド還元酵素という特殊な酵素によってＤＮＡにします。このことは、地球上に生命が誕生して以来、遺伝物質としてまず使われたのはＲＮＡであり、その後、より安定なＤＮＡを遺伝子とする生命世界がつくられたという考えを支持しています。いずれにせよ、ＲＮＡはその不安定性を生かして、ＤＮＡとタンパク質を結び付ける役割を今日まで持ち続けてきたのでしょう。
ＲＮＡの種類
ＲＮＡにはその働きの違う３つのＲＮＡがあります。まず、ｍＲＮＡはmessenger RNAの頭文字のmをとったもので、日本語では伝令ＲＮＡといいます。ＤＮＡの塩基配列を塩基の相補性の原理にしたがって、間違いなく読み取ってつくられたものです。この時に、これまで注意していなかった新しい約束事が生じます。それは、A=T, G≡Cの塩基の相補性の原理の上にもう１つA=Uの塩基の相補性原理を加えなくてはなりません。ＲＮＡの塩基はAUGCでできているので、ＤＮＡにある塩基のＴの代わりにＵを使わなければなりません。したがって、ＤＮＡにＡがきたらA=Uで、TがきたらT = Aで、GCはきたらG≡Cの塩基の相補性の原理でＤＮＡの情報をＲＮＡに写し換えます。このＤＮＡをＲＮＡにすることを転写といいます。ＤＮＡの情報を間違いなく転写されたものが、ｍＲＮＡであることになります。ｔＲＮＡはtransfer RNAの頭文字のtとったもので、日本語では転移ＲＮＡといいます。Transferとは例えば権利をある人から違う人へ移転させるような時に使う言葉で、移転をひっくり返して転移という言葉をこの場合つかっています。ｔＲＮＡはタンパク質をつくる構成成分のアミノ酸を運んでくるＲＮＡのことです。rＲＮＡはribosomal RNAの頭文字のrをとったもので、タンパク質をつくる場を提供しているＲＮＡです。ｔＲＮＡとrＲＮＡの構造の詳細については、翻訳のところで話します。
転写の実際
ＤＮＡが転写されてｍＲＮＡができるときには、プリント図のようにＲＮＡポリメラーゼという酵素がはたらきます。ポリメラーゼのことはＤＮＡポリメラーゼのように、ＲＮＡポリマーをつくる酵素の意味です。遺伝子ＤＮＡには、プロモーターとよばれるＲＮＡポリメラーゼの結合する部位があります。そこから転写が始まります。材料はATP, UTP, GTP, CTPとよばれるヌクレオチド−三リン酸です。遺伝子ＤＮＡには、ＲＮＡポリメラーゼが開始地点を認識する特別な塩基の配列があります。また、転写を終了するＤＮＡの特別な塩基配列ももっています。転写の終了を示す塩基配列のところまでくると、ＲＮＡポリメラーゼはＤＮＡからはずれて完成したｍＲＮＡもＲＮＡポリメラーゼからはずれます。転写の際にはＤＮＡ複製と同様に方向性があります。5'-末端から3'-末端へとリボヌクレオチドをつないでいきます。したがって、ＤＮＡの二本鎖のうちの一方すなわち3'---------------5'の向きのＤＮＡの塩基を相補性原理によって転写していくことになります。プリント図では、左から右へと転写するように示しましたが、プリント図のＤＮＡの右から左に5'---------------3'の鎖のＤＮＡを転写することはないのだろうかと疑問をもつ人もいるでしょう。実は図に示したＤＮＡの右側もしくは左側のどちらにＲＮＡポリメラーゼが結合するかは、開始地点を認識する特別な塩基配列部分が決定しています。ふつう、その配列はＤＮＡを左から読んだ場合または右側から読んだ場合のいずれか一方にしかありません。したがって、転写に使われるのは、ＤＮＡの二本鎖のうちの一方だけということになります。図に示したように、ＤＮＡの転写によって作り出されたｍＲＮＡはＤＮＡの転写に利用されなかったＤＮＡとよく似ていることになります。ただし、Ｔの代わりにＵが使われているところが違っています。また、言うまでもないことですが、ｍＲＮＡに使われている糖はリボースです。
転写の様式
真核細胞と原核細胞とでは、転写のやり方に違いがあることが知られています。まず、原核細胞では、プリント図のようにＤＮＡから直接にｍＲＮＡへと転写されます。しかし、真核細胞の遺伝子ＤＮＡには、ｍＲＮＡになる部分−エキソンといいます−の間にイントロンとよばれる余計なＤＮＡ塩基配列をもっていることがわかったのです。真核細胞では、核の中でエキソンとイントロンを含んだＤＮＡからそれに対応するＲＮＡが転写によってつくられます。そして、転写されたＲＮＡは、ＲＮＡプロッセッシング酵素によってイントロン部分が切り取られて成熟ｍＲＮＡになります。このように、イントロン部分に相当するＲＮＡを切り取ることをＲＮＡスプライシングといいます。スプライシングとは材木などを継ぎ木することで、エキソンを継ぎ木することと覚えておいてください。原核細胞における転写に比べて、真核細胞ではめんどくさい転写をしているようにも思えますが、これがタンパク質合成にとって非常に経済的になることもあります。例えば、図のように、エキソン１〜２、エキソン３〜４、エキソン５〜６のそれぞれが似てはいるが違ったものであるとすると、そのｍＲＮＡのつくられ方は２３＝８通りとなり、同じ１つの線上にある遺伝子ＤＮＡから８つのよく似たｍＲＮＡを作りだせることになります。このような節約が真核細胞の進化の過程で有効に利用されているようです。
転写の調節因子
転写がおきるかどうかが細胞内におけるタンパク質合成の決定的な要素になっています。したがって、転写のスイッチをオンにするかオフにするかが細胞内の生命活動を左右する大切な調節になります。この目的のために、遺伝子ＤＮＡには、その特別の塩基の配列を認識して結合するタンパク質があることが見つかってきました。いちばん有名なＤＮＡ結合タンパク質は原核細胞のものです。図にlacオペロンという遺伝子ＤＮＡを示します。lacオペロンは調節遺伝子、制御部位ならびに構造遺伝子からできています。
翻訳
さて、ｍＲＮＡからどのようにしてタンパク質が作られていくのか議論していきましょう。ＤＮＡ成分のうち、違いのある成分はＡＴＧＣの塩基の部分です。ＲＮＡについても、ＡＵＧＣの塩基の部分のみが違っています。ＤＮＡをｍＲＮＡに転写すると、そのＤＮＡの塩基の部分のTの部分だけがＵに置き換えられるだけで、塩基の相補性の原理でＤＮＡをｍＲＮＡに間違いなく転写するものでした。それは、ＤＮＡのＡＴＧＣからできているＤＮＡ言葉をＲＮＡのＡＵＧＣでできたＲＮＡ言葉に変換するものです。ＲＮＡ言葉で違うところはＡＵＧＣの４つしかありません。タンパク質をつくるアミノ酸は２０種類ありますから、４つの違った"ＲＮＡ言葉"では、２０種類の"アミノ酸言葉"を区別・識別することはできません。何か違ったしくみを見い出さなければなりません。この問題に取り組んでいた当時の研究者たちはおそらくこの方法しかないであろうと想像していました。それは、ＲＮＡの塩基の３つの並びがあるアミノ酸に対応しているのではないかという予測でした。
塩基の１つの並び＝４通り
塩基の２つの並び＝４x４＝１６通り
塩基の３つの並び＝４x４x４＝６４通り
であるように、２０種類の違ったアミノ酸を区別・識別するには、ＲＮＡの塩基の３つの並びが必要だからです。塩基の２つの並びでは、まだ２０種類のアミノ酸を説明するには不足だからです。この予測は見事に当たっていました。
遺伝暗号の発見と解読
転写されたRNAの塩基の３つの並びがあるアミノ酸を指定してくるのでは？というアイデアを実験的に確かめることが、１９６０年代にさかんにおこなわれました。そのいくつかの実験を紹介しましょう。１９６１年にニーレンバーグらはＤＮＡの塩基ＡＡＡがどのアミノ酸になるかを報告しました。ＤＮＡの塩基配列ＡＡＡはｍＲＮＡではＵＵＵになります。そこで、塩基としてＵだけをもつポリウラシルＲＮＡ（ＵＵＵＵＵＵＵ・・・・・）を人工的に合成し、大腸菌から抽出した無細胞タンパク質合成系を加えた試験管の中でどのようなポリペプチドができるかを調べました。その結果、フェニルアラニンだけから成るポリペプチドがつくられてきたのです。このことは、ＵＵＵがアミノ酸のフェニルアラニンに対応する暗号であることを示しています。しかし、ＵＵＵの場合は最も単純な暗号の１つであり、他の暗号の解読には当時の科学者たちのすばらしいアイデアが必要でした。コラーナはACACACACAC・・・・・・・・とＡＣの繰り返しからできたmＲＮＡを合成し、ニーレンバーグと同じくどんなタンパク質ができるか調べました。図のようにACACACACAC・・・・・・・・のｍＲＮＡの場合にはＡＣＡという読み方とＣＡＣという読み方があります。事実、できるタンパク質の中には、トレオニンとヒスチジンの２つのアミノ酸がみられました。ＡＣＡとＣＡＣのうち、どちらかがアミノ酸のトレオニンもしくはヒスチジンを指定してくることはわかりますが特定することはできません。次に、ＣＡＡＣＡＡＣＡＡＣＡＡＣＡＡ・・・・・・・の繰り返しのｍＲＮＡを合成して、そのｍＲＮＡからつくられるアミノ酸をしらべてみました。図のようにこのｍＲＮＡの場合には、読み方はＣＡＡ、ＡＡＣ、ＡＣＡの３通りあります。このときつくられるタンパク質には、グルタミン、アスパラギン、トレオニンが含まれていました。したがって、上記の２つの実験で共通して使われたアミノ酸とはトレオニンであり、共通の塩基の並びはＡＣＡですから、ＡＣＡはトレオニンの暗号であることがわかります。このようなパズルを解くような実験の繰り返しから、遺伝暗号が解読されました。塩基の３つの並びのことを暗号の英語そのものコドンといいます。それは塩基３つの並びになっているので、トリプレット（triplet）ともいいます。１９６６年までには、６４通りある遺伝暗号のすべてが解読され、植物、動物でも共通であることがわかりました。それを普遍遺伝暗号といいます。

