反転授業用「生物基礎・遺伝子の本体（ＤＮＡ）」

テーマ：遺伝子の本体

Ｔ「２０世紀の初頭になると、科学者は、親から子に受け継がれる身体的特徴が、区別可能な最小単位（後に『遺伝子』と呼ばれるようになる）として受け継がれていくこと、核内にある染色体が遺伝情報の倉庫であることに気付き始めた。そして染色体の化学組成が決定され、数十年にも及ぶ研究の末にデオキシリボ核酸（ＤＮＡ）が遺伝情報の実体として同定された。１９５３年のワトソンとクリックによるＤＮＡ二重らせん構造の発見を端緒とし（彼らは分子模型の組み立てに没頭[ＤＮＡのX線回折像を得ていたフランクリンは当初このやり方を軽蔑していたようである]し、二重らせん構造を発見した）、新たな科学が誕生した。分子生物学、それは遺伝子の構造と遺伝情報の伝達過程を解き明かすことを目的とした研究により成り立っている。驚くほど複雑なＤＮＡおよびその同類分子であるＲＮＡの構造と機能は、今もなお、研究者や学生を魅了し続けている」

Ｔは３枚の写真を持って話しかける。

Ｔ「私の親は誰だろう」

学生は笑いながら「中央」と答える。

Ｔ「おや、正解だ」

Ｔ「生物は、自身と似ている子をつくる。これは、親の遺伝子が子に伝わるからだ」

「遺伝子とは何ですか」

Ｔ「良い質問だ。簡単に答えるならば、『体の特徴を決めるもの』、もう少し難しく具体的に答えるなら、『ＤＮＡにある特定の領域の塩基配列』、正確に答えるなら、『定義が揺れていて、だれもわからない』」

Ｔ「とにかく、遺伝子はＤＮＡの中にある。遺伝子は体の特徴を子孫に伝える。これを証明したのはハーシーとチェイスという研究者で、大腸菌にとりつくウイルス（Ｔ２ファージ）を用いて実験した」

Ｔ「今では１０歳の子供でも遺伝子とＤＮＡが関係していることを知っているが、昔は偉大な研究者でさえタンパク質が遺伝情報をもつと考えていた(染色体の構造を思い出してほしい。ＤＮＡとタンパク質は密接に結びついているので、遺伝子としての働きがどちらにあるかを求めるのは非常にやっかいだ)」

Ｔ「グリフィスのエイブリーという二人の研究者の形質転換実験（ある種の細菌は他の細菌からＤＮＡを取り込み、体の特徴を獲得する。この現象を形質転換という）から、ＤＮＡに注目する学者は、いたことはいた」

Ｔ「ＤＮＡタンパク質遺伝子論争に決着を付けるため、ハーシーとチェイスが使った構造物がこれ、Ｔ２ファージだ（実際の大きさは１００nm程度ととても小さい）」

「なんと小さな生物でしょう！原核生物より小さな生物がいたなんて！」

Ｔ「いやいや、ウイルスは、代謝を行わないなどの理由でふつう生物とは呼ばないんだ。しかし、生物に非常に近い体を持つ。タンパク質の殻がＤＮＡを包んでいる」

Ｔ「ハーシーとチェイスはウイルスのＤＮＡを『標識（放射能を出すようなリン原子をＤＮＡに取り込ませ、ＤＮＡから放射能が検出されるようにした）』し、大腸菌に感染させた」

Ｔ「そして遠心分離（重い物を試験管の底に落とす操作）した結果、試験管の底に沈んだ大腸菌の内部に、『標識』されたＤＮＡが検出された（二人はタンパク質を標識して同様の実験をやってみたのだが、その場合は、大腸菌の外にくっついていた殻が振り落とされて、試験管の上層から標識されたタンパク質、つまりタンパク質の殻が検出された）」

Ｔ「ここから何がわかるかね？」

「ウイルスは、自身のＤＮＡのを宿主の大腸菌に注入し、大腸菌内で子供をつくります」

Ｔ「その通りだ。ＤＮＡにより、ウイルスの情報が伝わると言うことは、遺伝子とＤＮＡについて何がわかるかね」

「ＤＮＡこそ、体の情報をつたえる遺伝子の本体です」

Ｔ「よろしい。では、ＤＮＡの『使い方』は後で学ぶとして、今は二重らせん構造とよばれるＤＮＡの構造について学ぼう」

Ｔ「これがその模型だ」

。

Ｔ「ＤＮＡはヌクレオチドの鎖が２本、らせんをまきながらくっついたもので、『二重らせん構造（この構造はワトソンとクリックが発見した）』とよばれる構造をとる。君、ヌクレオチドとは何かね」

