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」

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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。

反転授業用「生物基礎・細胞」

テーマ：細胞

Ｔ「簡単な顕微鏡を用いてコルク片を観察したフックは、1665年、ロンドン王立学会で、コルクがたくさんの小部屋の集まりであり、この部屋をcellと名付けたと発表した。フックが見た構造は、植物細胞が死んだ後に残った外側の『細胞壁』だけだったのだが、細胞という名前は残った。その後、1838年に植物学者のシュライデンが、1839年に動物学者シュワンが論文を出版した。彼らは、光学顕微鏡を用いてそれぞれ植物組織と動物組織を観察し、その結果、細胞がすべての生体組織の構成単位であることがわかったのである」

Ｔ「フックという人を知っているかね？弾性の法則を発見した、ニュートンのライバルだ」

学生は反応しなかったり、頷いたりしている。

Ｔ「フックは好奇心旺盛な学者であった。彼はコルクの切片を見ていた際に蜂の巣状の構造を見つけ、そのひとつの区画を細胞と形容した。フックの見た細胞は、実際には細胞壁に囲まれた死んだ細胞だったが、細胞が植物体をつくる基本の構成単位であることから、この言葉は適切である」

「コルクだけでなく人にも細胞はありますか」

Ｔ「当然だ！全生物は細胞から成る。人はおよそ６０兆個の細胞から成ると言われている」

Ｔ「しかし、人と植物を比べようとした視点は素晴らしい。確かに、人の細胞と植物の細胞にはいくらか違いがある」

Ｔ「まず動物細胞から研究をはじめようと思う」

Ｔは黒板に動物細胞の絵を描いた。

「ミトコンドリアとは何ですか」

Ｔ「これは、呼吸に関係する細胞小器官だ」

「細胞小器官とは何ですか」


Ｔ「細胞小器官とは、細胞内で色々な働きを行う装置のことだと思えばいい。厳密な定義はない。家の中に家具があるように、細胞の中には様々な働きをする細胞小器官がある」

「呼吸とは何ですか。ミトコンドリアには肺があるのですか。」

「いやいや、我々がこれから論じる呼吸とは、肺呼吸とは異なる（それを強調するために、肺でのガス交換を「肺呼吸」、ミトコンドリアが関わる呼吸を「細胞呼吸」などと呼び分けることもある）。呼吸とは、酸素を用いて有機物、例えば糖（炭水化物）などを分解することだ。これを異化と言ったね。呼吸は異化反応のひとつだ。この反応のおかげで、我々は食物からエネルギーを取り出せるのだ」

「息を止めてみよう」

「っはあ！とても絶えられない！肺呼吸は、細胞呼吸を行っている細胞のためのしくみなんだ」

「酸素がないと死んでしまうのは、究極的にはミトコンドリアにおける細胞呼吸が止まってしまうのが原因だ」

「水が生じるのはなぜですか？」

Ｔ「申し訳ないが、詳しくは基礎無し生物でしか学べない。我々は食べ物のもつ高エネルギーの電子を利用して体内でＡＴＰを合成している。その電子を食べ物から抜き取るためには、その電子の『行き着く先』が必要なのだ。その『行き着く先』が酸素であり、電子は水素と共に酸素と結合し、水が生じる」

Ｔ「話を細胞膜に移そう」
「細胞膜の、輸送の働きとは？」

Ｔ「細胞膜はただ細胞内部と外界を仕切っているだけではない。細胞膜には様々なタンパク質が埋め込まれており、そこを通って様々な物質が輸送されるのだ」

Ｔ「これが細胞膜のモデルだ。細胞膜自体はただの油の膜だが、そこには様々なタンパク質が埋め込まれている」

。

Ｔ「他に気になることは？」

「核の中には染色体があると書かれていますが、ＤＮＡの間違いでは？」

Ｔ「実は、染色体とは、主にＤＮＡとタンパク質が結びついたものを指すんだ」

Ｔ「核は、人の赤血球（酸素を運ぶためにスリム化し、核すら捨てる）など、一部の特殊な細胞を除いて、ほぼすべての細胞がもつ。核の中には、このような染色体が入っている（Ｔは紐がゴムボールにくっついたものを披露した）」

Ｔ「これが染色体だ。紐の部分はＤＮＡ。ＤＮＡはテニスボールのようなタンパク質に巻き付いて存在している。このボールのようなヒストンというタンパク質には、DNAをコンパクトにまとめたり、DNA上の遺伝子の発現を制御したりする役割がある」

