【生物】細胞の構造と細胞小器官を図解で総まとめ—原核と真核・小器官のはたらき・顕微鏡の計算｜武蔵野個別指導塾

原核細胞と真核細胞の違いから、細胞小器官の役割、分泌の経路まで図で整理します。顕微鏡の倍率とミクロメーターの例題を通して、名称の暗記を構造と働きの説明へつなげましょう。

よくあるのは、返されたテストの余白に「核」「ミトコンドリア」「葉緑体」と書き直したのに、「この細胞が原核細胞である根拠を述べなさい」という問いには、もう一度手が止まるという場面です。名前を思い出せることと、図のどこを根拠に答えるかがわかることは、同じではありません。顕微鏡の問題でも、倍率の数値を掛けるところまではできても、実際の細胞の長さを問われると、何で割るのか迷いやすくなります。

細胞の学習では、構造の名前に「何で囲まれているか」「どこで何が行われるか」を結びつけます。そのうえで、模式図は構造の関係を示すもの、顕微鏡写真は観察した像を示すものとして読み分けます。この区別ができると、小器官が多い理由を細胞の働きから説明でき、写真や目盛りから大きさを求める計算も整理できます。余白への書き直しを、名前の一覧から、根拠のある説明へ変えていきましょう。

この単元で身につけること

• 原核細胞と真核細胞を、核膜で囲まれた核の有無から区別します。「DNAがあるか」と「核があるか」を別々に判断することが出発点です。
• 細胞小器官の構造と働きを結びつけます。核、ミトコンドリア、葉緑体だけでなく、小胞体、ゴルジ体、リソソームを、細胞内で起こる仕事の流れに位置づけます。
• 動物細胞と植物細胞を比較します。細胞壁や葉緑体などの違いに加えて、細胞膜やミトコンドリアなど、両者に共通する構造も説明します。
• 細胞骨格を、細胞の形を支え、物質の移動や細胞の運動に関わる繊維として理解します。細胞内部を、物がただ浮かんでいる空間として捉えないようにします。
• 顕微鏡の総合倍率と、像から実物の長さを求める計算を使い分けます。ミクロメーターでは、接眼側の1目盛りが実際の何 µm に当たるかを先に求めます。

中学校や生物基礎で学んだ「生物の体は細胞からできている」という見方に、細胞内部の分担と連携を重ねる単元です。名称だけを答える問題から一歩進み、構造の違いを根拠として、働きの違いまで説明できることを目指します。

基本の考え方

原核細胞と真核細胞は何を境に分けるのか

細胞は、生物の体の構造と働きの基本単位です。細胞の表面には細胞膜があり、外側と内側を隔てながら、物質の出入りを調節しています。細胞膜は単なる袋ではなく、内部で生命活動を続ける条件を保つ境界です。真核細胞では、核を除いた細胞の内部を細胞質といい、そこには細胞小器官や、それらの周囲を満たす細胞質基質があります。細胞質と細胞質基質は同じ範囲を指す言葉ではありません。

原核細胞とは、核膜で囲まれた核をもたない細胞です。細菌やアーキアの細胞が当てはまります。DNAは存在しますが、核膜で隔てられてはいません。DNAが主に集まる領域を核様体といいます。原核細胞はリボソームをもち、タンパク質を合成しますが、真核細胞に見られるミトコンドリアや小胞体などの膜で囲まれた細胞小器官はもちません。

真核細胞とは、核膜で囲まれた核をもつ細胞です。動物、植物、菌類などは真核生物です。核膜は二重の膜で、核膜孔と呼ばれる通り道を通じて、核と細胞質の間で物質がやり取りされます。核には遺伝情報を担うDNAがあり、その情報の利用が細胞の働きと結びついています。核の内部に見られる核小体では、リボソームをつくる過程の一部が進みます。

図1のように、原核細胞と真核細胞の比較では、まずDNAを囲む核膜があるかを見ます。丸い形か細長い形か、細胞壁があるかという特徴だけでは、両者を正しく分けられません。図は違いを見やすくした模式図で、細胞や小器官の大きさの比を実測どおりに示したものではありません。

「核がある」という特徴は真核細胞の基本ですが、観察した1個の細胞で核が見えないからといって、直ちに原核細胞とは決められません。染色や焦点の条件で見えにくいこともあり、哺乳類の成熟した赤血球のように、分化の過程で核を失う細胞もあります。分類を問う問題では、生物の種類や細胞の由来も合わせて判断します。「図に描かれていない」と「実際にもたない」は区別しましょう。

