■■2009 年度生理学中間試験対策資料（生物学基礎Ⅱの review）■■ ◆文責：木下貴文（医学科 2008 年度入学） ◆2009.7.21 初版公開 ★2009 年度生理学中間試験は、１年次の生物学基礎Ⅱと重複する内容から出題されます。そこで、生物学基礎Ⅱの期末試験対策資料から、今回の試験範囲に役立つ部分をピックアップしました。復習にお役立てください。ちなみに初出時から特に手を加えていません。 ★目次２膜輸送の問題（ESSENTIAL １２章） ................................................................................... 1 ５細胞骨格の問題（ESSENTIAL １７章）................................................................................ 8 ２膜輸送の問題（Essential １２章） ★最初に、輸送される分子の種類に着目して、膜輸送の全体像を整理しておきます。分子の種類輸送方法疎水性の小分子（O2、CO2、脂質二重膜を通過可能。 N2、ﾍﾞﾝｾﾞﾝ、ｽﾃﾛｰﾙ）各種栄養分のほかに、細胞内に直接シグナルを伝える分子が重要電荷なし極性ありの小分子（１６章）。（H2O、ｴﾀﾉｰﾙ、ｸﾞﾘｾﾛｰﾙ）極性あり、比較的大きい分子主に運搬体タンパクにより輸送。受動輸送のほか、動物細胞では（ｱﾐﾉ酸、ｸﾞﾙｺｰｽ、ﾇｸﾚｵﾁﾄﾞ） Na+の濃度勾配を利用する能動輸送が多い。チャネルはまれ。イオン ①運搬体タンパクにより輸送。ATP を消費し常時作動するポンプが多い。 ②イオンチャネルにより輸送。ときどき開き・すばやく移動する。タンパク立体構造が完成したタンパクは、主に輸送小胞によるエンド/エキソサイトーシスにより膜を通過する（１５章）。１．次の問いに答えよ。（１）細胞膜を介して輸送する機構を 2 種類あげ、それぞれ簡潔に説明せよ。（２）静止膜電位を維持する機構と活動電位を発生させる機構について、それぞれ簡潔に説明せよ。（2005 再-2） ★（１）膜輸送タンパクは大きく「チャネルタンパク」と「運搬体タンパク carrier protein」に分けられるので、それぞれについて説明します。前者の多くはイオンチャネルなので、その一般的な性質を説明します。後者は何を書けばいいか迷うところですが、解答では前者と異なる点に注目してみることにします。以下にテキストより両者の模式図を示しておきます。 1 （２）膜電位が決まる仕組みは、正確に記述しようとするととても厄介です。解答は要点のみの簡潔なものとし、後にもう少し詳しく説明してみようと思います。＜解答＞（１）膜輸送タンパクは大きく「チャネルタンパク」と「運搬体タンパク」に分けられる。（ⅰ）チャネルタンパクの多くはイオンチャネルであり、次のような特徴を持つ。・高い選択性を持ち、Na+チャネル、K+チャネルなど、1 種類のイオンのみを特異的に通過させるものが多い。・濃度勾配を利用した受動輸送により、イオンをすばやく通過させる。・ゲート機構をもち、ゲート開閉により通過を制御できる。 ◆ 輸送速度は運搬体タンパクの 1000 倍以上。 ◆ ゲートは周囲の分子の熱運動により確率的に開閉している。一部のイオンチャンネルは、 ①電位、②リガンド、③機械刺激のいずれかにより、開閉の確率を制御している。 ◆ 以上２点からも分かるように、イオンチャネルの機能は、多くの場合、Na+や K+や Cl-のような特定の無機イオンを、一時的に膜を通過できるようにすることであり、短時間で起こる必要がある反応（たとえば神経伝導など）に用いられる。（ⅱ）運搬体タンパクは、特定の水溶性分子が特異的に結合する結合部位を持つ。分子の結合がタンパクの構造変化を引き起こすことにより、分子の輸送が行われる。チャネルと異なり、受動輸送だけでなく、電気化学的勾配にさからって能動輸送できる運搬体タンパクが存在する。以下に二つ例を挙げる。・Na+-K+ポンプ…ATP を消費して Na+を排出し K+を取り込む・グルコース-Na+シンポートタンパク…Na+勾配を利用してグルコースを取り込む 2 （２）①静止電位について。・Na+-K+ポンプのはたらきにより、細胞内部では外部に比べ K+の濃度が高くなっている。・膜上のひとつの K+漏洩チャネルが開いたとき、濃度勾配により K+が細胞外に流出し、細胞膜近辺の内外の微小な領域に電荷の偏りが起こる（外側で正電荷が増える）。