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細胞生物学Ⅱ

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2010夏学期、金曜1限、奥野先生

内容

細胞運動の仕組み

運動を支える情報伝達

運動を支える代謝

2010出題分野予想

  • 筋肉(筋収縮)
  • 鞭毛
  • 情報伝達

ネルンスト→ゴールドマン(膜電位):式

筋肉(筋収縮)

  • ミオシン、アクチンによる運動
  • 滑走フィラメント法:ミオシンをスライドガラスにつけておいて、アクチンとATPをかける。
  • 骨格筋

アクチン、ミオシンフィラメント[サルコメア]→筋原繊維→筋繊維→筋肉

ミオシンのメカノケミカルサイクル:化学反応と力発生のカップリング

→シナプス終板から活動電位が伝わる
→Ca2+放出チャネルを通して筋小胞体からCa2+が放出れる=収縮
→収縮後、筋小胞体のCa2+ATPaseによって細胞質内のCa2+が小胞体内へ取り込まれる。

  • ミオシンの制御

:Ca2+による制御[off時は筋小胞体内に蓄えられている]
:骨格筋ではアクチン側、平滑筋ではミオシン側を調節

  • 骨格筋の収縮調節

TN(トロポニン)にCaが結合すると、TM(トロポミオシン)TN構造が変化、アクチンのミオシン結合部位がむきだし、アクチンとミオシンが結合→収縮
※TN(トロポニン)
:TNI[TMの阻害、ミオシン結合を抑える]
:TNT[IとCの連絡]
:TNC[カルモジュリンと似ている、4つのCa結合部位をもつ]

  • 平滑筋の収縮調節

:ミオシンの調節軽鎖のリン酸化で調節する。
:キナーゼ[Ca2+で活化]でon、ホスファターゼ[別のホスファターゼで制御]でoff
:ゆっくり収縮

  • 運動を支えるエネルギー供給@筋細胞

:解呼吸に比べ、効率は悪いが速い
呼吸
※クレアチン
※死後、ATPの供給がなくなると
→アクチンとミオシンがくっついたままになる。
→Ca2+ATPaseによるCa2+の回収が起こらない:らにアクチン、ミオシンが結合
→硬直

鞭毛

鞭毛軸索とダイニン@真核生物

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

鞭毛運動の三要素

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

  • 運動開始

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

  • エネルギー供給

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

ミトコンドリア膜電位によって蛍光がかわる特を浸かった実験:大(活時):オレンジ、小(不活時):ミドリ
Glc:オレンジ、運動○
Pyruvate+CCCP:ミドリ、運動△
Glc+CCCP:みどり、運動○→呼吸がはたらくとも、解があれば運動できる。
※解の阻害
Pyruvate:オレンジ、運動○
Pyruvate+DOG:オレンジ、運動△→呼吸が生きていても解がはたらかないと運動できない
Pyruvate+CCCP:みどり、運動△
⇔Pyrvateで運動が起こるのはなぜか:呼吸で生じたATPを用いて新生が起こり、産出したで解が動いたからではないか。
呼吸でできたATPはその周辺で利用れるため、運動のエネルギーとはならない。

情報伝達

生体膜の構造

[親水]
[疎水]
  Ⅰ
[疎水]
[親水] 脂質二重膜
役割細胞同士の接着、細胞の認識

  • 気体はイオンとしてチャネルを通じで取り込まれる。
  • 細胞内外での平衡が保たれている。

膜タンパクの機能

1:生体膜の補強
2:接着
3:物質の輸送
4:情報伝達☆

3:物質の輸送

  • 輸送体

Glcトランスポーター
→分子構造の変化によって内外の輸送を行う。
→濃度勾配によって輸送する
ATPなどのエネルギー必要なし:受動輸送

  • 膜輸送の仕組み

1:イオンの輸送
ATP依存ポンプ
→イオンチャネル:エネルギー不要
2:輸送体
→単一輸送
→等方輸送:勾配に沿った輸送に便乗
→対向輸送:細胞内のpH変化を抑える。ATPの分解でpHが上昇し、H+を外に出す時、代わりにNa+を取り込むことで電荷の平衡が保たれる。

  • ポンプ→明日

静止膜電位の仕組み

  • 半透膜を挟んだイオン濃度差による膜電位の形成

a)Na+のみ透過できる膜
b)K+のみ

μ=μ0+RTlnC+ZFφ
(C:濃度、Z:電荷、F:ファラデー定数、φ:電位)

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

平行膜電位

  • Na+:+67mV
  • K+:-75mV
  • Cl-:-91mV

静止膜電位(wiki)

