細胞の構造と機能: 小器官の種類と分類

これは，2009年8月6日，大学2年生の僕が授業「基礎生物学 B」の課題レポートに書いた文章．細胞の構造と機能をまとめたレポートらしいけど，たぶんまとまってない．しかし現在の僕も生物学は不案内なので，再整理するだけの知識もない．なので Wikipedia を頼りました．

細胞小器官を分類すると上掲の表のようになるらしい．これに従って見出しを振ると，意外と体系的な分類に従って書かれているようだった．下に載せた目次で分かる通り，「内膜系」に分類される小器官だけは第2節と第6節に (無駄に？) 分けられてるようだったけどね．この転載にあたって，見出しを新たに追加し，長すぎる「感想」段落にも改段落を追加しました．

細胞の構造と機能
内膜系… 核 / 細胞膜
外部組織… 細胞壁
内部共生体… ミトコンドリア / 葉緑体
その他… リボソーム
内膜系… 小胞体 / ゴルジ体 / 液胞
感想

細胞の構造と機能

現在では、すべての生物は細胞から構成されていることは明らかだが、歴史的に見ればもちろん、そのことがあたりまえではなかった時期もある。「生物の構造と機能の単位は細胞である」という説を細胞説と呼ぶ。

すべての細胞は細胞膜に包まれている。そしてその内部には通常一つの核が存在しており、核以外の領域は細胞質と呼ばれる。細胞質の中には、ミトコンドリアや小胞体など、比較的明瞭な構造の細胞小器官が散在していて、植物細胞の細胞膜は、細胞壁と呼ばれるかたい構造物で囲まれている。また、核は核膜に包まれている。以下では細胞内の小器官の名称および構造と機能を調べた結果を順に記す。

内膜系… 核 / 細胞膜

まずは細胞の中で最も目立つといえる核について。核膜は二重の生体膜であり、内膜と外膜の性質が等しいことから特に、同質二重膜と呼ばれる。核膜には核膜孔(核孔)と呼ばれる穴が開いており、mRNAなど、その穴を通じてさまざまな物質が核を出入りしている。核の中にはDNA(デオキシリボ核酸)が存在しており、DNAは遺伝子の本体である。このDNAはヒストンと呼ばれるタンパク質に巻き付いた構造を形成している。また、核の中には核小体と呼ばれる構造物が一個〜数個存在しており、そこではリボソームRNA(rRNA、核酸の一種)が合成されている。生命がいかに緻密に出来上がっているのかを感じるのには十分すぎる見事さを、核の構造からは見出すことができる。

次に細胞を囲う薄いタンパク質の膜である細胞膜の化学構造を見る。細胞膜は、リン脂質とタンパク質が主成分として、細胞の内外を隔てている。リン脂質は、水に溶けやすい親水性の部分と、水に溶けにくい疎水性の部分を持つので、水の中のリン脂質は自発的に集合して、疎水性の部分が向かい合い、親水性の部分が外側の水に結合する形で、二重層を形成するのである。これをリン脂質二重層と呼び、リン脂質二重層は細胞膜の最も基本的な構造である。細胞膜が柔らかく、比較的自由に変形できるのは、リン脂質が自然に集まって形成されたリン脂質二重層の性質による。核膜や、ミトコンドリア、葉緑体、ゴルジ体の膜もこのリン脂質からできており、これらの膜を「生体膜」あるいは「単位膜」と呼ぶこともある。細胞膜のリン脂質二重層の中にはさまざまなタンパク質が埋め込まれており、これを特に膜タンパク質と呼ぶ。主要な膜タンパク質には物質特異的なチャネルとポンプ、および受容体(レセプター)があって、チャネルとポンプは細胞膜を隔てた物質の出入りを、受容体は細胞間における情報のやりとりを担っている。細胞膜に埋め込まれた膜タンパク質や、膜タンパク質の周囲のリン脂質は、ある程度自由に流動できると考えられていて、こういった細胞膜の構造は流動モザイクモデルと呼ばれる。

外部組織… 細胞壁

今度は視点を植物細胞のみにうつす。動物細胞にはなく、植物細胞にのみ存在するものはいくつかあるが、その一つに細胞壁がある。細胞壁は、糖類の一種であるセルロースが主成分となって構成される。また、細胞壁同士は,ペクチンという糖類が結合してできている. 細胞壁は非常にかたく、細胞膜のように自由には変形しない。細胞壁には、溶媒も溶質も通す全透性と呼ばれる摩訶不思議な性質が備わっていて、非常に興味深い。

内部共生体… ミトコンドリア / 葉緑体

次に、私としては細胞の中にいる、全く別の生物のように感じてしまう存在であるミトコンドリアについてまとめる。ミトコンドリアは、内膜と外膜とよばれる二枚の生体膜からなる二重膜構造を形成する。ただし、核とは異なり、その内膜と外膜の性質が異なるため、ミトコンドリアの二重膜は特に異質二重膜と呼ばれる。そして内膜と外膜のこの異質性は、共生説の証拠の一つと見なされているそうだ。ミトコンドリアは、自身のDNA(環状)を持つとともに、細胞分裂とは無関係に分裂して増殖するが(これを「半自律的増殖」という)、これらの事実も共生説の証拠と見なされている。ミトコンドリアのその内部に目を向けると、ミトコンドリアの内膜はひだ状になっている。その構造をクリステと呼び、また、内膜に囲まれた空間はマトリクスと呼ばれる。ミトコンドリアのはたらきは好気呼吸によって、細胞の活動に必要なエネルギーをATPという形で作り出すことにある。

