細胞生物科学テスト記述対策

# 細胞生物科学テスト記述対策 ## 過去問 (問) 細胞膜を浸透しないシグナル分子が細胞に与えられた場合、細胞内への情報伝達には、細胞表面受容体が必要である(下図A)。細胞表面受容体によるシグナル伝達の仕組みを調べるため、シグナル伝達機能が欠損した変異細胞が複数作られた。これらの変異細胞において、受容体タンパク質に起こった変異について、(B)以外の可能性を論理的かつ具体的に2つ以上考え、例にならって図示し、簡潔な文章で説明しなさい。なお、論理的に正しければ、実際にそのような変異の例が存在するか否かは問わない。 ![](https://i.imgur.com/roK7rXI.png) (解) ![reference link](https://i.imgur.com/G9RtJXM.png) --- (問) 遺伝子は必要な場所で必要な時に転写・翻訳されるが、その基本概念はセントラルドグマで説明される。さらに近年では、セントラルドグマに加えてDNAへの後天的な作用により遺伝子発現が制御されていることが明らかになってきた。この機構はどういうものか論理的・具体的に説明し、その機構が果たす生物学的役割・意義について考察せよ。 (解) 　エピジェネティクスとは、DNA配列の変化を伴わず、DNAへの後天的な作用により形質に変化が生じることである。セントラルドグマでは、プロモータ配列に領域により遺伝子をいつ・どこで転写するかを決定していたが、エピジェネティクス制御では、プロモータによる制御に加えて転写前制御と転写後制御にゆり遺伝子発現が制御されている。　まず、写前制御にはDNAのメチル化とヒストンの修飾がある。DNAのメチル化とはDNA配列内のシトシンあるいはアデニンにメチル基が付加されることであり、プロモータ領域に存在するCpGアイランドやCpHpG配列およびCpHpH配列がメチル化されると、遺伝子発現が抑制される。次に、ヒストンの修飾にはメチル化とアセチル化があり、いずれもクロマチン複合体の構造を変えることでクロマチンが凝集したり緩んだりする。例えば、これらの変化は複数のタンパク質からなるクロマチン再構成複合体が、修飾されたヒストンに結合したときに起こる。ATP加水分解で放出されるエネルギーを使い、これらの複合体は再構成複合体の中でヌクレオソームを5'から3'へ動かすことでクロマチンを開く。こうしてできるヌクレオソームはヌクレオソーム間の隙間が大きいので、RNAポリメラーゼがそこに結合して転写を開始することができる。　転写後制御では、smallRNAによるmRNAの分解が起こる。生物はしばしば特定の状況に応答するためにmRNAを生産するが、あるmRNAをある状況下での特異的な応答に使うためには、その寿命は短いほど好ましい。例えば、一時的な環境ストレスに対応するために、植物は一時的に特別な酵素を作る必要がある。しかしながらそのストレスが和らいだ後にもなおそれらの酵素を作り続けることは無駄であり、場合によっては有害ですらあるかもしれない。これについて、mRNAの種類によって分解のされ方を変えることで、翻訳に使われるmRNA分子の数をmRNAの種類ごとに変えることが可能になり、遺伝子の活性を調節することができる。 --- (問) 以下の【表】は授業で取り上げたノーベル。賞受賞研究のうち４件の概要をまとめたものです。このうち１件を選び、以下の【解説文に必ず含める内容】をすべて含むように解説文を作成しなさい。答案となる解説文は別添の回答用紙を用いてA4以内にまとめること(文字数についての制限はないが、文字の大きさは必ず10.5ポイント以上にすること)答案用紙の冒頭に学籍番号、氏名及び選んだ研究(【表】中の番号で記すこと)を記入してから書き始めてください。なお、引用文献、図や表を使う場合は、解答用紙次ページにある【別紙】に記載し、本文の文字数には含めないこととします。