「塩基＋糖＋リン酸です」

Ｔ「シンプルで良い答えだ。ヌクレオチドが長くつながった核酸には、ＤＮＡ以外にもＲＮＡがある。ＤＮＡとＲＮＡの違いは・・・」

Ｔ「糖がＤＮＡではデオキシリボース、ＲＮＡではリボース。塩基がＤＮＡではアデニン、チミン、グリシン、シトシン、ＲＮＡではチミンの代わりにウラシルが使われている。また、ＤＮＡは『二重らせん構造』をとるが、ＲＮＡはふつう１本鎖である」

Ｔ「ＤＮＡでは、２本のヌクレオチド鎖が、お互いの塩基で手をつないでいる。ＡとＴ、ＣとＧが必ず結びついている。このような結合を『相補的』な結合と良い、このような塩基同士の性質を塩基の『相補性』という」

「ＤＮＡの塩基はどれが入っても良いのですか」

Ｔ「良い質問だ。構造的には、すべての塩基がＡ（アデニン）とＴ(チミン)のＤＮＡなどもあり得る。しかし、それは何の意味もなさない」

Ｔ「実は、我々の体の情報を決定しているのが、この塩基の並び方なのだ。１つの塩基の文字が、通常と違ったものに変わるだけで（これを突然変異という。聞いたことがあるだろう？）、致命的な肉体的変化を引き起こす場合もある」

「ＲＮＡとは何ですか。遺伝子の本体ですか」

Ｔ「いや、そうではない。ＲＮＡはＤＮＡにある情報から体をつくる過程を助ける分子だと考えられている。少なくとも、遺伝子の本体はＲＮＡではない。あくまで主役はＤＮＡだ。ＲＮＡもＤＮＡの情報を元に作られる」

＊学生の自習ノート

＊学生による議論

Ａ「ファージってかっこいい！」

Ｂ「一番かっこいい生物じゃない？」

Ｃ「ファージは生物じゃないよ」

Ｄ「ＤＮＡを持つのに？」

Ｃ「ファージは、代謝を行わないし、細胞膜も持たない。しかもほかの生物に依存しないと増殖できないんだ」

Ａ「でも、タンパク質でできていて、核酸に遺伝情報を持っているよ」

Ｃ「しかし、ＤＮＡだけを使うものばかりでもないらしい。ＲＮＡに遺伝子を持ったり、一本鎖ＤＮＡを持っていたり、かなり生物とは違う特徴を持つよ」

Ｂ「ファージなどのウイルスは、生物と無生物の間の存在だね」

Ｄ「〇ィキペディアには『ウイルスを殺菌』などと書いてあるけれど、この言い方は正確でないようだね。ウイルスは菌類でも細菌類でもないし、そもそも生きていないものは殺せないのだから」

●参考

ＤＮＡ

１．ＤＮＡとＲＮＡ

（１）核酸：糖・リン酸・塩基の結合した単位構造であるヌクレオチドが、鎖状に結合したポリヌクレオチドからなる。ＤＮＡ（デオキシリボ核酸）とＲＮＡ（リボ核酸）の２種類がある。

種類		働き	糖	塩基	構造	存在場所
ＤＮＡ		遺伝子の本体	デオキシリボース	Ａ，Ｔ，Ｃ，Ｇ	二重らせん構造	主に核（もしくはミトコンドリア、葉緑体）
Ｒ ＮＡ	伝令（m）ＲＮＡ	遺伝情報の転写・運搬	リボース	Ａ，Ｕ，Ｃ，Ｇ （覚え方）ＤＮＡとＲＮＡはチがウ（ＴがＵ）	ふつう一本鎖	主に細胞質、一部は核内
	転移（ｔ）ＲＮＡ	アミノ酸の運搬
	リボソーム（ｒ）ＲＮＡ	リボソームの一部