表にその暗号表を示しています。アミノ酸の名前と英語３文字略号、さらにアミノ酸の側鎖の構造も加えています。この遺伝暗号表を漫然とながめるのではなく、気付いたことがらに素直に驚き、疑問をもつことが大切です。１９６０年代の分子生物学の科学者たちが驚いたであろうことがらを列挙してみましょう。
１．遺伝暗号には重複がある。
遺伝暗号はＡＵＧＣの塩基の組み合わせ−４x４x４＝６４通りあるので、２０種のアミノ酸以上あります。すなわち、違う遺伝暗号が同じアミノ酸を指定してきます。それを遺伝暗号の重複といいます。表に重複の数と対応するアミノ酸を示しています。
２．遺伝暗号に重複のないものもある。
メチオニン（ＡＵＧ）とトリプトファン（ＵＧＧ）には重複がありません。このうち、メチオニンはタンパク質合成開始のアミノ酸になっています。上記の人工合成ＲＮＡを使った実験で、ＲＮＡの最初にＡＵＧをつけると、タンパク質合成がさかんになることがわかってきたのがこの発見のきっかけでした。実際のタンパク質の一次構造のＮ−末端アミノ酸がメチオニンであることも開始暗号がＡＵＧであることを示唆していました。この詳しいしくみについては、あとで述べましょう。
３．アミノ酸を指定してこない遺伝暗号が３つある。
これはＵＡＡ、ＵＡＧ、ＵＧＡであり、終止コドンといい、タンパク質合成を停止する暗号です。
４．アミノ酸の構造の類似したものを同じ縦の列にうまく並べている。
前にも述べましたが、アミノ酸には側鎖Ｒの部分が水に溶けやすいもの（親水性）と水に溶けにくいもの（疎水性）のものがありましたね。例えば、縦の左側一列目には、フェニルアラニン、ロイシン、イソロイシン、メチオニン、バリンというように、側鎖が疎水性のアミノ酸を統一して並べています。しかも、メチオニン以外は遺伝暗号の重複があります。例えば、バリンの場合には、遺伝暗号の３文字目が何がきてもバリンを指定してくるようになっています。後で述べますが、遺伝子ＤＮＡは安定であり、複製によって間違いが生じることはごく稀なのですが、哺乳動物では１０９塩基対のＤＮＡで１個くらいの複製ミスがおきます。その塩基配列のミスがｍＲＮＡ上の遺伝暗号の３文字目に現われたとすると、バリンを例にとれば選んでくるアミノ酸に変わりがないことにあります。もしも、そのミスがｍＲＮＡ上の遺伝暗号の一文字目におきたとしても、バリンがメチオニン、イソロイシン、ロイシン、フェニルアラニンになるので、アミノ酸自体そう大きく変わらないアミノ酸を選べる工夫がされていることになります。遺伝暗号表には、生命のもつ見事な設計がなされているっことに気付きます。しかし、これも地球誕生当時から４０億年もの永年の年月の間に生命が試行錯誤の繰り返しによってあみだしたものともいえます。
このようにして、他の列のアミノ酸もながめてみてください。例えば、左から２番目の縦の裂には、フェニルアラニン、ロイシン、イソロイシン、メチオニン、バリンほど側鎖が疎水性ではないが、極性の比較的小さいアミノ酸を配していますね。縦３裂目には、側鎖に塩基性の極性基をもつヒスチジン、リジンや側鎖に酸性の極性基をもつアスパラギン酸、グルタミン酸を並べていますね。縦４裂目は側鎖に塩基性の強い極性基をもつアルギニンが重複６回で登場します。一番単純なアミノ酸グリシンが最後に登場です。この機会にアミノ酸の１つ１つの構造と特徴に親しみをもつようにしてください。生物の形質をきめるものはタンパク質中の２０種のアミノ酸にかかっているのですから、生命のもつ面白さはこの中にあるはずなのです。
タンパク質合成の機構
遺伝暗号によってＲＮＡ上の塩基の３つの並びがあるアミノ酸に対応していることはわかりました。しかし、どのようにしてタンパク質合成が実行されるのかわからないことばかりですね。このなぞを理解するには、タンパク質合成のための装置の１つ１つをよくながめてみる必要があります。
ｔＲＮＡ
アミノ酸を運んでくるＲＮＡがｔＲＮＡと呼ばれるＲＮＡです。最初に構造が決定されたのはアラニンを運んでくるアラニンｔＲＮＡでした。ホーリー（１９６５年）は７年もの歳月を費やしてその構造を決定しました。ｔＲＮＡは７０〜９０塩基からできた比較的小さいＲＮＡです。ｔＲＮＡの塩基にはＡＵＧＣの他に図に示したように、化学修飾された塩基も含まれています。アラニンｔＲＮＡの場合には、９つの化学修飾された塩基が含まれています。平面的にその構造をみると三葉のクローバー型に例えられます。図にその構造を示しています。明らかに丸い葉のようにみえるところが３つあり、そこは丸い構造であることから、ループといいます。図にある上部の末端はクローバーの茎のようにみえます。何故このような構造をとれるのでしょうか？それは、ＲＮＡの塩基の中で塩基の相補的結合の場合と同様に水素結合によってＲＮＡ分子内の塩基が結びつくからです。特に、化学修飾された塩基がこのループ構造をとるのに大切なことがわかります。図の下のループには、アンチコドンといって遺伝暗号コドンと塩基並びが全く相補的になっている塩基の３つの並びがあります。例えば、ＤＮＡからＲＮＡに転写されるときには、
ＤＮＡ　3'-ATGCCGATTCGATTAACC-5'
ＲＮＡ　5'-UACGGCUAAGCUAAUUGG-3'
のように、ＤＮＡの左側が3'-末端であれば、ＲＮＡの左側が5'-末端になります。これと同じようにＲＮＡとＲＮＡが結合するときも同じ様式になります。
　　　　　　　アンチコドン
tＲＮＡ 　5'--------(A)GC------3'
ｍＲＮＡ　3'--------(U)CG------5'
　　　　　　　コドン　　
となり、ｍＲＮＡのコドンは右から左に読むことになります。要するに、アンチコドンとコドンは塩基が相補的になっています。表からＧＣＵがアラニンであることはおわかりですね。ｍＲＮＡのコドンとｔＲＮＡのアンチコドンは塩基が相補的にぴったりの関係にあるのです。これが遺伝暗号コドンを正しく認識する役目になっています。次の問題はｔＲＮＡはどこにアミノ酸をくっつけるのか？ですが、実はｔＲＮＡの3'-末端のリン酸の-OHにアミノ酸を結合します。図のように、アミノ酸をＡＴＰのエネルギーを使ってアデニル化アミノ酸として、それをｔＲＮＡに転移させます。このようにして、アミノアシルｔＲＮＡがつくられます。違った構造をもつアミノ酸をそれぞれのｔＲＮＡどのようにして結合させるのでしょうか？それは２０種類の違ったアミノアシルｔＲＮＡ合成酵素がはたらいてアミノアシルｔＲＮＡができることがわかっています。例えば、トリプトファンをｔＲＮＡに結合させる酵素では、トリプトファンの側鎖とそのｔＲＮＡの構造を酵素タンパク質がそれらの構造を鋳型のようにして認識し、トリプトファンを結合するｔＲＮＡをつくるのです。ｔＲＮＡのアンチコドン部分は塩基配列構造が違いますから、６４のコドンのうち終止コドン３つを除いた６１種類のコドンに対して６１種類のアンチコドンをもった違う種類のｔＲＮＡが理論的に存在することになります。しかし、実際には４０〜６０種のｔＲＮＡしか知られていません。アンチコドンの一文字目を共通させることによってｔＲＮＡの数を減らすしくみがあるようです。アンチコドンの一文字目はコドンでいうと三文字目です。遺伝暗号表のところでも述べましたが、一般にコドンの三文字目は何が来ても同じアミノ酸になることが多いのです。
タンパク質合成装置−リボソーム
タンパク質を合成するには、どんなしくみでおこなわれるのでしょうか？２０種類のアミノ酸を結合させたそれぞれのアミノアシルｔＲＮＡのアンチコドンがｍＲＮＡの塩基配列を３文字のコドン単位との間で相補的にかみあい、アミノ酸を次々につないでのです。その反応の場がリボソームと呼ばれる装置です。リボソームはおよそ６０％のＲＮＡと４０％のタンパク質でできた巨大高分子です。リボソームを構成しているＲＮＡをリボソームＲＮＡ（rＲＮＡ）といいます。ｍＲＮＡ、アミノアシルｔＲＮＡのような高分子を結合させてタンパク質合成をおこなうためには巨大高分子が必要です。リボソームは大粒子と小粒子からできています。原核生物と真核生物のリボソームには大きさに違いがあります。

図のように、原核生物のリボソームは分子量が2,500,000、真核生物では分子量4,200,000です。超遠心分離による沈降定数でその大きさを示すと、原核生物、真核生物のリボソームはそれぞれ７０Ｓと８０Sになります。原核生物のリボソームは５０Sの大粒子と３０Sの小粒子からできています。一方、真核生物のリボソームは６０Sの大粒子と４０Sの小粒子からできています。原核生物と真核生物のリボソーム粒子に含まれるＲＮＡには類似性がありますが、真核生物のリボソームには、原核生物のものよりも複雑になっています。一方、原核生物と真核生物のリボソームを構成するタンパク質にはあまり類似性がないことが知られています。ＲＮＡが独特の立体構造をつくることはｔＲＮＡのところで説明しましたが、リボソームを構成するＲＮＡにタンパク質合成を触媒する能力があるものと思われています。
タンパク質合成の実際

図に示したように、リボソームの小粒子にはｍＲＮＡとｔＲＮＡが結合します。大粒子にはアミノ酸をつないでタンパク質をつくるはたらきをしています。小粒子には、P部位とＡ部位と呼ばれる２箇所のｔＲＮＡ結合部位があります。ｔＲＮＡにはアミノアシルｔＲＮＡの他にもう１つのｔＲＮＡがあります。それはペプチジルｔＲＮＡです。ペプチジルという言葉はペプチドといってアミノ酸をつなげたタンパク質より短いものからきています。P部位とはこのペプチジルｔＲＮＡが結合するところです。Ａ部位とはアミノアシルｔＲＮＡが結合するところです。遺伝暗号表のところで話したようにタンパク質の合成はアミノ酸メチオニンから始めます。メチオニンｔＲＮＡがいくつかの開始因子と結合してリボソームの小粒子のP部位に結合します。すると、小粒子にｍＲＮＡが結合して、ｍＲＮＡをスライドさせながらメチオニンのコドンＡＵＧをさがしていきます。ＡＵＧがみつかると、メチオニンｔＲＮＡのアンチコドンとコドンＡＵＧとの間で塩基の相補性の結合がおき、開始因子がメチオニンｔＲＮＡから解離します。そこに大粒子が結合し、ｍＲＮＡ上の次のコドンとアミノアシルｔＲＮＡのアンチコドンがぴったり一致するものがＡ部位に結合します。そして、メチオニンは次のアミノアシルｔＲＮＡの方へ転移してペプチド結合がつくられます。そうやってできたものがペプチジルｔＲＮＡです。ペプチジルｔＲＮＡはP部位に移り、次のアミノアシルｔＲＮＡがやってきてそのペプチドを次のアミノアシルｔＲＮＡに移していきます。この反応が繰り返されて、ｍＲＮＡのコドンに一致したアミノ酸をつないでタンパク質にしていくのです。図に示したように、ｍＲＮＡのコドンの読み方は３通りあります。ｍＲＮＡのコドンの読み方で全く違ったタンパク質ができることにもなります。タンパク質の合成をメチオニンから行なうと決めることで、その読み方が３通りのうちの１つだけに限定されます。タンパク質合成の終了は終止コドンによって識別されます。ｍＲＮＡ上にＵＡＡ、ＵＡＧ、ＵＧＡのどれかがくると、そこに遊離因子と呼ばれるタンパク質がＡ部位に結合します。ペプチジルｔＲＮＡ上の出来上がったタンパク質はｔＲＮＡから離れて、リボソームの大小粒子、ｍＲＮＡ、ｔＲＮＡ、遊離因子ともにバラバラになってタンパク質合成が完了します。

