第11回 興奮の伝達、神経系の構成、ニューロンとグリア、神経線維と跳躍伝導

 今回も前半のクラスと後半のクラスでやや進捗が異なりますが、両方をカバーするようにまとめます。

 ニューロンからニューロンへの興奮の伝達はすべて化学シナプスによっています(例外もありますが、無視してもよいでしょう)。また、前期の最後に取り上げるニューロンと骨格筋細胞との間での興奮伝達も同様に化学シナプスです。したがって、化学シナプスによる興奮伝達は、ニューロンの機能を考える上で非常に重要度の高く、神経系の機能全体を考えていく上でも欠かせません。

 プリントにあるような図を実際に描き、さらにしくみを説明できるようにしておきましょう。ポイントは、神経インパルスが軸索終末へ伝導することによって電位依存性カルシウムチャネルが開放することと、このチャネルを通して細胞内(軸索終末内)へ流入したカルシウムイオンの作用によってシナプス小胞がシナプス前膜と融合してシナプス小胞内の神経伝達物質がシナプス間隙へエキソサイトーシスによって放出されることです。この二つを理解すれば、伝達物質がシナプス後膜の受容体に結合して生じる現象は、脱分極と活動電位が生じるしくみを思い出せばよいでしょう。

 今回は化学物質依存性イオンチャネルが受容体である例を挙げました。伝達物質と受容体については来週(または再来週)の授業でもっと詳しく説明します。細胞によって組合せが異なり、この違いによって細胞の反応のしかたが変わってきます。さまざまな生理現象を考える上で大切なところですが、基本的な仕組みが理解できていないと応用が利きません。化学シナプスの構造と伝達のしくみは納得がいくまで繰り返し復習しましょう。

 神経系の構成は解剖学で取り上げられる分野ですが、授業の進捗に整合性がとれていませんので簡単に説明しました。プリントではさらに詳しく説明している部分がありますが、再来週以降に各自で取り組んでもらうことになります。

 神経機能を概観して説明しました。ここでも、神経系全体の構成を少し頭に入れておく必要があります。やや抽象的な説明でしたが、後期に取り上げる感覚機能や運動機能、そして中枢神経系の高次機能などを一通り学ぶと実感がわいてくるでしょう。

 神経系を構成する器官としては、脳や脊髄、あるいは大脳、小脳、間脳、脳幹と考えていくことができます。組織的にはやや曖昧で、上皮組織はないと考えてよいですし、もちろん筋組織はありません。結合組織はありますが、機能的には考える必要は無いでしょう。したがって、機能を担っているのはニューロンとグリアの2種類の細胞です。ニューロンが断然重要であることはいうまでもありません。

 ニューロンとグリアの関わりとしては、ニューロンの軸索の周囲をグリアが覆ってつくる神経線維の構造をよく見直しておきましょう。特に髄鞘の成り立ちと、髄鞘の有無による構造の違いを理解しておくことが重要です。神経線維の外観と断面の電子顕微鏡写真を見ながらイメージを膨らませておきましょう。

 中枢神経系と末梢神経系では髄鞘をつくっている細胞が異なります。また、無髄神経で軸索を覆っている細胞も中枢神経系と末梢神経系では違いがありますので、差をはっきりさせて頭に入れておきましょう。

 さて、髄鞘の有無は単に構造が異なっているというだけではなく、興奮の伝導のしくみにも違いがあります。これが逐次伝導と跳躍伝導の違いです。無髄神経で生じる逐次伝導は前回の授業で説明した、興奮伝導のしくみと全く同様です。むしろ、先週は軸索に特別な仕掛けがない場合に生じる伝導として説明しました。これが逐次伝導です。一方、有髄線維では軸索が髄鞘によって覆われているために、軸索の細胞膜が細胞外液と接することができません。また、電位依存性ナトリウムチャネルもありません。したがって、髄鞘で覆われた部分では活動電位が生じることはなく、ランビエ絞輪の部分でだけ活動電位が生じます。この結果、活動電位=興奮は、ランビエ絞輪の部分を跳ぶようにして順に伝わっていくことになります。これが跳躍伝導です。

来週はすでに学んでいる伝導と伝達について、そのしくみをさらに詳しく考えます。

活動電位や興奮の伝導のアニメーション

 前回の授業ではナトリムカリウムポンプのアニメーションを紹介しました。活動電位や興奮の伝導も時間経過に沿って生じているますから、映像(アニメーション)をみることによって理解しやすくなると思います。
つくっているのはナトリウムカリウムポンプと同じ会社のようで、ナレーションは英語ですが見ているだけでもっっわかるのではないでしょうか。
 以下にありますので、参考までに。
    https://www.youtube.com/watch?v=iBDXOt_uHTQ

