1. 細胞とは
細胞は生物の基本単位であり、すべての生物は細胞からできています。細胞は大きく原核細胞と真核細胞の2つに分類されます。
2. 原核細胞と真核細胞の違い
2.1 原核細胞(Prokaryotic Cell)
原核細胞は最も単純な細胞構造を持ち、細菌(バクテリア)や古細菌(アーキア)がこれに該当します。
主な特徴:
- 核膜がない – DNAが細胞質に直接存在(核様体として存在)
- 膜で囲まれた細胞小器官がない – ミトコンドリアや葉緑体などが存在しない
- リボソームは存在する(70S型)が小さい
- 細胞壁がある(ペプチドグリカンなど)
- サイズが小さい(直径1〜10μm程度)
- DNAは環状で1本の染色体として存在
- 細胞分裂は単純(二分裂)
代表例:
- 大腸菌(Escherichia coli)
- 乳酸菌
- シアノバクテリア(ラン藻)
2.2 真核細胞(Eukaryotic Cell)
真核細胞は原核細胞よりも複雑で、動物、植物、菌類、原生生物がこれに該当します。
主な特徴:
- 核膜に囲まれた核がある – DNAが核内に収納されている
- 膜で囲まれた細胞小器官が豊富 – ミトコンドリア、小胞体、ゴルジ体など
- リボソームが大きい(80S型)
- DNAは線状で複数の染色体として存在
- サイズが大きい(直径10〜100μm程度)
- 細胞骨格がある – 細胞の形態維持や物質輸送に関与
2.3 比較表
| 特徴 | 原核細胞 | 真核細胞 |
|---|---|---|
| 核膜 | なし | あり |
| DNA | 環状、核様体 | 線状、染色体 |
| 細胞小器官 | ほとんどなし | 多数存在 |
| リボソーム | 70S型 | 80S型 |
| 細胞サイズ | 1〜10μm | 10〜100μm |
| 細胞分裂 | 二分裂 | 有糸分裂 |
| 代表生物 | 細菌、古細菌 | 動物、植物、菌類、原生生物 |
3. 真核細胞の構造と細胞小器官
真核細胞には様々な細胞小器官があり、それぞれが特定の機能を担っています。
3.1 核(Nucleus)
構造:
- 核膜(二重膜)に囲まれている
- 核膜には核膜孔があり、物質の出入りを調節
- 内部には核小体(仁)がある
機能:
- 遺伝情報の保存 – DNAが染色質として存在
- 遺伝子の転写 – DNAからmRNAを合成
- 核小体でリボソームRNAの合成
3.2 ミトコンドリア(Mitochondria)
構造:
- 二重膜構造(外膜と内膜)
- 内膜は内側に折れ込んでクリステ(ひだ)を形成
- 内部の基質にはミトコンドリアDNA、リボソーム、酵素が存在
機能:
- 好気呼吸によるATP合成 – 細胞のエネルギー産生の中心
- クエン酸回路(クレブス回路)はミトコンドリア基質で起こる
- 電子伝達系は内膜で起こる
重要な特徴:
- 独自のDNA(環状)とリボソーム(70S型)を持つ
- 細胞内共生説の根拠となる(元々は独立した細菌だった可能性)
3.3 葉緑体(Chloroplast)
構造:
- 二重膜構造(外膜と内膜)
- 内部にはチラコイド(袋状の膜構造)が積み重なったグラナがある
- チラコイドを取り囲むストロマ(基質)がある
機能:
- 光合成 – 光エネルギーを化学エネルギーに変換
- 光依存反応(明反応)はチラコイド膜で起こる
- 光非依存反応(暗反応、カルビン回路)はストロマで起こる
重要な特徴:
- 独自のDNA(環状)とリボソーム(70S型)を持つ
- 植物細胞と一部の原生生物にのみ存在
3.4 小胞体(Endoplasmic Reticulum, ER)
構造:
- 膜で囲まれた袋状や管状の構造が網目状につながっている
- 核膜と連続している
種類と機能:
粗面小胞体(Rough ER):
- 表面にリボソームが付着
- タンパク質の合成と修飾 – 分泌タンパク質や膜タンパク質を合成
滑面小胞体(Smooth ER):
- リボソームが付着していない
- 脂質の合成
- カルシウムイオンの貯蔵
- 解毒作用(肝細胞で発達)
3.5 ゴルジ体(Golgi Apparatus)
構造:
- 扁平な袋状の膜構造(槽)が積み重なっている
- シス面(受け取り側)とトランス面(送り出し側)がある
機能:
- タンパク質の修飾と選別 – 小胞体から運ばれたタンパク質を加工
- 糖鎖の付加(糖タンパク質の合成)
- 物質の輸送 – 小胞に包んで目的地へ送る
- リソソームの形成
3.6 リソソーム(Lysosome)
構造:
- 一重膜で囲まれた小胞
- 内部は酸性(pH 5程度)
機能:
- 細胞内消化 – 加水分解酵素を含む
- 不要な細胞小器官の分解
- 食作用で取り込んだ物質の分解
- 古くなった細胞の自己消化
3.7 液胞(Vacuole)
構造:
- 一重膜(液胞膜、トノプラスト)で囲まれた袋状構造
- 植物細胞では非常に大きく、細胞体積の大部分を占めることがある
機能:
- 物質の貯蔵 – 糖、アミノ酸、無機塩類など
- 不要物の蓄積
- 浸透圧の調節 – 細胞の膨圧を保つ
- 色素の貯蔵(アントシアニンなど)
分布:
- 植物細胞で特に発達
- 動物細胞にも小さな液胞が存在することがある
3.8 リボソーム(Ribosome)
構造:
- rRNA(リボソームRNA)とタンパク質からなる
- 大小2つのサブユニットから構成
- 真核細胞では80S型(60S + 40S)
機能:
- タンパク質の合成 – mRNAの情報をもとにアミノ酸を連結
存在場所:
- 細胞質に遊離
- 粗面小胞体の表面に付着
- ミトコンドリアや葉緑体内(70S型)
3.9 中心体(Centrosome)
構造:
- 2本の中心粒(centriole)が直角に配置
- 中心粒は9組の三連微小管からなる
機能:
- 細胞分裂時の紡錘体形成の中心
- 微小管の形成拠点
分布:
- 動物細胞と一部の下等植物
- 高等植物にはない
3.10 細胞骨格(Cytoskeleton)
細胞骨格は細胞の形態を維持し、細胞小器官の配置や細胞内輸送に関わるタンパク質の繊維構造です。
3種類の繊維:
- 微小管(Microtubule)
- 最も太い(直径約25nm)
- チューブリンというタンパク質からなる
- 紡錘体や鞭毛・繊毛の構造を形成
- アクチンフィラメント(Microfilament)
- 最も細い(直径約7nm)
- アクチンというタンパク質からなる
- 筋肉の収縮、細胞運動に関与
- 中間径フィラメント(Intermediate Filament)
- 中間の太さ(直径約10nm)
- 細胞の機械的強度を保つ
3.11 細胞膜(Cell Membrane / Plasma Membrane)
構造:
- 流動モザイクモデル – リン脂質二重層にタンパク質が埋め込まれている
- リン脂質は親水性の頭部と疎水性の尾部を持つ
- 膜タンパク質は貫通型と表在型がある
機能:
- 選択的透過性 – 必要な物質を取り込み、不要な物質を排出
- 受容体機能 – ホルモンなどのシグナルを受け取る
- 細胞認識 – 糖タンパク質や糖脂質による細胞の識別
物質輸送:
- 受動輸送(拡散、促進拡散)
- 能動輸送(ATPを使用)
- エンドサイトーシス(食作用、飲作用)
- エキソサイトーシス