遺伝子工学−ＤＮＡ組み換え
１９７０年ころまでは、生命科学の研究の中心にはタンパク質がありました。タンパク質が生物のもつ形質そのものであることから、タンパク質のもついろいろな性質−例えば酵素、ホルモン、構造タンパク質、免疫タンパク質などその構造、機能が次々に明らかにされていきました。タンパク質を実験材料にすることはタンパク質が一般に量的にも多いことから比較的に容易にできました。遺伝子ＤＮＡの研究ももちろん行なわれてはいましたが、それは大腸菌のような原核生物を対象にしたものが主流でした。遺伝子ＤＮＡは細胞にわずかに含まれるにすぎませんし、真核生物の場合、核の染色体上においてヒストンタンパク質と結合したクロマチン構造として存在するＤＮＡは扱いにくいものでした。大腸菌の場合には、ＤＮＡはそのままで存在しますし、培養によってたくさんの試料を得ることもできます。
　１９７２〜１９７３年にアメリカの西海岸カリフォルニア州の２つの大学、スタンフォード大学、カリフォルニア州立大学サンフランシスコ校から遺伝子ＤＮＡ研究に関する革命的技術が報告されました。それは、大腸菌のもつＤＮＡに真核生物のＤＮＡを結合させて、真核生物のＤＮＡを大腸菌の中でつくらせるものでした。これをＤＮＡクローニング技術といいます。大腸菌のＤＮＡに真核生物のＤＮＡを結合させる技術のことをＤＮＡ組み換え技術といいます。
この技術について説明するにはいくつか知っておかねばならないことがあります。
プラスミドＤＮＡ
真核生物は核の染色体上にＤＮＡがありますが、大腸菌のような原核生物は、核が形成されずそのＤＮＡはタンパク質とも結合せず核様体として存在しています。このような大腸菌の遺伝子ＤＮＡをゲノムＤＮＡといいます。原核生物はゲノムＤＮＡとは物理的に独立して自己複製し、安定に遺伝することのできるＤＮＡをもっていることがあります。これを染色体外遺伝子という意味からプラスミドといいます。ミトコンドリアや葉緑体に存在するＤＮＡも広義的にはプラスミドといえましょう。プラスミドは二重鎖閉環状です。丸い二本鎖ＤＮＡです。大きさは２〜３kbから数百kbになるものまであります。ここで、kbとはキロベース（kilo base）のことです。ベースとは塩基のことですから、キロベースとは１０００塩基からできたＤＮＡのことです。もう１つkbpと表示することがあります。これはkilo base pairの頭文字をとっていて、１０００塩基が対になった二本鎖のＤＮＡを意味します。プラスミドは細胞内に１〜２コピーをもつことがふつうですが、中には１００コピーくらいあることもあります。プラスミドはどんなはたらきをもっているのでしょう。Fプラスミドのように増殖を制御するものもあります。覚えやすいものにRプラスミドがあります。前に抗生物質の話しをしました。図にフレミングがみつけたペニシリンの構造とその分解の反応を示します。RとはRegistant−耐性のことでRプラスミドとは抗生物質があっても死なないようにするＤＮＡのことです。R因子ということもあります。どうしてRプラスミドがあると菌が死なないのか？それは、RプラスミドＤＮＡにはペニシリナーゼといってペニシリンを分解してしまう酵素タンパク質をつくる遺伝子ＤＮＡがあるからです。フレミングはアオカビからペニシリンを発見したのですが、アオカビがこの世に登場してから後、アオカビと細菌はどちらも従属栄養生物ですから、お互い生きる場所を争って今日まできたといってよいでしょう。その長い歴史の中で細菌の仲間には、Rプラスミドの中にペニシリナーゼと呼ばれる酵素をつくり出すＤＮＡを偶然かもしれませんが持てるものが現われたのです。このような抗生物質耐性因子はいくつも知られています。図にこれから話すＤＮＡ組み換え技術に使う抗生物質の代表的なものとその耐性をおこす酵素の名前を示しました。ＤＮＡ組み換え技術ではこのプラスミドを材料に使います。
制限酵素
ＤＮＡは遺伝子としてはたらくわけですから安定なものです。ＤＮＡ組み換え技術ではＤＮＡを特定の場所で切断したり、切断させたＤＮＡどうしを結合させたりする必要があります。そのようなすばらしいアイデアがあっても実験方法がなければ絵に書いたもちにすぎませんでした。ところが、１９６２年になっていろいろな細菌の中には制限酵素というＤＮＡを特定塩基配列をもつ場所で切断する酵素の存在が示されました。すぐにその酵素は精製されＤＮＡの切断に利用されるようになりました。細菌には、外来から侵入してくるウィルスや裸のＤＮＡを特異的に切断する防御機構があるようです。プリント図にＤＮＡ組み換え技術によく使う酵素とその切断される塩基配列を示しています。代表的な１つはEco RIです。Ecoという文字はその酵素が見つかった菌である大腸菌の学名Escherichia coli RY13からきています。学名を斜体で表示するので制限酵素の最初の文字は斜体で表します。Hind�｡の場合には、Haemophilus influenzae Rcに由来しています。Sac IはStreptomyces achromogenesに由来します。Hae �｡はHaemophilus aegiptiusに由来しています。これらの制限酵素の塩基配列の切断様式をみると気が付くことがあります。ＤＮＡの４〜６個の塩基配列部分を認識し、その配列が放射対称（回転対称）になっているところを切断します。そのような配列を回文配列といいます。Eco RI、Hind�｡、Sac Iともに切り口がまっすぐではなく互い違いに切断します。これに対してHae �｡はまっすぐに平滑に切断しています。制限酵素の切り方にはこの２つのタイプがあります。互い違いに切断する切れ口の末端をコヒーシブ末端、平滑に切断する切れ口の末端をブラント末端と言います。
ＤＮＡリガーゼ
図に示したＤＮＡの切断された末端の3'-OHともう１つのＤＮＡの5'-末端のリン酸基との間でホスホジエステル結合させる酵素がＤＮＡリガーゼです。１９６７年にゲラートによって発見されました。ＤＮＡリガーゼによって制限酵素によって切ったＤＮＡどうしをつなぐことが可能になりました。切った貼ったが可能になったのです。ＤＮＡリガーゼには大腸菌由来の大腸菌リガーゼとT4ファージ由来のT４リガーゼがあります。リガーゼという酵素はＡＴＰやＮＡＤのもつアデノシン−5'−リン酸（ＡＭＰ）を利用して末端の3'-OHともう１つの5'-末端のリン酸基との間でホスホジエステル結合させる酵素のことです。大腸菌リガーゼではＮＡＤが、T４リガーゼではＡＴＰが使われます。T４リガーゼには、上述のブラント末端どうしを結合させる活性もあります。ＤＮＡリガーゼのもともとの働きとして、ＤＮＡ複製の際の岡崎フラグメントの結合があります。
ｃＤＮＡクローニングの目的
クローニングの語源のクローンとは何か？まず説明します。もともとは１９０３年にウェバーによって命名されたもので、無性生殖によって生じた個体の集団に名付けたものでした。その後、体細胞遺伝学の分野で、ある性質をもつ単一細胞に由来する細胞集団のことをクローンというようにありました。分子生物学では、ある同一の塩基配列から成る遺伝子ＤＮＡを挿入した大腸菌細胞のことをクローンと呼び、たくさんの細胞集団からその１つだけを分離してくることをクローン化、クローニングと呼ぶようになりました。ｃＤＮＡという言葉も初めて登場しました。ｃＤＮＡのcはcomplementary−相補的なという英語の頭文字であり、タンパク質をつくるｍＲＮＡに相補的な配列をもつ二本鎖ＤＮＡのことです。真核生物のある遺伝子ＤＮＡをクローニングするには、その出発材料としてｍＲＮＡを用います。さて、真核生物の遺伝子ｃＤＮＡクローニングの技術開発の原動力は最初は医薬品の開発にありました。表に医薬品として期待されていたもののいくつかを示しています。このうち、ヒトのインスリンの開発は当時の科学者たちを熱中させるのに十分な対象の１つでした。インスリンとは前にも述べましたがた血糖値を低下させる５１個のアミノ酸からでき最も小さいタンパク質性のホルモンです。すい臓のランゲルハンス島のβ細胞でつくられています。すい臓のはたらきが悪い人はこのホルモンが欠乏して、糖尿病になってしまいます。ふだん、血液中を循環している糖−グルコースは尿には排せつされないのですが、血糖値が上がってくると、それを何とか下げようとする機構がはたらいてしまい、終には糖が尿に排せつされることになります。糖尿病になると、すぐに死んでしまうわけではありません。しかし、肥満や動脈硬化をおこしたり、失明にいたることもあります。最後は衰弱に向かい、死に至ることもあります。インスリン欠乏が原因の糖尿病のことをインスリン依存性糖尿病といいます。インスリン非依存性の糖尿病もありますが、ここではそのことにはふれません。人のインスリン依存性糖尿病の治療はどうればよいのでしょうか？１９８０年前までは、ヒトのインスリンは手に入りませんでした。その代用としてウシのインスリンが用いられてきました。ヒトとウシのインスリンのアミノ酸配列はほとんど同じなのですが、３箇所違いがあります（図）。したがって、インスリン依存性糖尿病の患者にウシのインスリン注射を続けると、ウシのインスリンを異物とみなすようになります。これは免疫というしくみによるものです。この結果、インスリンの効き目がなくなってしまいます。このような理由から、ヒトのインスリンを利用できないものだろうかと誰しも思うことだったのです。しかし、インスリンはホルモンですから、ヒトの血清にはわずかしか含まれずに、ヒトの血清を集めて医薬品にするなど考えられないことでした。
ｃＤＮＡクローニングの実際
ＲＮＡの抽出
１９７０年代にｃＤＮＡクローニング技術が報告されてすぐにヒトのインスリンのｃＤＮＡをクローニングする試みが始まりました。まず、ヒトのすい臓からＲＮＡを抽出してきます。ＤＮＡは安定なので、核のＤＮＡを材料にするのがよい方法と思うかもしれません。しかし、核のＤＮＡは量的にも少ないし、すべての細胞のＤＮＡが含めれていてかえって面倒でした。一方、ＲＮＡは非常に不安定なのものです。ｍＲＮＡはその役目が終わればすぐにこわれてしまいます。ＲＮアーゼというＲＮＡ分解酵素がはたらいてあっという間にこわれてしまいます。しかし、ＤＮＡからｍＲＮＡになるときにｍＲＮＡのコピーがたくさんあるのならば、不安定なものを安定化させることができれば、材料としてむしろすぐれていました。図にすい臓からＲＮＡを抽出する方法を示しました。人のすい臓をとることはその人を殺してしまうことにもなりますから、簡単ではありません。但し、欧米のように臓器移植のガイドラインが進んだ国では、交通事故によって脳死となった人から新鮮なすい臓を材料にもらうことはできました。まず、液体窒素（-186℃）の中にヒトのすい臓を入れて急冷凍結させます。超低温では、ＲＮアーゼというＲＮＡ分解酵素もはたらきません。次に、高濃度のグアニジンチオシアン酸の溶液の中でカチカチに凍ったすい臓組織をすりつぶして、ＲＮＡを抽出させます。それを酸性フェノール溶液と混合します。フェノールは有機溶媒の性質をもち、すい臓抽出液に含まれるタンパク質は界面に沈澱します。ＤＮＡは酸性条件では、フェノールの方へ移行します。ＲＮＡだけは水層に残ります。その水層にイソプロピルアルコールを等量加えると、ＲＮＡが沈澱してきます。その沈澱を溶かしてやれば、全ＲＮＡをとることができます。これには、ｍＲＮＡ以外に最も量的に多いリボソームＲＮＡやｔＲＮＡも含まれています。写真はその全ＲＮＡをアガロース電気泳動したものです。２８Sと１８SのリボソームＲＮＡやｔＲＮＡは見えますが、ｍＲＮＡはどこにあるのかわからないくらいにしか見えません。したがって、全ＲＮＡからｍＲＮＡだけをとることができれば後の操作が簡単になります。転写のところで述べましたが、ｍＲＮＡには翻訳終了の印にポリＡから成る配列をもっています。そこで、図のようにポリＡと相補的になる塩基ポリT（オリゴdT）をもつＤＮＡを高分子ゲルの樹脂に結合させたカラムを通すと、ｍＲＮＡだけが樹脂に結合します。ｍＲＮＡをカラムからはずすには、また高濃度のオリゴdT液をカラムに流せば可能になります。
逆転写反応、ＤＮＡポリメラーゼ反応
上記のようにして精製してきたｍＲＮＡにはすい臓のすべてのタンパク質をつくるすべてのものが含まれています。しかし、ｍＲＮＡ自体たいへん不安定なものですから一刻も早く安定なものに変える必要があります。それが逆転写反応です。逆転写反応とは聞き慣れない言葉と思うかもしれません。生物学のセントラルドグマによれば、
ＤＮＡ→ｍＲＮＡ→タンパク質
　　転写　　　翻訳
というのが生物のもつ決まりなのですが、ウィルスの仲間にはＲＮＡとタンパク質から出来たＲＮＡウィルスがいます。別名レトロウィルスともいいます。エイズウィルスはその１つです。エイズウィルスのエイズは英語で示した病気の４単語Acquired Immune Deficiency Syndrome（後天性免疫不全症候群）の頭文字の４つをとっていてＡＩＤＳを英語式に発音したものです。エイズウィルスは最近はＨＩＶ（Human Immunodeficiensy Virus）と呼ぶようになってきました。HIVのようなウィルスは宿主とよばれる細胞に寄生して増殖しますが、自分がもつＲＮＡをＤＮＡに逆転写しなければなりません。すなわち、
ＲＮＡ→ＤＮＡ→ｍＲＮＡ→タンパク質
　　逆転写　転写　　　翻訳
という図式で自分に必要なタンパク質とＲＮＡをつくります。この逆転写を触媒する酵素がＲＮＡ依存性ＤＮＡポリメラーゼであり、別名逆転写酵素といいます。この酵素を使えば、全ｍＲＮＡそれぞれの塩基配列に対して相補的配列のＤＮＡが合成できます。そして、mＲＮＡだけをアルカリ処理でこわしてしまい、ＤＮＡポリメラーゼ反応をおこなえば、２本鎖のＤＮＡとなりより安定化できます。そのようなＤＮＡを相補的−complementaryの頭文字をとってｃＤＮＡといいます。全ｍＲＮＡからつくられたｃＤＮＡはすべてのｃＤＮＡです。これを図書館の本に例えてｃＤＮＡライブラリーと呼びます。この中から目的のインスリンをつくるＤＮＡを探すのですが、大腸菌の力を借りなければなりません。
組み換えＤＮＡ技術
逆転写酵素やＤＮＡポリメラーゼなどの酵素は貴重なものですから、最初から工場の大きなタンクの中で反応することなど不可能です。微量のｃＤＮＡを使ってやっと実験できるくらい貴重なものでした。それならば、微量のｃＤＮＡをどうにかして増やす方策が必要になります。そこで考え出されたのが、大腸菌などがもつプラスミドＤＮＡにヒトすい臓の全ｃＤＮＡを組み換えて、大腸菌を増殖させればcＤＮＡを分析に必要なまでに増やすことが可能になります。このための一般的な戦術を図に示しました。先ず、プラスミドＤＮＡをEco RIで切断します。目的の全ｃＤＮＡには合成したEco RIリンカーと呼ばれる連結用のＤＮＡ分子をリガーゼで結合させます。そしてその２つを混ぜて塩基対をつくらせてやります。ＤＮＡリガーゼで接着させれば組み換えＤＮＡの出来上がりです。
形質転換
次に、組み換えられたＤＮＡを大腸菌にもどしてやります。大腸菌には細胞壁と細胞膜があります。適当な塩例えば数十mMのカルシウム水溶液の中に大腸菌をおくと、低張液であるために細胞膜や細胞壁に穴があいて高分子の組み換えられたプラスミドＤＮＡを細胞内に取り込むようになります。それを寒天培地に蒔いて培養してやります。細胞膜や細胞壁に穴があいて弱っていた大腸菌も回復して元の状態になり、プラスミドＤＮＡは細胞内に取り込まれます。この時に例えばプラスミドＤＮＡにペニシリン耐性の因子をもつようなものを選んで、ペニシリン入りの寒天培地を使えば、プラスミドＤＮＡを取り込んだ大腸菌だけを選択的に生やすことが可能になります。プラスミドＤＮＡを取り込んだＤＮＡだけペニシリン耐性を獲得するからです。実験中に無菌操作が悪いために生えてきた雑菌などの混入もペニシリン入りの寒天培地を使えば最小限におさえることもできます。こうしてペニシリン入りの寒天培地に生えてきたコロニーの１つ１つは、違ったｃＤＮＡが組み換えられた大腸菌細胞の集団−クローンです。数十万個の違ったクローンを持っているのがふつうです。その中からインスリンのｃＤＮＡを見つける方法については次に説明しましょう。
ｃＤＮＡスクリーニング
目的のｃＤＮＡだけを見つけだすような方法のことをｃＤＮＡスクリーニングといいます。その原理は２つあります。ＤＮＡどうしの塩基対形成を利用する方法とタンパク質をつくらせてその抗体を利用する抗体スクリーニングです。ここでは、ＤＮＡ塩基対形成法を示します。ヒトのインスリンのcＤＮＡ構造を先に見せましょう。図をみてください。これは、ヒトインスリンのｃＤＮＡの塩基配列とそのタンパク質への翻訳へのされ方を示したものです。インスリンのＡ鎖とB鎖はそれぞれ２１個、３０個のアミノ酸がつながったものです。Ａ鎖はGIV------YCN、Ｂ鎖はFVN------PKTというアミノ酸配列をもつことがわかっています。図の３通りの翻訳のされ方の一番下のものにこの配列に相当するものが見つかりました。インスリンをつくるには、この塩基配列番号の４５番目から始まるＡＴＧ（ｍＲＮＡではＡＵＧ）からのメチオニンからタンパク質合成を始めて、塩基番号３７５番目から始まるＴＡＧ（ｍＲＮＡではＵＡＧ）の終止コドンで終わるタンパク質をつくることがその始めです。１１０個のアミノ酸からできています。これをプリプロインスリンといいます。インスリンはすい臓ランゲルハンス島のβ細胞の小胞体でつくられますから、シグナルペプチドをもっています。それをプリ部分と言います。２４個のペプチドからできています。プリ部位を除いたものがプロインスリンです。プロインスリンはゴルジ体に移行した後に分解をうけて成熟タンパク質になるのです。図のインスリン成熟体に相当するところのアミノ酸のアルファベット表示の下に数字を書いています。これは、そのアミノ酸のコドンがいくつあるのか示しています。アミノ酸の配列しかわからない場合には、そのコドンの数をかけあわせた数値分のｃＤＮＡの塩基配列の組み合わせがあります。例えばＡ鎖のc末端のアミノ酸配列ENYCNの部分に注目すると、そのすべてのアミノ酸についてコドンは２通りあり、ｃＤＮＡの塩基配列としての可能性は組み合わせとして２x２x２x２x２＝３２通りあります。この場合にはｃＤＮＡの塩基配列の組み合わせの可能性の一番小さいのはこのC末端部分ですね。メチオニンやトリプトファンのようにコドンが１つしかないようなアミノ酸があるともっとよいのですが。とにかく、そのｃＤＮＡのすべてをつくってやります。
GAAAAUUAUUGUAAU
　G C C C C
のようにそれぞれの塩基対の３番目には２つの塩基のうちのどちらが来てもよいような混合ＤＮＡをつくると作業も楽になります。こうして合成したＤＮＡの混合液にラジオアイソトープ（３２P）を導入してやります。寒天培地にできたコロニーをニトロセルロースのフィルターに移します。ニトロセルロースのフィルターはタンパク質やＤＮＡのような高分子を吸着してしまいます。フィルターに移したコロニーをアルカリ処理してＤＮＡを露出させます。そこに３２Pでラベルした合成ＤＮＡ液を加えると、塩基の相補性原理で塩基対をつくり、インスリンのｃＤＮＡだけを含むクローンだけがラジオアイソトープの標識ができます。実際にはラジオアイソトﾑプのエネルギーでX線フィルムを感光させるオートラジオグラフィーを用います。こうして、寒天培地上のあるコロニーのクローンが目的のｃＤＮＡであることを決定できます。最初は１００００個のクローンの中の数個がラジオアイソトﾑプで標識され黒い点となって見えるのですが、それを２次スクリーニング、３次スクリーニングと言って同じ操作を繰り返します。目的のコロニーを爪楊枝でつついて培養して寒天培地にまいてコロニーを作り、それを繰り返します。すると、どのコロニーも純化されたインスリンのｃＤＮＡをもつクローンとなっていくので、最後にはすべてのコロニーが黒い点としてみえるようになります。そのコロニーをまた爪楊枝でつついて大腸菌を培養して菌を保存します。菌を大量培養してそこからプラスミドＤＮＡだけを精製します。制限酵素Eco RI　を作用させて、ヒトのインスリンのｃＤＮＡを取りだせます。
インスリンの大腸菌での大量培養
大腸菌は真核生物のように、小胞体のようなオルガネラはありません。ゴルジ装置もありません。したがって、ヒトのインスリンを大腸菌の中で適切につくるにはいろいろな工夫も必要でした。まず、遺伝子工学技術によってシグナルペプチド（プリ部分）を除いたプロインスリンのｃＤＮＡだけを作ります。大腸菌には小胞体がないのでこの部分は必要ありません。そして、プロインスリンｃＤＮＡをタンパク質の発現に有効な発現用ベクターと呼ばれるプラスミドに再び組み換えてやります。このプラスミドは強力なプロモーターをもっていて、細胞内でたくさんのｍＲＮＡを作り出します。その転写促進のために前に説明したlacプロモーターをより強力なtacプロモーターが使われることがあります。誘導物質として、前に説明したイソプロピルβ-D-ガラクトピラノシドが使われます。このプロモーターの制御により過剰にできたｍＲＮＡからタンパク質が大量に作られることになります。場合によっては、全タンパク質の数％をつくることも可能のようです。まず、実験室レベルでその至適条件が決定されたならば、スケールを大きくしていき、工場のタンクで培養するようにしてヒトのインスリンが大量につくられます。
大腸菌培養液からつくられたヒトのインスリンだけを純粋に精製しなければなりません。一般には、図に示したように、イオン交換樹脂やゲルろ過などのカラムクロマトグラフィーなどの組み合わせによって精製されています。

