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2019年4月 4日 (木)

やぶにらみ生物論124: ドーパミン

ドーパミンは前記事「アドレナリンとノルアドレナリン」でも示したように、生体内ではチロシンからドーパ(L-ドーパ)を経て合成されますが(1、図1)、これ以外のマイナーな別経路も発見されています(2)。いずれにしてもアドレナリン生合成のための中間生成物という位置づけであって、ドーパミン自体が生理的に重要な作用をもっているとは、20世紀半ばまでは考えられていませんでした。

 

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モンタギュー(図2)は人を含む数種の生物の脳などの組織にドーパミンが存在し、これはアドレナリンやノルアドレナリンのように季節によって変動することはないと報告しました(3)。この1957年の論文がドーパミン自体の意義に関する最初の報告とされています(4)。カールソン(図2)らもモンタギューに遅れて報告していますが、彼らの報告にはモンタギューの論文は引用されていません(5、6)。データもきちんと示されておらず、おそらく慌てふためいて学会アブストラクトのような論文を書いたものと思われます。これはフェアーな態度ではありませんが、その後カールソンはドーパミンなど神経伝達物質の機能に関して詳細な研究を行ない、2000年にノーベル生理学医学賞を受賞しました(7)。彼が1994年に日本国際賞を受賞した際の講演要旨が日本語で読めます(8)。

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ファルクとヒラープはファルク・ヒラープ蛍光法というモノアミンを高精度で検出する方法を開発し(9、図2)、モノアミンが神経伝達物質であることの証明に絶大な貢献をしました。ノーベル委員会もカールソンにノーベル賞を授与する際に「It was not Arvid Carlsson who had discovered that dopamine is a signal substance in the central nervous system」と述べているそうです(10)。ファルク・ヒラープ法による研究の実例をひとつ引用しておきます。この論文では、ジュウシマツの膵臓に3種のモノアミン含有細胞が存在することが示されています(11)。

ホーニケヴィツはパーキンソン病の原因が、脳におけるドーパミンの欠乏によるものであることを証明しました(12、13、図2)。またL-ドーパの投与によって症状が改善されることを示しました(14)。ドーパミンは脳-血液関門を通過できませんが、L-ドーパは通過できるので、脳にドーパミンを与えたいときには前駆体であるL-ドーパを投与します。

ドーパミンもアドレナリンやノルアドレナリンと同様、その受容体は7回膜貫通型3量体Gタンパク質共役型受容体(GPCR=GTP-binding protein-coupled receptor )です(15、16、図3)。なので何が起こるかという引き金はGタンパク質のαサブユニットで、ドーパミン受容体の場合、αサブユニットがs型の場合アデニル酸シクラーゼの活性を上昇しさせることによってcAMP 濃度が上昇し、i型の場合アデニル酸シクラーゼの活性を抑制し、フォスフォジエステラーゼの活性を上昇させることなどによって cAMPが分解されるなどの反応で、その濃度は低下します。

なおドーパミンのトランスポーターは特異性の低いモノアミントランスポーターとされているので、これについては別項で取り扱うことにします。

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ドーパミンの受容体にはD1型~D5型があり、このうちD1・D5型にはGαsが結合しており、D2~D4型にはGαiが結合しています。ドーパミンが受容体に結合することによって、これらのGタンパク質が細胞質にリリースされて機能を発揮します。すなわちドーパミン自体がどのような生化学反応のカスケードがおこるべきかを指定するわけではなく、受容体が指定するのです。ですからどの部域の細胞がどんなGPCRを持っているかというタイプの分布の問題が大きな意味をもつことになります(図4、図5)。

これはドーパミン、ノルアドレナリン、アドレナリンの合成経路が直接繋がっていることを考えれば当然とも言えます。つまりアドレナリンを大量に合成すると、必然的にドーパミンとノルアドレナリンも大量に合成することになってしまうからです。

Gαsは受容体タンパク質のC末に、Gαiは5番目と6番目の膜貫通部位の間で細胞質に露出しているループの部分に結合していることがわかっています(図4)。ドーパミンが受容体に結合するとGαは結合しているGDPをGTPに変換し、Gβ・Gγから遊離してフリーとなり、細胞質内を移動して機能を行使します。