膜で区切ることが仕事の分担につながる

細胞小器官は、細胞の内部で特定の働きを担う構造です。ミトコンドリアは呼吸に関わり、有機物から取り出したエネルギーを利用して、ATPを合成する主要な場所です。ATPは、細胞内のさまざまな反応にエネルギーを受け渡す物質です。ただし、呼吸のすべての反応がミトコンドリアだけで起こるわけではありません。細胞質基質で進む段階もあるため、「呼吸の場」という短い覚え方を、そのまま「呼吸はすべてここで行う」と広げないことが必要です。

ミトコンドリアは外膜と内膜をもち、内膜は内側に折れ込んでいます。このひだをクリステ、内膜に囲まれた内部をマトリックスといいます。膜が折れ込む構造は、限られた体積の中で膜の面積を広くすることにつながります。構造の名称を覚えるときには、「内膜のひだ」と「内部の空間」を同じものとして扱わないようにします。

葉緑体は、植物などの光合成を行う細胞に見られます。光エネルギーを利用して有機物を合成する働きに関わり、外側を二重の膜で囲まれています。内部にはチラコイドという膜の袋があり、その周囲の基質をストロマといいます。チラコイドが積み重なった部分はグラナです。ミトコンドリアと葉緑体はいずれも独自のDNAとリボソームをもちますが、細胞の外で独立して生活できる小さな生物と考えるのは適切ではありません。

植物細胞にはミトコンドリアもあります。光合成によって有機物をつくることと、その有機物を利用して生命活動に必要なATPを得ることは、別の役割です。また、植物のすべての細胞に葉緑体があるわけではありません。例えば根の多くの細胞には、緑色の葉の細胞のような葉緑体は見られません。「植物だから葉緑体が必ずある」と決めず、どの部分の細胞かを確認します。

小胞体は、膜で囲まれた袋や管がつながった構造です。表面にリボソームが付いている部分を粗面小胞体、付いていない部分を滑面小胞体といいます。リボソームはタンパク質を合成する構造で、それ自体は膜で囲まれていません。粗面小胞体に付いたリボソームでは、分泌されるタンパク質などが合成され、小胞体の内部などへ送り込まれます。滑面小胞体は脂質の合成などに関わり、細胞の種類に応じた働きもあります。

ゴルジ体は、扁平な膜の袋が重なった構造です。小胞体から運ばれたタンパク質などを加工し、行き先に応じて仕分けます。小胞とは膜で囲まれた小さな袋で、これらの間の運搬に使われます。リソソームは分解酵素を含む小器官で、取り込まれた物質や不要になった細胞内の構造の分解に関わります。リソソームを「何でも細胞の外へ捨てる袋」と覚えると、分解して成分を再利用する働きが抜けてしまいます。

植物細胞では、細胞膜の外に細胞壁があり、セルロースを主成分として細胞を支えます。発達した液胞は細胞液で満たされ、物質の貯蔵や細胞内の状態の調節などに関わります。液胞にも膜があり、細胞質基質とは区切られています。細胞壁は細胞膜の代わりではなく、植物細胞には両方があると押さえます。

細胞骨格と顕微鏡から細胞を捉える

細胞骨格は、細胞内に広がるタンパク質の繊維の集まりです。微小管、アクチンフィラメント、中間径フィラメントなどがあり、細胞の形の維持、物質の輸送、細胞の運動などに関わります。微小管は細胞分裂の際に染色体を動かすしくみにも関係します。骨格という名前でも、体の骨のように固定された支柱だけを意味するわけではなく、細胞の状態に応じて組み替えられる構造です。

光学顕微鏡は光を使って像を観察し、電子顕微鏡は電子線を利用して、より細かな構造を調べます。倍率は像がどれだけ拡大されたかを示す量ですが、近くにある2点を別々に見分ける能力は分解能といいます。倍率だけを上げても、分解能の限界より細かな構造を新たに見分けられるわけではありません。教科書の模式図にあるリボソームや膜の細部まで、通常の光学顕微鏡でそのまま見えるとは考えないようにします。

顕微鏡の総合倍率は、接眼レンズの倍率×対物レンズの倍率です。一方、印刷された写真では、掲載時の拡大や縮小によって紙面上の倍率が変わります。写真と一緒に拡大縮小されたスケールバーがあれば、細胞の像の長さとバーの長さの比から実物の長さを求められます。計算では、1 mm＝1000 µm、1 µm＝1000 nmという単位の関係を使います。これらは単位の定義による換算で、測定で得た近似値とは区別します。

