細胞構造

バックグラウンド

細胞は、バクテリアのような単純な単細胞生物であろうと、ゾウや巨大なセコイアの木のような大きな多細胞生物であろうと、すべての生物の最も基本的な生物学的単位を表しています。19^世紀半ばに、細胞理論が細胞を定義するために提案されました。

• すべての生物は、1つ以上の細胞で構成されています。
• 細胞はすべての生物の機能単位です。
• すべての細胞は既存の細胞から生じます。

すべての細胞は、原形質膜、細胞質、DNA、リボソームを持つなどの共通の特徴を共有しています。原形質膜は、細胞を取り囲むリン脂質二重膜です。細胞を囲むこの薄くて流動的な層は、細胞の内容物をその環境から隔離し、その環境との物質交換を調節すると同時に、他の細胞との相互作用を促進する役割を果たします。細胞膜の内側には、細胞の機能に不可欠な有機分子、塩、その他の物質を含む細胞質と呼ばれるゲル状の液体が細胞に充填されています。そのため、生命を支える生化学反応は代謝過程と呼ばれ、細胞質内で起こります。細胞が実行できる代謝プロセスの種類は、その遺伝情報によって異なります。すべての細胞は遺伝物質としてDNAを使用し、これは細胞の構造と生成物を構築するための遺伝的青写真です。最後に、すべての細胞はリボソームを使用してタンパク質製品を合成します。

細胞には、遺伝物質の位置に基づいて、「核の前」を意味する原核生物と、「真の核」を意味する真核生物の2種類があります。したがって、どちらのタイプの生物もDNAを持っていますが、細菌のような原核生物は核の代わりに核様体、つまり「核のような」成分を持っていますが、真核生物はDNAを含む真の膜結合核を持っています。さらに、原核生物は比較的小さく、通常は10〜100μmのサイズの範囲の真核生物と比較して、約0.1〜5.0マイクロメートル(μm)です。原核生物のサイズが小さいため、細胞内の物質の迅速かつ容易な分布と代謝プロセスの実行が可能になり、細胞からの老廃物やその他の製品の迅速な除去が可能になります。したがって、真核細胞は、ミトコンドリアやゴルジ装置などのオルガネラと呼ばれる特殊な構造を持っており、生命機能の実行を可能にします。

真核細胞

真核細胞は、すべての真核生物に共通する派生形質であり、単一の起源を持ち、それ以来、すべての真核生物に受け継がれています。最も初期の真核細胞は、約24億年前の化石に見られ、原核細胞よりも大きいため、認識できます¹。この細胞型の起源は、1つのアメーバ様細胞が微小球菌を飲み込み、安定的に共存する内部共生事象に起因しています²。飲み込まれた細菌は、細胞内の好気性代謝オルガネラである最初のエネルギー産生オルガネラであるミトコンドリアに進化しました。ミトコンドリアは独自のゲノムを持ち、原核生物とサイズが似ています。それらは、2つの異なるコンパートメントを囲む2つの層の膜を含んでいます。高エネルギー生体分子を分解する反応の一部は内側のコンパートメントで発生しますが、外側のコンパートメントには、これらの化合物から放出されるエネルギーをアデノシン三リン酸(ATP)分子に捕捉する反応が収容され、細胞のエネルギー通貨として使用されます。

核とミトコンドリアだけが真核細胞の共通の構造ではありません。他の遍在する真核生物のオルガネラは、滑らかで粗い小胞体(ER)、ゴルジ装置、リソソーム、および液胞です。小胞体は単に「血漿内部のネットワーク」を意味し、その名前が示すように、細胞内、特に核の周りの膜の大きなネットワークです。粗い小胞体の一部は核膜から伸びており、表面に多数のリボソームがあるため、粗い外観によって滑らかな小胞体と区別されます。粗小胞体は、原形質膜に埋め込まれたタンパク質や細胞から分泌されるタンパク質などのタンパク質合成の部位です。対照的に、Smooth ERは脂質ベースの製品を製造していますが、有害な化学物質を解毒するための酵素も含まれています。したがって、肝細胞には滑らかなERが豊富に含まれています。また、筋細胞には、筋肉の収縮に不可欠なこのオルガネラのカルシウム貯蔵機能のために、平滑小胞体が大量に含まれています。ゴルジ装置は、小胞内の細胞産物を選別、改質、および包装し、小胞が原形質膜と融合して製品を放出します。粗いERで生成されるタンパク質の一部は、細胞内消化酵素です。これらの酵素は、ゴルジ装置内でリソソームと呼ばれる特別な小胞に詰め込まれています。リソソームの主な機能は、細胞に飲み込まれた食物粒子や古い細胞部分を消化することです。液胞は、細胞内の貯蔵単位として機能する細胞膜の嚢です。それらは、細胞の水分含有量を調節するために水を貯蔵するだけでなく、細胞の種類や生物によっては代謝産物や有毒分子を貯蔵するのを助けるかもしれません。

王国固有のオルガネラ

真核細胞はまた、各王国に固有の異なる細胞小器官を発達させました。たとえば、植物界と動物界はどちらも真核生物ですが、植物細胞と動物細胞の細胞小器官は、それぞれ生産者と消費者としての生活を遂行することを可能にする重要な点で異なります。陸生植物は背が高く成長し、葉を保持するための硬い茎を持つ必要があり、それを使用して光合成に使用します。また、根が吸い込んだ水分を保持できる必要があります。彼らの細胞は、これらの特定のニーズを反映しています。動物細胞とは異なり、植物細胞には光合成に使用される葉緑体があり、多くの場合、緑色の色素であるクロロフィルが含まれています。さらに、それらは細胞壁に囲まれており、細胞壁は成長と保水をサポートするためにセルロースで作られた硬い外層です。細胞内の水圧を維持するために大量の水を貯蔵する必要があるため、動物細胞よりも液胞が大きくなります。さらに、植物細胞には、色素体と呼ばれる別のタイプの特殊な貯蔵オルガネラもあり、色素やデンプンなどの光合成製品が含まれています。これらの違いは顕著であり、植物細胞と動物細胞を区別します:植物細胞は一般に、硬い細胞壁のために規則的な長方形の形状をしていますが、動物細胞は丸みを帯びており、より不規則です。