 また、生理学Ⅱでは心筋に生じる活動電位についても学んだでしょう。刺激伝導系についても以下にアニメーションがあるので、時間があれば一度見ておくとよいと思います。特に、心周期にともなう心房と心室の収縮、弛緩の具合と心臓内での血液の移動の様子がよく分かります。

    https://www.youtube.com/watch?v=v7Q9BrNfIpQ

    https://www.youtube.com/watch?v=RYZ4daFwMa8
です。

来週の予習範囲について

 先週も触れたので分かっていると思いますが、
第3章5節「ニューロンからの興奮の伝達」⑵ニューロンと筋細胞での興奮の伝達
は一端とばして第4章へ入ります。ここは、第5章の筋細胞の構造と機能を説明する際に改めて触れますので、今回の予習の範囲からは省きます。

 また、今日配布したプリント「中枢神経系と末梢神経系の概略」も来週の授業で簡単に説明しますので、予習しておくように。

第10回 静止膜電位、脱分極と活動電位、興奮の伝導と伝達

 1限目のクラスと2限目のクラスでやや進捗に差がありますが、両方まとめてしまいます。

 静止膜電位がどうして生じるのかについては、以前に配布したプリントを改めて見直しましょう。授業でも、プリント以上の説明をしたわけではありません。カリウムイオンの細胞内外での移動がポイントです。カリウムイオン漏洩チャネルは、ニューロンの細胞膜には多量に存在するため、常時一定数のチャネルは開放されていると考えてよいでしょう。したがって、濃度勾配と電気化学的勾配の両方の影響によって、カリウムイオンはこのチャネルを通過します。濃度勾配によって細胞内から細胞外へ移動する量と、電位勾配によって細胞外から細胞内へ移動する量が等しい状態が維持されるため、電位差が生じます。

 ナトリウムイオンの影響にも触れましたが、ナトリウムイオン漏洩チャネルは量が少ないために、ナトリウムイオンの移動による影響は小さいと考えら得ます。ただし、濃度勾配と電位勾配のために、細胞外から細胞内へ一方向性に移動します。したがって、放っておくと細胞内のナトリウムイオン濃度が高くなってしまいます。これを解消するためにナトリウムカリウムポンプがはたらいていると考えてよいでしょう。カリウムイオンも細胞内へ過去ばれますが、上で説明したカリウムイオン漏洩チャネルを通過する量が多いため、ポンプによる輸送量は完全に相殺されます。

 今日取り上げた活動電位や興奮の伝導、伝達が生じるしくみは、前記の内容の中でもとりわけ重要です。この仕組みを理解するためには、細胞膜を介したイオンの輸送、つまりイオンチャネルやイオンポンプについて正しく理解する必要があります。もちろん、その前に細胞膜についても分かっていなければなりません。さらには、細胞内外の電解質組成や電流、電圧に関する基本的な知識も必要です。膜タンパク質である受容体のはたらきも大切です。ここまで学んできた多くの知識を集大成するような内容です。さらに、この後に取り上げる神経系を中心とする生理機能は、ニューロンの興奮という現象を抜きにして考えることはできません。しっかりと復習しておきましょう。

 まず、脱分極や過分極が生じるためにはニューロンに何らかの刺激が加えら得る必要があります。授業では電極をさして電気を通じるという、実験的な刺激をモデルにしました。刺激に対しては、刺激依存性イオンチャネルが反応します。

 刺激によって刺激依存性イオンチャネル、例えばナトリウムイオンチャネルが開放して細胞外からナトリウムイオンが細胞内へ流入します。静止膜電位を維持した状態で、細胞内の陽イオンが増加するわけですから、当然静止膜電位よりも陽性に変化します。この現象が脱分極です。

 小さな脱分極はすぐに静止膜電位に戻ってしまいますが、閾値電位を超えるような脱分極が生じると、閾値を超えたとたんに電位依存性ナトリウムチャネルが開放して、刺激依存性イオンチャネルの開放によって流入した陽イオンよりもさらに多量のナトリウムイオンが細胞内へ流入します。この結果、オーバーシュートします。

 電位依存性ナトリムチャネルにはゲートが2つあり、それぞれ役割が異なります。しかし、まずは、閾値を超えると開放し、オーバーシューすると閉鎖すると考えましょう。そうすると、活動電位のピークが常に同じ大きさであることがわかりやすくなるでしょう。