3.12 細胞壁(Cell Wall)
構造:
- セルロースを主成分とする(植物)
- 細胞膜の外側に存在
機能:
- 細胞の形態維持
- 機械的強度の提供
- 浸透圧による破裂の防止
分布:
- 植物細胞
- 菌類(キチンが主成分)
- 細菌(ペプチドグリカンが主成分)
- 動物細胞にはない
4. 動物細胞と植物細胞の比較
4.1 共通する構造
- 核
- ミトコンドリア
- 小胞体
- ゴルジ体
- リボソーム
- 細胞膜
- 細胞骨格
4.2 植物細胞に特有の構造
- 葉緑体 – 光合成を行う
- 大きな液胞 – 浸透圧の調節、物質貯蔵
- 細胞壁 – セルロースからなる丈夫な構造
4.3 動物細胞に特有の構造
- 中心体 – 細胞分裂時の紡錘体形成
- リソソームが豊富
4.4 比較表
| 構造 | 動物細胞 | 植物細胞 |
|---|---|---|
| 核 | ○ | ○ |
| ミトコンドリア | ○ | ○ |
| 葉緑体 | × | ○ |
| 液胞 | 小さい | 大きい |
| 細胞壁 | × | ○ |
| 中心体 | ○ | ×(高等植物) |
| リソソーム | 豊富 | 少ない |
5. 細胞内共生説(Endosymbiotic Theory)
5.1 概要
ミトコンドリアと葉緑体はもともと独立した原核生物が真核細胞に取り込まれ、共生関係を築いたという説です。
5.2 証拠
- 独自のDNAを持つ – 環状DNAで原核細胞と類似
- 独自のリボソームを持つ – 70S型で原核細胞と同じ
- 二重膜構造 – 内膜は元の細菌の膜、外膜は宿主細胞の膜
- 独自に分裂する – 二分裂により増殖
- サイズと構造 – 細菌に類似
5.3 進化の過程
- 原始的な真核細胞(嫌気性)が好気性細菌を取り込む
- 好気性細菌がミトコンドリアへと進化
- 一部の細胞がシアノバクテリアを取り込む
- シアノバクテリアが葉緑体へと進化
6. 重要ポイントのまとめ
覚えるべき重要事項
- 原核細胞と真核細胞の違い – 核膜の有無が最大の違い
- 各細胞小器官の機能 – 特にミトコンドリア、葉緑体、核、小胞体、ゴルジ体
- ミトコンドリアと葉緑体の特殊性 – 独自のDNAとリボソームを持つ
- 動物細胞と植物細胞の違い – 葉緑体、大きな液胞、細胞壁の有無
- 細胞膜の構造 – 流動モザイクモデル、選択的透過性
試験によく出る計算・記述問題
- 細胞小器官の顕微鏡観察とスケッチ
- 動物細胞と植物細胞の比較図
- 原核細胞と真核細胞の違いを説明
- 細胞内共生説の根拠を述べる
- 各細胞小器官の機能を記述
7. 発展: 細胞の大きさとスケール
- 原核細胞: 1〜10μm
- 真核細胞: 10〜100μm
- ヒトの赤血球: 約7〜8μm
- ヒトの卵細胞: 約100μm(肉眼で見える)
- ダチョウの卵: 細胞としては最大級
細胞が大きくなりすぎると表面積と体積の比が小さくなり、物質の出入りが非効率になります。これが細胞のサイズを制限する重要な要因です。
8．細胞の構造：練習問題
第一部：括弧穴埋め問題
基礎レベル
問1 すべての生物は（ ① ）からできており、これは生物の基本単位である。細胞は大きく（ ② ）細胞と（ ③ ）細胞の2つに分類される。
問2 原核細胞の代表例は（ ④ ）や古細菌であり、これらには（ ⑤ ）で囲まれた核が存在しない。DNAは（ ⑥ ）として細胞質に存在している。
問3 真核細胞は原核細胞と比べて（ ⑦ ）が大きく、（ ⑧ ）に囲まれた核を持つ。また、膜で囲まれた様々な（ ⑨ ）が存在する。
問4 原核細胞のリボソームは（ ⑩ ）S型であり、真核細胞のリボソームは（ ⑪ ）S型である。