この電荷の偏りが電位差を発生し、これが濃度勾配とつりあうことで、K+の流出が止まる。・K+漏洩チャネルは膜上に多数あり、ランダムに開閉を繰り返すことで、K+はつねに少しずつ細胞外に流出する。こうして静止膜電位が定常的に維持される。 ②活動電位について。・Na+-K+ポンプのはたらきにより、細胞外部では内部に比べ Na+の濃度が高くなっている。・細胞膜に脱分極刺激がくると、その周辺の電位依存 Na+チャネルが開いて少量の Na+が細胞内に流入する。・Na+の流入で脱分極が進むと（膜電位の負の値が小さくなると）、より多くの電位依存 Na+チャネルが開いて、多量の Na+が細胞内に流入し、内側の正電荷が増える。これが活動電位である。 ★静止電位の決定機構の（少し）詳細：上記の解答は、既に分かっている人なら「まあそういうことか」と思うでしょうが、そうでなければ意味不明だと思います。そこで、静止電位が維持される仕組みをもう少し詳しく述べてみます。 ①細胞膜はコンデンサーとみなせるから、電位を測定できる：細胞膜は絶縁体だから、その両側の電荷に偏りがあるとき、これはコンデンサーとみなすことができる。細胞膜の電気容量を C とし、膜の両側に+Q、-Q の電荷があるとすると、膜には V=Q/C の電位が発生する。 ②Na+-K+ポンプのはたらきで細胞内外のイオン濃度差が発生するが、細胞内外の電荷はだいたいバランスがとれている：Na+-K+ポンプは、輸送速度は遅いものの ATP を消費して絶えずせっせとはたいて、Na+を細胞外へ、K+を細胞内へ輸送している。このはたらきにより、細胞内外で Na+ と K+の濃度差が発生している。下表のように、細胞内の K+は HCO3－や核酸などの各種有機イオン類と、また細胞外の Na+は主に Cl－とつりあうことで、細胞内外の電荷はマクロにみればだいたいバランスがとれている。細胞内細胞外多くの K+ 多くの Na+ HCO3－、PO43－や多くの多くの Cl－有機イオン 3 ③多数の K+漏洩チャネルが常に確率的に開閉することにより、わずかな電荷の偏り＝静止電位が動的に維持される（右図）：K+漏洩チャネルは膜上に多数あり、ランダムにぽこぽこ開いたり閉じたりしている。ある K+漏洩チャネルが開くと、濃度勾配にしたがって K+が細胞外に流出して、ごく局所的に電荷の偏り（＝電位差）が発生する。この電位差は濃度勾配と逆向きにはたらいてつりあうことで、K+の流出が止まる。 K+漏洩チャネルはある頻度で常に開閉しているから、膜の広い領域で時間平均をとれば、膜付近の外側では正電荷（K+）が過剰、内側では相対的に不足が起こっていることになる。動的に維持されるこの電荷のわずかな偏りが、静止膜電位の正体である。 ◆ Na+など他のイオンチャネルの影響もあるが相対的に透過性が低いため、膜電位を決める主な要因は K+漏洩チャネルと考えて、議論を単純化している。 ★活動電位の発生機構（もう少し詳しく）：活動電位の発生機構についても、もう少し詳しく述べておきます。まず、活動電位発生時の典型的な電位変化グラフを、下に示します。静止電位の決定機構が主に K+チャネルだけで決まるのに対して、活動電位の発生から静止電位に戻るまでの過程には、K+チャネルと Na+チャネルの両方が関わります。 4 ①刺激がないとき、細胞膜には静止電位 resting potential が発生している（＝分極している） ◆ 分極 polarization とは極性 polar があること、つまり中立ではなく一方に偏りがあること。 ②神経伝達物質の受容体への結合により脱分極刺激が発生すると、その周辺の少数の電位依存性 Na+チャネルが開いて Na+が流入し、脱分極する（＝膜電位の負の値が小さくなる）。 ③脱分極が進むと、より多くの電位依存性 Na+チャネルが開いて Na+がどっと流入し、さらに脱分極が進む（いわゆる正のフィードバック）。 ◆ 濃度勾配に加えて、主に K+による静止電位も Na+を流入させる力としてはたらくので、Na+ は急速に流入する。 ④Na+チャネルは一定時間で閉じる。一方、電位依存 K+チャネルが開き、電位差と濃度差の両方のはたらきにより、K+がどっと流出し、再分極する。 ◆ Na+チャネルは閉じたあとしばらくは脱分極刺激に反応しない（不応期）。この仕組みは後述する活動電位の伝播に重要。 ⑤もとの静止電位に戻る。２．次の問いにすべて答えよ。（20 点）（１）チャネル以外の輸送体について、１つ例をあげ、説明せよ。（２）静止膜電位を決める機構を書け。（３）活動電位が減衰することなく伝播するのはなぜか、理由を説明せよ。