顕微鏡

カエルの卵子などの一部の細胞は、肉眼で見るのに十分な大きさですが、ほとんどの細胞は視覚補助なしでは見ることができません。したがって、科学者は顕微鏡技術を使用して細胞構造を研究し、細胞タイプを互いに区別します。顕微鏡は、人間の目では見ることが困難または不可能な物体を拡大することができますが、ほとんどの組織は自然に色素沈着を欠いています。そのため、細胞の分子組成に基づいて選択的に染色できる溶液が作られてきました。これにより、研究者は、いくつかの例を挙げるだけでも、細胞内の細胞小器官、植物の茎の組織タイプ、動物の脂肪層を区別することができます。メチレンブルー色素は、死細胞の核酸を染色し、負に帯電したDNAに結合します。サフラニン溶液は、細胞核を赤く染める別の生物学的色素です。細胞は短時間染色溶液中に存在するだけで、染色ステップの直後に取り付けることができます。一般的に使用される取り付け技術は、ウェットマウントとオイル浸漬です。ウェットマウントは、サンプルを採取し、スライドとカバーガラスの間に液体を入れたスライドガラスの上に置くことで作成されます。細胞サンプルは、水やグリセロールなどの液体に懸濁されます。グリセロールは、細菌の増殖を防ぐため、生きた培養物で使用するのに適しています³。カバーガラスの上に浸漬油を追加することで、高倍率でのサンプルの視認性を向上させることができます。これは、オイルがガラスと同じ屈折率を持っているため、ガラスと同様に光がオイルを通過できるためです。ガラスと空気の界面は、油やガラスよりも光を散乱させるため、サンプルを「乾燥」または油なしでマウントすると、画像の鮮明さが影響を受けます。細胞を染色してマウントすると、顕微鏡で研究する準備が整います。

研究者が原子レベルで物体を見ることを可能にした電子走査技術から、個々の細胞内の分子の動きをリアルタイムで監視できる蛍光ライブセルイメージングまで、さまざまな顕微鏡技術があります⁴。明視野顕微鏡は最も単純な顕微鏡技術であり、ハロゲン光源、光を集束させるための集光レンズ、画像を表示するための眼レンズ、および画像を拡大するための対物レンズのみを必要とします。どのような顕微鏡技術でも、顕微鏡を使用する前に顕微鏡の部品を理解することが重要です。一般に、明視野イメージングに使用される複合顕微鏡は、スコープの上部に接眼レンズがあり、ヘッドと対物レンズに取り付けられています。接眼レンズの倍率は10倍で、対物レンズは4倍〜100倍の範囲で特定の倍率に設定されています。標準的な顕微鏡には3つから5つの対物レンズがあります。対物レンズは、標本を見るために標本が置かれるステージを指しています。ステージには、スライドを保持して見ながら動かすための機械部品やステージクリップが取り付けられていることがよくあります。開口部は、光が通過するためのステージの穴です。この光は、イルミネーターまたは光源の上にある調整可能なコンデンサーレンズによって制御されます。観察対象物のステージのズームを制御するために、顕微鏡には粗いフォーカス調整ノブと細かいフォーカス調整ノブがあります。粗いフォーカスノブは、細かいフォーカスよりも大きなスケールで動きますが、それらは同じ軸上にあります。ファインピントは、ステージ上のオブジェクトが目的に近づいたときに役立ちます。対物レンズがステージ上の物体に触れないようにすることが重要です。レンズに傷がつく可能性があるためです。オブジェクトは常に最初に最も低い倍率の対物レンズで見ることができ、高倍率の対物レンズに切り替える前に明確に焦点を合わせる必要があります。

顕微鏡検査は、研究、診断、治療など、医療分野の多くの側面にとって重要なツールです。これは、より侵襲^{的な手術5}に代わる新しい治療法として、ナノテクノロジーを医療に応用する応用があります。外科医は顕微鏡も利用しますが、その一部は外科医の頭に取り付けられるように変更されており、フットペダルで操作されます。これらは、現在使用されている光学顕微鏡よりもはるかに低い倍率ですが、光学手術や脳神経外科などの繊細な手順を安全に実行することを容易にします。

参照

1. ベングトソンS、ラスムッセンB、アイヴァルソンM、ミューリングJ、ブロマンC、マローネF、スタンパノニM、ベッカーA。24億年前の小胞性玄武岩の菌類のような菌糸体の化石。ネイチャー、エコロジー&エボリューション。 2017年、Vol.1、記事番号:0141。
2. ヴェライT、ヴィダG。真核生物の起源:原核細胞と真核細胞の違い。Proc. R. Soc. Lond. B. 1999年、第266巻、1571-1577。
3. グエットV、ロジャーG、フォンティC、アンドレP.ルーメンセルロース分解細菌および嫌気性真菌の増殖、接着、およびセルロース分解活性に対するグリセロールの影響。現在の微生物学。 24、1992年、第4巻、197-201。
4. コグネットL、ルダックC、ルニスB。生細胞の単一粒子追跡と動的超解像イメージングの進歩。Curr Opin Chem Biol. 2014年6月;20:78-85。
5. アシヤンボラB、ソボイェホW。外科医向け:ナノテクノロジーの紹介。J Surg Educ. 2008年、第65巻、2(155-61)。