2017年2月4日土曜日

反転授業用「生物基礎・自然免疫」



テーマ:自然免疫





Tは教壇でサンドイッチを取り出し、かじった。


T「うえ!なんてことだ!カビている!」


学生は笑い、警告する。


「生ものはすぐカビてしまいますよ。気をつけないと」


T「君は生ものなのにカビないね」







T「私たちには、体内の異物を排除する仕組みがそなわっていることは、子供でも知っている。しかしそれは簡単そうに見えて、非常に高度な芸だ。また、どうして一度かかった病気には二度とかから無いのか?」


「先生、しかし、わたしは何度もインフルエンザにかかっています」


T「良いことに気がついたね。病原体も、ただ黙っているわけではないのだ。古き良き物が流行に流され姿形を変えるように、ウイルスの形状も、世代と共に突然変異によって変化を続けているのだ」


T「さて、高度で美しいしくみはとっておくことにして、まずは多くの生物が行っている原始的な体を守るしくみについて見てみたい」

。


T「自然免疫。この体を守る仕組みのメリットは時間がかからないこと。デメリットは、病原体の情報を記憶できない(『免疫記憶』を形成しない)ことだ」





T「まず、何より大切な防御機構は、表皮の角質層だ。角質層は死んだ細胞であり、感染に対する第一防衛線である。ウイルスは死んだ細胞に感染できないからね」


T「外傷や火傷の死因は、実は表皮が破壊されてしまったことによる感染によるものがほとんどなんだ」


T「また、呼吸器系の粘膜は、細胞が持つ毛(繊毛)の動きで粘液に流れを起こし、病原菌を体外へ追い出している。粘液分泌に障害のある患者は、呼吸器感染を引き起こす場合が非常に多い」


T「女性の涙は武器と言うが、」


「ちょっと待ってください。その発言は差別ではないですか?」


T「申し訳ない。撤回するよ。しかしね、私に言わせれば、男性の涙も武器なのだ。もっと言えば、ヨダレも武器なのだ」





T「涙やだ液には、リゾチームという酵素が含まれ、細菌の細胞壁を破壊する」





T「また、ディフェンシンというタンパク質は細菌の細胞膜を破壊することで細菌を殺す」







T「さらに、食細胞(好中球やマクロファージ、樹状細胞など『食作用』をもつ細胞)などが異物を処理してくれる」
















T「また、NK細胞という細胞は、病原体だけでなく、ウイルスに感染した細胞や、悪性腫瘍細胞(つまり、癌だ)を殺す役割も持っている」





「なんだか、殺すだとか、キラーだとか、物騒な言葉ばかりでてきますね」



T「うむ。免疫系の誤作動は深刻だ。例えば、Ⅰ型糖尿病は、自身のすい臓を病原体と勘違いして、自分で攻撃することが原因であるといわれている。このような疾患を『自己免疫疾患』と言う」

T「甲状腺が肥大化し、心拍が急増、眼が突出するバセドー病も、一種の自己免疫疾患だと考えられている(甲状腺はもともと代謝を促進させる組織だが、働かなくても、働き過ぎても害が出る。バセドー病の場合は、甲状腺が攻撃を受け刺激され、働き過ぎてしまう)。しかしまだまだ不明なことが多い」


T「話がそれてしまった。自己免疫疾患は、自然免疫というより、獲得免疫が色濃く関係するとされているのだ」


「獲得免疫とは?」


T「良い学習意欲だが、時間切れだよ。今日はここまでだ」

*学生による自習ノート





































●参考資料
免疫
1.血液防御
(1)血液凝固:出血時にフィブリンが作られて血液が固まる現象。
(2)免疫:体内に異物が侵入したとき、それを排除する働き。
2.物理的・化学的防御:生体が外界と接する皮膚や粘膜で異物の侵入を防ぐしくみ。
① 物理的防御 角質層をもつ皮膚による保護,気管の繊毛上皮の運動やくしゃみ・せきによる異物の除去など。
② 化学的防御 汗・涙・粘液・だ液中に含まれるリゾチーム(細菌の細胞壁を分解)などの酵素や強酸性の胃液による殺菌,腸内細菌による他の細菌の増殖抑制など。
3.自然免疫:白血球の一種である好中球やマクロファージなどの食作用によって,異物が取りこまれ,分解される。自然免疫は速やかに行われる。