 膜電位のオーバーシュートは電位依存性カリウムチャネルの開放を促します。この結果、細胞内で多量に存在するカリウムイオンが細胞外へ流出します。静止膜電位をつくりだすために移動していた量とは比べものにならないくらい多量に移動し、再分極を生じます。

 再分極後に静止膜電位よりも膜電位が陰性方向に変化します。これは、再分極相で移動しているイオンがカリウムイオンだけであるために、が膜電位はカリウムイオン平衡電位に向かって変化していくからです。その後、ナトリウムカリウムポンプのはたらきで静止膜電位を回復します。

 細胞膜上の局所で活動電位が生じると、オーバーシュートによって細胞内にたまった正電荷=陽イオンが周囲の負電荷=陰イオンに引き寄せられて移動します。電流が生じていると考えてよいでしょう。この結果、活動電位が生じた局所の周辺に新たな脱分極が生じます。この新たな脱分極が閾値を超えると、同様に活動電位が生じます。一方で、最初に活動電位が生じた部位は不応気になっているため、つまり電位依存性ナトリウムチャネルが不活性化しているために、活動電位は生じません。したがって、興奮=活動電位は、はじめに生じた部位から外側に向かって広がっていきます。これが興奮の伝導です。

 興奮が伝導するということは、すなわち活動電位が生じる部位が移動していくということです。細胞膜には電位依存性ナトリウムチャネルが一様に存在していると考えると、隣接する部位のチャネルが順に開放していくということです。このように、移動していく活動電位のことを、神経インパルスということもあります。感覚器や運動器の機能を考える場合にはよく使いますので、この機会に一緒に頭に入れておきましょう。

 ニューロンに生じる神経インパルスは、軸索小丘に始まり軸索終末に至ります。そして、ここから他の細胞へ興奮を伝達します。興奮の伝達は必ず一方向に生じ、伝える側をシナプス前、伝えられる側をシナプス後といいます。したがって、興奮はシナプス前からシナプス後へと伝達されます。これから学ぶのはシナプス前はニューロン、シナプス後はニューロンまたは筋細胞である場合です。ニューロンから他の細胞への興奮の伝達は、細胞間に電気を通じるのではなく、間隙を化学物質を介しておこります。このようなしくみが化学シナプスです。

 心筋での興奮の伝達を既に学びましたね。来週あるいは再来週の授業で触れますが、刺激伝導系や固有心筋間での興奮の伝達では、互いに接し合っている細胞間をイオンが移動する=電流が生じることによって興奮が伝達されています。このようなしくみを電気シナプスといいます。

 シナプスは構造の名称であると同時に、機能の名称としても使いますので、注意しましょう。

 軸索終末までインパルス=活動電位が伝導してくると、この膜電位変化自体は終末で消えてしまいます。終末の細胞膜には電位依存性ナトリウムチャネルが無いからです。かわりに、電位依存性Ca2+チャネルがあり、このチャネルの開放によって、細胞外から細胞内へカルシウムイオンが流入します。このカルシウムイオンがシナプス小胞とシナプス前膜との融合を促すために、エキソサイトーシスが生じます。この結果、シナプス小胞内の神経伝達物質がシナプス間隙へ放出されます。

 シナプス間隙は、分子にとってはかなり広いスペースです。拡散(広義の拡散)によって広がっていく伝達物質が、対岸であるシナプス後膜の受容体と結合することによって、興奮が伝達されます。伝達物質や受容体については再来週の授業で触れますが、物質を仲立ちとしてシナプス後細胞にイオンの流入を生じます。これが新たな脱分極を生じることによって活動電位が生じます。シナプス後細胞に生じる変化は改めて取り上げますが、まずは興奮の伝導と伝達がどのように生じるかという基本的なメカニズムを理解しましょう。

第9回 浸透、能動輸送、小胞輸送、静止膜電位

 今回は冒頭で浸透圧について、先週の補足をしました。溶質濃度と浸透圧の大きさは比例する関係にありますが、この場合の溶質濃度は倒壊する前の物質濃度ではないことに注意しましょう。また、等張液、低張液、高張液の区別もしっかりと付けられるようにしておきましょう。これらの溶液に細胞を曝した場合の変化は『生理学のための化学』第6章でも詳しく説明しましたので、改めておさらいしておきましょう。また、生理的食塩水の濃度については『生理学ための化学』第4章、第6章の数字の方が正確です。プリントでは概数で示したと考えて下さい。

 また、水チャネル(アクアポリン)は細胞膜を介した浸透=水の移動を考える上で非常に重要なしくみです。現在は高等学校の生物でも取り上げられていますから、膜チャネルの1つとして是非とも頭に入れておきましょう。