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GPCRはヒトゲノムのなかに800種類以上の遺伝子が存在し、中には機能がまだわかっていないものもあります(16)。Gタンパク質の中でGαだけが機能を果たしているのではなく、Gβ・Gγもそれぞれ機能を果たしていると思われますが、αタイプと比べるとまだ未知の部分が多いようです。

脳のドーパミン受容体がそれぞれどんな役割を果たしているかのリストを Anmol Bhatia と Abdolreza Saadabadi が表にまとめているので(17)、そのまま図5に示しますが、どんな手順で、どんな経路を経てこのような機能に繋がっているのかは脳科学の中心課題のひとつでしょう。

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Gαsの機能として最もよく知られているのは、アデニル酸シクラーゼを活性化してcAMPの濃度を上昇させることです(図6)。cAMPが細胞外からの情報伝達物質のメッセージによって細胞内の生化学的プロセスを変動させる、いわゆるセカンドメッセンジャーの役割を果たしていることを明らかにしたエール・サザランドは1971年にノーベル生理学医学賞を受賞しました。彼は貧しい農家の出身で出身大学も無名ですが、運良くセントルイスのワシントン大学の大学院でカール・コリ教授の薫陶をうけることによって未来が開けました(18)。第二次世界大戦では軍医を務めましたが、終戦後も医師にはならず研究の道に進み、cAMPの発見と機能の解明に成功しました。彼はノーベル賞受賞講演の中で「Cori convinced me, not so much by anything he said so much as by his example, that research was the right direction for me to take」と述べています(18)。

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アデニル酸シクラーゼ(またはアデニリルシクラーゼ)は12回膜貫通タンパク質で、N末・C末ともに細胞質側に出ています。アデニル酸シクラーゼには多くのアイソフォームがあり、それぞれGαsで活性化されたり、Gαiで抑制されたりするようです(19)。

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cAMPの作用で最もよく知られているのはプロテインキナーゼAの活性化です。Gタンパク質の影響でアデニル酸シクラーゼの活性が高まり、cAMPの濃度が上昇すると、不活性複合体を形成しているプロテインキナーゼAの制御タンパク質にcAMPが結合して、活性化されたプロテインキナーゼAが複合体から分離してさまざまなタンパク質のリン酸化をおこないます(20、図8)。ただ複合体が解体されるほどcAMPの濃度が高くない場合でも、ある程度の濃度に達すると複合体を形成したまま活性を発揮するとされています(21)。

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さて私達はドーパミンという部屋の扉を開いたばかりですが、ドーパミン研究の歴史とは切っても切れない関係にあるパーキンソン病について、最後にもう少し触れておきます。パーキンソン病は19世紀の初頭にジェームズ・パーキンソンによって報告された病気で、ふるえ、動作や姿勢の異常、筋固縮などがその症状です。20世紀の半ば以降になって、前記したホーニケヴィッツやその他の研究者の努力により、その原因が中脳黒質のドーパミン産生細胞の減少によることが明らかとなってきました(22)。実際L-ドーパの投与により症状は改善されます(23)。ただ長期にわたって投与すると、効かなくなったり逆に悪化する恐れもあります(23)。ドーパミンD1受容体を介する情報伝達の消失が、パーキンソン病の症状の一つである「無動」を引き起すという報告があります(24)。

パーキンソン病の存在によって、ドーパミンの機能が明らかになったという側面はあります。ただそれは入口と出口がわかったというだけで、途中のメカニズムはまだまだわからない点が多いと思います。判明した部分についてはこのあとまた取り上げる機会があると思います。このほか昔からドーパミンが統合失調症にかかわっているという説(ドーパミン仮説)がありますが、この関係についてもまだまだわからない点が多く残されています(25)。このブログでも宿題として残しておきましょう。

参照

1)やぶにらみ生物論123: アドレナリンとノルアドレナリン
http://morph.way-nifty.com/grey/2019/03/post-3143.html

2)ドーパミン:
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%89%E3%83%BC%E3%83%91%E3%83%9F%E3%83%B3

3)K.A. Montagu, Catechol Compounds in Rat Tissues and in Brains of Different Animals. Nature vol.180, pp.244-245 (1957) 
https://www.nature.com/articles/180244a0

4)Kathleen Montagu: 
https://en.wikipedia.org/wiki/Kathleen_Montagu

5)A. Carlsson, M. Lindqvist, T. Magnusson., 3,4-Dihydroxyphenylalanine and 5-Hydroxytryptophan as Reserpine Antagonists., Nature, vol. 180, p.1200 (1957)