細胞のはたらき
細胞生命のはたらき、活動にはどのようなものがあるのか考えてみましょう。それをおおまかにキーワードであげるなら、１．栄養作用　２．呼吸　３．合成　４．増殖　５．調節　６．適応にまとめることができます。むろん、これ以外にも大事な活動もあるでしょうが、これから、このキーワードのうち大切な１、２、３、５を簡潔に考えてみましょう。４については生命の伝わりのところで話します。６については、まだまだ解明されていないことがありすぎてここでは取り上げないことにします。
１） 栄養作用
動物は従属栄養生物であり、生命活動のためのエネルギーのすべてを栄養物質として他に依存しなければなりません。生命のはじまりで話してきたように、従属栄養生物が現在生息できるのは、光合成生物をはじめとする独立栄養生物の存在があるおかげです。
栄養物質の特性
　さて、栄養物質とはどのようなものなのか考えてみましょう。よくいう三大栄養素という言葉があります。それは、糖質、脂質、タンパク質のことです。前に勉強したように、これらは生体を構成するのになくてはならない物質でした。その１つ１つの特徴については、２章に戻ってもう一度見直してみてください。糖質、脂質、タンパク質には１つの共通な特性があります。糖質を構成する代表的な単糖−グルコース（C6H12O6）、脂質を代表する脂肪酸の１つ−パルミチン酸（C16H32O2）、タンパク質を構成するアミノ酸の代表として−L-アラニン（C3H7NO2）のいずれも炭素（C）に水素（H）がたくさんついた還元された物質です。還元された物質はエネルギーを多くもっています。どれにエネルギーがあり、どれにエネルギーがないのか見分けがつかないという人は、その物質を燃やしてみるとわかります。燃やすということは、酸素（O2）と反応させて化学反応を起こすかということと同じことです。
C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O
C16H32O2+23O2→16CO2+16H2O
C3H7NO2+ 3O2→3CO2+2H2O+NH3
のようにどれも酸素と反応することがわかります。
それでは、CO2やH2Oはエネルギーがあるのかというと、これらは酸素で飽和されていますから、もうこれ以上酸素とは反応しません。したがって、もっているエネルギーはわずかであることになります。お酒を飲みすぎると、太るのかどうか、お酒を飲んでも太らないという結論は正しいでしょうか？お酒の成分−エチルアルコール（C2H5OH）は酸素と反応させてみると、
C2H5OH+3O2→2CO2+3H2O
で酸素と反応しますから、エネルギーをもった化合物であることがわかります。お酒−エチルアルコールを飲んでもそれはエネルギー源になり、太るもとになるわけです。三大栄養素の糖質、脂質、タンパク質はいずれも物質内にエネルギーを貯えた物質であることがわかります。このように、物質内にエネルギーが化学エネルギーの形で貯えられているのです。

図のように、細胞は三大栄養素の糖質、脂質、タンパク質を取り込み、酸素と反応させてエネルギーを取り出します。そのエネルギーは３章で述べたように、ATPという細胞内のエネルギー通貨の形で貯えられて、必要に応じて利用されています。
消化と吸収
糖質、脂質、タンパク質のうち、多糖質やタンパク質は高分子であり、そのままの形では膜を通過できません。したがって、取り込んだ多糖質やタンパク質それに脂質もその構成成分にまで加水分解してやる必要があります。これを消化といいます。消化の過程は動物では、胃や小腸のような消化管でおきるのですが、図にそれらの消化に関わる酵素とその化学反応を示しています。糖質、脂質、タンパク質はそれぞれの構成単位のグルコース、脂肪酸、グリセリン、アミノ酸にまで消化されたのち、細胞内に吸収されます。このうち、グリセリンは細胞膜を拡散によって通過できます。グルコースとアミノ酸は水に溶けやすい物質ですから、膜にはなじみにくく、能動輸送で細胞内に取り込まれています。
人の栄養
次に人は三大栄養素の糖質、脂質、タンパク質をどのような割合でとっているのかみてみましょう。人の栄養を考えるときにはエネルギーの単位として、カロリー（cal）を用います。１calとは１cm３の水を１℃あげるのに必要なエネルギーのことです。糖質とタンパク質は１gあたり4000cal（4 Kcal）のエネルギーをもっています。一方、脂質は１gあたり9000cal（9 Kcal）のエネルギーをもっています。１日に体重５０kgの人はふつう2000 Kcalのエネルギーを必要としています。表に人の三大栄養素のエネルギー比率を示しました。上記の人は2000 Kcalの必要エネルギーを糖質として６２％、脂質として２５％、タンパク質として１２％くらいの割合で毎日とり続けています。人の場合には、糖質はデンプンとしてとっています。脂質やタンパク質は肉や魚から主に取り入れています。このように人は植物由来、動物由来の栄養をバランスよくとっていることになります。人は何故三大栄養素を糖質として６２％、脂質として２５％、タンパク質として１２％というような割合でとるのでしょうか？これに答えるのは簡単なことではありません。しいてあげるならば、糖質を一番多くとるわけは、３つの栄養素の中で糖質は即エネルギーになりやすく、脂肪酸にもアミノ酸にも変換できる一番柔軟性に富んだ栄養素であることでしょう。その点、脂質は糖質には変換されにくく、柔軟性に乏しいので、量的に少なくしているのでしょう。タンパク質は生体をつくる材料としての色彩がつよく、すぐに使えるエネルギーには向いていない栄養素なので、一番少ない割合にしています。このような議論は三大栄養素の代謝のところでもう少し詳しく話しましょう。さて、細胞が生きていくためには、三大栄養素だけでは不十分です。ミネラル（無機質）も必要です。さらに、ビタミンも必要です。表にそれらの役割を示しました。これらの必要性も代謝のところで、また話したいと思います。
２） 呼吸と合成
呼吸とは　
呼吸という言葉は、生物が息をして、すなわち呼吸をして酸素を体内に取り入れて、体内で発生した二酸化炭素を吐き出していることだととらえられがちです。しかし、酸素は体内のどこに行って、吐き出したものが何故二酸化炭素なのでしょう？これは、生物の体内で化学反応が起きていることを物語っています。呼吸を広義にとらえると、栄養物質を取り入れた酸素で二酸化炭素と水にまで分解し、発生する二酸化炭素を吐き出すとともに、得られたエネルギーを取り出すプロセスであるといえます。
代謝とは
細胞の中では、様々な化学反応が同時にいたるところで起きています。細胞質や様々なオルガネラの中でも同時進行で様々な化学反応が起きています。これから、細胞内で起きる化学反応のことを考えてみましょう。細胞内における化学反応のことを代謝といいます。代謝とは新陳代謝という言葉のように、古いものが去って、新しいものがこれに代わるといういれかわりのことをいいます。図に示したように、細胞内では、
A→B→C→D→E→F→G→Hというふうに物質が化学反応を受けて常に変化しています。A→Bをみると、AはBに絶えず変化しています。そしてそのもとのAも常に新しいものが供給されています。このように、細胞内では、物質は絶えず化学反応により変化しているわけで、細胞内の化学反応のことを代謝と呼ぶのはまさに当を得ているかもしれません。代謝は決して一本の系列の化学反応でできているのではなく、図のように、O→P→Q→R→Sという他の化学反応の系列がDに流れ込んだり、V→W→X→Y→Zの化学反応系列がFから出ていったり非常に込み入ったものです。これらの代謝のさまをよく高速道路のインターチェンジに例えることがあります。高速道路のインターチェンジには自動車、トラックやオートバイなど様々な車が流れ込み、あるものは北から南へ、あるものは東から南へ、あるものは西から北へとインターチェンジを通っていきます。その流れは瞬間、瞬間で決して同じではなく、絶えず変わっています。代謝はそのような動きのあるものだと理解してほしいのです。高速道路でよく渋滞することがあります。その渋滞は、ある高速道路のインターの出口に車が殺到して、料金所のところが車でいっぱいになりさばけなくなることが原因になっていることが多々あります。そうすると、車は高速道路の本線にもあふれだし、高速道路がノロノロ運転になってくるのです。車がノロノロ運転になっている料金所のところの影響がひいては高速道路の本線にまで影響してきます。細胞内の化学反応でも同じことが言えて、化学反応の速度が一番遅いところが、全体のスピードを決めてしまうことになります。このように、代謝を生体内のさまざまな物質の流れとしてとらえてみてください。
異化代謝と同化代謝
図のように、代謝には異化代謝と同化代謝があります。異化代謝と同化代謝ともに古い言葉です。異化とは分解のことで、同化とは合成のことをいいます。異化代謝では、栄養物質を呼吸によって取り入れた酸素で酸化し、二酸化炭素と水にまで分解します。このときに、生じるエネルギーをＡＴＰにします。逆に同化代謝では異化代謝でできたエネルギー通貨のＡＴＰを用いて細胞に必要な物質の合成が行なわれています。
呼吸代謝
これから、三大栄養物質の糖質、脂質、タンパク質がどのようにして細胞内で代謝されて、エネルギー通貨であるＡＴＰにかわっていくかをみていきたいと思います。３章でもふれましたが、生物は昔酸素のなかった地球に誕生しましたから、呼吸には２つの様式があります。それは3章でも述べましたが、
１．C6H12O6→2C3H4O3+4H+2ATP　　 ・・・・・・無気呼吸
　　　グルコース　　ピルビン酸
２．C6H12O6＋6O2→6CO2+6H2O+38ATP ・・・・・・有気呼吸
　　　グルコース
です。有気呼吸生物では、図のように、無気呼吸生物がもっていた解糖系とよばれる代謝系のうえにさらにクエン酸回路と電子伝達系という酵素系を獲得して酸素を積極的に利用してグルコースを二酸化炭素と水にまで分解して、エネルギーを飛躍的に生み出せるようになったのです。このことは、有気呼吸生物は無気呼吸生物と無関係に誕生したのではなく、無気呼吸生物の中からさらに進化したものが現在生息する多くの有気呼吸生物に進化してきたことを示しています。

解糖系のしくみ
栄養物質の代謝を考えるときには、グルコースを材料に考えるのが基本です。人の栄養のところで話したように、糖質は動物がいちばん多く取り入れている栄養素です。さらに、タンパク質をつくるアミノ酸、脂質の成分、脂肪酸、グリセリンも結局は、同じ代謝経路に流れ込んできます。まず、無気呼吸生物がもっていた解糖系からみていきましょう。解糖系とは、
C6H12O6→2C3H4O3+4H
　　　　　　　　　　　　　　　　グルコース　　ピルビン酸
で示すように、炭素６から成るグルコースを炭素３から成るピルビン酸２分子に分解する代謝系です。