【解説文に必ず含める内容】 * 受賞者らの研究成果によって具体的に何がどのように明らかにされたか(受賞者が複数の場合は両者の役割についても記す) * この発見は実社会にどのような影響を与え、経済的価値を生み出しているか * この発見によって得られた成果について、あなたならどのように利用するか【表】 |番号|受賞年・ノーベル賞カテゴリー|受賞者|受賞理由| |:-|:-|:-|:-| |1|1992年、ノーベル医学生理学賞|エドモンド・フィッシャー/エドヴィン・クレープス|生体制御機構としての可逆的タンパク質リン酸化の発見| |2|1997年、ノーベル化学賞|ポール・ボイヤー/ジョン・ウォーカー|ATPの合成の基本となる酵素機構の解明| |3|1999年、ノーベル医学生理学賞|ギュンター・ブローベル|タンパク質が細胞の輸送と局在化を司る信号を内在していることを発見| |4|2016年、ノーベル医学生理学賞|大隅良典|オートファジーの仕組みの解明| (解) --- (問) 生物にとって遺伝とは何か?以下の用語をすべて用いて、その概要と生物学的意義について論理的かつ具体的に自身の言葉で説明しなさい。【用語】染色体・DNA・遺伝子・細胞分裂 (解) * 染色体：DNAの連なったもの。モザイク状になって子孫に遺伝する。細胞分裂によって分けられる。 * DNA：遺伝子の構成要素。 * 遺伝子：DNA上の機能の単位。形質の遺伝的決定因子。 * 細胞分裂：染色体の複製＋細胞質の分裂の組み合わせ遺伝とは、形質などの情報が染色体に乗って両親から子孫へと複雑に組み替えられながら伝えられるものである。そしてその染色体はDNAから構成されており、DNAとは生物の形質などを決定する重要な情報すなわち遺伝子を持つものである。また、染色体は細胞分裂によって分けられ、複製されていく。遺伝にはいくつかの生物学的意義があり、植物などの自家不和合性もその一つである。自家不和合性とは、植物が遺伝的多様性を維持するために自身の花粉を拒絶するシステムであり、これは地球上に被子植物が広がった要因の一つとなっている。これは、遺伝的多様性が生物の生存において重要であるからである。 --- (問) 原核生物と真核生物の特徴の違いとは何かを述べなさい。また、古細菌とは生物界でどの位置にあるかも説明しなさい。 (解) まず、原核生物とは原核細胞でできた生物のことで、真核生物とは真核細胞でできた生物のことである。そして、真核細胞が核膜で囲まれた核を持っており、染色体が核内にある細胞であるのに対して、原核細胞は核がなく染色体が細胞基質内にある細胞のことである。次に、古細菌は細菌、真核生物と共に生物を3つの界に分類したうちの一つである。 --- (問) 髪の毛を構成する主なタンパク質はケラチンであるが、ケラチンはジスルフィド結合を多く含み、この結合で髪の毛の形がある程度決まっている。パーマでは還元剤と酸化剤液を用いるが、パーマのカールはどのようにして作られるか説明しなさい。 (解) パーマは、1剤で髪の毛内のジスルフィド結合を還元して切断し、2剤で酸化して再結合させることで髪の毛にウェーブをかけている。還元：$-S-S- + 2H^{+} + 2e^{-} → -SH HS-$ 酸化：$-SH HS- + H_2O_2 → -S-S- + 2(H_2O)$ --- (問) 2種類の細菌からDNAを採取し、グアニン組成を調べたところ、サンプルAは22%、サンプルBが33%であった。細菌の一方は70℃のお湯が沸きだしている温泉から単離された好熱菌である。この好熱菌のDNAはどちらのサンプルと考えられるか、理由とともに述べなさい。 (解) サンプルAだと考える。水素結合が3本あるA-Tの方が水素結合が2本のC-Gよりも熱に強く、AはA-Tの割合が100-22*2=56%,BはA-Tの割合が100-33*2=36%である。そして今回は好サンプルは好熱菌であるため、熱に強いA-T配列の割合が多いサンプルAの方が適切であると考えた。 --- (問) RNAポリメラーゼにはDNAポリメラーゼ反応と共通した性質と異なる性質があるが、それらは何か説明しなさい。 (解) 共通した性質 * DNAもRNAも五炭糖から構成され、リン酸を含む * 構成塩基として、アデニン、シとシン、グアニンを持っている * DNAもRNAもヌクレオチドである(ヌクレオチド=塩基+糖+リン酸基) * 遺伝情報を保有している * 相補的な塩基対を形成する * ポリメラーゼによって5'→3'方向に合成される * ホスホジエステル結合をつくってヌクレオチドをつなぎ、糖-リン酸主鎖を形成する * 変異しうる異なる性質化学的違い * DNAの五炭糖はデオキシリボースだが、RNAはリボースである。 * DNAは塩基としてチミンを持つが、RNAは代わりにウラシルを持つ全体構造の違い * DNAは二重らせん構造として存在するが、RNAは一本鎖で存在する * DNAは折りたたまれないが、RNAは折りたたまれる * DNAは遺伝情報を永久保存するが、RNAは遺伝情報を一時的に保存する * DNAには情報を保存する機能しかないが、RNAは情報を保存する以外にも機能がある * DNAは長い(1本あたり2億5000万塩基対程度)がRNAは短い(数千塩基対程度) まず、共通した性質としては、ポリメラーゼによって5'→3'方向に合成されることや、相補的な塩基対を形成すること、DNAもRNAもホスホジエステル結合をつくってヌクレオチドをつなぎ、糖-リン酸主鎖を形成することなどがある。また、異なる点としては、DNAポリメラーゼはデオキシリボヌクレオチドを基質として使うのに対し、RNAポリメラーゼは、リボヌクレオチドを基質として使うことや、DNAポリメラーゼはプライマーが必要だが、RNAポリメラーゼはプライマーが不要であること、ミスの頻度がDNAポリメラーゼの方が少ないことなどがある。 --- (問) 生物進化の観点から、遺伝子暗号が多くの生物種で共通であることは何を意味していると考えらえれるか。また遺伝子工学の観点からこの遺伝子暗号の共通の性質がどのように利用できるか考え述べよ。 (解) 遺伝暗号が多くの生物種で共通であるということは、多くの生物が共通の祖先から分岐して現在の生物種として分かれていったということを意味すると思う。また、遺伝暗号が共通しているということは共通している部分を他の生物と置換することができる可能性があると思った。これは、例えば人間の患部を他の動物の同様の遺伝子を持つところから置換するなど、医療の分野にも応用できるのではないかということである。 --- (問) 有性生殖をおこなう生物の染色体は遺伝子的にモザイク状になっている。これはどういうことか?このような仕組みとその生物学的意義について、「細胞分裂」をキーワードに用いて説明・考察せよ。 (解) 生物の染色体がモザイク状になる仕組みには有性生殖によるものと細胞分裂で起こるものの2つがある。有性生殖では、異なる遺伝子を持った個体同士が生殖することで遺伝的多様性が得られ、モザイク状になる。また細胞分裂では、減数分裂の時に相同染色体が部分交換する乗り換えが起こることにより、遺伝子が組み換えられる。これにより、遺伝的多様性が得られ、遺伝子がモザイク状になる。またその生物学的意義としては、染色体が遺伝的にモザイク状になると生物の多様性が得られ、環境に適用しやすいということがある。 --- (問) 次世代シーケンサーに代表される近年の塩基配列解読技術は、現代生物学に多大なる恩恵をもたらした。しかし、対象生物のゲノム全塩基配列を解読してもその生物の遺伝情報を完全に理解したことにならない。これはどういうことか?論理的に説明せよ。また、その「完全理解」を達成するためにはどのようなことが必要か。 (解) 生物の細胞は常に細胞分裂を繰り返しているため、次世代シーケンサーを用いて瞬間的なゲノム全塩基配列を解読できたとしても少しでも時間が経てば塩基配列が変化するので、生物の遺伝情報を完全に理解することはできない。また、遺伝情報の「完全理解」を達成するには、ゲノム全塩基配列を時間的に観測する技術もしくはゲノム全塩基解列塩基配列の時間的変化を予測、解析することのできる方程式が必要になると思う。これは膨大なデータを一度に処理する必要があり、量子コンピュータの実用化は必須だと思う。 --- (問) 細胞膜の主要な構造であるリン脂質二重層はイオンのように電荷をもつ分子をほとんど通過しない。一方、細胞では細胞膜を通じて常にイオンの移動が起きている。なぜこのようなイオンの移動が可能なのか、その仕組みを説明しなさい。 (解) 細胞膜を通じて常にイオン輸送が起きているのは膜輸送タンパク質とおかげである。