3.炎症
毛細血管で炎症が起きると、マクロファージや好中球が病原体を食作用で処理しやすくなる(毛細血管が広がり、マクロファージや好中球が通りやすくなる→血管から出たマクロファージや好中球は、感染部位の病原体を食作用で処理する)。





*学生による議論

A「白血球も赤血球と同じように、血管を通るのかな」

B「そうらしいね」

C「リンパ管という管も通るらしい」

A「リンパ管だって?聞いたことないな」

D「リンパ管・・・辞書には、『脊椎動物においてリンパを流通させる管。最後は血管の静脈に合流する。』とある。おや?リンパ管には静脈と同じように弁があるらしい。液体が逆流しないようになっている」

C「資料集の絵がわかりやすいよ。リンパ管はまるで血管のようだが、流れる液体はリンパ液というんだ。リンパ管は血管からしみ出た組織液を回収する経路でもあるようだ」

B「白血球は、リンパ管、そして血管を通じて感染箇所まで移動し、働んだね」

A「図書館で借りてきた免疫学の教科書によれば『活性化したリンパ球は、リンパ管を通ってリンパ節から出ていく。最終的には血中に入り、血流に乗ったリンパ球は実際に働く組織へと向かう』らしい」

B「リンパ節って?」

C「リンパ管の途中にあるふくらみだね。マクロファージなどの食作用の場・および抗原提示の場ともある」

A「抗原提示とは何だろう?来週の講義で学ぶ獲得免疫が関係していそうだけど・・・」

B「少し予習してみよう」

D「うーん、抗原提示とは、『樹状細胞などの抗原提示細胞が、食作用で食べた抗原の一部を、T細胞に提示すること』でいいんじゃないかな」

C「なるほど。『抗原の情報を記憶するのが獲得免疫』とあるから、抗原の情報を『他の細胞に伝える』ことが重要になってくるんだ」

















2017年1月30日月曜日

反転授業用「生物基礎・第2章(遺伝子とその働き)で必ず問われる問題」

①DNAの構造が問われる(二重らせん構造)。発見者(ワトソンとクリック)も必ず問われる。

②DNAは何という単位がつながったものか問われる(ヌクレオチド)。




③DNAの正式名称が問われる(デオキシリボ核酸)。

④DNAからRNAを合成することを何というか問われる(転写)。

⑤mRNAからタンパク質を合成することを何というか問われる(翻訳)。

⑥DNA→RNA→タンパク質へと一方向的に情報が流れることを何というか問われる(セントラルドグマ)。

⑦転写において、DNAのA(アデニン)に結合するRNAの塩基はU(ウラシル)であることが問われる。

⑧塩基の正式名称が問われる(A:アデニン、T:チミン、G:グアニン、C:シトシン、U:ウラシル)

⑨DNAの糖はデオキシリボースだが、RNAの糖は何であるか問われる(リボース)。

⑩グリフィスとアベリー(エイブリーともいう)の実験で、R型菌がS型菌に変化する現象を何というか問われる(形質転換)。

⑪形質転換を起こす物質は何かが問われる(DNA)。また、少し難しい問題として、S型菌の抽出物をタンパク質分解酵素で処理しても形質転換が起きる理由が問われる(DNAは分解されず残っているから・・・形質転換を起こす物質はタンパク質ではなくDNAであることが示された)。

⑫T2ファージを用いた実験(DNAが遺伝子の本体であることが示された)の実験者が問われる(ハーシーとチェイス)。

⑬ハーシーとチェイスの実験で、ファージのDNAが最終的にどこに発見されたかが問われる(試験管の底に落ちた大腸菌の内部)