図のように、９段階の代謝系をもっていて、９つのちがった酵素がその化学反応を触媒しています。これらの酵素はすべて細胞質にあります。オルガネラをもたない無気呼吸生物の原核細胞にも解糖系には２つの重要な反応が含まれています。それは−１．グルコースを二分するための準備段階　２．エネルギーをＡＴＰとして回収する段階−です。グルコース分子は安定な分子で簡単には分解されません。そこで、ＡＴＰのエネルギーを２回使って、グルコースをフルクトース-1,6-二リン酸にします。ここまでグルコースを代謝させると、フルクトース-1,6-二リン酸（C6）は二分されやすくなり、ジヒドロキシアセトンリン酸(C3)とグリセルアルデヒド-3-リン酸(C3)に分解されます。ジヒドロキシアセトンリン酸は簡単にグリセルアルデヒド-3-リン酸に替わりますから、これ以降は２倍のグリセルアルデヒド-3-リン酸となって代謝がすすみます。そして、６の段階、９の段階で２ＡＴＰずつ回収され、合計４ＡＴＰがつくられることになります。解糖系は私たちの身の回りの商売の話しとよく似ていますね。商売をするには、投資が必要です。何か商品を仕入れるにも、まとまった資金が必要ですね。そうやって、商品を仕入れて、うまく売れればやっと儲け、利潤が出ます。解糖系もまさしくその例であり、４ＡＴＰの売り上げから投資した２ＡＴＰを引いた残りが本当の儲け、利潤になります。すなわち、解糖系では、２ＡＴＰがエネルギーの利潤になっています。でも、この話しで、どうして儲けが出たのだろうか？と考えた人は目ざとい人です。商売にもうまく儲けるためのコツがあるように、解糖系でも利潤を生み出すからくりがあります。図をみてください。解糖系の５段階目の化学反応を触媒している−グリセルアルデヒド-3-リン酸デヒドロゲナーゼ（脱水素酵素）−という酵素は無機のリン酸Piを取り入れることにより、1,3-二ホスホグリセリン酸をつくっています。ここにPiを使わずATPを使っていたら、この商売は成り立ちません。
発酵
乳酸発酵やアルコール発酵という言葉を耳にしたことがあると思います。乳酸発酵は解糖系の９ステップにさらに１ステップ追加したものですし、アルコール発酵はさらに２ステップ追加したものであり、基本的に解糖系と同じことです。乳酸発酵もアルコール発酵も上記の５段階目の化学反応で生じるＮＡＤＨ（上図）を使って乳酸、エチルアルコールをつくりますから、見かけの酸化還元反応はないことになります。酸素がないと、どんどんＮＡＤＨがたまったままで、反応が行き詰まってしまうはずですが、無気呼吸生物は乳酸発酵やアルコール発酵という方法で、５段階目の化学反応で生じるＮＡＤＨをもとの形にしているのです。
酸化的呼吸代謝
有気呼吸生物の獲得したクエン酸回路と電子伝達系の酵素系はすべてミトコンドリアの中にあります。ミトコンドリアは細胞内でいちばん酸素を消費するオルガネラですが、その酸素は栄養物質の酸化に使われています。このうち、クエン酸回路（ＴＣＡ回路）を触媒する酵素系はミトコンドリアのマトリックスにあり、電子伝達系の酵素系はミトコンドリアの内膜に複合体をつくり結合しています。
酸化的分解の仲立ち−ＮＡＤＨ
クエン酸回路に話しをすすめる前に、解糖系のところで話したＮＡＤＨについて、もう一度くわしく考えてみましょう。ＮＡＤＨとはヌクレオチドがリン酸エステル結合で２つ結合したもので、１つの塩基がアデニンで、もう１つは塩基の代わりにニコチン酸アミドをもったものです。ニコチン酸アミドの部位は、酸化還元によって図のように変化します。ニコチン酸アミドの部位が酸化されたものをＮＡＤ＋といい、これが２電子還元されて、ＮＡＤＨになります。したがって、ＮＡＤ＋がＮＡＤＨに還元されるときには、
ＮＡＤ＋＋２Ｈ�ﾌＮＡＤＨ＋Ｈ＋
になります。ＮＡＤＨは生体内の酸化還元中間体として重要な物質です。電子を受け取ったり。相手に受け渡ししたりすることができます。
クエン酸回路（ＴＣＡ回路）のしくみ

クエン酸回路を図に示しました。反応�@〜�Hを最初の反応から右回りにつけてください。クエン酸回路は解糖系で生じたピルビン酸をアセチルＣｏＡにするところから始まります（�@）。この反応はピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体によって触媒されますが、図のように、３つのちがったビタミンを補酵素にした３つの酵素の連携によって反応が行なわれています。結果的には、二酸化炭素、ＮＡＤＨ、アセチルＣｏＡが生成します。この段階がクエン酸回路の入り口ですから、ビタミンB１が欠乏すると、この酵素反応が進行しにくくなり、病気になるわけです。アセチルＣｏＡの構造を図に示しました。パントテン酸とよばれるビタミンとアデニンヌクレオチドの誘導体にアセチル基（CH3-C=O〜）を付加したものです。アセチルＣｏＡは脂肪酸の代謝物でもあり、生体内のアセチル基の運搬中間体として重要です。アセチルＣｏＡは大きな分子ですが、アセチル基（C２）を運ぶ担体です。次に、アセチル基はオキサロ酢酸（C４）と反応してクエン酸（C６）となります。クエン酸はα−ケトグルタル酸（C５）、スクシニルＣｏＡ（C４）となり、炭素数が減る分を二酸化炭素（CO2）として放出していきます。さらにオキサロ酢酸にもどる間に、ステップ�@�C�D�HでＮＡＤＨを生成し、ステップ�FでＦＡＤＨ２を生成します。さらに、ステップ�Eで、ＡＴＰの塩基がグアニンになっているグアノシン三リン酸−ＧＴＰをつくります。ＧＴＰはＡＴＰと同じく高エネルギーリン酸化合物ですから、ＡＴＰができたことと同じことになります。このようにして、クエン酸回路では、３つの大きな仕事をしています。
１． もともとはグルコースの持っていたＨ原子をＮＡＤＨやＦＡＤＨ２として回収する（�@�C�D�E�H）。
２． 二酸化炭素が放出する（�@�C�D）。
３． ＧＴＰを生成する（�E）。
電子伝達系と酸化的リン酸化のしくみ
クエン酸回路でできたＮＡＤＨやＦＡＤＨ２はミトコンドリアの内膜に結合した電子伝達系酵素に運ばれて、電子伝達系に共役した酸化的リン酸化系によってＡＴＰに変換します。水素原子はどうして電子伝達系を通る間にエネルギーを生じるのでしょうか？水素（Ｈ）は元素の中でいちばん軽い単純な元素です。図のように、原子核に１個の陽子（プロトン）と電子１個をもっています。水素は簡単に電子とプロトン（Ｈ＋）に解離します。電子はエネルギーレベルが高く、電子伝達系の成分を流れていく間にＡＴＰという化学エネルギーに形をかえて貯えられるのです。これを少し漫画的に示すと、図のようになります。
大きな岩を崖の上から落としたとしましょう。高いところにあるものは、位置エネルギーをもっていて、その岩が崖を落ちていくときには、そのエネルギーは運動エネルギーにかわります。その崖の途中に大きな歯車をおいておくと、岩が衝突したときに歯車が動き、大きな水の入った桶を持ち上げます。その水は必要に応じて水力で仕事ができますから、便利なエネルギー貯蔵形になります。ＡＴＰの化学エネルギーはまさしくこの形になるわけです。

図に電子伝達系の成分を示しました。電子伝達系酵素は大きく３つの成分からできています。それらは、ＮＡＤＨ脱水素酵素複合体、ｂ−c１複合体、チトクローム酸化酵素複合体です。間にＣｏQ１０という化学物質とチトクロームcという小型のタンパク質が電子の受け渡し役として介在しています。ＮＡＤＨからの電子は直接ＮＡＤＨ脱水素酵素複合体に入ります。一方、ＦＡＤＨ２からの電子はＣｏQ１０のところへ流れ込みます。これらの電子伝達系を電子が流れる間にプロトンはミトコンドリアの外膜と内膜との間の膜間区画の方へながれていき、ミトコンドリアの内膜にはプロトンの電気化学的勾配が形成されます。そのプロトンの電気化学的勾配を形成する箇所は全部で３箇所あります。ＮＡＤＨから電子が流れたときには、３箇所のプロトンの勾配をつくりますが、ＦＡＤＨ２から場合には２箇所のプロトンの勾配をつくります。そのプロトンはミトコンドリアの内膜に結合したＡＴＰ合成酵素の中を通って、ミトコンドリアのマトリックスへ戻ります。そのときにADPとPiからＡＴＰが合成されるのです（図）。ＡＴＰ合成酵素は図のように、膜貫通型のＨ＋輸送体とＦ１−ＡＴＰアーゼというＡＴＰ合成酵素からできています。驚くことに、ＡＴＰ合成酵素は先ほど漫画的に示したような歯車のような部分をもっていて、Ｈ＋の流入を駆動力にしてＡＴＰを合成できるのです。このことから、ＮＡＤＨから電子が流れたときには、３ＡＴＰができ、ＦＡＤＨ２から場合には２ＡＴＰできることになります。最後にチトクローム酸化酵素複合体のところで、マトリックスに戻ったプロトンは電子と一緒になり、酸素と反応して水（H2O）になり、グルコースが完全に酸化されたときできる水と二酸化炭素（クエン酸回路で生じる）の両方がそろうことになります。
ＡＴＰ産生の計算
以上の議論から、ＡＴＰ合成に関して次の結論が得られます。
ＮＡＤＨ　→３ＡＴＰ
ＦＡＤＨ２→２ＡＴＰ
ＧＴＰ　　→ＡＴＰ
これをもとに、グルコースから酸素を積極的に利用した呼吸代謝で細胞内でいくつＡＴＰができるか計算してみましょう。
グルコース＋２ＡＤＰ＋２Ｐｉ＋２ＮＡＤ＋→２ピルビン酸＋２ＡＴＰ＋２ＮＡＤＨ＋２Ｈ＋
クエン酸回路でピルビン酸からできるものは
４ＮＡＤＨ・・・・・４Ｘ３ＡＴＰ＝１２ＡＴＰ
ＦＡＤＨ２・・・・・１Ｘ２ＡＴＰ＝　２ＡＴＰ
ＧＴＰ　　・・・・・・・・・・・＝　　ＡＴＰ
───────────────────────
　　　　　　　　　　　　　　　　計１５ＡＴＰ
となります。したがって、グルコースからは２X１５ＡＴＰ＝３０ＡＴＰできますから、解糖系の２ＡＴＰとあわせて２ＡＴＰ＋３０ＡＴＰ＝３２ＡＴＰ回収しました。しかし、グルコースからできるＡＴＰの数としてよく知られている数字３８ＡＴＰとか３６ＡＴＰにはまだ足りません。どこかで、数え忘れたＡＴＰがあるのですが、どこにありますか？それは、解糖系でできた２ＮＡＤＨです。ＮＡＤＨは大きな分子ですから、細胞質のＮＡＤＨは簡単にはミトコンドリアのマトリックスの中までは入れません。図に２つの往復輸送経路を示しています。１つはグリセロールリン酸シャトルとよばれる往復輸送系で、細胞質のＮＡＤＨがミトコンドリアに入る場合があります。このときに、細胞質のＮＡＤＨは細胞質にあるＮＡＤ依存性グリセロールリン酸デヒドロゲナーゼのはたらきで、グリセロールリン酸になり、ミトコンドリアに入ります。次に、グリセロールリン酸はミトコンドリアにあるＦＡＤ依存性グリセロールリン酸デヒドロゲナーゼのはたらきでＦＡＤＨ２になり、電子伝達系のＣｏQ１０に流れ込みます。一方、リンゴ酸、アスパラギン酸シャトルでは、細胞質とミトコンドリアに存在するリンゴ酸デヒドロゲナーゼの働きで、細胞質のＮＡＤＨはリンゴ酸に形をかえてミトコンドリアに入り、ミトコンドリアのリンゴ酸デヒドロゲナーゼの働きで、ミトコンドリアの中でまたＮＡＤＨが生成します。このように、グリセロールリン酸シャトルでは、細胞質のＮＡＤＨからは２ＡＴＰできますし、リンゴ酸、アスパラギン酸シャトルでは、細胞質のＮＡＤＨからは３ＡＴＰできることになります。よって、グルコースからはあと２Ｘ２ＡＴＰもしくは２Ｘ３ＡＴＰを足す必要があり、グルコースからは３６ＡＴＰもしくは３８ＡＴＰできるという計算になります。細胞質のＮＡＤＨをどちらの往復輸送系でミトコンドリアに入れるかは臓器によって違っているようです。昆虫の飛翔筋細胞のミトコンドリアにはグリセロールリン酸シャトルが多いとされていますし、動物の肝臓細胞ののミトコンドリアには、リンゴ酸、アスパラギン酸シャトルが多いといわれています。
エネルギー効率
細胞がグルコースのもつエネルギーをＡＴＰとして貯えるときのエネルギー効率を計算してみましょう。
C6H12O6＋6O2→6CO2+6H2O+686 kcal
ＡＴＰ→ＡＤＰ＋Pｉ＋7.3 kcal
ですから、グルコース１モルから６８６ｋｃａｌのエネルギーが放出され、１モルのＡＴＰから7.3 kcalのエネルギーが放出されます。グルコース１モルから最大３８モルのＡＴＰができますから、エネルギー効率は
38x7.3/686x100(%)=40.4%
になります。ガソリン自動車のエネルギー効率は１０％くらいですから、細胞のエネルギー効率は非常に高いことがわかります。しかも、細胞は低い温度でこのような高いエネルギー効率で仕事ができるわけです。細胞のことを等温化学エンジンであると表現するのも的を得た表現でしょう。