6)A. Carlsson et al., On the presence of 3-hydroxytyramine in brain. Science vol. 127, p. 471 (1958)
http://science.sciencemag.org/content/127/3296/471.1.long

7)The novel prize. Avid Carlsson Biographical. 
https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2000/carlsson/biographical/

8)1994年 日本国際賞受賞記念講演会 脳におけるドパミンの研究: 過去、現在及び将来
アーヴィド・カールソン博士
http://www.japanprize.jp/data/prize/summary/1994_j.pdf

9)Falck B, Hillarp N-Å, Thieme G, Torp A.,  "Fluorescence of catechol amines and related compounds condensed with formaldehyde" .   J. Histochem. Cytochem. vol. 10 (3): pp. 348–354. doi:10.1177/10.3.348 (1962)

10)Nils-Åke Hillarp
https://en.wikipedia.org/wiki/Nils-%C3%85ke_Hillarp

11)Katsuko KATAOKA, Keisuke SHIMIZU and Junzo OCHI., Fluorescence Histochemical Demonstration of Monoamine-Containing Cells in the Pancreas of the Finch, Uroloncha striatavar. domestica. A Preliminary Study., Arch. histol. jap., Vol. 40, No. 5, pp. 431-433 (1977)
https://www.jstage.jst.go.jp/article/aohc1950/40/5/40_5_431/_pdf

12)Hornykiewicz O. Topography and behaviour of noradrenaline and dopamine (3-hydroxytyramine) in the substantia nigra of normal and Parkinsonian patients.(In German) Wien Klin Wochenschr 1963;75:309-312.

13)Hornykiewicz O. Dopamine (3-hydroxytyramine) and brain function. Pharmacol Rev vol. 18: pp. 925-964. (1966)

14)Oleh Hornykiewicz., Some Thoughts on Memories., The History of Neuroscience in Autobiography. Vol. 4, Ed. L. R. Squire, Academic Press (2004)

15)Missale C, Nash SR, Robinson SW,  Jaber M, Caron MG., Dopamine receptors: from structure to function., Physiol Rev. vol. 78(1): pp. 189-225. (1998)
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9457173

16)足立 直子、齋藤 尚亮:  脳科学辞典 Gタンパク質共役型受容体
こちら

17)https://www.statpearls.com/kb/viewarticle/20660/

18)Earl W. Sutherland., Hormon Action (Nobel Lecture), December 11, 1971
https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/sutherland-lecture.pdf

19)https://en.wikipedia.org/wiki/Adenylyl_cyclase

20)https://courses.washington.edu/conj/gprotein/cyclicamp.htm

21)https://en.wikipedia.org/wiki/Protein_kinase_A

22)こちら

23)Neuroinfo Japan  脳神経外科疾患情報ページ
https://square.umin.ac.jp/neuroinf/medical/502.html

24)南部篤、知見聡美: ドーパミン神経伝達は、大脳基底核における運動情報伝達と、運動発現に不可欠
-ドーパミンD1受容体を介する情報伝達の消失が、パーキンソン病の「無動」を引き起す-
https://www.nips.ac.jp/release/2015/10/_d1.html

25)有波忠雄 脳科学辞典 ドーパミン仮説(統合失調症)
こちら

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2019年3月 7日 (木)

やぶにらみ生物論123: アドレナリンとノルアドレナリン

神経伝達物質のうち、まずアセチルコリンについて前稿で述べましたが(1)、生体内にはその他にも多くの神経伝達物質があります。おおざっぱに分類するとアセチルコリン、モノアミン、アミノ酸、ペプチド、その他ということになりますが(図1)、これから順次みていきましょう。

種類は多くても、これらの神経伝達物質はシナプス小胞に蓄えられ、必要な場合にシナプス間隙に放出され、シナプス後細胞の受容体にトラップされることによって情報伝達を行なうというメカニズムに変わりはありません(図1)。

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まずモノアミン類ですが、主要な分子はノルアドレナリン、アドレナリン、ドーパミン、セロトニン、ヒスタミンの5つです。アセチルコリンがコリンの酢酸エステルであるのに対して、これらは水酸基のついているベンゼン環またはインドール環をもつ芳香族で、ローンペアのある窒素を含むアミンです。アセチルコリンの窒素原子は電子を供与できません。ヒスタミンについては後に記すことにします。