⑭二重らせん構造をとったDNA中において、AとT、CとGは必ず同じ数含まれる(この規則をシャルガフの規則という)ことが問われる。
例題:ある2本鎖DNA中に、Aが30%含まれていた。Cは何%含まれるか(20%・・・Aが30%含まれているということは、Tも30%含まれ、残りは40%。その中にCとGが均等に含まれるから、CとGの割合は20%ずつ)

反転授業用「生物基礎・第1章(生物の特徴)で必ず問われる問題」

①細胞のイラストがあり、細胞小器官の名称を問われる。さらに、その細胞小器官の働きを選択肢で選ばせられる。
ミトコンドリア:呼吸(共生説と関連付けて、「好気性細菌」が真核生物の祖先の細胞に共生して生じたということも問われる)
*実は、呼吸のうち、1/3の反応はミトコンドリアではなく細胞質基質で行われる。したがって「呼吸はどこで行われる?」という問いは複雑になってしまいよくない。必ず「(ミトコンドリアのイラストを指し)この細胞小器官で行われる反応は?」「呼吸反応の『中心』になる細胞小器官は?」「酸素を消費する細胞小器官は?」などと聞かれる。

葉緑体:光合成(共生説と関連付けて、「シアノバクテリア」が真核生物の祖先の細胞に共生して生じたということも問われる)
液胞:細胞内部の塩分濃度調節(浸透圧調節ともいう)、老廃物の貯蔵、アントシアン含む(アントシアンを含むと書いておけば答えは液胞しかあり得ないので、よく教師は液胞のヒントにアントシアンを使う)
細胞壁:細胞を機械的に支える。植物細胞と原核細胞がもつ。植物の細胞壁はセルロースが主成分。植物細胞の細胞壁の最大のヒントはセルロース。
細胞膜:細胞を包む(よく勉強している教師は「細胞内部を外界と仕切る、物質の輸送にかかわる」と書く)。全細胞が持つ。
核:染色体(DNA+タンパク質)を含む。ふつう細胞に1個。ミトコンドリアや葉緑体にもDNAがあるため、「DNAを含む」だけでは核を選べない。「多くの遺伝子を持つ」とか、「細胞内に1つ」とか、他のヒントも出さざるを得ない。





②ATPの正式名称を問われる(アデノシン三リン酸)

③ATPの形とそれぞれの部位の名称を問われる(アデニン-リボース-リン酸-リン酸-リン酸)





④ATPの、リン酸とリン酸の間の結合の名称を問われる(高エネルギーリン酸結合)

⑤異化と同化をイラストで問われる(異化と同化はかなり定義があやふやなため、例というよりは模式図で問われる。例としては、異化は呼吸、同化は光合成、タンパク質合成だけでOK)。そのイラストにはATPやADPも入ってくる。




⑥すべての生物が何という基本単位でできているか問われる(細胞。追加質問で、その説を何というか問われる。答えは細胞説)。

⑦人物名を執拗に問う教師もいる。
細胞の発見者は?「フック」
微生物を観察したり、動物の精子を最初に論文に記載したりした人は?「レーウェンフック」

核の発見者は?「ブラウン」
植物の体が細胞でできていると言ったのは?「シュライデン」
動物の体が細胞でできていると言ったのは?「シュワン」
細胞は細胞から生じると言ったのは?「フィルヒョー」





2017年1月26日木曜日

反転授業用「生物基礎・転写と翻訳(セントラルドグマ)」

テーマ:セントラルドグマ

T「個々の体細胞の核は、みな同じ染色体を持っており、したがって同じセットの遺伝子を持っている。20世紀初期の生物学者達は、すべての細胞の核で遺伝子が同じであるならば、いったいどのようにして受精卵からの発生を制御することができるのだろうかという問題に直面した。仮に、からだのすべての細胞が同じヘモグロビンやインスリンなどの遺伝子をもっているならば、なぜヘモグロビンタンパク質は赤血球だけで、また、インスリンは特定のすい臓細胞だけで合成されるのだろうか?この問題は未だ完全には解決していないが、細胞によって異なる遺伝子が発現していることは間違いない。生物学者達は遺伝子発現の調節機構について研究を進めている」



