高校生物 内膜系と分泌—標識の移動順から小胞体とゴルジ体の役割を追う｜武蔵野個別指導塾

標識量の山が現れる順序を読み、小胞の内腔にある分泌物と膜の行き先を区別して経路を追います。

よくあるのは、分泌物が小胞の膜そのものへ変わると描く場面です。細胞の外に出るタンパク質を丸で描き、細胞膜に近づいたところで丸を膜の線に塗り替えると、どこを通って外へ出たのかが見えなくなります。小胞には中身を包む膜と、その内側の空間があります。まずこの2つを別々に追いましょう。

資料問題では、短い時間だけ標識した物質を細胞に与え、その後の各区画の標識を比較することがあります。どの区画で先に標識が多くなるかを読む型、ある段階の輸送を妨げたときにどこにたまるかを考える型、膜と中身の行き先を図から説明する型が代表的です。標識が見えることと、その場で物質が作られたことは同じではありません。ここでは分泌されるタンパク質の経路に焦点を当て、タンパク質合成の詳しい仕組みや発現の調節には立ち入りません。

膜に囲まれた空間をつなぐ

粗面小胞体は表面にリボソームが付いた小胞体です。分泌されるタンパク質は合成の過程で小胞体の内腔へ入り、輸送小胞に包まれてゴルジ体へ運ばれます。ゴルジ体ではタンパク質の加工や仕分けが行われ、分泌小胞などに分けられます。分泌小胞が細胞膜と融合すると、内腔の中身は細胞外に放出されます。この放出をエキソサイトーシスといいます。

図1のように、膜で囲まれた内腔を淡い色、膜を線として区別します。矢印は分泌物の移動方向を示す模式図です。小胞体からゴルジ体、さらに細胞膜へは複数の小胞が関わり、図のような固定された管を分泌物が流れるという意味ではありません。各区画の形や大きさも実際の比率を表しません。

図1のように小胞の膜は出発側の膜からでき、到着側の膜と融合します。一方、内腔にある分泌物は膜そのものになるのではなく、区画の内側から次の内側へ移ります。最後の融合で小胞の内腔が細胞外につながるので、中身は細胞質を横切らずに外へ出ます。小胞膜は細胞膜の一部となり得ますが、これを分泌物と混同しないことが要点です。

細胞膜の外側と小胞の内側は、融合によってつながる側です。小胞の外側は細胞質に接しています。膜を境にどちら側を移るかを指でたどると、細胞質と内腔を無意識に入れ替える間違いを防げます。小胞体やゴルジ体にあるものがすべて細胞外に出るわけではなく、行き先は仕分けによって異なります。

基本例題：山の順番を読む

ある細胞で分泌タンパク質を短時間標識し、標識していない材料に切り替えました。各時点の標識量を同じ方法で調べたところ、粗面小胞体では2分、ゴルジ体では5分、分泌小胞では8分にそれぞれ最も大きくなりました。値は教材用の条件です。3区画を通る順序を記述し、山の順序から言えることと単独では言えないことを答えてください。

図2のように、各区画で山が現れた時刻を左から並べます。矢印は推定する分泌物の移動方向で、時刻の差を輸送の所要時間と断定する矢印ではありません。

2分、5分、8分の順に山が移るので、標識された分泌タンパク質が粗面小胞体からゴルジ体、分泌小胞へ移るという経路と整合します。最初の区画で増えた後、後の区画で増えるという時間差が根拠です。図2のように時刻と区画を対応させると、単に名前を暗記した順序ではなく、観察と結論を結び付けられます。

ただし山の時刻の差をそのまま1分子の移動時間とすることはできません。各区画には異なる時刻に出入りする多数の分子があり、山の位置は流入と流出の両方に左右されます。また山の順序だけでは、すべての分子が同じ経路を通った証明にもなりません。区画ごとの標識が分泌タンパク質由来であることや、区画を正しく見分けたことも前提です。