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渋谷駅の東口を出て六本木通りを六本木方向に進むと、すぐクロスタワーが見えてきます。クロスタワーの前を通り過ぎて少し歩くと長井薬学記念館というビルがあります。日本薬学会の事務所があるビルですが、この長井という名前は日本の近代薬学の創始者であり、薬学会の初代会頭である長井長義の名にちなんだものです。

長井長義は波乱に満ちたアドレナリン物語の起点となる人物でもあります。上中啓三(図3)は東京大学医学部薬学科に入学し、長井長義の研究室で薬学者としてのスタートを切りました(2)。長井らはエフェドリンの結晶化と構造決定に成功しており、上中もここで有機物質の抽出結晶化の技術をきっちりと身につけることができました。しかも図3に示すようにエフェドリンとアドレナリンの構造は似ており、ほぼ同じ方法で抽出結晶化ができたことが、上中の成功の要因でした。

ちなみにエフェドリンは今でも使われている鎮咳薬で、塩酸エフェドリンやその誘導体が風邪薬によく含まれています。アドレナリンにも鎮咳作用はありますが、医薬品としては主に強心剤として使われます。

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アドレナリンは上中がかかわるよりかなり前にその存在が確認されていましたし(3、4)。1895年にはムーアが血圧上昇作用を持つ副腎抽出物が塩化第二鉄と反応して緑色になるというヴルピアン反応を示すことを確認していました。アルフレッド・ヴルピアン(図3)は19世紀半ばに、副腎が塩化第二鉄で緑色、ヨードで桃色もしくはバラ色を呈することを発見していました。これはカテコール関連物質に特異的な反応で、アドレナリンの同定にも有用でした。

しかし上中が米国の高峰譲吉研究室に留学した頃(1899年)になっても、その構造は明らかになっていませんでした。

当時高峰はタカジアスターゼの製造でパーク・デービス社という大企業とコラボしていて財力があり、9kgという大量の副腎を集めることができたので、上中としては非常に良い条件で仕事を始めることができました(5)。高峰はもともと研究者というよりビジネスマンであり、大学をでたあとしばらく役人をやって、その後現日産化学を設立したりしていました。

アドレナリンの構造決定は世界的な大競争となり、上中-高峰もそこに参入したわけです。米国生化学会の重鎮エイベルもそのひとりで、1899年にはその副腎由来活性因子の名をエピネフリンと命名し、精製と構造決定を試みていましたが、その方法がまずかったので、結局成果は得られませんでした。上中はエイベルのサンプルがヴルパイン反応を示さないことから、それはアドレナリンではないことを確認しました。

上中は渡米翌年の1900年に、はやくも長井研で鍛えた腕で見事にアドレナリンの結晶化に成功し、高峰は世界中の学会で発表を行ないました。そして高峰のスポンサーだったパーク・デービス社は1903年にはアドレナリンを全世界に販売開始しました(5)。

ところが高峰が1922年に亡くなった後、エイベルは高峰らの業績は自分たちの成果を盗んだものだと言い放ち(5、6)、その後100年以上米国と米国の影響が強かった日本ではアドレナリンという名は使われず、エピネフリンが正式名となっていました。日本薬局方でアドレナリンと改正されたのは2006年で、なんと100年以上も間違った名前が使われていました(7)。

上中・高峰の名誉回復のきっかけとなったのは、上中の実験ノートが公開されたことだそうです(8、9)。元岡山大学教授で上中氏と同郷(兵庫県西宮市名塩)の僧侶中山沃氏が、自坊の境内に石碑を建立されています(8、図4)。

上中氏は1916年に帰国しましたが、決してエイベルの中傷でひどい目にあったわけではなく、高峰氏が社長だった第一三共製薬(当時は三共製薬)に入社し、監査役にまで上り詰めるというよい人生だったようです(10)。とはいっても、自動車も走っていない馬車時代に、ホルモンであり神経伝達物質でもあるアドレナリンの精製純化と構造決定をなしとげた上中・高峰が、ノーベル賞の栄誉に浴さなかったというのは残念であり、ノーベル財団の大失敗だったのでしょう。