膜輸送タンパク質には溶質とは結合せず、親水性の小孔を作って膜を通過させる「チャネルタンパク質」と特定の溶質を結合してから膜を通過させる「輸送体タンパク質」がある。また、濃度が高い方から低い方へ移動する場合は受動輸送、低いほうから高い方へ移動する場合は能動輸送となる。能動輸送にはエネルギーが必要であり、これは電気化学的勾配、ATP、光などが駆動力となっている。 --- (問) ミトコンドリア内膜では、化学浸透共役によってATPが合成される。この仕組みを阻害するためにはどのような方法が考えられるか。実際にその方法が可能であるか否かに関わらず、理論上考えられる方法を2つ以上説明しなさい。 (解) 一つ目に、pH調節物質を投入して細胞周辺のpHを高めることで、ATP合成の駆動力となっているプロトン勾配ができにくくすることを思いついた。駆動力がプロトン勾配でない場合にも同様に細胞周辺の濃度を変えることで濃度勾配を小さくすれば、ATPの合成が阻害できると思った。次に、化学w浸透共役におけるATP合成は濃度勾配によって膜内外の圧力差が生まれ、それがATP合成の駆動力となっているのだから、膜内もしくは膜外に圧力を加えることで、そのバランスを破壊してATP合成を阻害できると思った。 --- (問) 真核生物において、タンパク質のシグナル配列は、そのタンパク質が細胞中でどこに局在するか、あるいは小胞体とゴルジ体を経由して細胞外に分泌されるかを決定している。このシグナル配列を改変できるとしたら、何かに利用できないだろうか。利用方法を2つ以上考案し、1)どのようにしシグナル配列を改変するか2)その結果タンパク質の局在に何が起きるか、および3)その結果どのように役立つのか、について説明しなさい。実際にそれが可能かどうかは問いません。あなたの考えを論理的に述べなさい。 (解) 特定の筋肉部位に沢山のタンパク質を送ることで、ムキムキにする病気にかかりにくい種を作る 1) 塩基配列を書き換えることによって改変する交配の段階で、工夫する 2) 3) --- (問) ## 小林先生の登場人物 ### 過去問上の二つを400～500前後でまとめる * ギュンター・グローベル矢野 * ポール・ボイヤー/ジョン・ウォーカー大野 * 大隅生駒 * エドモンド・フィッシャー/エドヴィン・クレープス山田生体制御機構としての可逆的タンパク質リン酸化の発見 * 明らかになったこと「生物の基本機能の1つであるタンパク質リン酸化反応」について発見した。具体的には、ホスホリラーゼbからホスホリラーゼaへの変換には2価の金属イオンとATPの存在が必要であり、酵素反応が介在した直接的なリン酸化反応であること、活性型では分子量が2倍になることなどが明らかになった。また、ホスホリラーゼキナーゼとプロテインキナーゼAを発見し、糖代謝がタンパク質のリン酸化と言う多段階からなるカスケード反応により調整されていることを示した。フィッシャー：クレープス: グリコーゲンからグルコースを切り出してくるフォスフォリラーゼには非活性型と活性型があり、その二つの型はATPから取り出されたリン酸基の着脱により制御されていることを発見 * どのようにして明らかにしたか? ホスホリラーゼの全構造解析に取り組んでいた時に、X線結晶構造解析が進められ、限定分解により分子量3万と7万に切断でき、これが引き金となりそれまで蓄積されていたデータがパズルのように繋がった。 * 発見の実社会への影響? リン酸化は細胞周期、増殖、アポトーシス、シグナル伝達経路といった様々な細胞プロセスの調節において重要な役割を果たしており、例えば細胞周期は実社会でがんの診断方法などに応用されている。そして、その基礎となる「タンパク質のリン酸化の発見」はこれらに対して間接的に影響を与えていると言える。 * 経済的効果この研究は医学分野における基礎研究であるため、大きな経済効果はないと思われる。しかし、これは人の命を救うような技術にも関係する基礎研究であり、経済以上の価値があると考えた。 --- * 参考文献 [ノーベル生理学医学賞受賞エドモンド・フィッシャー博士とエドウィン・クレブス博士](https://www.jstage.jst.go.jp/article/faruawpsj/29/3/29_KJ00001720786/_pdf/-char/ja) [THE NOBEL PRIZE,Edmond.H.Fischer](https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1992/fischer/lecture/) [THE NOBEL PRIZE,Edwin.G.Krebs](https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1992/krebs/biographical/) ### 第七回 * Peter Agre(ピーターアグレ)/Roderick MacKinnon(ロデリック・マキノン) 2003年度ノーベル化学賞、細胞膜のチャネルに関する発見 ## 第八回 * Camillo Golgi, Santiago Ramony Cajail ニューロン説：神経系はニューロンという非連続の単位から構成される　1906年 * Sir Henry Hallett Dale, Otto Loewi アセチルコリンの発見→筋弛緩薬や向精神薬の開発 1936年 * Sir John CarrewEccles, Alen Lloyd Hodgkin, Andrew Fielding Huxley 活動電位とイオンチャネル仮説　1963年 * Arvid Carlsson, Paul Greengard, Eric R. Kandel 神経細胞間の信号伝達の一種であるシナプス伝達に関する先駆的な発見→向精神薬の開発　2000年 * Melvin Calvin 暗反応：カルビン・ベンソン回路の研究　1961年 * Johann Deisenhofer, Robert Huber, Hartmut Michel 明反応：光合成反応中心の研究　1988年　 ### 第九回 * Peter D. Mitchell ATP合成に電気化学勾配のエネルギーが関与していることを証明し、後のATP合成酵素の発見につながった * James E. Rothman , Randy W. Schekman , Thomas C. Sudhof 小胞輸送の仕組みの解明 * Yoshinori Ohsumi オートファジー (Autophagy) 細胞内タンパク質を分解するための必要不可欠な仕組みの１つ。自食（じしょく）とも呼ばれる。真核生物全般に見られる機構である。細胞内での異常なタンパク質の蓄積を防ぐ、過剰にタンパク質合成したときや栄養環境が悪化したときにタンパク質のリサイクルを行う、細胞内に侵入した病原微生物を排除するなど、細胞の重要な機能に関与している。 ### 第十回 * Günter Blobel(ギュンター・ブローベル) 1999年ノーベル生理学・医学賞、タンパク質は細胞内における輸送と局在を制御する固有のシグナルを持つことを発見 * Edmond H. Fischer(エドモンド・フィッシャー)/Edwin Gerhard Krebs(エドヴィン・クレーブス) 1992年ノーベル生理学・医学賞、生物学的な制御機構としての可逆的なタンパク質リン酸化の発見 * Alfred Goodman Gilman(アルフレッド・ギルマン)/Martin Rodbell(マーティン・ロッドベル) 1994年ノーベル生理学賞、細胞内のシグナル伝達におけるGタンパク質の役割 * Robert Joseph Lefkowitz(ロバート・レフコウィッツ)/Brian Kent Kobilka(ブライアン・コビルカ) 2012年ノーベル化学賞、Gタンパク共役型受容体の研究 * Earl Wilbu(エール・サザランド) 1971年ノーベル生理学・医学賞、ホルモンの作用メカニズムに関する発見 * 受賞者の研究成果によって何がどのように明らかにしたか(受賞者が複数の場合は両者の役割についても記す)。 * この発見は実社会にどのように影響を与え、経済的価値を生み出しているか。 * この発見によって得らえれた成果についてあなたならどう利用するか。 ![](https://i.imgur.com/F6zBwNN.png)