光合成生物の歴史
太陽はいわば天然の原子力発電所のようなものです。太陽の中心では核融合反応が起きていて莫大なるエネルギーを生み出しています。その結果として有害な放射線も出るのですが、地球は太陽から離れているために害が少ないわけです。これまでの話してきましたが、太陽は比較的長生きな星で、太陽があるかぎり我々はそのエネルギーの恩恵にあずかれるわけです。しかし、その太陽のエネルギーを直接に得ることのできる生物はいませんでした。光合成生物が初めて可能にしてくれました。エネルギーの保存の法則については皆さんもおわかりでしょうが、エネルギーはいろいろな形で貯えられます。図をみてください。太陽を例にとれば、熱エネルギーはその１つの形ですね。太陽がかんかんに照りつける夏に温度があがるのはそのせいです。太陽の核融合反応の結果、太陽風が吹き、そのエネルギーが風のような運動エネルギーになることもあります。太陽からは光のエネルギーも出ています。光のことを物理学では電磁波とよび、いろいろな長さの波からできた粒子の集まりのことです。波の山と次の山（もしくは波の谷と次の谷）の距離のことを波長といいます。この波長は生命科学の勉強にも時々登場するので覚えておいてください。光には目に見える光いわゆる七色の虹の光があります。これを見る（視る）ことの可能な光という意味で可視光線といいます。七色の虹の光とは赤、橙、黄、黄緑、緑、緑青、青、紫の色の光ですが、赤色の光の波長は800nm (0.8μm)くらいで、紫の光の波長は400nm (0.4μm)くらいです。赤色から紫色になるにつれてその光の波長がだんだん短くなっていきます。光には目に見えない光もあります。赤色よりも波長の長い光には赤外線があります。それよりも長いものにはラジオ波があります。一方、紫色よりも波長の短い光に紫外線があります。赤外線も紫外線も赤または紫の外側の波長の光という意味です。紫外線よりもさらに短いものに、x線、γ線や宇宙線があります。これらの光の中でどれがもっているエネルギーが大きいか考えてみましょう。アインシュタインの光量子仮説によると、光のもつエネルギー（Ｅ）は
E = hc /λ
とあらわされます。ここで、hはプランク定数、cは光の速度、λは光の波長（cm）です。光の波長が短ければ短いほどその光のもつエネルギーは大きくなります。したがって、光の中でエネルギーが大きいのは、紫外線、x線、γ線や宇宙線などであることになります。私たちが夏に肌が日焼けしたり、冬にスキーで雪焼けしたりするのは、この紫外線のせいです。前置きが長くなりましたが、地球に初めて誕生した太陽の光エネルギーから自分の栄養を作りだせる生物はこれらの光のうち可視光線を利用しています。その詳しい理由はあとで説明します。ただし知ってほしいことは、あまりエネルギーが大きい光例えば紫外線、Ｘ線やγ線を使うと生物の遺伝子DNAがこわれてしまうこともあります。現在生息する光合成生物にはどんなものがいるか考えてみましょう。表のように、モネラ界の生物にも光合成細菌、ラン藻、好塩性細菌などがいます。真核生物には原生生物、藻類、高等植物などがいます。このことから、光合成生物は生命が誕生してのちかなり早い時期に誕生していたことになります。化石の分析から35億年前には光合成細菌やラン藻の祖先がいたとされていて、光合成の歴史はかなり古いことがわかります。光合成生物の特徴を図に示しました。光合成生物は光のエネルギーを吸収できる色素を持っています。そのエネルギーはグルコースC6H12O6のようなエネルギーをもった化合物になり、生物のエネルギー源となります。化学式であらわすならば、
6CO2+12H2O→C6H12O6+6H2O+6O2
となります。
エネルギーの保存の法則でいえば、太陽の光エネルギーはかたちをかえて、グルコースのような化学物質となり、化学エネルギーにかたちをかえるわけです。こうして、太陽の光エネルギーのような恒久的に存在するエネルギーを初めて恒久的にグルコースという化学エネルギーのかたちに変えることのできる生物が現われたのです。これはまさに革命的な出来事でした。地球上に残っていたわずかな有機栄養物質を奪いあうのではなく、自分自身が栄養をつくりだすのですから、生命活動には何の心配もありません。しかも、エネルギー源は太陽からくるわけで、存分すぎます。化学合成生物のような遠慮もいりません。光合成生物がまさに革命的に地球の環境を一変させるように繁殖していったことは想像に難くありません。オーストラリアには現在でもストロマトライト（石のベッドの意味）と呼ばれる奇岩が海辺にみられますが、これはラン藻の仲間の繁殖によってできたものであることが示されています。光合成生物も最初は海の中で誕生したのですが、海の中を一変させてしまうかのように繁殖していったことが想像されます。こうして光合成生物が誕生し、繁殖していくと、地球の環境はこれまでと全くちがったものになっていきました。その変化をまとめてみます。
光合成反応
光合成反応には、明反応と暗反応があります。高等植物の場合には、いずれも葉緑体で行なわれてます。図のように、明反応では、太陽の光エネルギーを光合成色素が吸収して、そのエネルギーで水（H2O）を活性化して、水素原子（H）と酸素（O2）をつくります。そして、水素原子はプロトンと電子に分かれます。電子は、ミトコンドリアの電子伝達系と同じように、葉緑体のグラナのチラコイド膜にある光化学系��と光化学系�氓ﾈらびにそれらを結ぶ電子伝達系成分の間を流れる間に、ＡＴＰとＮＡＤＰＨ（図）をつくります。明反応とは、太陽の光エネルギーを必要とする反応であり、昼間の明るいところでしかおきませんから、明反応と呼ばれています。一方、暗反応は葉緑体のストロマでおきる反応で、明反応でつくられたＡＴＰとＮＡＤＰＨを利用して、二酸化炭素（CO2）を還元して、グルコースをつくりだします。この暗反応は太陽の光エネルギーを必要としない反応で、夜間にもおきますから、暗反応と呼ばれています。それぞれの詳しい化学反応についてみていきましょう。
太陽の光と光合成色素
３章で述べたように、光には、目に見える光（可視光線）と目に見えない光があります。光をまとめて電磁波といいますが、電磁波はいろいろな波の長さのちがう光粒子の集まりです。そのうち、七色の虹の光は私達が目にすることのできる光で可視光線といいます。その光粒子の波長は４００〜８００ｎｍの間にあります。紫の光よりも波長の短い光を紫外線といい、さらに波長の短いものにX線、γ線、宇宙線があります。３章で示したアインシュタインの光量子仮説による光のもつエネルギーの式からわかるように、より波長の短い光はエネルギーが強いことになります。したがって、赤の光よりも波長の長い光、赤外線やラジオ波はエネルギーの弱い光です。ところで、植物はどのような光を吸収するのでしょうか？図に植物の葉の光吸収スペクトルを示しています。吸収スペクトルとは、波長をかえて光を当てて、どの波長の光を吸収するかをグラフにしたものです。図のように、２つの大きな吸収帯があり、１つは紫・青もう１つは橙・赤の光で、緑付近の光を吸収していないことがわかります。実は植物の葉が緑色にみえるのはそのせいで、太陽の光が葉にあたると、紫・青
・橙・赤の光を吸収し、残りの余色の緑色を発しているのです。そのため、私たちの目には、葉が緑色にみえるのです。紫・青・橙・赤の光を吸収する光合成色素とはどんなものなのでしょうか？光合成色素には、クロロフィルやカロチノイドがあります。クロロフィルは図に示した構造で、ポルフィリン環にマグネシウム（Mg）が配位した化合物で、緑色をしています。うすく塗りつぶしたところは、二重結合が隣り合っていて、共鳴構造をとっています。共鳴構造をもつ物質の多くはエネルギーを吸収してエネルギーレベルが上がり、物質のもつエネルギー状態が活性化されます。これを励起状態といいます。クロロフィル分子が光エネルギーを吸収して、励起状態になると、図のように３つのエネルギーの移動が起きます。１．は単純な移動ですが、励起された分子がもとに戻り、その差が光や熱となって発生します。２．では励起された分子がもとに戻るときに発生するエネルギーを隣のクロロフィル分子に渡すこともできます。さらに、３．では励起されたクロロフィル分子が電子供与体と電子受容体とをはさんで電子の受け渡しに関与することもあります。光合成にみられるクロロフィル分子内のエネルギー移動は２〜３にみられる方法です。
明反応のしくみ
明反応のことを光合成電子伝達反応ともいいます。葉緑体のグラナのチラコイド膜には光化学系とよばれるタンパク質複合体があります。光化学系は複数のタンパク質からできていて、２つの構造体からできています。図に示したように、１つは光化学反応中心とよばれる部分です。もう１つはアンテナ複合体とよばれる部分です。アンテナ複合体では、クロロフィル分子が数百個集まってタンパク質とチラコイド膜に集合体をつくっています。カロチノイド色素はアンテナ複合体にあって、クロロフィル分子が吸収できない波長の光を吸収しています。光によって励起されたアンテナ複合体のクロロフィル分子は上記の２の方法で、反応中心のクロロフィル分子に集められてきます。光化学反応中心では、反応中心にある特別なクロロフィル分子が電子を受け渡すはたらきをしています。上記の３のエネルギー移動が電子の受け渡しでおきているのです。図にチラコイド膜の電子伝達成分を示しました。まず、末端に光化学系��があり、マンガン（Mn）原子群をもつ水分解酵素によって、水の分解がおきます。
2H2O+４光量子→4H＋＋4e−＋O2
そして、その電子は反応中心にある特別なクロロフィル分子によって受け渡されて、プラストキノン、ｂ６−ｆ複合体に渡させていきます。ｂ６−ｆ複合体は、H＋ポンプのはたらきをしていて、チラコイド膜内部にH＋を放出します。こうしてつくられたH＋の電気化学的勾配を利用して、ミトコンドリアと同じように、ＡＴＰ合成酵素によってＡＴＰがつくられます。さらに電子はプラストシアニンを経由して光化学系�氓ﾉ入ります。ここで、光化学系�氓ﾌ光化学反応中心のクロロフィルが光により励起されて、電子をフェレドキシン、ＮＡＤＰ還元酵素に渡して、ＮＡＤＰＨがつくられます。このようにして、暗反応に必要なＡＴＰとＮＡＤＰＨがつくられるのです。図にミトコンドリアと葉緑体のチラコイド膜におけるＡＴＰ合成酵素によるＡＴＰの作られ方を示しましたが、いずれもH＋の電気化学的勾配を利用して、マトリックス（ミトコンドリア）、ストロマ（葉緑体）にＡＴＰをつくりだします。
暗反応のしくみ
暗反応は前に述べたように葉緑体のストロマで行なわれています。暗反応のことを炭素固定反応ともいいます。暗反応では、図のように、二酸化炭素（CO2）がリブロース1,5-二リン酸と結合したのちに、NADPHの還元力で還元されることになりますから、炭酸還元反応ともいいます。しかし、二酸化炭素がリブロース1,5-二リン酸と結合し、固定化されるというユニークな反応様式を理解する意味から、炭素固定反応の方が印象的かもしれません。炭素固定反応はクエン酸回路と同様に、炭素固定回路という反応回路をつくっています（図）。まず、回路は３分子のリブロース-5-リン酸が３分子のＡＴＰと反応して、３分子のリブロース1,5-二リン酸になるところから始まります。そこに、３分子の二酸化炭素が固定化されます。この酵素反応はリブロース二リン酸カルボキシラーゼという酵素の触媒で起きます。葉緑体の５０％をこの酵素が占めることもまれではないので、地球でいちばん多く存在する酵素タンパク質でしょう。この反応によって３-ホスホグリセリン酸が６分子できます。３-ホスホグリセリン酸は６分子のＡＴＰによってさらにリン酸化されて、６分子の1,3-ジホスホグリセリン酸になります。そして、６分子のＮＡＤＰＨによって還元されて、６分子の1,3-ジホスホグリセリン酸から６分子のグリセルアルデヒド-3-リン酸ができます。５分子のグリセルアルデヒド-3-リン酸は１周するために元に戻り、３分子のリブロース-5-リン酸になります。すると、１分子のグリセルアルデヒド-3-リン酸が余ることになり、これが解糖系の逆流で、グルコースをつくるのに利用されるわけです。要するに炭素固定回路では、３分子の二酸化炭素をグリセルアルデヒド-3-リン酸にかえることができるわけです。動物では、血液中にはグルコースが含まれていて、エネルギーの供給体となっています。植物では、グルコースとフルクトースが結合した二糖のショ糖がエネルギーの供給体になっています。植物のエネルギー貯蔵形はデンプンでグルコースがα（１→４）結合もしくはα（１→６）結合で結合して高分子になったものです。デンプンは葉緑体のストロマでもつくられますが、貯蔵デンプンはプラスチドというオルガネラの１つでもつくられています。

細胞膜
細胞膜自体はオルガネラではありませんが、オルガネラの起源の多くが細胞膜に由来していますから、まず、細胞膜についてとりあげてみましょう。細胞膜は前に述べたようにリン脂質の二重の層からできています。シンガーとニコルソンの流動モザイクモデルでは、タンパク質はその膜の中に浮かんでいるわけですが、膜の表にだけ顔をだしたもの、その反対のもの、そして膜を貫通したものなどがありました。細胞膜をみると、タンパク質の中に膜を貫通したものが多いことがわかります。これは細胞膜の機能と密接に関連しています。細胞膜のはたらきは細胞内部と外界とを単に仕切るだけではないのです。浸透圧の調節も大切ですし、外界からの栄養物質を吸収したり、老廃物を捨てたりするのも大切です。組織の細胞では、隣の細胞と接触してお互いの連携を保っています。また、外界からのいろいろな刺激に対して応答するはたらきももっています。これらのはたらきに細胞の膜がどのようにして関わっているのか考えてみましょう。
膜における物質の輸送
細胞の膜における浸透圧の調節や栄養物質の吸収などを考えるときには、膜における物質の輸送の基本を理解しておく必要があります。膜はリン脂質の二重の層でできていて、その大部分は疎水性であることに注意してください。したがって、図のように、疎水性の物質ベンゼンやアセトンは膜になじみやすいことになります。また、非極性の小さい分子例えば水（H2O）、酸素（O2）や二酸化炭素（CO2）などは自由に通過できます。グリセリンや尿素なども通過できます。しかし、グルコース（C6H12O6）では分子が大きいために膜を通過できません。一般に水に溶けやすい極性の分子は膜を通過できません。最も水に溶けやすいイオン例えば、H＋、Ｎａ＋、Ｋ＋、Ｃａ＋＋、Mg＋＋、Cl−、ＨＣＯ３−などは分子は小さいのですが、膜を通過できません。このように膜を通過できるものとできないものがある以上、通過できないものについては特別に膜を通過させてやる必要があります。もう１つ知っておいてほしいことがあります。それは膜を介した物質の輸送移動は普通は濃度の高い方から低い方へ起きることです。物質の濃度が同じになれば、膜を介した物質の目立った動きはなくなってしまいます（膜の内外で物質の濃度が同じになって平衡に達しても物質の膜を介した動きはあります。）。このように膜の内外で濃度差がある場合、その濃度の違いを坂道に例えて濃度勾配といいます。濃度勾配の高い方から低い方へは物質は移動しますが、ふつうその逆は起きません。このように物質が濃度の高い方から低い方へひとりでに移動することを受動拡散といいます。しかし、図のように細胞ではイオンは不均一に分布しています。その細かい数値を表に示しました。細胞膜では濃度勾配に逆らってまでも物質を逆に輸送させるような場合もあります。特に電荷をもつ物質では、膜の内外に電気化学的勾配ができるわけで、この場合にはATPのエネルギーを必要とします。これを能動輸送といいます。
膜を通過できないような物質をどのようにして膜を通過させるのか、どうして膜の内外で濃度が違うのか？それを実現する装置が膜にはあります。その装置の主役は膜タンパク質です。膜輸送タンパク質ともいいます。前に述べたように、細胞膜に多くみられる膜貫通型のタンパク質がこれらの輸送に関係した膜輸送タンパク質です。図に示したように、受動拡散による輸送に関係した膜輸送タンパク質にはチャンネル型と運搬体型があります。チャンネル型では、膜貫通型のタンパク質の内部に親水性の穴があって、そこをイオンが通過できるようになっています。膜自体は疎水性ですが、タンパク質が膜に穴をあける場を提供しているのです。運搬体型では、親水性のイオンをタンパク質が包んで外から内へ運び込んでいます。
次に能動輸送型の膜輸送タンパク質をみてみましょう。このタンパク質はイオンの電気化学的勾配に逆らってイオンを輸送するのにエネルギーを使っています。１つの物質だけを輸送するタイプ、２つの物質を同時に輸送するタイプもあります。さらに、２つの物質を輸送するのですが、１つは外から内へ、もう１つは内から外へ運ぶタイプもあります。このときには、２つのイオンの正方向、反対方向への輸送が同時におきることが特徴です。最後のタイプの輸送は細胞にはよくみられる輸送です。例えば、Ｎａ＋−Ｋ＋ポンプは別名Ｎａ＋−Ｋ＋ＡＴＰアーゼとも呼ばれ細胞内外のＮａ＋、Ｋ＋の濃度差を維持するのに重要な役割を果たしています。このポンプでは、３Ｎａ＋を細胞外へ排出し、同時に２Ｋ＋を細胞内に取り込むようになっています。図のように細胞内の
３Ｎａ＋がこのＮａ＋−Ｋ＋ポンプのタンパク質に結合します。すると、ＡＴＰの加水分解でタンパク質のリン酸化がおきて、タンパク質の構造が変化し、３Ｎａ＋は細胞外へ出ていきます。そのとき、細胞外の２Ｋ＋を結合し、そののち脱リン酸化がおきて、タンパク質の構造が元に戻り、２Ｋ＋を細胞の中へ取り込みます。このタンパク質は動物細胞の浸透圧調節に重要なはたらきをもっていることにもなります。浸透圧について考えてみましょう。細胞膜は水を自由に通過させることができます。細胞を細胞内の溶質濃度と等しい溶液（等帳液）につけると、水の内外における移動は平衡に達していて、細胞は同じ形を保てます。細胞の溶質濃度よりもうすい低帳液に細胞をつけると、細胞内外の濃度を等しくしようとする結果、水が細胞外から内へ入り込み、細胞は膨張し、きわめて低張な溶液につけた場合には細胞は破裂してしまいます。一方、細胞の溶質濃度よりも濃い高帳液に細胞をつけると、細胞の溶質濃度を上げようとするために、水が細胞内から外へ移動し、細胞は縮んでしまいます。実際に細胞では表に示したように細胞内の全無機イオンの濃度は細胞外の全無機イオン濃度に比べて低くなっています。これは、細胞内に糖、アミノ酸、ヌクレオチドなど細胞内の生命活動になくてなはならないものをたくさんもたなければならないためです。そのためＮａ＋−Ｋ＋ポンプのように細胞内のＮａ＋を選択的に外に排出させる装置が必要になるのです。細胞膜のもつ他のはたらき、刺激への応答や免疫などについては後にふれることにします。