T「生命現象で最も重要なポイントを一言であらわしてみたまえ。君」

「最も重要な生命現象は・・・食べることです!」

T「ほう!よろしい。ひとつの答えだ。では、君はどうして食べるのかね?」

「おいしいから?」

T「たとえば、ステーキを食べた時、牛のタンパク質は消化酵素によりアミノ酸にまで分解される。そのアミノ酸はすべて捨ててしまうのだろうか?」

T「違う意見がある人はいない?黒いジャケットの君はどう思う?生命現象の中心は何か?」

「セックスですか」

教室が急に黄色い声でざわめく。

T「こら、笑ってはいけない。しかし我々は、性を持たず、セックスをしない生き物を知っている」

「最も重要な生命現象は成長ではないですか?私たちが講義を受けるのも成長したいからです」

T「人の成長には精神的な成長と肉体的な成長があるね」


T「今出た答えはどれも正しい。しかし私は、今から説明するセントラルドグマのしくみも、考えに入れてもよいのではないか思う」

T「セントラルドグマとは、『遺伝情報の伝達は核酸から核酸へ、あるいは核酸からタンパク質へと行われる』という仮説だ」



T「DNAのうち、遺伝子に当たる領域を『転写』し(DNAは『写し』をとらなければ使えない。DNAのうち、写し取られる領域、つまり使う領域を遺伝子といい、人では、遺伝子領域は2万箇所ある。それでもDNAの全領域のうち1.5%しか遺伝子領域がない。のこりの98.5%の領域は何のためにあるのか?これは生物学者が現在最も注目している謎の一つだ)、DNAの『写し』をつくる。この写しを『mRNA』という」






少し難しく描くとこんな感じだ





T「mRNAは核の外でリボソームというタンパク質合成装置に読み込まれ、リボソームはmRNAに書かれた指示(mRNAの3つの塩基がアミノ酸1つを指定する。アミノ酸を指定するmRNAの3つの塩基をコドンという)通りのタンパク質の合成反応を触媒する。この作業を『翻訳』という」



T「私たちの体にあるほぼすべての細胞は(数も量も塩基配列も)同じDNAを持つが、発現している(DNAの遺伝子領域で転写が起きている、つまりスイッチがONに入っていることを、遺伝子が『発現している』という)遺伝子は細胞毎に異なることが知られている」






T「DNAはタンパク質の設計図で有り、タンパク質こそ我々の肉体だ(我々の体はほとんど水とタンパク質でできている)」

T「DNAを複製し子に伝え、その子のDNAの情報通りに、外から取り入れた栄養を使って成長し、再びDNAを子孫に受け渡していく。これが生命現象の本質であると私は思う」









「ちょっと待ってください。DNAの写しを取るとは?細胞内にコピー機があるのですか?」

T「同じような装置がある。RNAポリメラーゼといって、DNAをほぐしながら、片方の鎖(どちらの鎖かは遺伝子によって変わる)をRNAに写していくのだ」

「タンパク質が完成したところで図が終わっていますが、タンパク質と我々とどう関係しているのですか?タンパク質とはそんなに重要なものですか?」

T「タンパク質は君の主成分であり、アミノ酸が長くつながったものだ。信じられないかも知れないが、君もキノコも大腸菌も成分はそう変わらない。水を除けば、あとのほとんどはタンパク質なんだ」

「そんな馬鹿な!」

T「いやいや、本当だ。アミノ酸がつながった、と言っても、タンパク質に使われるアミノ酸は20種類有り、その並び方次第で性質が大きく異なったタンパク質ができる。筋肉をつくるアクチン、毛髪をつくる硬いケラチン、眼の水晶体になる透明なクリスタリン、赤血球の中にあるヘモグロビンは、機能も見た目も様々だが、すべてタンパク質だ。語尾が「~in」で終わっているものはすべてタンパク質だ。インスリンなどもそうだね」

T「RNAポリメラーゼやカタラーゼなどの酵素の主成分もタンパク質だ」






T「しかも、ほとんどの生物で使っているアミノ酸が共通(20種)しているから、他の生物のタンパク質を食べて分解すれば、生じたアミノ酸を自分のタンパク質を作る材料として使える」

