4.2 原核細胞
このセクションを読み終える頃には、あなたは次のことができるようになるでしょう。
- 原核生物と真核生物の例を挙げることができる。
- 原核細胞と真核細胞を比較対照できる。
- さまざまな細胞の相対的な大きさを説明できる。
- 細胞が小さくなければならない理由を説明できる。
細胞は、原核細胞 (prokaryotic cell) と真核細胞 (eukaryotic cell) の2つの大きなカテゴリーのいずれかに分類されます。私たちは、主に単細胞生物である細菌 (Bacteria) と古細菌 (Archaea) のみを原核生物（pro- = “前”; -kary- = “核”）として分類します。動物細胞、植物、菌類、原生生物はすべて真核生物（eu- = “真の”）です。
原核細胞の構成要素
すべての細胞は4つの共通の構成要素を共有しています。1) 細胞膜 (plasma membrane)、細胞の内部を周囲の環境から隔てる外側の被覆。2) 細胞質 (cytoplasm)、細胞内のゼリー状のサイトゾル (cytosol) からなり、そこには他の細胞構成要素があります。3) DNA (deoxyribonucleic acid)、細胞の遺伝物質。4) リボソーム (ribosome)、タンパク質を合成します。しかし、原核生物はいくつかの点で真核細胞とは異なります。
原核生物は、核やその他の膜で囲まれた細胞小器官 (organelle) を持たない、単純な、ほとんどが単細胞（単細胞性）の生物です。これは真核生物とは大きく異なることをすぐに見ていきます。原核生物のDNAは細胞の中央部分、つまり核様体 (nucleoid) にあります（図4.5）。
ほとんどの原核生物はペプチドグリカン (peptidoglycan) の細胞壁 (cell wall) を持ち、多くは多糖類の莢膜 (capsule) を持っています（図4.5）。細胞壁は保護の追加層として機能し、細胞がその形状を維持し、脱水を防ぐのに役立ちます。莢膜は、細胞が環境内の表面に付着することを可能にします。一部の原核生物は鞭毛 (flagella)、線毛 (pili)、または付着毛 (fimbriae) を持っています。鞭毛は移動に使用されます。線毛は、接合 (conjugation)（ある細菌が直接接触を通じて別の細菌に遺伝物質を移すプロセス）中に遺伝物質を交換します。細菌は付着毛を宿主細胞に付着するために使用します。
キャリアコネクション
微生物学者
伝染病の蔓延を防ぐために誰もが取れる最も効果的な行動は、手を洗うことです。なぜでしょうか？なぜなら、微生物（顕微鏡でしか見ることができないほど小さい生物）はどこにでもいるからです。それらはドアノブ、お金、あなたの手、その他多くの表面に生息しています。誰かがくしゃみをして手に触れ、ドアノブに触れ、その後あなたが同じドアノブに触れると、くしゃみをした人の粘液からの微生物が今あなたの手に付着しています。あなたの手が口、鼻、または目に触れると、それらの微生物はあなたの体に入り込み、あなたを病気にする可能性があります。
しかし、すべての微生物（微生物とも呼ばれる）が病気を引き起こすわけではありません。ほとんどは実際には有益です。あなたの腸にはビタミンKを作る微生物がいます。他の微生物はビールやワインを発酵させるために使用されます。
微生物学者は微生物を研究する科学者です。微生物学者は多くのキャリアを追求することができます。彼らは食品産業で働くだけでなく、獣医学および医学分野でも雇用されています。彼らは製薬部門で働くことができ、細菌感染症を治療できる新しい抗生物質源を特定することにより、研究開発において重要な役割を果たします。
環境微生物学者は、土壌や地下水から汚染物質を除去したり、汚染された場所から有害な要素を除去したりするために、特別に選択されたまたは遺伝子操作された微生物を使用する新しい方法を探すかもしれません。これらの微生物を使用することを生物修復技術と呼びます。微生物学者はまた、たとえば細菌性伝染病のコンピューターモデルの設計、開発、および特異性のための専門知識と洞察を提供することにより、バイオインフォマティクス分野で働くこともできます。