 受動輸送と能動輸送の違いは、物質の輸送にエネルギーを使うか否かです。同じイオンを輸送するしくみとしては、イオンチャネルとイオンポンプを比較した考えるとよいと思います。しくみだけではなく、それぞれの膜タンパク質が担う細胞機能も大きく異なっています。

 ナトリウム/カリウムポンプはとりわけ有名で、よく研究されています。授業で見たアニメーションは以下のサイトで自由に閲覧できるはずです。膜タンパク質の構造は、このアニメーションもプリントの図も非常によく似ているのは、立体構造もある程度明らかになっているからです。
   https://www.youtube.com/watch?v=M6_NCdV7YO8
 ナレーションは文字起こし機能と翻訳機能を使えば、よい解説として利用できるはずです。

 二次性能動輸送も生理機能を考える上で欠かせないしくみです。授業でも説明したように、ほとんどの二次性能動輸送ではナトリムイオンの濃度勾配を利用しています。したがって、このしくみがはたらくと、ナトリウムイオンは細胞内へどんどんと移動していきます。したがって、細胞内へ入ってしまったナトリウムイオンを細胞外へ戻すしくみが必要です。これが一次性能動輸送でのナトリウムポンプです。
ナトリウム/グルコースシンポーターのはたらきについてもいかにアニメーションがあります。
   https://www.youtube.com/watch?v=nYC3_3hb54Q
 二次性能動輸送については小腸吸収上皮細胞の例を挙げましたが、他にも腎臓・ネフロンの尿細管で機能するナトリウム/グルコースシンポーターやナトリウム/カリウムアンチポーターなどがよく知られています。

 エンドサイトーシスとエキソサイトーシスも実例を挙げながら説明しました。ニューロンでの神経伝達物質の放出については次回または次々回の授業で触れます。

 後半で第3章に入りましたが、ニューロンの構造については次々回の授業で改めて説明しますが、ここでは細胞体、軸索、樹状突起と3つの部分に分けられることをしっかりと頭に入れておきましょう。

 すべての細胞には膜電位があるという説明をしましたが、ニューロンと筋細胞では刺激によって膜電位が大きく変化します。このしくみが次回のテーマです。したがって、今回は膜電位あるいは静止膜電位とは何かをよく理解しておくことが大切です。A組の授業では静止膜電位が生じるしくみも説明しました。カリウムイオンの移動が大きくはたらいて、細胞内を負に帯電させる状態ができあがっています。前回の授業で配布したプリントをよく見直しておきましょう。

宿題

 宿題について改めて掲載します。
 2019年『基礎生物』第1問B問4〜問6について、以下の用に答えなさい。
   問4:なぜブロッコリーの花芽を用いてDNA抽出実験を行ったのか、その理由を考えなさい.
   問5:各選択肢に対して、適当、不適当を判断して理由を答えなさい.
   問6:解答を導く過程をすべて説明しなさい.
 2019年『基礎生物』第2問A、Bは生理学2で既に学んだあるいは今後学ぶ内容であるから、各自で取り組みこと.

レポートの書式は以下の通りとする。
  A4版レポート用紙を使用し、各問ごとに説明を付すこと.必要に応じて図表を付してもよい.
 ・末尾に感想または意見を必ず付すこと.
 ・必ず手書きで、横書き(上下、左右に余白を取ること)、左留めとする.
 ・表紙をつけ、タイトル、クラス、学籍番号、氏名を明記すること.
 ・レポートとして適した体裁や文体、あるいはまとめ方をしているかどうかも評価の対象とする.
 ・参考にした文献等は末尾に明記すること.ただし、Webサイトを引用する場合は専門家が記載したことが確実なサイトの引用のみを認める.

 ブロッコリーの花芽からのDNAの抽出は以下のビデオを参考にするとわかりやすい。
   DNAの抽出実験(https://www.youtube.com/watch?v=t_XIh1JNxFg)

第8回 タンパク質の修飾と輸送、受動輸送 第8回 タンパク質の修飾と輸送、受動輸送

 先回の内容から引き続いて、リボソームで合成されたタンパク質(この段階ではポリペプチド鎖という方が正しい)がどのようにして運搬されていくのかを、細胞膜タンパク質や細胞外へ分泌されるタンパク質を例にして説明しました。
 粗面小胞体 ➡ ゴルジ装置 ➡ 細胞膜
と運ばれていきますが、運搬しているのはいずれも小胞です。粗面小胞体もゴルジ装置も、細胞膜と同様に脂質二重膜を基本構造としています。したがって、膜の一部がちぎれるようにして小胞をつくったり、小胞が膜と融合することで内部を一体化することができます。