細胞の調節
細胞はいろいろな外界からの刺激に対して応答するはたらきをもっています。細胞生命は生活している環境に適応しなければなりませんから、細胞が刺激に対して応答することは、細胞生命自らをさまざまな外界からの刺激に対して身を守ることになりますし、生きていくために必要なことでしょう。この講では、細胞生命に的をしぼって話しをしている関係から、多細胞生物の組織、器官、個体レベルでの調節の話しはしません。まず、神経系における興奮の伝導を生み出すしくみについて、細胞レベルでの興奮について考えてみます。さらに、細胞のシグナル伝達、代謝における調節についてとりあげてみます。
興奮の伝導
図に神経細胞（ニューロン）の模式図を示しました。ニューロンは刺激となるシグナルを受け取り、運び、伝えるというはたらきをしています。神経細胞体と軸索からできていています。神経細胞体は多くの樹状突起をもっています。また、軸索末端にも、多くの分枝をもっています。軸索は１個の細胞から出たにもかかわらず、非常に長いもので、長いものは１mにもなります。樹状突起に刺激となるシグナルが伝わると、それは神経細胞体の細胞膜を伝わって、軸索に移動します。そして、軸索上を軸索末端の方向へシグナルが伝わっていきます。この伝わりは電気的な興奮の波であり、活動電位と呼んでいます。この伝わる速度は１秒間に１００mにもなる瞬時の伝わりです。このような活動電位を生み出す装置は細胞の膜にあり、電位依存性Na＋チャンネルと呼ばれています。図のように、細胞膜は外側が＋に内側が−に分極した状態になっています。電位依存性Na＋チャンネルは分極した状態では図のように閉じた状態になっていますが、刺激がくると電位依存性Na＋チャンネルが開き、Na＋が細胞内に入り込みます。＋イオンが入り込みますから、膜の電位差は-70mVから+50mVまで増加します。この変化は急激で、ふつう１／１０００秒よりもはやく起きます。次に、電位依存性Na＋チャンネルは不活性状態になり、チャンネルを閉じてしまいます。そして、徐々に閉じた状態に戻っていきます。このしくみだけでは、細胞の中に流入したNa＋は元に戻れませんが、細胞膜には、外向きに細胞内のK＋を細胞外へ流出させる電位依存性K＋チャンネルがあり、膜電位を元の状態の-70mVに戻すようにはたらきます。そして図に示したように、電位依存性Na＋チャンネル分子の不活性状態が次の電位依存性Na＋チャンネル分子の開状態を促すようにすることで、活動電位は左から右への方向だけに伝わっていくことになります。せきつい動物のニューロンの軸索にはミエリン鞘でおおわれています。図のように、ミエリン鞘はグリア細胞とよばれる細胞の膜で軸索をおおっています。ミエリン鞘は軸索をおおって絶縁のはたらきをしています。軸索はミエリンですべてをおおわれているのではなく、ふつう１ｍｍ間隔くらいがミエリン鞘となっていて、その間にはランヴィエ節と呼ばれる軸索が絶縁されていないで裸になっているところがあります。この部分にNa＋チャンネルのほとんどが集まっていて、せきつい動物のニューロンの軸索では、興奮の伝導がランヴィエ節を飛び跳ねながら伝わっていき、その伝導速度が１秒間に１００mにもなるのです。無せきつい動物では、その速度は早いものでも１秒間に３０mくらいで、せきつい動物の軸索の興奮の伝導速度には及びません。
細胞のシグナル伝達
細胞膜には多くの受容体タンパク質があり、外界からの刺激−シグナルを細胞内に伝えるしくみがあります。また、細胞の中にもシグナルを受容する多くのタンパク質があります。これを細胞のシグナル伝達といいます。図にシグナル伝達の３つの様式を示しました。（Ａ）傍分泌タイプでは、シグナルを発する細胞が出したシグナル物質が近くの標的となる細胞にはたらきます。（B）シナプスタイプでは、神経細胞−ニューロンの軸索末端から神経伝達物質が出て、標的細胞にはたらきます。（C）内分泌タイプでは、内分泌細胞がつくったホルモンが血液を介して標的細胞にはこばれます。シグナルとなる物質は多種多様で、タンパク質、ペプチド、アミノ酸、ヌクレオチド、ステロイド、レチノイド、脂肪酸などがあります（図）。また、一酸化窒素や一酸化炭素などの低分子のこともあります（図）。これらの物質の多くは細胞膜または細胞質に存在する受容体と結合して、シグナル伝達を開始します。このように、受容体と結合するシグナルとなる物質をリガンドといいます。これらのリガンドのシグナル伝達には２つの方法があります。１．タンパク質やペプチドなどは膜を通過できないので、細胞膜に存在する受容体に結合し、シグナル伝達する方法です。２．ステロイド、レチノイド、脂肪酸など脂溶性の物質の場合に、それらは細胞膜を受動拡散で通過し、細胞質にある受容体と結合し、シグナル伝達する方法です。
細胞膜にある受容体を介するシグナル伝達
１では細胞膜に存在する受容体がシグナル伝達の出発になっていますが、大きく３つの受容体があります（図）。それらは、（１）イオンチャンネル連結型受容体、（２）Gタンパク質連結型受容体、（３）酵素連結型受容体です。（１）には、アセチルコリン受容体が知られています。ニューロンからのシグナルは、シナプスとよばれる接合部位を介して、次の細胞にはこばれます。この間にはせまいすき間があって、シナプス部分の小胞から出る神経伝達物質によって次の細胞にシグナルが伝えられます。アセチルコリン受容体は骨格筋細胞にあって、運動ニューロンのシナプスから出る神経伝達物質アセチルコリンの受容体としてはたらいています。アセチルコリン受容体にアセチルコリン（図）が結合すると、アセチルコリン受容体の構造が変化し、チャンネルを開状態にします。すると、大量のNa＋が細胞内に流入し、膜を脱分極させて、骨格筋の収縮がおきます。アセチルコリン受容体はααβγδの５つのサブユニットからできていて、このうち、２つのαサブユニットにアセチルコリンが結合するようになっています。（２）には、細胞内に環状ＡＭＰを２次シグナルとしてつくりだす受容体が知られています。環状ＡＭＰは図のようにアデニンリボヌクレオチドのリン酸の水酸基がリボースの３’と５’の水酸基との間に２箇所リン酸エステル結合したものです。アデニル酸シクラーゼという酵素のはたらきでつくられます（図）。また、環状ＡＭＰホスホジエステラーゼのはたらきで、もとのＡＭＰに戻り、細胞内の量をうまくコントロールしています。表に環状ＡＭＰが関係する細胞内の応答反応を示しました。環状ＡＭＰが関係することがよく知られている生体の応答の１つに血糖値の上昇があります。これは、アドレナリン（図）とよばれるホルモンが細胞膜のGタンパク質連結型受容体に結合することによりおきる生体内の応答です。図のように、アドレナリンがβアドレナリン作動性受容体に結合すると、Gsタンパク質を介して、アデニル酸シクラーゼを活性化させて、ＡＭＰから環状ＡＭＰをつくります。環状ＡＭＰは環状ＡＭＰ依存性タンパク質キナーゼ（略してＡ−キナーゼともいいます）とよばれるリン酸化酵素を活性化します。すると、活性化されたＡ−キナーゼが不活性化されたグリコーゲンホスホリラーゼキナーゼを活性化させ、不活性化されたグリコーゲンホスホリラーゼを活性化されたグリコーゲンホスホリラーゼにしてくれます。要するに、酵素タンパク質分子中のあるアミノ酸（セリン、セレオニンやチロシンの側鎖の水酸基）の側鎖をリン酸化することによって、酵素タンパク質が活性化されたり、不活性化されたりしているわけです。グリコーゲンホスホリラーゼはグリコーゲンを加水分解して、グルコース１−リン酸を生じます。そして、これがグルコースとなり、血糖値をあげることになります。（３）には、環状ＧＭＰを生成するグアニル酸シクラーゼの受容体があります。環状ＧＭＰは環状ＡＭＰの塩基がアデニンからグアニンに変わっただけのものです。環状ＧＭＰも環状ＡＭＰと同様に環状ＧＭＰ依存性タンパク質キナーゼ（略してG−キナーゼともいいます）を活性化して、環状ＧＭＰ依存性Na＋チャンネルを介して、視細胞の光受容に関係しています。
細胞質受容体を介するシグナル伝達
ステロイドホルモンは脂溶性で、細胞膜を受動拡散により通過します。そして、図のように細胞質にある受容体タンパク質と結合し、核内部に移動し、染色体のタンパク質と結合し、ある遺伝子の転写を活性化します。そして、つくられたｍＲＮＡからあるタンパク質がつくられ、生物活性を発揮します。やけどをした時にステロイドホルモンの軟膏を塗ると、やけどをした部位が修復してきますが、上記のような作用機構で、ステロイドホルモンが遺伝子を活性化させて、皮膚の上皮細胞を形成するタンパク質の合成を促進したためでしょう。