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アドレナリン(高峰は adrenalin というスペルを用いましたが、現在では adrenaline というスペルが一般的です)はアミノ酸のひとつであるチロシンから合成されます(図5)。ドーパミンやノルアドレナリンは中間生成物ですが、単なる中間生成物ではなく、それぞれ別個の神経細胞で神経伝達物質としての機能を発揮します。

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アドレナリンとノルアドレナリンは細胞ごとに棲み分けている場合も多いですが、機能的には類似しており受容体は共通です。その受容体とはもうこのブログでも何度も登場してお馴染みの、7回膜貫通型3量体Gタンパク質共役型受容体(GPCR=GTP-binding protein-coupled receptor )です(1、11、図6)。アドレナリン・ノルアドレナリンをトラップするGPCRには、α型とβ型の2つのタイプがあり、それぞれがさらにいくつかのサブタイプに分かれています。

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GPCRは生物が発明したタンパク質の中でも最大級に重要なタンパク質であり、「薬のすべてがわかる!薬学まとめ」によると、「医療に用いられている薬の約半数は、直接的もしくは間接的にGPCRを標的としている。世の中にある薬の半分はGPCRが関わっているということである。」・・・だそうです(11)。細胞を家に例えればGPCRはポストに例えられるでしょう。注意すべきは、同じ手紙が投函されても家に住んでいる人(Gタンパク質)によってとる行動は異なるということです。

α型には3量体Gタンパク質のαサブユニットがGqのもの(α1型)とGiのもの(α2型)があり、α1型はアセチルコリン受容体のM1、M3、M5型の場合と同様に、GqがPLC(フォスフォリパーゼC)を活性化し、PLCがイノシトール4,5-ビスリン酸をイノシトール3リン酸(IP3)とジアシルグリセロール(DAG)に分解し、IP3はERからのカルシウム放出、DAGはプロテインキナーゼCを活性化します。これらの反応が筋収縮などの引き金となり、下記のリストのような反応を引き起こします(12)。これらは生物が活発に活動するあるいは戦闘態勢にはいるための準備といえます。

眼: 瞳孔散大筋 収縮
血管平滑筋: 収縮
肝臓: グリコーゲン分解 血糖上昇
膵臓: β細胞 分泌抑制
膀胱: 括約筋 収縮
唾液腺: 粘稠性増加、少量分泌
脂肪細胞:脂肪分解促進

α2型はシナプス前細胞にも存在し、放出されたアドレナリン・ノルアドレナリンをトラップして、これらの情報伝達因子が後細胞や作動細胞にいかないように抑制する役割があります。α2型はアセチルコリン受容体のM2、M4型と同じく、共役するGタンパク質のαサブユニットはGiであり、これはアデニルシクラーゼの活性を阻害してcAMPのレベルを低下させ、cAMP依存性プロテインキナーゼの活性を抑制するほか、グリコーゲンや脂肪の分解を抑制する、心筋を弛緩させる、血小板を活性化するなど、生物が休養・食事・睡眠などを行なうのに適した状態を維持するはたらきがあります(6、12)。

β型は共役するGタンパク質のαサブユニットがGsであり、GsはGiと正反対にアデニルシクラーゼを活性化する作用を持ち、cAMPの濃度を上昇させます。したがってβ型はα2型とは正反対の生理作用をもたらします。心筋を収縮させ、異化代謝を活性化しますが、平滑筋は弛緩させます。腸を動かすのは平滑筋ですが、食事している場合じゃないということでしょうか。β型にもサブタイプがありますが、ここでは述べないことにします。

アドレナリンの特徴は神経伝達物質であると同時に、副腎髄質から分泌されるホルモンでもあるということです。これはあまり好ましいこととは思えませんが、何が起こるかは受容する細胞のGタンパク質によるというメカニズムが優れていて、特に問題は発生しません。

参照

1)やぶにらみ生物論122: アセチルコリンによる神経伝達
http://morph.way-nifty.com/grey/2019/02/post-5a95.html

2)上中啓三:wikipedia
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%8A%E4%B8%AD%E5%95%93%E4%B8%89

3)Vulpian, E.F.A., Note sur quelques reactions propres a la substance des capsules surrenales. Comptes rendus hebsomadarires des seances de

l'academie des sciences, vol.43., pp. 663-665 (1856)