 細胞質の小器官への輸送もそれぞれに研究されています。授業の説明と重複する内容も含めて、先週配布した『補遺:遺伝子と遺伝子発現のしくみ』の「タンパク質の立体構築と輸送」に簡単にまとめていますので、各自で見ておくように。

 今回の中心は細胞膜を介した物質の輸送です。時間の都合もあり、受動輸送についてしか説明できませんでしたが、来週の内容と合わせて前期の中でもとりわけ重要です。しっかりと予習と復習に取り組みましょう。

 拡散や浸透に関する基本的な説明は、すでに『生理学のための化学』で学んでいる内容の繰り返しでした。非常に重要な現象ですから、疑問点がないように見直しておきましょう。

 細胞膜を介して物質が移動した後、細胞内(サイトゾル内)あるいは細胞外で移動していく場合には、その物質の移動は広義の拡散であると考えてよいでしょう。水を溶媒とする溶液中をそれぞれの物質が拡散によって移動して広がっていきます。また、浸透あるいは浸透圧は、生理学Ⅱ&Ⅳで取り上げられる体液量の調節のメカニズムを考える上で、どうしても頭に入れておかなければならない概念です。「血液膠質浸透圧」については『生理学のための化学』第6章の最後で簡単に触れましたが、同じく生理学Ⅱ&Ⅳで取り上げられるはずです。

 受動輸送は、それぞれの物質が濃度勾配や電位勾配、またはその両方にしたがって移動することを指していいます。溶質の移動である拡散(狭義の拡散)は物質の大きさや極性の有無によって、単純拡散、膜チャネルを介した拡散、そしてキャリアタンパク質を介した拡散に分けることができます。物質の特徴と移動方法の違いを整理しておきましょう。同時に、どんな物質が、それぞれの特徴を持っているのかも一緒に考えられると、この後の学習にも役立つと思います。

 溶媒である水の移動は浸透として、溶質の移動とは区別します。受動輸送である点は同じですが、体液成分の大部分を占めている水の移動は、生体機能全体と関わらせて考えると、溶質の移動とは区別する必要があります。

 浸透圧の定義自体は授業で説明したとおりで、「溶媒分子が半透膜を通って浸透するときに半透膜にかかる圧力で、溶媒分子の移動を止めるために必要な圧力の大きさに等しい」ということです。しかし、今後の学習の便宜を考えると、溶質濃度の高い方(水濃度の低い方)が溶質濃度の低い方(水濃度の高い方)から水を引っ張っていると考えた方がわかりやすいでしょう。この水を引っ張っている力の大きさが、すなわち浸透圧の大きさです。したがって、浸透圧は膜を通過できない溶質の濃度に比例します。

 説明が途中で切れてしまったのでわかりにくくなるかもしれませんが、来週は、細胞膜を介して浸透圧に差があるとどんなことが起こるかを考えるところから始めます。

 来週は、細胞膜を介した輸送の残り、能動輸送と小胞による輸送を説明した後で、さまざまな細胞の構造と機能を取り上げます。ただし、プリントのすべてを説明する余裕はありませんので、ニューロンだけに触れますので、この部分の予習はニューロンの構造と機能だけとします。また、第3章では静止膜電位について、今日配布したプリントをよく読んでおくように。

転写と翻訳のアニメーション

 明日の小テストの勉強は進んでいますか? しっかりと予習をして授業を受けていれば、復習はそれほど大変ではないと思います。とは言っても、みたこともない(もちろん、誰もみたことはありません)減少はイメージしにくいもの。
 以下のサイトにちょうどよいアニメーションがあります。参考になるでしょう。


 
DNA transcription and translation [HD animation](https://www.youtube.com/watch?v=2BwWavExcFI)
 
ナレーションは英語ですが、そのままの字幕が表示されています。みているだけでも十分理解できると思います。

『生理学のための化学』訂正

 「生理学のための化学』の次回の小テストの範囲は「第9章脂質の構造と特徴」ですが、一部に誤植がありますので訂正します。
読めばすぐに気がつくことですが、
p62左の11行目中程にある「(a)」を削除します。したがって、11行目は
「や二重結合の数の異なる多種類の脂肪酸が」
です。
 また、同ページの図の説明文には、(a)と(b)の区別がありますが、図中には該当する記号が付していません。上の図が(a)で、下の図が(b)です。上の図の中程に(b)と入っているのは誤植です。

 他に気がついたことがあればご連絡下さい。