Microsoft PowerPoint マクロ生物学９

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1

大阪大学工学研究科応用生物工学専攻

細胞動態学領域：福井希一

大阪大学工学研究科応用生物工学専攻

細胞動態学領域：福井希一

生物は様々な化学反応で

動いている

生物は様々な化学反応で

動いている

マクロ生物学９

(2)

2

生物の物質的基盤

Deleted based on copyright concern. 「カープ分子細胞生物学」より

(3)

3

８．生物は様々な化学反応で動い

ている

１．生命の化学的基礎

２．生命の物理法則

(4)

4

１．生命の化学的基礎

１．結合

２．糖、脂質

３．核酸

４．タンパク質

(5)

5

(6)

6

• 共有結合：電子対を共有

• イオン結合

荷電した原子間の引力

タンパク質の正に荷電した

窒素原子と負に荷電した

ＤＮＡの酸素原子の間に形

成される

(7)

7

水素結合

(8)

8

• ファンデルワールス力

２個の原子が接近する

とき働く弱い引力

相補的な分子表面を持

つ高分子間では重要

(9)

9

生体高分子１

１．巨大分子：多糖、脂質、核酸、タンパク質

・タンパク質、核酸、多糖：重合体

・アミノ酸、ヌクレオチド、単糖、脂肪酸

２．生体分子：

・巨大分子と前駆体

・ビタミン、ATP、

・ｃAMP、尿素

(10)

10

(11)

11

α１→４グリコシル結合

α１→６グリコシル結合

α１→４グリコシル結合

β１→４グリコシル結合

(12)

12

(13)

13

核酸

１．ヌクレオチドが基本単位

２．デオキシリボ核酸とリボ核酸

３．RNA: リボース、リン酸基、塩基（ウラシル）

・２本鎖部分を形成し複雑な構造

・リボザイム

・RNAワールド

４．DNA: デオキシリボース、リン酸基、塩基

(14)

14

ＲＮＡの構造

DNAの構造

プリン

ピリミジン

プリン

ピリミジン

(15)

15

タンパク質とアミノ酸

１．タンパク質はあらゆる細胞活動をつかさどる

巨大分子：酵素（特異性）、構造支持体

２．タンパク質はアミノ酸のポリマーである

3．２個のアミノ酸より１分子の水を除いてペプチ

ド結合をつくる。ポリペプチド鎖

4．側鎖の特性が重要、複合タンパク質

(16)

16

アミノ酸の構造、α炭素、ペプチド結合

(17)

17

荷電極性

非荷電極性

非極性

特殊な性質

(18)

18

可溶性タンパク質、チトクロームＣの親水性アミノ酸と疎水性アミノ酸

(19)

19

２．生命の物理法則

１．生体エネルギー論

２．酵素

３．代謝

HR: 模様の形成

(20)

20

ΔE = Q-W

熱力学第１法則

:

エネルギー保存の法則

光合成

呼吸

ΔE：内部エネルギー, Q: 熱エネルギー, W: 仕事

(21)

21

熱力学第２法則：エントロピーは増加する

(22)

22

活性化エネルギーと酵素反応

(23)

23

ATPの加水分解

ATP + H

₂

O

Æ ADP + Pi

(24)

24

酵素－基質複合体の形成

(25)

25

異化経路と同化経路

異化経路(catabolic pathway)

複雑な分子より簡単な生成物へ

同化経路(anabolic pathway)

簡単な原料より複雑な分子へ

(26)

26

人間とのかかわり：縞模様

１．縞模様が出来る理由

２．縞模様と進化

(27)

27

模様が似ている動物が、、、

近縁であるとは限らない

(28)

28

近縁種でも、、

模様は異なることが多い

(29)

29

等間隔のパターンが発生

する自然現象

模様は波か？

(30)

30

チューリングの反応拡散系

簡単な化学反応を組み

合わせるだけで、空間に

安定な繰り返し構造

（波）を作ることができる。

Alan Turing 数学者 1911~54

(31)

31

波を生む反応系

＋

２ｘ

＋

基質（過剰量存在）

高濃度で反応を阻害

：時間がたつと分解

(32)

