エンドサイトーシス・エキソサイトーシスと分泌の経路

エンドサイトーシスとエキソサイトーシスを区別し、分泌タンパク質が粗面小胞体→ゴルジ体→分泌小胞→細胞外と運ばれる経路を、標識実験の結果と結びつけて答えられる

前提

細胞小器官のはたらき（高校生物細胞と分子（知識））
細胞膜の構造と受動輸送・能動輸送（高校生物細胞と分子（知識））

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細胞のつくり（中学理科生物分野の用語と知識）
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細胞小器官のはたらき（高校生物細胞と分子（知識））
細胞膜の構造と受動輸送・能動輸送（高校生物細胞と分子（知識））

説明

細胞は、リン脂質二重層を通れない大きな物質（タンパク質や細菌など）も、膜で包んだ袋（小胞）を使って出し入れしています。この技能では、細胞膜が物質を包み込んで取り込むエンドサイトーシスと、小胞が細胞膜と融合して中身を外へ出すエキソサイトーシスを区別し、すい臓の細胞などがつくる分泌タンパク質が「粗面小胞体 → ゴルジ体 → 分泌小胞 → 細胞外」と運ばれる経路を、標識（目印）をつけた実験の結果と結びつけて答えられるようになります。

なぜそうしてよいのか

細胞膜の輸送タンパク質（チャネル・輸送体・ポンプ）が運べるのは、イオンや糖・アミノ酸のような小さな物質です。タンパク質のような大きな分子や、細菌のような粒は、これらの通り道を通れません。そこで細胞は、膜そのものを動かします。リン脂質二重層は流動性があり、ちぎれたりくっついたりしてもすぐにふさがるので、膜で物質を包んで袋（小胞）にしたり、小胞の膜を細胞膜に融合させたりできます。細胞膜がくぼんで外の物質を包み込み、小胞として細胞内に取り込むのがエンドサイトーシス、細胞内の小胞が細胞膜と融合して中身を細胞外へ放出するのがエキソサイトーシスです。向きが「外 → 内」か「内 → 外」かで区別します。

分泌タンパク質（消化酵素やホルモンなど、細胞の外に出してはたらくタンパク質）は、次の順に運ばれます。まず粗面小胞体の表面のリボソームで合成されて小胞体の中に入り、小胞に包まれてゴルジ体へ送られます。ゴルジ体で加工・濃縮されたタンパク質は分泌小胞に包まれて細胞膜まで運ばれ、エキソサイトーシスで細胞外へ放出されます。この間、タンパク質はいつも膜に包まれた空間の中にあり、細胞質に出ることはありません。

この経路は、目印をつけたアミノ酸を使った実験で確かめられます。放射性同位体などで標識したアミノ酸を短い時間だけ細胞に与え、そのあとは標識のないアミノ酸に切り替えると、その短い時間に合成されたタンパク質だけに目印がつきます。この目印のついたタンパク質の集団がどこにあるかを時間を追って調べると、標識が多く見られる場所が、合成された場所から順に移っていきます。したがって「標識が最も多い場所が、早い時刻から順にどこへ移るか」を読めば、運ばれる順序（経路）がわかります。

手順

物質が細胞外から細胞内へ入るならエンドサイトーシス、細胞内から細胞外へ出るならエキソサイトーシスと区別する（どちらも膜で包んだ小胞を使う）
分泌タンパク質の経路「粗面小胞体（リボソームで合成）→ ゴルジ体（加工・濃縮）→ 分泌小胞 → 細胞外（エキソサイトーシス）」を書き出す
標識実験の表から、各時刻で標識が最も多い場所を読み取る
標識が最も多い場所が移っていく順を、上の経路の順と対応させて、場所の名前や経路を答える

例題

すい臓の細胞に、放射性同位体で標識したアミノ酸を $3$ 分間だけ与え、その後は標識していないアミノ酸を含む培養液に移して培養を続けた。標識アミノ酸を与え始めてから $3$ 分後、 $20$ 分後、 $60$ 分後に、細胞内の構造 P・Q・R に含まれる放射能の割合（%）を調べたところ、次の表のようになった。構造 P・Q・R は、粗面小胞体・ゴルジ体・分泌小胞のいずれかである。

時間	P	Q	R
$3$ 分後	$80$	$15$	$5$
$20$ 分後	$20$	$65$	$15$
$60$ 分後	$5$	$20$	$75$

構造 P・Q・R の組合せとして最も適当なものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。

ア　P：ゴルジ体　Q：粗面小胞体　R：分泌小胞
イ　P：粗面小胞体　Q：ゴルジ体　R：分泌小胞
ウ　P：分泌小胞　Q：ゴルジ体　R：粗面小胞体
エ　P：粗面小胞体　Q：分泌小胞　R：ゴルジ体