Ｔ「植物細胞や、原核生物の細胞（原核細胞という）についても見ておこう」

Ｔ「植物細胞と動物細胞の違いは、植物細胞は細胞膜（これが裸の兵士の皮膚だと思え）の外側に強靭な細胞壁（セルロースという糖が主成分だ）という鎧を持つということだ」

Ｔ「実際のセルロースは柔軟性がある。しかし、引っ張る力に耐える強度は鋼鉄に匹敵する！」
Ｔ「また、これは余談だが、セルロースは地球上で最も多い高分子化合物と言われている」

Ｔ「また、一部の植物細胞は細胞内部に葉緑体を持ち光合成を行う」

Ｔ「成長した植物細胞で目に見えて目立つ（動物細胞にも存在はする）のは、液胞という細胞小器官だ。1枚の膜で包まれ、色々なものを貯蔵している。例えば、アントシアンなどのきれいな色素を含むものもある。成長した植物細胞では、中央に巨大な液胞が陣取り、核は端に追いやられてしまう」

Ｔ「また、後で学習するが、原核細胞でできた原核生物という、動物でも植物でも、菌類でもない生物が存在する。細菌（細菌と菌がまったく別物だ！）がこの原核生物というグループに属する。原核生物は1個の原核細胞からなり、そのＤＮＡは核膜で包まれていない。また、植物とはまったく別の成分でできた細胞壁を持つ」

＊学生の自習ノート

＊学生による議論

Ａ「おい。資料集におかしい記述がある。シアノバクテリアという生物は葉緑体をもたないと書いてあるぜ」

Ｂ「どこがおかしいの？」

Ｃ「おかしいよ！だってシアノバクテリアは光合成を行うんだ！しかも、何を隠そう、僕はネンジュモというシアノバクテリアを校庭で見たんだ。紛れもなく緑色だったぞ！」

Ｄ「いや、資料集が正しいよ。シアノバクテリアは、『光合成色素』や、『光合成をおこなうためのたくさんの種類の酵素』を持ってはいるが、葉緑体という構造は持たないらしい」

Ｂ「この記述を見て。葉緑体内部の構造を、このシアノバクテリアは持ってる、と書いてある」

Ａ「そうだったのか。なんだか、葉緑体は、まるでシアノバクテリアのようだね」

Ｃ「もしかして、実は葉緑体は、昔シアノバクテリアだったんじゃないかな？」

Ｂ「まさか！細胞が細胞を取り込んだまま、互いに共生するなんて！考えられない！」

Ｄ「そうかなあ・・。あり得る気がするけれど・・・」

●参考資料

細胞の構造体		構　造	はたらき
核	核　膜	2 枚の薄い膜からなり，核膜孔とよばれる小さな穴が多数ある。核膜孔は核と細胞質の間での物質の通路となる	核の保護 物質の出入りの調節
	染色体	DNA（デオキシリボ核酸）とタンパク質からなる。通常は糸状であるが，細胞分裂時には凝縮して太く短いひも状になる。酢酸カーミンや酢酸オルセインなどの塩基性色素で染まる	DNA は遺伝子の本体
細胞質	ミトコンドリア	内外2 枚の膜で包まれ， DNA を含む。ヤヌスグリーンで染まる （覚え方）三鷹は高級住宅地（ミトコンドリア、呼吸、二重膜）	呼吸によって有機物を分解し，ATP（アデノシン三リン酸）を供給
	葉緑体	内外2 枚の膜で包まれ，光合成色素が存在する。DNA を含む	光合成によって光エネルギーを吸収し，デンプンなどの有機物を合成
	細胞膜	リン脂質とタンパク質からなる厚さ5 ～10nmの薄い膜	物質の出入りの調節
	リボソーム	RNAとタンパク質からなる小さな構造体。小胞体の表面に付着しているものと，細胞質に散在しているものがある	タンパク質の合成（翻訳に関与）
	リソソーム	1 枚の膜からなる球状の構造体。加水分解酵素を含む	細胞内消化
	液　胞	内部の細胞液には有機物，無機塩類，色素（アントシアン）などが溶けている。成長した植物細胞でよく発達している	老廃物の貯蔵
	細胞質基質	細胞内の液体成分であり，酵素など各種タンパク質やRNAなどを含む	解糖（酸素を使わない異化反応）によって有機物を分解し，ATP を供給
	細胞骨格	細胞質基質全体に広がる繊維状の構造。細胞内に張り巡らされ、細胞の形の決定や維持に関係する。アメーバ運動や原形質流動、べん毛運動などの細胞運動にも関与する。	細胞の形の維持 細胞の運動 細胞内の物質輸送
細胞壁		セルロースを主成分とする丈夫な構造（菌類や原核生物の細胞壁はセルロースでできていない） （覚え方）セールで買うから平気（セルロース、細胞壁）	植物細胞の保護と形の維持