（２）ＤＮＡの構造：糖とリン酸が交互に結合した2本の主鎖から内側につき出た相補的な塩基同士が水素結合で結びつき、二重らせん構造をとっている。

①遺伝子・・・ＤＮＡの特定の領域にある塩基配列。

②遺伝情報・・・遺伝子を含めたＤＮＡの塩基配列全体。

③染色体・・・ヒストンというタンパク質に二重らせん構造をしたＤＮＡが巻き付き、それが規則正しく折りたたまれて１本の染色体となる。

④ゲノム・・・核相同染色体の一方の一揃い（染色体数ｎ）には、その生物の全遺伝情報があり、これをゲノムという。

（３）ＤＮＡの複製：細胞周期のＳ期に複製される。

①ＤＮＡの複製方式・・・半保存的複製（娘ＤＮＡの一方の鎖は親ＤＮＡ由来）

２．遺伝子の本体

（１）肺炎双球菌：Ｓ型菌・・・カプセル（被膜）をもち病原性がある。

　　　　　　Ｒ型菌・・・カプセル（被膜）がなく病原性がない。

（２）グリフィスの実験（1928年）：肺炎双球菌の形質転換を発見。

①加熱殺菌したＳ型菌をネズミに注射→発病しない

②加熱殺菌したＳ型菌＋生きているＲ型菌をネズミに注射→発病する

ネズミの体内から生きているＳ型菌が出現・・・形質転換（形質転換を起こさなかったＲ型菌は白血球に貪食されてしまうため観察されない）

（３）エイブリーらの実験（1944年）：寒天培地で実験

①Ｓ型菌の抽出物＋生きているＲ型菌→多数のＲ型菌とＳ型菌が出現（培地に白血球はないのでＲ型菌は生存）

②Ｓ型菌の抽出物＋タンパク質分解酵素＋生きているＲ型菌→Ｓ型菌が出現（培地に白血球はないのでＲ型菌は生存）

③Ｓ型菌の抽出物＋ＤＮＡ分解酵素＋生きているＲ型菌→Ｒ型菌のみ

（覚え方）エイッと分解エイブリー（エイブリー、タンパク質やＤＮＡの分解実験）

（４）バクテリオファージの増殖

ウイルスの特徴：①細菌より遙かに小さい（１００nm）、②細胞構造がない、③タンパク質と核酸（ＲＮＡやＤＮＡ）からなる、④各ウイルスは特定の生物の細胞内で増殖

（２）ハーシーとチェイスの実（1952年）；Ｔ２ファージを用いた実験でＤＮＡが遺伝子の本体であることを証明。

（覚え方）ティーツーファージはチェイスとハーシー（実験材料と名前が似ている）

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

反転授業用「生物基礎・代謝（異化と同化）」

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同化と異化

カタラーゼによる過酸化水素の分解実験

テーマ：代謝（異化と同化）

Ｔ「生きている細胞は化学工場のミニチュアである。代謝経路のあるものは、複雑な分子を単純な化合物まで分解することによってエネルギーを遊離させる。このような分解過程を異化という。同化は、対照的に、単純な分子から複雑な分子を作り上げるためにエネルギーを消費する過程である。この経路は生合成経路と呼ばれることもある。同化の例として、アミノ酸をより単純な分子から合成する過程や、アミノ酸からタンパク質を合成する過程がある。異化と同化の経路は代謝の全景における下り坂と上り坂である。異化の下り坂反応で放出されたしたエネルギーは蓄えることができ、その後で同化の上り坂反応を駆動するのに利用することができる」

Ｔ「生体内で起こる反応に、異化と同化がある。有機物が分解される反応が異化、逆に有機物を合成する反応が同化だ」

Ｔ「異化はエネルギーを放出し、同化はエネルギーを吸収して行う。異化と同化、それぞれの代表例は？」

「異化は呼吸、同化は・・ええと・・」

Ｔ「同化は生合成反応のことで、君も行えるものと、君には行えないものがある。君はアミノ酸をつなげてタンパク質を合成することはできるが、二酸化炭素などの無機物から炭水化物（糖）などの有機物を合成することはできない。どちらも合成だが、後者はなんと呼ばれる？」