（2005 本-2） ★（１）は、運搬体タンパクから例を挙げます。解答は２種類作ってみました。 ★（２）については、１．（２）すでに解答しました。 ★（３）神経の伝導 conduction と伝達 transmission のうちの前者、つまり神経細胞の軸索における伝播についての設問です（◆伝播 propagation は、伝導と伝達の両方を指す便利な用語）。軸索は長いものでは１m にもなりますが、細胞膜は銅線のような導体ではないから、ある地点で電位が発生しても、伝播するうちに急速に減衰します。そこで軸索の端から端まで伝えるためには途中で何度も増幅する必要があり、この仕組みを説明します。＜解答＞（１）例１：運搬体タンパクの一種である Na+-K+ポンプは、（A）細胞質側に口を開いた形と、（B）細胞外側に口を開いた形の 2 通りの構造を持ち、以下のように、ATP 分解（リン酸化）によって構造を切り替えることで、Na+の排出と K+の取り込みを行う。 ①（A）のとき、細胞質側に Na+が結合すると、ポンプの ATP アーゼ活性が高まり、タンパクのリン酸化が起こる。 ②リン酸化によりタンパクの構造が（B）に変化し、Na+が外部に放出される。 ③続いて K+が細胞外側に結合すると、タンパクの脱リン酸化が起こる。 ④脱リン酸化によりタンパクの構造が（A）戻り、K+が内部に流入する。 5 ◆ Essential２版の図 12-12 とその説明を参照。例２：グルコース-Na+シンポートタンパクは、Na+の濃度勾配を利用したグルコースの取り込み（能動輸送）を行う。このタンパクは（A）細胞質側に口を開いた形と、（B）細胞外側に口を開いた形の 2 通りの構造を持ち、以下の仕組みでグルコースを取り込む。 ①（B）のときに、細胞外で高濃度に存在する Na+が結合すると、構造が微妙に変化してグルコースが結合しやすくなる。 ②Na+とグルコースが両方結合すると、（B）→（A）の構造変化が起こる。 ③細胞内で濃度が低い Na+を放出すると、グルコースの結合性も弱まり、グルコースを放出する。 ◆ Essential２版の図 12-14 とその説明を参照。（３）神経細胞の軸索上には、電位依存性 Na+チャネルが隣り合って連続的に分布している。ひとつの Na+チャネルが脱分極して活動電位が発生すると、その電位が周囲に伝わり、隣接する Na+ チャネルの脱分極を引き起こす。この過程が繰り返されることによって活動電位が膜を伝わるため（これを活動電位の伝導という）、活動電位は減衰せずに伝播する。 ◆ Essential２版の図 12-38 とその説明を参照。３．神経の興奮の伝導と伝達について違いを明確にして記せ。（2004 本-2） ★たとえば痛みを感じるとき、痛み刺激が感覚受容器を興奮 excite させてから、3～４個の神経細胞を経て大脳に伝わります。その伝播経路のうち、神経細胞内（軸索）での活動電位の高速の伝播を伝導 conduction、神経末端と樹状突起の間にあるシナプスでの化学的な伝播を伝達 transmission といいます。 ★「伝導」は解答済みですが、記述を簡潔にしてまとめなおします。＜解答＞神経の興奮が伝わるとき、神経細胞の軸索内で活動電位が伝わることを伝導、神経間のシナプスで化学物質を介して情報が伝わることを伝達という。・伝導では、次の仕組みで活動電位が伝わる。 ①軸索の一端で活動電位が発生すると、電位変化は膜を伝って周囲に伝わる。 ②すると隣接する電位依存 Na+チャネルが開いて、活動電位が発生する。 ③さらに隣接する電位依存 Na+チャネルが開き、活動電位が発生する。 ④上記を繰り返すことで、活動電位が軸索上を減衰することなく伝わる。 ◆ Essential２版の図 12-38 参照。・伝達では、次の仕組みにより電気シグナルをいったん化学シグナルに変換して、次の神経細胞に伝える。 ①活動電位が神経末端に到達すると、膜上の電位依存 Ca2+チャネルが開き、Ca2+が神経末端に流入する。 6 ②細胞内 Ca2+濃度の上昇によりシナプス小胞がシナプス前膜に融合し、神経伝達物質 neurotransmitter がシナプスに放出される。 ③神経伝達物質がシナプス後膜の受容体（リガンド依存イオンチャネル）に結合すると、チャネルが開き、イオンの移動により膜電位の変化が起こる。 ◆ Essential２版の図 12-40 と 12-41 を参照。右にも模式図を示す。４．電位依存性Ｃａチャネルの役割について説明せよ。