32

Turingの反応拡散系

inhibitor

activator

自己活性化活性化抑制

振動子

D

_act

D

_inh

D

_act

>

D

_inh

1D ⇒移動波

2D ⇒ＢＺパターン

D

_act

<<

D

_inh

1D ⇒固定波

2D ⇒斑点、縞

(Turing pattern or Turing Wave)

拡散

自発的な模様形成が起きる

(33)

33

反応条件を少し変える事により

色々な模様ができる

同じ原理で異なる模様が出来る

模様と系統が一致しない理由が説明できる

(34)

34

遺伝子と模様の関係は？

∂u ∂t = x(u,v) − du + Du∇ 2 u ∂v ∂t = y(u,v) − gv + Dv∇ 2 v x(u,v)= au − bv + c y(u,v) = eu − f 0 ≤ x, y ≤ P

_inhibitor

decay

d

decay

g

inhibition

b

activation

e, f

diffusion Da diffusion Di basal level synthesis

c

activator

Autocatalysis

a

u

v

反応係数 = 反応速度 = 酵素活性 = 遺伝子の働き

All images by courtesy of Dr. Shigeru KONDOH, Riken, Japan

(35)

35

遺伝子と模様の関係

wild type (+ / + ) ( tw28 / tw28 ) ( t1 / t1 ) ( tq270 / tq270 )

ゼブラフィッシュleopard遺伝子の突然変異

(36)

36

,

動物の模様は化学反応の

「波」が作る

(37)

37

チューリングの波は形態形成の

基本原理のひとつではないのか？

(38)

38

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大阪大学工学研究科応用生物工学専攻

細胞動態学領域：福井希一

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細胞動態学領域：福井希一

生物は様々な化学反応で

動いている

生物は様々な化学反応で

動いている

マクロ生物学 ９

マクロ生物学 ９

生物の物質的基盤

８．生物は様々な化学反応で動い

ている

１．生命の化学的基礎

２．生命の物理法則

１．生命の化学的基礎

１．結合

２．糖、脂質

３．核酸

４．タンパク質

• 共有結合：電子対を共有

• イオン結合

荷電した原子間の引力

タンパク質の正に荷電した

窒素原子と負に荷電した

ＤＮＡの酸素原子の間に形

成される

水素結合

• ファンデルワールス力

２個の原子が接近する

とき働く弱い引力

相補的な分子表面を持

つ高分子間では重要

生体高分子１

１．巨大分子：多糖、脂質、核酸、タンパク質

・タンパク質、核酸、多糖：重合体

・アミノ酸、ヌクレオチド、単糖、脂肪酸

２．生体分子：

・巨大分子と前駆体

・ビタミン、ATP、

・ｃAMP、尿素

核 酸

１．ヌクレオチドが基本単位

２．デオキシリボ核酸とリボ核酸

３．RNA: リボース、リン酸基、塩基（ウラシル）

・２本鎖部分を形成し複雑な構造

・リボザイム

・RNAワールド

４．DNA: デオキシリボース、リン酸基、塩基

ＲＮＡの構造

DNAの構造

プリン

ピリミジン

プリン

ピリミジン

タンパク質とアミノ酸

１．タンパク質はあらゆる細胞活動をつかさどる

巨大分子：酵素（特異性）、構造支持体

２．タンパク質はアミノ酸のポリマーである

3．２個のアミノ酸より１分子の水を除いてペプチ

ド結合をつくる。ポリペプチド鎖

4．側鎖の特性が重要、複合タンパク質

アミノ酸の構造、α炭素、ペプチド結合

荷電極性

非荷電極性

非極性

特殊な性質

可溶性タンパク質、チトクロームＣの親水性アミノ酸と疎水性アミノ酸

２．生命の物理法則

１．生体エネルギー論

２．酵素

３．代謝

HR: 模様の形成

ΔE = Q-W

熱力学第１法則

:

エネルギー保存の法則

光合成

呼吸

マクロ生物学９

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核酸

ΔE：内部エネルギー, Q: 熱エネルギー, W: 仕事

₂

_act

_inh

_act

_inh

_act

_inh

_inhibitor