「光合成です」

Ｔ「代謝におけるスーパースターを紹介しよう。酵素だ。酵素について知っていることは？」

「洗剤に入っているものですか」

「サプリメントに入っている」

「ダイエットに良い」

Ｔ「よし、怪しげな意見もあるが、皆酵素という言葉は聞いたことがあるようだね」

Ｔ「酵素とは、生体内で働く触媒、生体触媒だ（自身は変化せず、化学反応を進みやすくする物質）。洗剤であれば汚れを分解する反応を促進するし、健康な生体内でたくさんの種類が働いているから、健康に関する商品に入っているものもある（タンパク質でできた酵素は、消化液でバラバラのアミノ酸に分解されてしまうため、酵素を食べることでどれほどの効果があるかわからないがね）」

補足:特定の化合物に対して特定の反応を触媒するという酵素の性質を基質特異性という。

Ｔ「話が変わるように感じるかも知れないが、この中に、恋のキューピットを演じた人はいるかな？」

「私の友達は、ある男に恋していました。そこで、私は、まずその男に近づき、一緒にお茶ができるくらいの仲になりました。その後で友達と男を会わせ、男の前でその子を褒めちぎったのです」

Ｔ「ほう！それで、成功したかね？」

「ええ。２人ともあそこに座っています」

教室の後ろの方に、顔を真っ赤にしてうつむく男女がいる。

Ｔ「よろしい。その場合、君が合成酵素。あのカップルが生成物だ」

Ｔ「おいおい、そこで冷やかしている君。君は分解酵素だな。そのカップルを別れさせるつもりか？」

Ｔ「自身は変化せず、他の物質に働きかけて（結合して作用する）、化学反応を促進する。それが酵素だ。過酸化水素（呼吸の反応の副産物で、細胞を壊す危険な物質だ）を水と酸素に分解してくれるカタラーゼなどが有名な例だ。なんと、生体内の反応には、酵素がない状況では１１億年に１度しか起きないとされる反応もある」

＊学生による議論

Ａ「なんて酵素とはすばらしい物質なんだ！」

Ｂ「昨日酵素入りｸｯｷｰを食べたよ！とってもおいしかった！明日はもっと食べよう！」

Ｃ「待って。酵素の主成分はタンパク質だ。タンパク質は高温で変性（＝性質が変化する）し失活（＝機能を失う）すると書いてある。酵素入りｸｯｷｰの酵素は無事なのかな」

Ｄ「高温の地域に住む細菌の持つ酵素は高温に耐えられるらしいけど・・・」

Ａ「それに、酵素が消化されたら、アミノ酸になって吸収されるのではないのかな」

Ｂ「もしかして同じことはタンパク質の一つ、コラーゲンにも言えるのでは？コラーゲンは、いくら食べたって、すべてアミノ酸になってしまうから、その美容効果は、どこまで信頼できるのだろうか・・・」

Ｃ「健康食品について、もっとよく調べてみたいな」

●参考

酵素と代謝

１．酵素の働き

細胞内では一連の化学反応が起こっており、各反応には別々の酵素が働いている。

（１）酵素：細胞内で合成され、生物体内で起こる反応を効率よく進める物質。自身は化学反応の前後で変化しない生体触媒で、タンパク質から主にできている（タンパク質以外の有機低分子化合物を必要とするものもある）。

（２）細胞内酵素：細胞内で働く酵素（カタラーゼ、呼吸酵素など）。

細胞外酵素：細胞外に分泌されて働く酵素（アミラーゼ、ペプシンなど）。

参考　酵素の性質　

① 基質特異性：酵素には基質と結合する部位（活性部位）があり，活性部位の立体構造が酵素の種類によって異なるため，酵素は決まった基質としか結合しない。この性質を基質特異性という。

② 最適温度：温度が高くなるほど酵素や基質の分子運動が盛んになるため，基質が酵素と出会う頻度が増す。一方，酵素はタンパク質でできており，ある一定の温度以上になると構造が変化（変性）し，触媒作用を失う（失活）。そのため，酵素反応が最も速くなる温度があり，これを最適温度という。ふつう４０℃付近。