例題で解き方を確かめる

例題1　原核細胞を構造から選ぶ

細胞Aでは、DNAとリボソームが見られ、核膜とミトコンドリアは存在しません。細胞Bでは、核膜で囲まれた核とミトコンドリアが見られます。この2種類は、それぞれ原核生物と真核生物の通常の細胞です。原核細胞に当たるものを選び、判定の根拠を述べましょう。なお、ここで示された「存在しません」は、単に観察しにくいという意味ではありません。

1. 判定に使う特徴を選びます。原核細胞と真核細胞を分ける基本は核膜で囲まれた核の有無なので、最初に核膜に注目します。
2. AとBの情報を対応させます。AはDNAをもちますが、それを囲む核膜はなく、Bでは核膜で囲まれた核があるため、Aが原核細胞に当たります。
3. 理由を定義に沿って書きます。DNAやリボソームは両者に共通するので、それらの存在をAだけの特徴として理由にしないようにします。

答え：Aです。DNAが核膜で囲まれた核の中に収まっていないことが根拠です。

この問題で「DNAがあるのでB」と答えると、DNAを核と同じものとして捉えていることになります。DNAは物質、核はDNAなどを含む構造です。記述問題では、物質の名前と、その物質が存在する場所の名前を分けて書くと、判断の筋道がはっきりします。

例題2　働きから細胞小器官を選ぶ

ある動物細胞は、細胞外へ分泌するタンパク質を盛んに合成しています。この細胞で発達していると考えられる小器官を、粗面小胞体、葉緑体、ゴルジ体から2つ選び、それぞれの役割を説明しましょう。細胞の働きから構造を推測する問題なので、選択肢の名前を思い出すだけでなく、分泌までの順番を考えます。

1. 細胞がつくる物質と行き先を確認します。物質はタンパク質、行き先は細胞外なので、合成と運搬・仕分けの両方が必要です。
2. 合成に関わる場所を選びます。粗面小胞体に付いたリボソームで分泌タンパク質が合成されるため、粗面小胞体が候補になります。
3. 加工と仕分けに関わる場所を選びます。ゴルジ体は小胞体から来た物質を加工し、行き先に応じて仕分けるので、もう1つの候補になります。
4. 選ばなかった構造の役割も確認します。葉緑体は光合成に関わり、この動物細胞の分泌経路には当てはまりません。

答え：粗面小胞体とゴルジ体です。前者は分泌タンパク質の合成と送り出しに関わり、後者は加工と仕分けに関わります。

タンパク質を直接合成する装置はリボソームです。「粗面小胞体が関わる」という説明と、「小胞体の膜そのものがタンパク質を合成する」という説明は異なります。小器官名を選べても役割を説明できないときは、その構造に付いているものまで図に戻って確かめます。

例題3　総合倍率と写真の倍率を使い分ける

接眼レンズが10倍、対物レンズが40倍の光学顕微鏡で細胞を観察しました。総合倍率を求めましょう。また、同じ細胞の写真を、紙面上で実物の400倍になるように印刷したところ、細胞の長さは18 mmでした。実際の細胞の長さを µm で求めます。写真の長さは有効数字2桁の測定値、倍率はこの問題では正確な値として扱います。

1. レンズによる総合倍率を求めます。接眼レンズと対物レンズによる拡大を掛け合わせるので、10×40＝400倍です。
2. 写真について使える倍率を確認します。紙面上で400倍と明記されているため、実物の長さは像の長さ÷400で求められます。レンズの総合倍率だけから、印刷後の倍率まで決めることはできません。
3. 実物の長さを計算します。18 mm÷400＝0.045 mmとなります。拡大像から実物へ戻すので、掛け算ではなく割り算です。
4. 単位を µm にそろえます。0.045×1000＝45なので、実物の長さは45 µmです。測定値に合わせ、答えも有効数字2桁で示します。

答え：総合倍率は400倍、実際の細胞の長さは45 µmです。

倍率は長さの比なので、単位をもちません。ただし長さには単位が必要です。途中式で mm を残しておけば、0.045という数だけを書いて、最後に誤って µm を付ける間違いを防げます。細胞が拡大像より小さくなっているかも、計算後に確認します。

例題4　ミクロメーターで実物の長さを測る

対物ミクロメーターの1目盛りは10 µmです。ある対物レンズで接眼ミクロメーターと重ねると、両方の目盛り線が一致する2か所の間に、接眼側では25目盛り、対物側では10目盛りがありました。その後、対物ミクロメーターを標本に入れ替え、同じ対物レンズで測った細胞の長さは接眼側の18目盛りでした。細胞の実際の長さを求めましょう。目盛りの値と一致は、問題の条件として正確に与えられたものとします。