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

Na+の動態

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

イオンチャネルの特

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

  • 嗅覚のチャネル

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

  • 受精

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

  • チャネルがしていること

液胞内外への物質輸送
細胞質pHの調節
Glcの輸送
胃内腔の酸

活動電位発生における各チャネルのはたらき

  • G:コンダクタンス(通りやす)

Gm=Gna+Gk
Gkはゆっくり、Gnaは急激に変化する。

  • K+チャネルサブユニット:四つ
  • 活動電位と閾値

刺激が閾値を超えると、活動電位発生。ポジティブフィードバックによって電位が急上昇する

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

経繊維と活動電位の伝播

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

シナプスにおける情報伝達

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

シグナル伝達物質と細胞表面受容体

  • シグナル細胞→シグナル物質→受容体→細胞内シグナル→標的細胞

  • 化学情報伝達の方法

A:自己分泌フィードバック
B:傍分泌:組織間液、細胞間gap junction を介して分泌物が近隣の細胞に作用
C:内分泌分泌物が血中へ放出れ、遠隔細胞へ作用 
※外分泌:体外へ流出
※これを特殊化したのが

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

→わずかな結合で大きな反応:カスケード反応

2009過去問

1.死後硬直の理由を筋細胞内のレベルで説明せよ。

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

3.経線維において、以下の問いに答えよ。

  • 静止膜電位はなぜ-60mV程度なのか。

ATP駆動のNa+/K+交換ポンプは、Na+をくみ出し、K+を組み入れるが、ナトリウムチャネルが常に閉じていること、K+漏洩チャネルがあることから、細胞内は細胞外にくらべて陽イオンが少ないから。

  • 活動電位はなぜ+40mV程度なのか。

細胞内の陽イオン、とくにNa+濃度が低く保たれているためNa+チャネルが開くと一気にNa+が細胞内に流れ込み、膜電位が急上昇するため。

  • 全か無かの法則について説明せよ。

[Na+]と透過係数によって決まる活動電位の+の値は一定であり、静止膜電位も一定で閾値以下の刺激では静止膜電位のままであること。

  • 活動電位がパルス[短時間の間に急峻な変化をする(通常単発の)信号の総称。また、脈動の意。]である理由。 

パルスの回数で閾値以上の刺激による強弱をつけるため。
不活期がある。←
1方向へ伝わる。←

4.3体型Gタンパク質が関与する現象を一つ挙げ、説明せよ。

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

キーワード

Ⅰ序論

細胞とは

自立(脂質)、情報(核酸)、機能(タンパク質)

  1. エネルギー(など)

細胞の起源

細胞のサイズを規定するもの

  • 生体膜の透過:粒子の大き、チャネルの穴
  • 細胞膜の強度

↓以下の三つは互いに関連している。

  • 拡散速度
  • 情報伝達速度
  • 反応速度

→これらのことを考慮すると大きな細胞は形成できないので多細胞化したと考えられる。

具体例

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

運動はなぜ必要か

  • 食べ物の確保
  • 最適な生息環境の確保

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

細胞生物の工夫

  • 細胞間の連絡をはやくする。経>血液
  • 骨格による形態維持。

細胞膜・生体膜

生理的機能

リン脂質の生体膜の透過

○気体、電荷をもたない小な親水分子
×電荷をもたない大きな親水分子、イオン、電荷をもつ疎水分子

シグナル伝達からみた生体膜

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

2:化学的シグナル
ホルモン、成長因子、経伝達物質

膜貫通タンパク質受容体、細胞タンパク質受容体、タンパク質構造変化

細胞内シグナル

膜電位

イオン

※シグナルはカスケード反応で伝わることが多い。

細胞運動とその制御

(1)細胞運動

アクチンフィラメント、微小管(小胞輸送)、(中間径フィラメント)

  • 重合と脱重合

アクチン:+端は重合しやすい、-端は重合しにくい。
Gアクチンが中だと、トレッドミル:+端での重合と-端での脱重合が促進れ、+端へ動いているように見える。

  • 滑り運動、その特徴

1:細胞骨格を用いた1次元1方向の運動
2:細胞骨格繊維の組み合わせ方で二次元、三次元の運動
3:原核生物はモーターで動く。

スクリューのように回転。ATPaseに似たモーターで原動力を得る。
シグナル→受容体:ATPによるリン酸化で伝達→鞭毛活
flagellinでできている。真核生物の鞭毛はMTなので、チューブリン。

アクチン

  • +端は重合しやすい、-端は重合しにくい。

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

  • アクチン結合タンパク質:アクチンの伸張を止める、切断する。

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

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

  • アクチンとATP,ADP

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

Capz[+端]、トロポモジュリン[-端]が筋収縮中のアクチンの重合、脱重合を防いでいる。

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

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

 

④から

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