問5 核の内部には（ ⑫ ）があり、ここでリボソームRNAが合成される。核膜には（ ⑬ ）があり、物質の出入りを調節している。
問6 ミトコンドリアは（ ⑭ ）膜構造を持ち、内膜は内側に折れ込んで（ ⑮ ）を形成している。
問7 ミトコンドリアの主な機能は（ ⑯ ）呼吸による（ ⑰ ）の合成である。クエン酸回路はミトコンドリアの（ ⑱ ）で起こり、電子伝達系は（ ⑲ ）で起こる。
問8 葉緑体は（ ⑳ ）を行う細胞小器官であり、（ ㉑ ）細胞と一部の原生生物に存在する。
問9 葉緑体内部には袋状の膜構造である（ ㉒ ）が積み重なった（ ㉓ ）があり、これを取り囲む液状部分を（ ㉔ ）という。
問10 光合成の光依存反応は（ ㉕ ）膜で起こり、光非依存反応（カルビン回路）は（ ㉖ ）で起こる。
中級レベル
問11 小胞体には表面にリボソームが付着した（ ㉗ ）小胞体と、リボソームが付着していない（ ㉘ ）小胞体がある。
問12 粗面小胞体の主な機能は（ ㉙ ）タンパク質や（ ㉚ ）タンパク質の合成である。
問13 滑面小胞体の主な機能は（ ㉛ ）の合成、（ ㉜ ）イオンの貯蔵、および（ ㉝ ）作用である。
問14 ゴルジ体は扁平な袋状の構造が積み重なっており、小胞体側を（ ㉞ ）面、送り出し側を（ ㉟ ）面という。
問15 ゴルジ体の主な機能は、タンパク質の（ ㊱ ）と（ ㊲ ）、および（ ㊳ ）の付加である。
問16 リソソームは（ ㊴ ）で囲まれた小胞で、内部は（ ㊵ ）性である。加水分解酵素を含み、（ ㊶ ）消化を行う。
問17 植物細胞に特に発達している（ ㊷ ）は、一重膜で囲まれ、物質の貯蔵や（ ㊸ ）圧の調節を行う。
問18 細胞膜の構造は（ ㊹ ）モザイクモデルで説明され、（ ㊺ ）二重層にタンパク質が埋め込まれている。
問19 動物細胞には（ ㊻ ）があり、2本の中心粒が直角に配置されている。これは細胞分裂時の（ ㊼ ）形成の中心となる。
問20 植物細胞の細胞壁の主成分は（ ㊽ ）であり、細胞の形態維持や（ ㊾ ）による破裂の防止に役立つ。
上級レベル
問21 ミトコンドリアと葉緑体は独自の（ ㊿ ）とリボソームを持つことから、（51）説の根拠となっている。
問22 ミトコンドリアと葉緑体のDNAは（52）状であり、これは（53）細胞のDNAと類似している。
問23 ミトコンドリアと葉緑体のリボソームは（54）S型であり、これは（55）細胞のリボソームと同じ型である。
問24 細胞骨格は3種類の繊維から構成され、最も太いのが（56）、最も細いのが（57）フィラメント、中間の太さが（58）径フィラメントである。
問25 微小管の主成分は（59）というタンパク質であり、アクチンフィラメントの主成分は（60）というタンパク質である。
第2部：正誤判定問題
以下の文が正しければ○、誤りであれば×をつけ、誤りの場合は正しい内容に訂正しなさい。
基礎レベル
問1 原核細胞には核膜に囲まれた核が存在する。
問2 大腸菌は真核細胞からなる生物である。
問3 真核細胞は原核細胞よりもサイズが大きい。
問4 原核細胞のDNAは線状であり、真核細胞のDNAは環状である。
問5 ミトコンドリアは植物細胞にのみ存在する。
問6 葉緑体は光合成を行う細胞小器官である。
問7 核小体ではリボソームRNAが合成される。
問8 ミトコンドリアの内膜が折れ込んだ構造をクリステという。
問9 電子伝達系はミトコンドリアの基質で起こる。
問10 葉緑体のストロマでは光依存反応が起こる。
中級レベル
問11 粗面小胞体の表面にはリボソームが付着している。
問12 滑面小胞体は主にタンパク質の合成を行う。