別の見方として、早い時刻から順に各区画の状態を表に書き込む方法があります。2分には小胞体の山、5分にはゴルジ体の山、8分には分泌小胞の山です。区画ごとに縦に読んだ結果と、時刻ごとに横に読んだ結果が同じ順序になるか確かめます。時刻だけを小さい順に並べても、対応する区画を付け忘れると経路は導けません。

標準例題：放出量を戻して確かめる

別の教材条件では、標識した分泌タンパク質が観察開始時に細胞内に120単位ありました。観察終了時には細胞外に72単位、細胞内に48単位あり、観察中の分解と新たな標識物の生成はないものとします。細胞外に出た割合を百分率で整数として求め、合計を使って答えを検証してください。

全量120単位を分母にし、細胞外の72単位を分子にします。割合の式と逆算は次の通りです。

(72)/(120) = 0.6
0.6・100 = 60
120・0.60 = 72
120 - 72 = 48

答えは60%です。戻した72単位が細胞外の値に一致し、残り48単位も細胞内の値に一致します。72を48で割ると細胞内量に対する細胞外量となり、求める全量に対する割合にはなりません。別解では、細胞内に残った割合が48/120で40%なので、全体の100%から引いて60%とできます。どちらも同じ全量を基準にしています。

この保存の計算は、分解や新たな標識物の生成がないという条件に依存します。例えば分解が起きたのに細胞内と細胞外だけを足すと、見つからない量を輸送の失敗と決めつける危険があります。測定で回収できなかった量も別に考えます。条件を外した実験では、分解産物や回収率を調べなければ、差の原因を区別できません。

発展例題：輸送の途中でたまる場所

同じ種類の細胞を2群に分け、短時間の標識後に追跡しました。対照群では後の時刻にゴルジ体と細胞外で標識が増えました。処理群では粗面小胞体に標識が残り、ゴルジ体と細胞外での増加が小さくなりました。処理は小胞体からゴルジ体への輸送を妨げる可能性があるとします。この結果に合う説明と、別の可能性を区別するための調べ方を記述してください。

処理群の結果は、標識物が小胞体から先へ移りにくくなったという説明と整合します。上流に残り、下流と外への到着が減るという組み合わせが根拠です。ただし、この結果だけで処理が輸送小胞の形成に直接作用したとは言えません。細胞が損傷した場合や標識物が分解された場合にも、下流の標識は減り得ます。

処理の有無を独立変数、各区画と細胞外の標識量を従属変数として、標識の与え方、追跡時刻、細胞数、測定法をそろえます。処理溶媒の影響を除く対照も設けます。細胞の状態、標識物の分解、回収量を別に調べ、複数回の測定でばらつきを見ます。操作は学校の指導の下で行います。生存や回収が対照と大きく異なるなら、輸送への直接作用を結論する前にその影響を検討します。

結果をグラフにするときは横軸を追跡時間、縦軸を標識量とし、時間と量の単位を明記します。区画や処理群を区別して、同じ尺度で比較します。1時点だけの低い値は、到着が遅れたのか到着量が最終的に減ったのかを区別しません。後の時点も測れば区別に近づきますが、測定を終えた後の変化までは確定できません。標識の検出効率が区画によって異なる場合にも、区画間の高さを分子数として直接比べることは避けます。

誤答を直す：中身を膜に変えない

「分泌物は小胞の膜になり、細胞膜と合体して外へ出る」という答案を考えます。融合自体は正しい着眼点ですが、分泌物が水溶性で小胞の内腔にあるという条件を落としています。膜に描いた線と、内腔に描いた点を混ぜたことが誤りの原因です。

図3のように、膜は線、中身は点として追います。矢印は融合前から融合後への変化を表します。分泌物は細胞外へ出て、膜は細胞膜につながります。模式図では途中の形を簡略化しています。

図3のように直した答案は「小胞膜が細胞膜と融合し、小胞内の分泌物が細胞外へ放出される」です。膜に組み込まれたタンパク質の行き先を問う場合は条件が異なり、膜の成分として追う必要があります。内腔の分泌物についての説明を、膜タンパク質にもそのまま当てはめないようにします。