4)Napoleon Cybulski: wikipedia
https://en.wikipedia.org/wiki/Napoleon_Cybulski

5)山嶋哲盛 アドレナリンの発見と高峰譲吉
https://www.slideshare.net/waii/ss-4357821

6)アドレナリン(ウィキペディア)
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A2%E3%83%89%E3%83%AC%E3%83%8A%E3%83%AA%E3%83%B3

7)山野ゆきよし メルマガ 「アドレナリン」もう一つの名誉回復
https://blog.goo.ne.jp/yamano4455/e/385f8411bf242d68e525efcb2ef29a4a

8)中山 沃(なかやま そそぐ) 上中啓三のアドレナリン実験ノート
教行寺所蔵となった経緯
http://www.chemistry.or.jp/know/doc/isan002_article.pdf

9)山下愛子 上中啓三 : アドレナリン実験ノート Adrenaline Research Note of Uyenaka Keizo (1900)
https://ci.nii.ac.jp/naid/110007577369

10)三共(株)『三共六十年史』(1960.12) 渋沢社史データベース
https://shashi.shibusawa.or.jp/details_nenpyo.php?sid=3750&query=&class=&d=all&page=14

11)薬のすべてがわかる!薬学まとめ  Gタンパク質共役型受容体(GPCR)
http://kusuri-yakugaku.com/pharmaceutical-field/pharmacolory/receptor/membrane-receptor/gpcr/

12)管理薬剤師.COM
https://kanri.nkdesk.com/hifuka/sinkei25.php

 

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2019年2月19日 (火)

やぶにらみ生物論122: アセチルコリンによる神経伝達

前稿(1)でレーヴィとデイルが、迷走神経を刺激して放出された液体によって、カエルの心収縮が抑制されることを見いだし、その活性を持つ物質がアセチルコリンであることを証明したことを記しました。これがはじめての神経伝達物質の発見だったわけです。

現在では数多くの神経伝達物質が報告されていますが、まずアセチルコリンから見ていきましょう。アセチルコリンはコリンとアセチルCoAを材料として、コリンアセチルトランスフェラーゼという酵素によって合成されます(図1)。アセチルCoAは生物が呼吸を行なっている限りミトコンドリアが産生する物質で、通常細胞質に存在します。

コリンはアセチルコリン合成の材料だけではなく、細胞膜の成分でもあり生合成も可能ですが、それでは足りないので栄養として摂取することが必要です。レバー・卵黄・大豆・赤飯用のササゲなどに豊富に含まれています。

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神経細胞も必要な量のコリンを産生できないので、細胞膜に高親和性トランスポーターという装置を設置して、コリンを外界から取り込んでいます。コリンの取り込みに成功すれば、コリンアセチルトランスフェラーゼは常に十分な活性が存在するので、直ちにアセチルコリンを供給することが可能です(2、図2)。

アセチルコリンは小胞アセチルコリントランスポーターによって、シナプス小胞に取り込まれます(図2)。驚くべき事に小胞アセチルコリントランスポーターの遺伝子は、コリンアセチルトランスフェラーゼ遺伝子のイントロンの中に存在しており、エンハンサーやプロモーターを共有していることが報告されています(3)。

興奮が軸索末端に伝わるとカルシウムが取り込まれ、前稿(1)のようなプロセスを経て、シナプス小胞が細胞膜と融合して中身がシナプス間隙に放出されます。シナプス小胞ひとつにつき1000~50000分子のアセチルコリンが放出されるようです(2)。

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神経伝達に必要なコリンの大部分は細胞外からとりこまれるわけですが、それを実行する細胞膜のコリントランスポーターは長い間謎に包まれた存在であり、全貌が明らかになったのは最近のことです(4)。1990年頃に後述する様々な神経伝達物物質のトランスポーター遺伝子が次々とクローニングされる中で、コリントランスポーターの研究は屍累々の有様でした(5)。

その突破口は思わぬところにありました。1998年にC.エレガンス(線虫)の全ゲノムが解明され、C.エレガンスもコリントランスポーターを持つことから、奥田等は線虫のゲノム塩基配列情報を利用してcDNAの発現クローニングを行なうことにしました。彼らは候補のcDNAをひとつづつアフリカツメガエルの卵母細胞にいれて発現させ、ついにコリントランスポーターの遺伝子をつきとめました(6)。