問13 ゴルジ体はタンパク質に糖鎖を付加する機能を持つ。
問14 リソソームの内部はアルカリ性である。
問15 植物細胞の液胞は浸透圧の調節に関わる。
問16 動物細胞には細胞壁が存在する。
問17 高等植物の細胞には中心体が存在する。
問18 細胞膜は選択的透過性を持つ。
問19 細胞壁の主成分はペプチドグリカンである。
問20 リボソームは膜で囲まれた細胞小器官である。
上級レベル
問21 ミトコンドリアと葉緑体は独自のDNAを持つが、リボソームは持たない。
問22 細胞内共生説によれば、ミトコンドリアは元々独立した好気性細菌であった。
問23 ミトコンドリアのリボソームは80S型である。
問24 葉緑体の二重膜のうち、内膜は宿主細胞由来、外膜は共生した細菌由来である。
問25 微小管はチューブリンというタンパク質から構成される。
問26 中間径フィラメントは細胞の運動に主に関わる。
問27 原核細胞は有糸分裂により細胞分裂を行う。
問28 真核細胞の核内では転写が行われる。
問29 ゴルジ体で形成された小胞がリソソームになる。
問30 植物細胞と動物細胞はミトコンドリアの有無で区別される。
解答編
第1部：括弧穴埋め問題 解答
基礎レベル
- ①細胞 ②原核 ③真核 ④細菌（バクテリア） ⑤核膜
- ⑥核様体 ⑦サイズ（大きさ） ⑧核膜 ⑨細胞小器官
- ⑩70 ⑪80 ⑫核小体（仁） ⑬核膜孔 ⑭二重
- ⑮クリステ ⑯好気 ⑰ATP ⑱基質 ⑲内膜
- ⑳光合成 ㉑植物 ㉒チラコイド ㉓グラナ ㉔ストロマ
- ㉕チラコイド ㉖ストロマ
中級レベル
- ㉗粗面 ㉘滑面 ㉙分泌 ㉚膜 ㉛脂質
- ㉜カルシウム ㉝解毒 ㉞シス ㉟トランス ㊱修飾
- ㊲選別 ㊳糖鎖 ㊴一重膜 ㊵酸 ㊶細胞内
- ㊷液胞 ㊸浸透 ㊹流動 ㊺リン脂質 ㊻中心体
- ㊼紡錘体 ㊽セルロース ㊾浸透圧
上級レベル
- ㊿DNA 51.細胞内共生 52.環 53.原核
- 54.70 55.原核 56.微小管 57.アクチン
- 58.中間 59.チューブリン 60.アクチン
第2部：正誤判定問題 解答
基礎レベル
- ×（原核細胞には核膜がない）
- ×（大腸菌は原核細胞からなる）
- ○
- ×（原核細胞のDNAは環状、真核細胞のDNAは線状）
- ×（ミトコンドリアは動物細胞にも植物細胞にも存在する）
- ○
- ○
- ○
- ×（電子伝達系はミトコンドリアの内膜で起こる）
- ×（ストロマでは光非依存反応が起こる。光依存反応はチラコイド膜）
中級レベル 11. ○ 12. ×（滑面小胞体は脂質の合成などを行う） 13. ○ 14. ×（リソソームの内部は酸性） 15. ○ 16. ×（動物細胞には細胞壁がない） 17. ×（高等植物の細胞には中心体がない） 18. ○ 19. ×（植物細胞壁の主成分はセルロース。ペプチドグリカンは細菌の細胞壁） 20. ×（リボソームは膜で囲まれていない）
上級レベル 21. ×（ミトコンドリアと葉緑体は独自のDNAとリボソームの両方を持つ） 22. ○ 23. ×（ミトコンドリアのリボソームは70S型） 24. ×（内膜は共生した細菌由来、外膜は宿主細胞由来） 25. ○ 26. ×（中間径フィラメントは細胞の機械的強度を保つ。細胞運動は主にアクチンフィラメント） 27. ×（原核細胞は二分裂により細胞分裂を行う） 28. ○ 29. ○ 30. ×（植物細胞にも動物細胞にもミトコンドリアは存在する。区別点は葉緑体、細胞壁、液胞など）
9．参考文献
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