図2のように、比べるのは同じ両端の間にある目盛りの区間数です。上段の接眼側と下段の対物側で、最初と最後の線をそろえてあります。縦線の本数を数えるのではなく、線と線の間がいくつあるかを数えます。

1. 対物側から実際の長さを出します。実物の長さがわかっている物差しは対物側なので、10 µm×10＝100 µmと計算します。
2. 接眼側の1目盛りに換算します。接眼側の25目盛りが100 µmに対応するため、100 µm÷25＝4 µmです。
3. 細胞の目盛り数に掛けます。同じ対物レンズの条件で接眼側の18目盛りに相当するので、4 µm×18＝72 µmです。
4. 対物レンズが変わっていないか確かめます。対物レンズを変えると、接眼側の1目盛りに対応する実物の長さも変わるため、求めた換算値を無条件には使い回せません。

答え：接眼ミクロメーターの1目盛りは4 µmに当たり、細胞の長さは72 µmです。

接眼ミクロメーターは、初めから「1目盛りは何 µm」と決まっている物差しではありません。まず既知の物差しに照らして値を決める操作を校正といいます。校正のあとに標本を測るという順番を押さえると、対物側の目盛り数と細胞の目盛り数を、そのまま掛けてしまう誤りを避けられます。

つまずきやすいところと直し方

「原核細胞にはDNAがない」と書いてしまう

誤った書き方は「原核細胞には核がないため、DNAもない」です。どこが違うかというと、核という構造の有無から、DNAという物質の有無を決めている点です。原核細胞にもDNAとリボソームがあり、遺伝情報に基づいてタンパク質を合成しています。核膜による区画がないことと、遺伝情報がないことを結びつけてはいけません。

正しい書き方は「原核細胞には核膜で囲まれた核がないが、DNAはある」です。直すときには、DNAの周囲に膜を描くかどうかを、原核細胞と真核細胞で描き分けてみます。ただし、細胞全体を囲む細胞膜まで消さないようにします。原核細胞にも細胞膜はあり、内部と外部の境界をつくっています。

「ゴルジ体でタンパク質を合成する」と書いてしまう

誤った書き方は「分泌するタンパク質は、ゴルジ体で合成されて細胞外へ出る」です。どこが違うかというと、合成と、その後の加工・仕分けを同じ仕事としている点です。タンパク質を合成するのはリボソームで、分泌タンパク質では粗面小胞体に付いたリボソームが関わります。ゴルジ体は、運ばれてきたタンパク質などを受け取る側です。

正しい書き方は「分泌タンパク質は粗面小胞体に付いたリボソームで合成され、小胞体から小胞でゴルジ体へ運ばれ、加工・仕分けを経て分泌される」です。図3のように、場所を矢印でつなぎ、その横に仕事を書けば、名前の順番だけを覚えるより役割を区別しやすくなります。図の矢印は物質が運ばれる向きであり、小胞体全体がゴルジ体へ移動するという意味ではありません。

分泌小胞の膜が細胞膜と融合すると、中の物質が細胞外へ放出されます。これはエキソサイトーシスと呼ばれる現象です。ただし、すべてのタンパク質がこの経路を通るわけではありません。細胞質基質で働く多くのタンパク質は、細胞質中のリボソームで合成されます。「タンパク質なら必ずゴルジ体へ行く」と範囲を広げないようにしましょう。

「倍率を上げると細胞そのものが大きくなる」と考えてしまう

誤った書き方は「対物レンズを10倍から40倍にしたので、細胞の実際の長さは4倍になった」です。どこが違うかというと、大きくなった像と、観察されている実物とを取り違えている点です。同じ細胞の実際の長さは、レンズを取り替えただけでは変わりません。正しい書き方は「同じ接眼レンズなら総合倍率は4倍になるが、細胞の実際の長さは変わらない」です。

接眼レンズなどの条件を同じにすると、対物レンズの倍率を4倍にした場合、見える範囲の直径は約4分の1になります。視野は広がるのではなく狭くなるため、観察対象を低倍率で中央に合わせてから高倍率へ進みます。また、接眼ミクロメーターの1目盛りが表す実物の長さは4分の1になります。像が大きく見えることと、1目盛りで覆える実物の範囲が小さくなることを、対にして考えます。

練習問題

練習1　共通する構造を選ぶ

通常の細菌の細胞と、核をもつ動物細胞に共通するものを、DNA、リボソーム、細胞膜、核膜、ミトコンドリアからすべて選びましょう。そのうえで、核膜を選ぶか選ばないかの理由を1文で書きます。細胞の大きさや形についての情報は与えられていないため、構造の定義に戻って判断します。