③ 最適pH：れぞれの酵素には反応速度が最も速くなるpH（最適pH）がある。

２．代謝：生体内で起こっている化学反応。異化と同化があり、エネルギーの出入りを伴う。

（１）代謝とエネルギー代謝：生物体内で起こる化学反応を代謝といい、代謝に伴って起こるエネルギーの出入りや変換をエネルギー代謝という。

（２）ＡＴＰ（アデノシン三リン酸）：呼吸などで生じたエネルギーを一時的に蓄える物質で、分解の際に出るエネルギーをさまざまな活動に使う。すべての生物が使うエネルギーの共通通貨にあたる化学物質。

ATP ＋ H₂O ⇄ ADP ＋ H₃PO₄(リン酸) ＋ エネルギー

ＡＴＰ内に蓄えられている化学エネルギーは、ＡＴＰの分解とともに、物質合成、能動輸送のほか、筋収縮（運動エネルギーに変換）、発光（光エネルギーに変換）に使われる。

３．異化：体内に取り入れた物質を簡単な物質に分解することを異化という。

（１）呼吸：有機物を分解してエネルギーを取り出し、ＡＴＰを生成すること。

有機物(C₆H₁₂O₆) ＋ 酸素(O₂) → 水(H₂O) ＋ 二酸化炭素(CO₂) ＋ ATP

参考　呼吸では、呼吸基質から電子が引き抜かれ、呼吸基質は分解する。分解産物として二酸化炭素が生じ、奪い取られた電子は反応が進むたびにエネルギーを失っていく（そのエネルギーはＡＴＰの合成に使われる）。最終的に酸素がＨとともに電子を受け取って水が生じる。

参考　酸素のない条件下で，有機物を分解してATPを生成する過程を発酵という。原核生物である乳酸菌は乳酸発酵を行う。酵母菌はミトコンドリアを持つ真核生物であるが、酸素が存在しない環境下ではアルコール発酵でグルコースを分解しＡＴＰを得る。ヒトの筋肉においても、酸素欠乏下においては、乳酸発酵と同じ化学反応が起こる。

（２）呼吸基質：呼吸の材料になる物質。例）グルコースなどの糖、脂質、タンパク質

４．同化：体内で簡単な物質から複雑な物質を合成することを同化という。炭酸同化と窒素同化がある。

（覚え方）こんなに複雑な物を作るなんてどうかしてるよ（複雑な物を合成するのは同化）

　　　　・炭酸同化（二酸化炭素から有機物を合成）　

　　　　　　　　　　　例）光合成（光エネルギーを利用）、化学合成（化学エネルギーを利用）

　　　　・窒素同化（窒素を含む物質から必要な有機窒素化合物を合成）

　　　　　　　　　　　例）アンモニウムイオンを用いてアミノ酸を合成する（植物が行う）、アミノ酸を用いてタンパク質を合成する（全生物が行う）

光合成は植物細胞の葉緑体や、ユレモ、ネンジュモなどのシアノバクテリアの細胞で行われる。シアノバクテリアは葉緑体を持たないことに注意。

水(H₂O) ＋ 二酸化炭素(CO₂) ＋ 光エネルギー → 有機物 ＋ 酸素(O₂)

反転授業用「生物基礎・原核生物と共生説」

細胞のリアル授業はこちら

原核細胞、真核細胞、共生説

テーマ：原核生物と共生説

Ｔ「私たちの体内には無数の細胞があるが、私たち自身の細胞はそのうちの１０％程度しかない。残りは細菌や菌類などの微生物である。リステリア菌という細菌は細胞の内側に侵入する。実は細胞が別の細胞に侵入する現象は、太古の時代から一般的なものであった。私たちの細胞が、かつて大昔に侵入した原核生物を、部品として使っているという可能性はあるだろうか。原核生物と真核生物は、進化の上でどのようなつながりがあるのだろうか」

Ｔ「原核生物について学んでみよう。君たちのおなかにいる大腸菌、ヨーグルトに入っている乳酸菌、校庭や駐車場に落ちているワカメのような外見のネンジュモ（シアノバクテリアの仲間）は原核生物だ」

「どうして原核生物に核はないんですか」

Ｔ「核を持たない細胞、つまり原核細胞でできた生物を、原核生物と呼んでいるんだ。ＤＮＡがむき出しになっている・・・これはとても危険なことだと思うかも知れない。自身の体の設計図であるＤＮＡが傷つく可能性がある。宝石をむき出しで机の上に放って置いているようなものだ！」