T「もう一度セントラルドグマの話に戻ろう。DNAからRNAをつくることを『転写』という。mRNAの情報をタンパク質のアミノ酸配列の情報に読み替えてタンパク質を合成する(この作業はリボソームが行う)ことを『翻訳』という」

「複製というのは何ですか」

T「複製は、DNAからDNAをつくることだ」

T「DNA量を2倍に増やし、そのあと細胞を2つにわけることで、1つの細胞は2つに増えることができる。これを体細胞分裂といい、もとは受精卵という1個の細胞だった君が、60兆個もの細胞になれたのは、この体細胞分裂というしくみのおかげだ」









*学生の自習ノート





























































●参考
セントラルドグマ
1.遺伝暗号の転写と翻訳
(1)遺伝暗号:アミノ酸配列に対応するDNAやmRNAの塩基配列。
①コドン・・・1種類のアミノ酸と対応する遺伝情報の単位で、mRNAの3つの連続した塩基がコドンとなる。
②コドンの解読・・・人工mRNAを用いて、43=64のコドンに対応する20種のアミノ酸が決定され、コドン表が作成された。
参考 コドン表から、1種類のアミノ酸には複数のコドンが対応する場合が多いこと、開始コドンや停止コドンがあることがわかる。







(2)転写と翻訳:DNAやmRNAの遺伝情報(塩基配列)は、RNAの塩基配列に写し取られ(転写)、それをもとにタンパク質が合成される(翻訳)。
(3)転写の過程:❶RNA合成酵素の働きでDNAの二重らせんの一部がほどける。→➋DNAの一方の鎖(塩基配列)を鋳型にして相補的な塩基をもつRNAのヌクレオチドが並ぶ。→➌RNAのヌクレオチド同士が結合してmRNAとなる。
(4)翻訳の過程:❶mRNAと、最初のコドンに対応するアミノ酸とtRNAが結合したアミノ酸―tRNA複合体と、リボソームが付着する。→➋次のコドンに対応するアミノ酸―tRNA複合体が、mRNAと結合する。→➌アミノ酸同士がペプチド結合(アミノ酸同士の結合をペプチド結合という)でつながる。→➍リボソームがmRNAのコドン1つぶんだけ移動する。→➎以降、➋~➍の過程が繰り返されてポリペプチド鎖が合成される。
参考 真核生物では転写は核内、翻訳は細胞質で行われ、両者が同時に起こることはない。原核生物では、転写と翻訳が細胞質内で、同時に行われる。
参考 スプライシング・・・真核生物では転写の際に、遺伝子の塩基配列の一部(イントロン)が除かれ、残った部分(エキソン)がつなぎ合わされてmRNAができる。これをスプライシングという。原核生物にはイントロンがなく、スプライシングもおこらない。

体細胞分裂に伴うDNAの複製
1.分裂
(1)体細胞分裂:体細胞が増殖するときに行う細胞分裂で、1個の母細胞から2個の娘細胞ができる。娘細胞の染色体数は母細胞と同じで変化しない。
(2)減数分裂:生殖細胞ができるときに行われる細胞分裂で、1個の生殖母細胞から4個の生殖細胞ができる。生殖細胞では染色体数、DNA量が半減している。
2.体細胞分裂の過程
体細胞分裂では、まず核が二分する核分裂が起こり、次に細胞質分裂が起こる。
分裂後の娘細胞は,間期のDNA合成準備期(G1期),DNA合成期(S期),分裂準備期(G2期)を経て,次の分裂期に入る。
分化した細胞はふつう細胞周期から外れる。