練習2　植物細胞の説明を直す

「植物細胞は光合成をするため、ミトコンドリアを必要とせず、どの細胞にも葉緑体がある」という説明の誤りを2か所直しましょう。あわせて、細胞の形の維持や細胞内の物質輸送に関わるタンパク質の繊維の集まりの名称も答えます。1つ目は光合成と呼吸の関係、2つ目は植物の体の部分による違いに注目します。

練習3　レンズと写真から求める

接眼レンズ15倍、対物レンズ10倍のときの総合倍率を求めましょう。別に、紙面上の倍率が600倍の写真で、細胞の像の長さが24 mmでした。この細胞の実際の長さを µm で求めます。写真の長さは有効数字2桁、倍率は正確な値として扱い、長さの答えも有効数字2桁がわかる形で示しましょう。

練習4　校正してから標本を測る

1目盛りが10 µmの対物ミクロメーターを使い、接眼側20目盛りと対物側8目盛りが同じ長さになりました。同じ対物レンズで、細胞の長さは接眼側15目盛りでした。接眼側の1目盛りに対応する実際の長さと、細胞の長さを求めます。さらに、接眼レンズをそのままに、対物レンズの倍率を2倍にした場合、接眼側の1目盛りに対応する実際の長さはどうなるかを答えましょう。目盛りの値と一致は正確な条件とします。

答えと解説

練習1の答えは、DNA、リボソーム、細胞膜です。通常の細菌の細胞は原核細胞であり、DNAはあっても核膜で囲まれた核をもちません。ミトコンドリアももたないため、共通する構造には入りません。「共通するもの」を選ぶ問題では、片方の細胞にあることだけで選ばないようにします。

練習2では、「植物細胞にもミトコンドリアがあり、呼吸に関わる」「根の多くの細胞など、葉緑体が見られない細胞もある」と直します。繊維の集まりの名称は細胞骨格です。細胞骨格は細胞壁とは異なり、細胞の内部にあって物質輸送や運動にも関わります。

練習3の総合倍率は、15×10＝150倍です。細胞の長さは、24 mm÷600＝0.040 mm＝4.0×10¹ µmとなります。40 µmと同じ大きさですが、4.0×10¹ µmと書くことで有効数字2桁を示せます。前半の150倍を後半の写真に使わず、写真に明記された600倍を使うことが要点です。

練習4では、対物側の実際の長さが10 µm×8＝80 µmなので、接眼側の1目盛りは80 µm÷20＝4 µmです。細胞の長さは4 µm×15＝60 µmです。対物レンズの倍率を2倍にすると、接眼側の1目盛りに対応する実際の長さは半分の2 µmになります。同じ細胞なら接眼側の30目盛りに広がり、2 µm×30＝60 µmとなって、実物の長さは変わりません。

次の単元へのつながりと家庭での確かめ方

細胞小器官の境界となる膜を学ぶと、物質がなぜ自由に通り抜けるとは限らないのかを考えられます。また、ミトコンドリアと葉緑体の構造は呼吸と光合成に、核とリボソームの役割は遺伝情報の利用につながります。次の学習で反応名が増えたときにも、「細胞のどこで起こるか」を添えると、反応の順番を整理しやすくなります。

家庭での1つ目の確かめ方は、5分で白紙に原核細胞と真核細胞を1つずつ描き、DNA、細胞膜、核膜を描き分けることです。細かな形の上手さではなく、核膜を描く場所と描かない場所を説明できるかを確かめます。余裕があれば、リボソームが両方にあることも加えます。

2つ目は、別の5分で例題4を見ずに解き、各式の横に「実際の長さ」「1目盛りの長さ」「細胞の長さ」と書くことです。お子さまと確認する場合も、答えが合ったかだけでなく、「この100 µmは何の長さか」と尋ねると、計算の意味が伝わっているかを確かめられます。個別指導では、用語が混ざるときは物質と構造の区別まで、計算が止まるときは単位換算と1目盛りの意味まで戻って確認します。

まとめ

返されたテストの余白には、正しい名前とともに、その答えを選ぶ根拠を残しましょう。「核膜で囲まれていないから原核細胞」「25目盛りで100 µmだから1目盛りは4 µm」と書ければ、図や数値が変わった問題でも、同じ考え方で出発できます。覚えた語を説明に使うことが、細胞の学習を先へ進めます。

細胞小器官の名前に、その境界と働きが結びついたとき、細胞の図は生命活動の説明になります。