（2004 再-1）（2004 再-2） ★「Na+や K+ 」と「Ca2+ 」は、いずれも生体内で重要な陽イオンですが、前者と後者はかなり異なる役割を担っています。・Na+や K+ ……主に膜電位の調節に使われる。・Ca2+ ……細胞内シグナル分子としてはたらく。 Ca2+は、カルモジュリンのような補助的なタンパクを介して、細胞内のさまざまなタンパクと結びつき、アロステリック効果による酵素活性の調節を行います。電位依存 Ca2+チャネルが利用される例としては、①シナプスでの神経伝達と②筋収縮の２つが有名であり、解答ではこれらを取り上げます。 ◆ シナプスでの伝達については２－３、筋収縮については５－１を参照。＜解答＞Ca2+は細胞内シグナル分子として利用されることが多く、カルモジュリンのような補助的なタンパクを介してさまざまなタンパクの酵素活性を調節する。電位依存 Ca2+チャネルが用いられる例として、①神経伝達と②筋収縮の二つが特に重要である。 ①神経末端に活動電位が到達すると、電位依存 Ca2+チャネルが開き、Ca2+が流入する。神経末端での Ca2+濃度の上昇により、特定の酵素が活性化され、シナプス小胞の神経伝達物質の放出を引き起こす。 7 ②運動神経からのシグナルにより筋細胞膜に活動電位が発生すると、活動電位は細胞内の筋小胞体に伝わり、筋小胞体膜の電位依存 Ca2+チャネルが開いて、筋小胞体内の Ca2+を細胞質に放出する。Ca2+の濃度上昇が複数の Ca2+感受性タンパクを活性化することで、筋収縮を引き起こす。５細胞骨格の問題（Essential １７章）１．筋収縮の機構について述べよ。（2008 年度参考問題：渡辺先生） ★おそらく、マクロな構造と機能ではなく、（１）シグナル伝達過程および（２）分子レベルの収縮機構の説明が要求されると思います。ここでは両方の解答を作ってみました。＜解答＞（１）筋収縮時のシグナル伝達について ①神経系からシグナルが到達し、神経筋接合部のシナプスを介して、筋線維の膜表面に活動電位が発生する。 ②活動電位は、細胞膜が内側に陥入してできたＴ管を伝わる。 ③Ｔ管に接している筋小胞体の Ca2+チャネルが開き、Ca2+が放出される。 ④筋線維内の Ca2+濃度が上昇すると、アクチンフィラメント上のトロポニンが変形し、トロポミオシンの位置がずれる。これにより、ミオシン頭部とアクチンの結合が可能になる。 ◆ 以下に筋線維の模式図を示す。筋線維は多数の細胞が融合した巨大な多核細胞であり、多数の筋原線維 myofibril を含む。筋原線維の各単位（サルコメア）を同時に収縮させる必要があるため、細胞膜が陥入してできたＴ管を張り巡らせることで、神経から伝えられた膜電位の変化は各サルコメアにほぼ同時に伝わるようになっている。 8 ◆ より微細な構造を以下に示す。アクチンフィラメントにはトロポニンという球状タンパクとトロポミオシンという線維状タンパクがからまり、ミオシンと直接結合できないようになっている（Essential2 版図 17-48 参照）。トロポニンは Ca2+感受性をもち、筋線維内で 9 Ca2+濃度が上昇すると構造を変化させ、それによりトロポミオシンがずれることで、アクチンとミオシンの結合が可能になり、筋収縮が開始する。（２）筋収縮の分子機構について ◆ 右図参照筋収縮は、細胞骨格のひとつアクチンフィラメントと、モータータンパクであるミオシンフィラメントの相互作用による。ミオシン頭部は ATP アーゼ活性を持ち、ATP を利用して自身の構造を周期的に変化させることで、収縮が引き起こされる。以下にその過程を示す。 ①Ca2+濃度の上昇により、ミオシン頭部とアクチンが結合できるようになる。 ◆ イメージ的には、ミオシンを腕、ミオシン頭部をにぎりこぶしと考えると分かりやすい。ここでミオシンは、「こぶしを作って腕を曲げている」形をしている。 ②ミオシン頭部に ATP が結合すると、頭部の構造がわずかに変化し、アクチンとの結合が弱まる。 ③ATP の加水分解により、ミオシンの構造が大きく変化し、頭部はアクチン一分子ぶんずれる。 ◆ ただし ADP とリン酸はミオシンに結合したままになっている。 ◆ ここでミオシンは、「こぶしを作ったまま腕を伸ばした」形になる。 ④ミオシン頭部からリン酸が分離すると、ミオシン頭部とリン酸は強く結合する。 ⑤ミオシン頭部から ADP が分離すると、ミオシンの構造が元に戻り、このときミオシンがアクチンをたぐりよせる。 ◆ ここでミオシンは、「腕を曲げ、アクチンを引き寄せる」。以上①～⑤の繰り返しによって、ミオシンはアクチンを１分子ぶんずつたぐりよせることで、筋収縮が起こる。 10