過  程
間 期


DNA合成準備期(G1期),DNA合成期(S期),分裂準備期(G2期)に分けられる。
S期ではDNAが複製され(S期にDNA量はもとの2倍にまで増加する),G2期では分裂の準備が整えられる。
分 裂 期
前期
核内の染色体は,細長いひも状に変わる。核膜が消失する。このとき現れる同形同大の染色体は相同染色体と呼ばれる。
中期
染色体は,細胞の赤道面に並ぶ。各染色体は,縦に裂け目ができている。
後期
各染色体は縦の裂け目で分離し,両極へ移動する。このようにして染色体は,母細胞の核に含まれる染色体の数と同じになるよう分配される。
終期
両極に移動した染色体は,形がくずれ,間期のときの状態に戻る。やがて核膜が現れ,2個の娘核ができる。終期の途中から細胞質分裂がはじまり,細胞質が二分される。
参考 動物細胞はくびれて細胞質が二分されるが、植物細胞は細胞板ができて細胞が二分される。
        
































          
3.DNA量の変化
  分裂直後の娘細胞の細胞1個当たりのDNA量を基準量としたとき,間期のDNA合成期にDNAが複製されて基準量の2倍となり,分裂期の終期には基準量に戻る。
4.遺伝情報の発現
(1)全能性とゲノムの等価性:分化した細胞も受精卵と同様に体を構成するすべての細胞を作り出す能力(全能性)をもちうる。これは、核の遺伝情報が、細胞が分化しても変化せず、核には遺伝情報が保持されているからである。
①動物細胞の全能性・・・ガードンによるアフリカツメガエルの核移植実験
[方法]核小体を2個持つ未受精卵の核を紫外線で破壊し、核小体1個の小腸上皮細胞(分化した細胞)の核を移植して発生させた。➔[結果]核小体1個の細胞からなるカエルができ、移植核が発生初期のものほど正常発生する確率が高かった。
[考察]分化した細胞にも、受精卵と同じ遺伝情報が含まれている。
②選択的な遺伝子の発現:細胞にの分化は、それぞれの細胞で決まった時期に特有なタンパク質を作り出す遺伝子が選択的に活性化されることによって起こる。

●重要例題

細胞周期(間期と分裂期をあわせた時間)が20時間の細胞集団がある。この細胞集団を光学顕微鏡で観察したところ、分裂期の細胞の数は200個中10個だった。分裂期にかかる時間は何時間と推定されるか。考え方も示せ。なお、この細胞集団は同調して分裂していないとする。
答え:同調分裂していない細胞集団では、分裂期にかかる時間が長いほど、多く分裂期の細胞が観察されると考えることができる。したがって、



20時間(細胞周期全体):x時間(分裂期にかかる時間)
=200個(全細胞数):10個(分裂期の細胞数)


x=1
したがって分裂期にかかる時間は1時間


*学生による議論

A「計算がまったくわからない」

B「簡単だよ。長い時期ならば、その時期の細胞は多く観察されるというだけだよ」

C「そうだな。例えば、1日の半分寝ている村人がいるとするだろ?君がその村に行ったとき、村人の半分が寝てるだろうよ」

A「そんなの、夜村に行ったら全員寝てるじゃん」

B「屁理屈を」

D「いやいや、Aさん。まったくその通りだ。この計算が使えるのは、細胞が同調して分裂していないことが条件だね」

C「つまり、村人は、個人個人がランダムな時間に寝るんだ」

B「じゃあAさん。練習問題。一日1時間だけ、ランダムに寝る村人がいる。あなたが村を訪れたとき、どのくらいの村人が寝ている?もちろん1日は24時間だよ」

A「24人に1人が寝ている?」

C「その通りだ!」

D「では、細胞周期が20時間の細胞集団がある。この細胞集団を光学顕微鏡で観察したところ、分裂期の細胞の数は200個中10個だった。分裂期にかかる時間は何時間と推定されるか」

A「えっと、200個中10個が分裂期だったということは、細胞終期全体にかかる時間の10/200が、分裂期にかかる時間だ。細胞周期全体にかかる時間が20時間だから・・・

えっと・・・200人中10人・・・1日20時間・・・・

分裂期の長さは、1時間だ!」

C「その通りだ!すごいよ!それをスマートに書くと、数と時間は比例関係にあるから

200:10=20:?

?=10

になるんだね」

D「では、間期の時間は?」

A「20-1=19時間だ!」

B「完璧だね!」