ＤＮＡ複製と細胞分裂
細胞のはたらきのところで、細胞の増殖のことは説明しませんでした。遺伝子ＤＮＡの複製がまさに細胞の分裂の中心にあることから、ここで説明したいと思います。細胞分裂には体細胞分裂といって生殖細胞以外のすべての細胞にみられるものと、生殖細胞にのみみられる減数分裂があります。減数分裂のことはあとで説明します。
細胞周期
体細胞分裂とは図に示すように、真核細胞では母細胞の核に存在する染色糸に存在する遺伝子ＤＮＡが複製され、染色糸が倍加し、それに伴って細胞を倍加させるのに必要なあらゆる合成がおき、有糸分裂と細胞質分裂がおき、２つの全く等しい娘細胞になることです。真核細胞における体細胞分裂は間期（G期−間のことをGapというので頭文字のGを使います。）と分裂期（M期−有糸分裂のことをMitosisというので頭文字のＭを使います。）があり、分裂期は有糸分裂と細胞質分裂とに分けられます。細胞の分裂にはどのくらいの時間がかかるのでしょうか？最も短いものはハエの胚で、８分といわれています。一方、ホ乳類の肝臓では１年以上になるものもあります。しかし、ふつうのホ乳類の細胞では、２４時間くらいであり、これを標準にして話しをしましょう。私たちは図に示すような体細胞分裂の各過程をこれまでに本でよくながめてきたものですが、図では残念ながら時間の感覚や動的な感覚が表現できませんでした。細胞周期を知ると、細胞分裂の時間的、動的側面に注意がいくようになります。図をみてください。間期（G期）の細胞では光学顕微鏡で観察しても何ら変化していないようにみえるのです。しかし、実は核の中では、ＤＮＡの複製にはじまり、いろいろな物質の合成がさかんに行なわれているのです。そこで、細胞分裂の周期を細胞周期とよび、間期を３つに分けて考えます。先ず、間期の中に合成期（Ｓ期、合成のことを英語でSynthesisといい、その頭文字を利用）を加えます。Ｓ期にはＤＮＡの複製が行なわれます。次にM期終了から次のＤＮＡ複製の始まるまでをＧ１期と呼びます。ＤＮＡ複製終了から次のM期までをG２期と呼びます。Ｇ１期とG２期はなぜ要るのでしょうか？細胞分裂は生命細胞にとっていちばん大掛かりな仕事です。ＤＮＡの複製に続いてすぐ分裂を始めるわけにもいきませんし、分裂が終わってすぐにまたＤＮＡの複製を始めるわけにもいきません。おそらくＧ１期とG２期の間にこのすべての大掛かりな仕事を行なうための準備をしているのだと考えるべきでしょう。Ｓ期すなわちＤＮＡ複製にはおよそ9時間、Ｇ１期はおよそ８時間、G２期はおよそ６時間とみてください。そして、M期はたったの１時間です。１時間の間に分裂が完了してしまいます。M期は２４時間の細胞分裂の周期のうちの１／２４にすぎず、有糸分裂と細胞質分裂から成る分裂期がいかに迅速にかつ見事なプランをもって行なわれているかがわかると思います。
有糸分裂と無糸分裂
先ず、細胞分裂には、有糸分裂と無糸分裂があることに注意してください。有糸分裂は真核細胞にみられる細胞分裂であり、核内のＤＮＡは染色糸を形成していて、この染色糸の分裂を伴うものです。原核細胞では、ＤＮＡは染色糸を形成せずに、そのままで存在しています。したがって、染色糸を形成せずに、分裂がおきます。真核細胞はどうして有糸分裂が必要なのでしょうか？真核細胞のＤＮＡの長さは例えばヒトの細胞ではＤＮＡを全部つなぎあわせると２mにもなるとされています。一方、大腸菌のＤＮＡは全部つなぎあわせても１mm程度であり、真核細胞のＤＮＡが格段に多いことがわかります。真核細胞はそれだけ多くのＤＮＡの情報量が必要であり、ＤＮＡが染色糸となってぎゅっと凝縮されるなければならなかったのです。大腸菌の細胞の直径は数μmですから、１mmの長さのＤＮＡは数百倍にもなります。これもたいへんなことなのですが、真核細胞の場合はその直径は数十μmですから２mのＤＮＡをしまうのはもっとたいへんなことがよくわかるでしょう。
体細胞分裂の実際
体細胞分裂はヒトで言えば、肝臓、心臓、皮膚などどこでも起きている細胞の分裂です。図のように、有糸分裂では、前期、前中期、中期、後期、終期に分けられます。図をみて、その特徴を吟味してください。細胞にはM期には形態的にみて大きく３つの出来事が起こります。それは、
１．染色体の凝縮
２．有糸分裂紡錐体の形成
３．収縮環の形成
です。１と２は前期から観察されます。核の中に均一に分布していた細い染色糸は二重のらせん状になり、太く短くなりながら凝縮して染色体を形成していきます。核小体は分散してみえなくなっていきます。光学顕微鏡では、間期の核の中には何があるのかよくわからないのですが、前期になると凝縮した染色体をみることができるようになります。この染色体は２本の等しい染色分体となっていて（相同染色体ともいいます）、セントロメア（中心の要素の意）と呼ばれる染色体の分離に必要な特異的なＤＮＡの塩基配列をもっています。ＤＮＡの複製には、セントロメアの他に、図に示したように、テロメア（端の要素の意）と呼ばれる末端領域が必要です。前に示したＤＮＡポリメラーゼというＤＮＡを複製する酵素はＤＮＡの末端まで複製することができません。そこで、末端にテロメアをもつことで、ＤＮＡを保護して確実にそのＤＮＡを子孫へと伝えていくのです。また、ＤＮＡにはＤＮＡ複製の開始地点が必要です。前にＤＮＡの複製はＤＮＡの末端がフォークのように開いて始まると言いましたが、実際はＤＮＡのある部分が泡のようにほどけて、そこを起点にしてＤＮＡの複製がおきていきます。話しを先にすすめましょう。前期のおわりころになると、細胞質にある中心体２つに分かれて有糸分裂紡錐体がつくられます。中心体は微小管結合タンパク質でできていて、中には１対の中心小体があります。この中心体が２つに分裂し、中心体の外側に向かって微小管を伸ばしています。その微小管が紡錘糸となるのです。前中期になると、核膜は小さな小胞状に断片化して、紡錘体極の近くに残ります。紡錘体の微小管は核の内部に入り込み、染色体のセントロメアの両側に新たにつくられた動原体とよばれるタンパク質の複合体と紡錘体微小管の一部が結合します。これを動原体微小管といいます。動原体と結合しない微小管もあり、それは極微小管といいます。さらに、紡錘体極近くにある微小管は星状体微小管といいます。動原体微小管が染色体を引っ張るので、この時期に染色体は各極に向かって動いてみえます。中期に入ると、両極の紡錘体から出た微小管が動原体と結合する結果、染色体は細胞の中間にとどまることになります。この面を細胞を地球になぞらえて赤道面といいます。後期に入ると、赤道面にとどまっていた２本の相同の染色分体は、何かのきっかけを見い出したのか、突然に動原体が分かれて、それぞれの染色分体は紡錘体極へと移動を開始します。数分で動き終わるようです。面白いことにこの時に動原体微小管は短くなり、極微小管は長くなります。微小管は伸びたり、縮んだりすることで、動きを生み出しています。終期になると、極に移動した娘染色体の動原体はなくなり、断片化していた核膜が再集合しはじめます。凝縮していた染色体はまた分散しはじめ、核小体がまたみえてきます。最後に細胞質分裂がおきます。細胞の中央部に収縮環いう輪ができます。これは、アクチンフィラメントでできていて、丁度細胞を幾重ものひも（２０本ぐらいといわれています）でしばって細胞をちぎっていき、二分するようなものです。この時極微小管が中央に残って、橋をかけたように働いて細胞を２つに分けるはたらきをしているようです。
細胞分裂にはたらく因子
細胞分裂の機構もかなり分子レベルで解明されてきました。サイクリン依存性タンパク質キナーゼ（cyclin-dependent protein kinase, Cdkと呼ぶ） という酵素とサイクリンと呼ばれるタンパク質です。Cdkは、あるタンパク質のセリンやスレオニンアミノ酸残基の水酸基をリン酸化する酵素ですが、図のようにサイクリンが結合しないと、その酵素のはたらきを示しません。前に酵素のところで説明しましたが、酵素の活性を高めたり、低めたりするのに、タンパク質のリン酸化や脱リン酸化はたいへん有効です。すぐに実行できるからです。サイクリンには、細胞周期のＧ１期にCdkに結合し、ＤＮＡ複製をはじめるＧ１サイクリンと、有糸分裂サイクリンといって、M期促進因子を活性化して、有糸分裂装置を活性化するものがあります。Ｇ１サイクリンはＤＮＡの複製に、有糸分裂サイクリンは有糸分裂開始や終了に大切なはたらきをしています。
生殖と減数分裂
有性生殖と無性生殖
体細胞分裂で述べてきたように、原核生物では性を持たずに分裂する形式が一般的です。この場合には、親の細胞から全く同じ子孫細胞がつくられていくことになります。遺伝的にみると、同じ子孫細胞ができるので、進化はおきないことになります。これに対して、有性生殖では、雌雄の染色体が混じりあい、遺伝的には似てはいるものの、全く同じではない子ができることになります。生物は有性生殖によっていろいろな遺伝子の組み合わせをもつ新たな個体をつくることができるようになった結果、多様な進化を遂げることになったのです。有性生殖は地球上の生命の爆発的な進化の原動力となったといってもいいでしょう。
減数分裂
生物の細胞の染色体の数はふつう偶数であることは前にも述べました。それは、決まりであるというより、性を有する生物の基本でもあります。性をもつ生命には、細胞に染色体が１組しかない一倍体世代と染色体が２組ある二倍体世代があります。それぞれをハプロイド世代とジプロイド世代と呼びます。雌雄の一倍体細胞が融合し、二倍体細胞の子をつくり、その生殖細胞が減数分裂によって一倍体細胞となり、また雌雄の一倍体細胞が融合して、二倍体細胞の孫となるのです。このように、二倍体細胞から一倍体細胞の生殖細胞をつくる細胞分裂の様式が減数分裂です。減数分裂のことを英語でmeiosisといいます。前に述べた有糸分裂をmitosisといい、英語がよく似た言葉になっていますが、語源は全く違います。mitosはギリシア語で糸を意味するのですが、meiosisは減数のことです。
減数分裂の特徴
図に示すように、二倍体細胞は父方からきた染色体と母方からきた染色体を持っています。これを細胞分裂の過程でどうやって減数できるのでしょう？ＤＮＡの複製がおきれば、染色体は倍加するわけで、細胞分裂に染色体の倍加がつきものであると仮定するならば、染色体の減数は起こりっこはありません。実は減数分裂では、染色体の倍加を伴わない細胞分裂があるのです。減数分裂には、減数分裂の第一分裂と第二分裂とがあって、第一分裂では染色体の倍加がおこなわれるのですが、第二分裂では染色体の倍加がありません。こうして、2n→4nとなった染色体を２回の細胞分裂で都合４個の細胞に分配しますから、１つ１つの細胞はn個の染色体をもつ一倍体細胞ができあがります。このような特例があるおかげで、二倍体細胞から一倍体細胞の生殖細胞をつくることができるのです。減数分裂の第一分裂では、父方からきた染色体も母方からきた染色体もＤＮＡの複製がおき、染色体が倍加します。このとき、セントロメア部分でくっついて相同染色体になっているのは、体細胞分裂の時と同じです。しかし、次にその父方からきた相同染色体と母方からきた相同染色体どうしが対合して、４本の二価染色体をつくります。ヒトの二倍体細胞の場合には４６本の染色体があり、それが倍加すると、９２本にもなるわけですから、そのうちの正しい組み合わせの父方からきた相同染色体と母方からきた相同染色体を見分けるのはやっかいそうです。実は４本の二価染色体は平行に並んで結合するのではなく、図のようにキアズマとよばれる部分で４本の染色体を結びつけています。前に述べたように、このキアズマ部位で、染色体の交叉がおきることがあります。これが遺伝子の組み換えの原因になっています。キアズマは１つのニ価染色体で、１箇所しかないわけではなく、複数存在することもあります。そうすると、減数分裂でできた生殖細胞には、もとの父方からきた染色体と母方からきた染色体を混じり合わせた新たな染色体が生じることになります。
減数分裂の実際
図に減数分裂の実際を示しています。減数分裂の第一分裂の前期は細糸期、合糸期、太糸期、複糸期、移動期に細分されます。細糸期には、間期に倍加していた相同染色体が細い糸状にみえます。合糸期にはその細い糸状の相同染色体どうしの対合がおきはじめます。すなわち、二価染色体の形成の始まりです。太糸期にはこの対合がすべての部分でおきます。結果として、太い糸のように二価染色体がみえてきます。この対合に関係しているのは、はしごのようなタンパク質からできた複合体であり、その中に組み換え小節というキアズマを構成していると思われる部位があります。複糸期になると、対合した染色体どうしがはなれはじめ、キアズマがみえてきます。移動期には、染色体は太く短くなります。核膜は断片化し、核小体は消失します。体細胞分裂と同様に紡錘体が両極にできます。中期に入ると、キアズマ部位をもつ二価染色体は赤道面に並べられます。両極の紡錘体の微小管がそれぞれの動原体と結合して、引っ張りあいをする結果として赤道面にとどまるのは体細胞分裂の場合と同じです。減数分裂の場合には、父方からきた相同染色体と母方からきた相同染色体のいずれも動原体は融合していて、同じ方向へ移動することになります。第一分裂の後期になると、キアズマのところで結びつけられていた二価染色体は何かのきっかけではずれてしまい、それぞれ２本ずつは極へ移動しはじめ、終期をむかえます。核膜がつくられ、細胞質分裂がおきて、２個の細胞に分裂します。減数分裂の第一分裂は体細胞分裂に比べて時間も大幅にかかる複雑な分裂です。図にマウスの減数分裂の第一分裂および第二分裂に要する時間を示しています。減数分裂の第一分裂の前期だけで、１０日かかりますが、減数分裂の第二分裂は、体細胞分裂にかかる時間（１日）よりも、早く終わってしまいます。減数分裂の第二分裂は体細胞分裂と基本的に同じですが、大きく違うところがあります。第二分裂は体細胞分裂よりも時間も短くてすみ簡単なのですが、ＤＮＡの複製をする必要がないからです。１つ注意したいことは、第二分裂では、第一分裂のときに融合していた動原体が２つに分かれることです。これがないと、中期から後期にかけての染色体の両極への移動がうまくいかないことになります。

お待たせしました。試験対策特集をupします。７月中にupすると約束していましたが、本業の採点や初盆などがあって遅れてしまいました。申し訳ありませんでした。

細胞生物学（原）自学自習項目
４／１２　細胞生物学序論　細胞の進化 Blobelのノーベル賞受賞の概要
Blobelのノーベル賞受賞の理由を１００字以内で述べよ。（１０）
４／１９　細胞の多様性（原核細胞、真核細胞）
原核細胞、真核細胞にはどんな違いがあるか述べよ。また、それぞれに属する生物を示せ。（１０）
４／２６　細胞の微細構造　（生体膜）
シンガーとニコルソンの生体膜の流動モザイクモデルを説明せよ。（２０）
５／１０　細胞の微細構造　（細胞内小器官）
各細胞内小器官の形状とそのはたらきを概説せよ。細胞内小器官を分離する方法について述べよ。（１０）
細胞内小器官の膜内にある機能を閉じ込める利点について述べよ。（２０）
５／１７　細胞の微細構造　（細胞内骨格系）
細胞内骨格をつくる３つのタンパク質を述べ、それぞれの役割を述べよ。（２０）
５／２４　細胞による遺伝情報の伝達とその発現　（酵素タンパク質）
酵素はどのような理由で、３７℃という比較的低温で化学反応をすみやかに触媒するのか？今○＋△→□の反応を例にとり、説明せよ。（１０）
５／３１　　細胞による遺伝情報の伝達とその発現　（遺伝子）
DNAとRNAの5’末端、3’末端とは何か？（１０）
生物学のセントラルドグマ（中心命題）について説明し、タンパク質とDNAの意義について考察せよ。（２０）
遺伝暗号の重複の意味について述べよ。（２０）
DNA→mRNA→タンパク質への流れの１つ１つを説明し、その過程に関わる重要な道具について説明せよ。（２０）
タンパク質への翻訳が間違いなく行われるのはどのような機構によるのか説明せよ。（２０）
６／７　　細胞による遺伝情報の伝達とその発現　（遺伝子、特に遺伝子組み換え技術）
cDNAクローニング技術の実際について述べよ。（２０）
６／１４　細胞によるエネルギー獲得と利用　（呼吸）
栄養となる物質を３つあげ、何故栄養源になるのか、その化学的性質から説明せよ。（２０）
ATPとは何か説明せよ。何故エネルギー通貨となるのか？（１０）
ＴＣＡサイクルの意味はどんな点にあるか説明せよ。（１０）
６／２１　細胞によるエネルギー獲得と利用　（光合成）
光合成の明反応と暗反応でおきることがらを要約せよ。（１０）
６／２８　細胞によるエネルギー獲得と利用　（物質輸送、運動）
物質の膜通過について、物質の化学的性質と関連して説明せよ。（２０）
７／５　　細胞による情報の受容、伝達と処理　（細胞情報伝達系）
興奮の伝導はどのようにして起きるか説明せよ。（２０）
７／１２　細胞の分裂と分化（細胞周期、形態形成）　
体細胞分裂と減数分裂の違いを説明せよ。（１０）