Ｔ「しかし、こんあ考え方もある。ＤＮＡをどんどん傷つけ、変化させ、環境の変化に素早く対応しているのかも知れない」

「原核細胞と真核細胞で違うのは、核だけですか」

Ｔ「いやいや、原核生物は核をもたないだけでなく、ほとんどの細胞小器官を持たない」

Ｔ「さて、実は、葉緑体やミトコンドリアは、かつて原核生物だったと考えられている」

Ｔ「なんと、ミトコンドリアや葉緑体の中にもＤＮＡが見つかっているのだ」

「葉緑体やミトコンドリアは生きているのですか？」

Ｔ「生きてはいない。細胞外で増殖できないんだ。自己複製が大きな生物の特徴だからね」

Ｔ「しかし、これらの細胞小器官は、はるか昔、原核生物が真核細胞の祖先の細胞につっこんで、共生するようになり、生じたと考えられている。この説を共生説という」

Ｔ「ミトコンドリアのもとになったのは、好気性細菌という原核生物のグループだ。このグループの細菌は、ミトコンドリアを持たないが、呼吸に関する種々の酵素を持ち、呼吸を行う」

Ｔ「その後、それに加えてシアノバクテリアが進入して生じた細胞小器官が葉緑体だ。シアノバクテリアは、葉緑体をもたないが光合成を行う原核生物である」

「その説には他にも何か根拠があるのですか？」

Ｔ「まず、先ほど言ったように、ミトコンドリアや葉緑体はＤＮＡを持つ。ＤＮＡを持つことは生物の特徴の一つだ。また、半自律的に増殖する。『半』自律的な分裂であることに注意しよう。自分単独で、または自分で勝手には増殖できない。実は、増殖のためのタンパク質を作る情報が、核の中に奪われているのだ」

Ｔ「さらに、これらの細胞小器官は二重の膜で包まれている。例えば葉緑体なら、こんな具合に、もともと細菌が持っていた膜と、真核細胞の膜によってできたと考えられている（最新の学説ではそう説明されない。自身で調べて見よ）」

＊学生の自習ノート

＊学生による議論

Ａ「ミトコンドリアは生物のようだね」

Ｂ「ミトコンドリアは生きているといっていいね」

Ｃ「しかし、授業では、確かミトコンドリアや葉緑体は生物としてみなせないと言っていたような・・」

Ａ「しかし、ミトコンドリアはＤＮＡを持つんだぞ」

Ｃ「あ！ここに記述がある。ミトコンドリアのＤＮＡには、増殖に必要なすべての遺伝子がそろっていないらしい！残りの遺伝子は核ＤＮＡにあるそうだ！」

Ｂ「自分一人で料理できない人を、コックと呼べないのと同じだね」

Ｄ「核にある遺伝子からつくられるタンパク質があってはじめて、ミトコンドリアや葉緑体は分裂できるのか」

●参考

（１）原核細胞と原核生物：染色体（ＤＮＡ）はあるが核膜はなく、明瞭な核は存在しない細胞が原核細胞で、ミトコンドリア・葉緑体・ゴルジ体などもない。原核細胞から成る生物が原核生物。　例）大腸菌、乳酸菌、ネンジュモ、ユレモ（ネンジュモとユレモは光合成を行うシアノバクテリア）

（２）真核細胞と真核生物：染色体が核膜に包まれ、核が存在する細胞が真核細胞で、真核細胞から成る生物が真核生物。　例）酵母菌、ゾウリムシ、クラミドモナス、アメーバ、ユードリナ、ヒト

（３）単細胞生物：一生を通じて個体が１個の細胞から成る生物。

例）原核生物、ゾウリムシ、アメーバ、クロレラなど

（４）大形化した原核生物の細胞膜が内部に入り込んで核膜を形成し，真核生物が生じた。この原始的な真核生物に好気性細菌が共生してミトコンドリアの起源に，原始的なシアノバクテリアが共生して葉緑体の起源になったという説を共生説という。ミトコンドリアや葉緑体の内部には，核のDNAと異なる独自のDNAが存在する。このDNAは，原核生物のDNAと同じように，環状の構造をしている。また，分裂によって半自律的に増殖する。