細胞の大きさ
直径0.1～5.0 μmの原核細胞は、直径10～100 μmの真核細胞よりも著しく小さいです（図4.6）。原核生物の小さなサイズにより、それらに入るイオンや有機分子は細胞の他の部分に迅速に拡散できます。同様に、原核細胞内で生成された廃棄物も迅速に拡散できます。これは、細胞内輸送を強化するためにさまざまな構造的適応を発達させた真核細胞には当てはまりません。
一般的に小さいサイズは、原核細胞であろうと真核細胞であろうと、すべての細胞にとって必要です。なぜそうなのかを調べてみましょう。まず、典型的な細胞の面積と体積を考えます。すべての細胞が球形であるわけではありませんが、ほとんどは球に近い傾向があります。高校の幾何学の授業で、球の表面積の式は $4 \pi r^2$ であり、体積の式は $4 \pi r^3 / 3$ であることを覚えているかもしれません。したがって、細胞の半径が増加するにつれて、その表面積は半径の2乗として増加しますが、体積は半径の3乗として（はるかに急速に）増加します。したがって、細胞が大きくなるにつれて、その表面積対体積比は減少します。細胞が立方体の形をしていた場合も、同じ原理が当てはまります（図4.7）。細胞が大きくなりすぎると、細胞膜は増加した体積に必要な拡散速度をサポートするのに十分な表面積を持たなくなります。言い換えれば、細胞が成長するにつれて、効率が悪くなります。より効率的になるための一つの方法は分裂することです。他の方法は、細胞膜の折り畳みによって表面積を増やす、平らになったり薄く長くなったりする、または特定のタスクを実行する細胞小器官を発達させることです。これらの適応は、私たちが真核細胞と呼ぶ、より洗練された細胞の発達につながります。
図を見て考えよう 4.7
原核細胞は真核細胞よりもはるかに小さいです。小さな細胞サイズは細胞にどのような利点をもたらす可能性がありますか？大きな細胞サイズにはどのような利点がある可能性がありますか？
(解答は4.2節末に記載)
4.2 節末の演習解答
図を見て考えよう 4.7 解答
- 小さな細胞サイズの利点:
- 高い表面積対体積比: 物質の取り込みと排出の効率が良い。細胞が小さいほど、体積に対する表面積の割合が大きくなるため、細胞膜を通して物質を迅速に交換できる。
- 迅速な拡散: 細胞内の物質移動が速い。細胞質内の距離が短いため、栄養素や老廃物が細胞内を迅速に拡散できる。
- 速い増殖速度: 細胞が小さいと、DNA複製や細胞分裂にかかる時間が短くなり、より速く増殖できる。
- 大きな細胞サイズの利点:
- より多くの細胞小器官を収容できる: 大きな細胞は、より多くの細胞小器官（ミトコンドリア、小胞体など）を持つことができ、より複雑な機能や高い代謝活性をサポートできる。
- より多くの物質を貯蔵できる: 大きな細胞は、栄養素や水分などをより多く貯蔵できる。
- 捕食者からの防御: 単細胞生物の場合、体が大きいと捕食されにくくなることがある。
- 特殊化: 多細胞生物では、大きな細胞は特定の機能に特化しやすくなる場合がある（例：神経細胞の長い軸索）。
4.2 Glossary
- Archaea: 古細菌
- Bacteria: 細菌
- Capsule: 莢膜 (細菌の)
- Cell wall: 細胞壁
- Cellular respiration: 細胞呼吸
- Conjugation: 接合 (細菌の)
- Cytoplasm: 細胞質
- Cytosol: サイトゾル
- DNA (deoxyribonucleic acid): デオキシリボ核酸
- Eukaryotic cell: 真核細胞
- Fimbriae: 付着毛
- Flagella: 鞭毛
- Nucleoid: 核様体
- Organelle: 細胞小器官
- Peptidoglycan: ペプチドグリカン
- Pili: 線毛
- Plasma membrane: 細胞膜
- Prokaryotic cell: 原核細胞
- Ribosome: リボソーム
コメント