例題の解答

【手順 1】この実験は細胞がつくって外へ出すタンパク質の流れを追うもので、最後に細胞外へ出るときはエキソサイトーシスが起こる。

【手順 2】分泌タンパク質の経路は、粗面小胞体 → ゴルジ体 → 分泌小胞 → 細胞外である。

【手順 3】表から、標識が最も多い場所は、 $3$ 分後は P（ $80$ %）、 $20$ 分後は Q（ $65$ %）、 $60$ 分後は R（ $75$ %）である。標識は P → Q → R の順に移っている。

【手順 4】P → Q → R の順を経路の順に対応させると、P は最初に合成される粗面小胞体、Q はゴルジ体、R は最後に細胞膜へ向かう分泌小胞となる。

よって最も適当なものはイ。

答え:

イ

よくある誤り

エンドサイトーシスとエキソサイトーシスの向きを逆にしてしまう誤り（分泌タンパク質がエンドサイトーシスで細胞外へ出る、とする）。正しくは細胞外へ出すのがエキソサイトーシス、細胞外から取り込むのがエンドサイトーシス
経路の順を「ゴルジ体 → 粗面小胞体 → 分泌小胞」としてしまう誤り（例題でアを選ぶ）。正しくはタンパク質は粗面小胞体のリボソームで合成されるので、最初に標識が多く見られるのは粗面小胞体で、粗面小胞体 → ゴルジ体 → 分泌小胞の順
表の各時刻で標識が最も多い場所ではなく、 $60$ 分後の値の大きさだけで順序を決めてしまう誤り。正しくは各時刻で最も標識が多い場所（ $3$ 分後 P、 $20$ 分後 Q、 $60$ 分後 R）を時間の順に並べて経路と対応させる
大きなタンパク質も輸送体やチャネルを通って細胞膜を出入りするとしてしまう誤り。正しくはタンパク質のような大きな物質は、膜で包んだ小胞を使うエンドサイトーシス・エキソサイトーシスで出入りする

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

難易度 1（教科書の例題レベル）
細胞膜を通した物質の出し入れと、分泌タンパク質が細胞外へ出されるまでの経路について述べた文として正しいものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。
- ア　エキソサイトーシスでは、細胞膜の一部がくびれ込んで小胞をつくり、細胞外の物質を細胞内に取り込む。
- イ　白血球が細菌を細胞内に取り込むはたらき（食作用）は、エキソサイトーシスの一例である。
- ウ　分泌タンパク質は、ゴルジ体を経てから粗面小胞体に送られ、分泌小胞に入って細胞外へ出される。
- エ　分泌タンパク質は、粗面小胞体からゴルジ体を経て分泌小胞に入り、エキソサイトーシスで細胞外へ出される。

この技能を使う問題

難易度 2（教科書の章末問題レベル）
細胞膜の構造と、細胞膜を通した物質の輸送に関する記述として最も適当なものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。
- ア　受動輸送では、物質は細胞膜をはさんだ濃度勾配に逆らって、濃度の低い側から高い側へ移動する。
- イ　アクアポリンは水分子を通すチャネルであり、ATP のエネルギーを使って水分子を輸送する。
- ウ　ナトリウムポンプは、ATP のエネルギーを使って、 $N a^{+}$ を細胞外へ、 $K^{+}$ を細胞内へ輸送する。
- エ　エキソサイトーシスでは、細胞膜が陥入して細胞外の物質を包み込み、小胞として細胞内に取り込む。
- オ　リン脂質二重層では、リン脂質の疎水性の部分が膜の外側を向き、親水性の部分が膜の内側で向かい合っている。

難易度 3（共通テストレベル）

消化酵素を盛んに分泌するすい臓の細胞に、放射性同位体で標識したアミノ酸を短時間だけ与え、その後は標識していないアミノ酸を含む液で培養を続けた。細胞内で放射能が多く見られる場所を時間を追って調べたところ、次の表のようになった。

標識アミノ酸を与えてからの時間	放射能が多く見られた場所
3 分後	リボソームが表面に付着した小胞体（粗面小胞体）
20 分後	扁平な袋状の膜構造が何層にも重なった細胞小器官 X
40 分後	X の近くにある、膜に包まれた多数の小さな粒（分泌顆粒）
120 分後	細胞の外（分泌された消化酵素の中）

細胞小器官 X は、小胞体から小胞によって運ばれてきたタンパク質を受け取り、糖を付加するなどの修飾や濃縮を行ったうえで、小胞に包んで細胞膜の方向などへ送り出すはたらきをもつ。細胞小器官 X の名称を答えよ。