またスポットを植物のみに絞ると、見えてくるのが葉緑体だ。葉緑体は、ミトコンドリアと同じく異質二重膜からなる(ただしチラコイド膜を入れると三重膜になる)。独自のDNAを持つ点や半自律的増殖が見られる点も、ミトコンドリアと同様であるため,その起源は共生説で説明される。しかし葉緑体の場合は、ミトコンドリアのクリステのようなひだ状構造はみられず、そのかわりに、平らな袋状の膜構造が存在する。この膜はチラコイド(膜)と呼ばれる。さらに、ところどころにチラコイドが多数積み重なった構造が見られ、この積み重なりを特にグラナと呼ばれる。ミトコンドリアのマトリックスに相当する領域、つまりチラコイド周囲の空間はストロマと呼ばれる。葉緑体のはたらきは、光合成によって空気中の二酸化炭素を取り込み、グルコースを合成することにあり、これを炭酸固定と呼ぶ。葉緑体には、正確に言えばチラコイド上には、緑色色素であるクロロフィル等の光合成色素が含まれるため、染色しなくても観察可能。

その他… リボソーム

次は細胞内の生産者、リボソームの記述をする。リボソームは、リボソームタンパク質とrRNA(リボソームRNA)から構成される小粒状の構造物である。核などとは異なり、特に膜状構造に包まれているわけではない。リボソームのはたらきは、タンパク質の合成である。DNAの転写によって合成されたmRNA(メッセンジャーRNA)、および、特異的なアミノ酸と結合したtRNA(トランスファーRNA)と結合して、共にはたらくことで、DNAによって指定されるアミノ酸配列のタンパク質を合成する。リボソームには、小胞体表面に位置するものと、小胞体とは関係なく細胞質中に存在するものがある。小胞体表面に存在するリボソームは細胞外に分泌するタンパク質(ホルモン等)や膜タンパク質を合成し、小胞体とは離れて細胞質中に存在するリボソームは細胞内で利用されるタンパク質(酵素等)を合成している。

内膜系… 小胞体 / ゴルジ体 / 液胞

細胞の図を見たときに、奇妙な形状で目を引くのが小胞体だ。小胞体は、一重の生体膜(一重膜)からなる扁平な袋状の構造物である。小胞体とは、リボソームが合成したタンパク質などの輸送路であり、細胞内に網目状に広がっている。核膜孔とつながっている場合もある。小胞体の観察には、電子顕微鏡が必要となる。小胞体には、その表面にリボソームを付着させるために表面がざらざらして見える粗面小胞体と、表面のリボソームを付着させず表面がつるつるしてみえる滑面小胞体がある。タンパク質の輸送路そしてはたらく小胞体は粗面小胞体の方で、粗面小胞体が輸送するのはその表面に付着したリボソームが合成したタンパク質であり、それに対して滑面小胞体の代表例は筋繊維(筋細胞)中に含まれる筋小胞体である。

ゴルジ体の特徴は、一重膜からなる扁平な袋が何枚か層状に積み重なった形状である。ゴルジ体のはたらきは、リボソームが作り、小胞体中を運ばれてきたタンパク質に、糖などを付加し、適切な場所に向けて分泌することである。したがって,拡大的な解釈によれば、ゴルジ体はリボソームの終点だと考えることも出来る.

三たび、植物細胞に注目すると、液胞という、一重膜で囲まれた、水(細胞液)を多量に含む袋がある。この液胞は植物細胞に特徴的な細胞小器官である(動物細胞の液胞はあまり発達しないため、観察されないことが多い)。発達して非常に大きくなり、発達した植物細胞の場合は、体積のほとんどをこの液胞が占める。液胞のはたらきは、液胞中の水分量を変化させることで、細胞の浸透圧を調節することである。一つ面白い知識として、液胞には上記とは別に、さまざまな物質を貯蔵する役割がある。たとえば紅葉が赤いのは、液胞に蓄えられているアントシアニン(アントシアン)と呼ばれる赤色の色素ためである。そのほかにも,タバコではニコチン,イヌサフランではコルヒチンが含まれる.

感想

以上、インターネットや高校の時分に購入した生物の教科書、参考書、図説などを大いに用いてこのレポートを完成させた。また、図書館にも足を運び、そこにある過去の偉大な文献数冊にも、簡単にながら目を通してみた。今回のレポート作成に当たり、我々人間を始めとする生物たち、犬も猫も魚も樹木も、いかに緻密な構造の上に生を賜っているものであるかを私は痛感した。私は常日頃から、体中にある2兆個の細胞のことなど意識はしないし、ましてやそこで行われる化学的な反応や変化など知りもしないで生活をしている。しかしながら、それでも我々の細胞の中では絶えることなく、想像を絶するようなスピードと密度で、複雑で難解な作業を細胞小器官が協調しながらこなし続けているのだ。

このことを少し考えると、肉眼には全く見えないような、ナノメートル規模の存在でありながら、その微小な存在たちがまさに私たちの「いのち」を支えているのだということに気づく。今回のレポートは細胞内でのいろいろな構造と機能について調べたが、また次の規模、細胞間の関係や、細胞によって構成される脳や腸などの器官にも目を向ければ、果てしない奇跡の上で我々は生命を維持していることを理解できると思う。それについても機会を伺って、行ってみたいと思う。

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