同じように「ゴルジ体で標識が見えたので、そこで分泌タンパク質が最初に合成された」という答えも修正が必要です。標識が存在する場所と、初めに作られた場所は別の問いです。時間を追って小胞体に先に現れたことと合わせれば、ゴルジ体への移動を支持します。1枚の像しかないときは、経路の順序をその像だけから確定できません。

練習：条件を自分で追う

次の数値はいずれも教材条件です。計算では指定した形で答え、記述では根拠も示してください。

1. ある標識タンパク質の量が最大になる時刻は、ゴルジ体で6分、分泌小胞で10分、粗面小胞体で3分でした。経路と、最大時刻の差からは確定できないことを記述してください。
2. 分解も新たな生成もない条件で、最初に細胞内に200単位あった標識物のうち、終了時に細胞外で50単位が見つかりました。細胞外に出た割合を百分率の整数で求め、残った量も整数で答えてください。
3. 内腔にある分泌物を入れた小胞が細胞膜と融合しました。分泌物と小胞膜の行き先をそれぞれ記述してください。
4. 処理群では対照群よりゴルジ体の標識量が低く、細胞の損傷も観察されました。小胞体からの輸送に対する直接作用を断定できるか、理由と追加で確かめることを記述してください。
5. ある追跡実験で、1分後のゴルジ体の標識は少なく、4分後には多くなりました。測定はこの2時点だけです。最大となる時刻が4分後だと決められるか、理由を記述してください。

答えと解き方

1. 粗面小胞体、ゴルジ体、分泌小胞の順です。3分、6分、10分に区画を対応させるとこの順になります。最大時刻の差は個々の分子の移動にかかった時間とは確定できません。各区画の量は流入と流出の影響を受けるからです。3つの時刻を元の区画へ戻して、順序の取り違えがないことも確かめます。
2. 25%、150単位です。50/200に100を掛けると25になります。200の25%は50単位、残りは200 − 50で150単位です。細胞外と細胞内を足すと200単位に戻り、分解と生成がない条件に合います。
3. 分泌物は小胞内腔から細胞外へ放出され、小胞膜は細胞膜につながります。膜の外側は融合前には細胞質に接し、内腔側は融合後に細胞外側につながるので、元の配置と矛盾しません。
4. 断定できません。損傷自体が標識量を変えた可能性があるからです。細胞の状態と標識物の回収や分解を調べ、対照と比べます。処理以外の条件をそろえても損傷が異なるなら、その影響を除いたとは言えません。
5. 決められません。4分後より後にさらに増える可能性や、測っていない時刻により高い値がある可能性が残ります。2つの測定値から言えるのは、測った時点の間で値が増えたことです。追加の時刻で測定しても、測定間隔の中の正確な最大時刻には限界があります。

覚えておくこと

• 粗面小胞体の内腔に入った分泌タンパク質は、小胞を介してゴルジ体へ運ばれます。
• ゴルジ体で加工・仕分けされた分泌物は、分泌小胞から細胞外へ放出されます。
• 小胞の内腔の中身と膜の成分は分けて追います。
• 標識量の山の順序は経路の手掛かりですが、個々の移動時間の直接測定ではありません。
• 処理の影響は対照、細胞の状態、回収と時間経過を合わせて判断します。

どこで線が入れ替わったか

経路の順を言えても、図にすると小胞の内側を細胞質へ開いてしまうことがあります。そのときは小胞体の内腔から分泌物を1点で描き、小胞の膜を越えずに外へ到達できるかをたどってみてください。線を横切る場所が見つかれば、融合前後の区画の描き方を見直せます。

個別指導で確かめるなら、まず標識量の山と区画を本人に対応させてもらい、次にその順序から言えないことを尋ねます。計算で止まる場合は、分母が最初の全量か、残った量かを条件に戻して確認します。観察された場所、そこから立てた仮説、対照を加えた後の結論を分けることで、分泌経路の説明は根拠を持ちます。