奥田等は当初高親和性コリントランスポーターは膜12回貫通蛋白質だと考えていたようですが(5)、最近の文献をみると、13回膜貫通蛋白質とされているようです(7、図3)。この場合N末は細胞外、C末は細胞内に突き出していることになります。

コリントランスポーターの構造解明が遅れたのは、これが他の神経伝達物質のトランスポーターとの類似性がなく、意外なことにグルコーストランスポーターと類似していたことに、構造が解明されるまで誰も気が付かなかったことが大きな要因でした(5)。コリンはもともと栄養物質であり、進化の過程で神経伝達物質として流用されたからこのようなことになったのでしょう。

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ここまで述べてきた神経伝達に関与するコリントランスポーターは高親和性トランスポーター(CHT1)のことですが、コリンはフォスファチジルコリン、スフィンゴミエリン、S-アデノシルメチオニンの合成などにも寄与しており、中親和性トランスポーター(CTL1~CTL5)、低親和性トランスポーター(OCT1~OCT2)が知られています(8)。これらのトランスポーターは血液脳関門においても重要な役割を果たしていると思われますが(8)、神経伝達に直接関与してはいないようなので、ここでは文章の脈絡上触れないでおきます。

さてシナプス間隙に放出されたアセチルコリンを、シナプス後細胞や組織の細胞が受け取らなければなりません。シナプス間隙はわずか20~40nmというリボソーム一つ分くらいの距離なので、瞬時に受け取ることができると考えられます。アセチルコリンを受け取るための受容体には大別してムスカリン性受容体とニコチン性受容体の2種類があります。前者はムスカリン、後者はニコチンがアセチルコリンのアゴニストとして機能します(9、図4)。化学式をみるとニコチンはアセチルコリンとは似ても似つかない化合物ですが、立体構造が似ているのかアゴニストとして作用します。

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ムスカリン性アセチルコチン受容体には5つのサブタイプがあり、それぞれM1~M5と命名されています。組織によって主に存在するサブタイプに違いがあります(10)。また組織によって作用が異なります。図5に一覧を示しました。

ムスカリン性アセチルコチン受容体は、7回膜貫通型のGタンパク質共役受容体(GPCR=G protein-coupled receptor)であり(11)、主に副交感神経の活動に関与しています。リガンドを受け取ると、細胞内ドメインに結合している3量体Gタンパク質(αβγ)を解離することによってその役割を果たします。結合している3量体Gタンパク質のαサブユニットには2つのタイプがあり、その違いによってM1、M3、M5が持つG蛋白質はGq型、M2、M4が持つG蛋白質はGi型とよばれます(9、図5)。

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アセチルコリンまたはムスカリンが受容体に結合すると、Gq型の場合受容体に結合していた3量体G蛋白質がα と β+γ に解離し、GDPと結合していた α はGDPと解離してGTPと結合します。GTPと結合したα (Gq型α-GTP)はフォスフォリパーゼCを活性化します。この酵素の作用によって、フォスファチジルイノシトール4,5-ビスリン酸がジアシルグリセロール(DAG)とイノシトール3リン酸(IP3)に分解され、DAGはプロテインキナーゼCを活性化し、各種のタンパク質のリン酸化が促進されます。またIP3は小胞体のIP3受容体に結合して、細胞質にカルシウムを放出させます(12、図6)。

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Gi型の場合、αサブユニットがGTPと結合するところまでは同じですが、Gi型α-GTPはアデニルシクラーゼ活性を阻害し、ATPからサイクリックAMP(cAMP)が合成される反応を抑制します。この結果cAMPプロテインキナーゼの活性が抑制され、様々なタンパク質のリン酸化が抑制されます(13、14、図7)。ですから図5のM2、M4の場合など、筋収縮やさまざまな異化的代謝を抑制するなど、生物が休養・食事・睡眠などをとるのに適した働きをします。

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ニコチン性アセチルコリン受容体はムスカリン性のものと全く違って、Gタンパク質共役受容体(GPCR)ではなく、受容体そのものがイオンチャネルです。ニコチン性アセチルコリン受容体にも3つの型がありますが・・・(筋肉型(NM) : 神経筋接合部に分布、末梢神経型(NN):自律神経節、副腎髄質に分布、中枢神経型(CNS):シナプスに分布、9)・・・それらの3つの型は、Gq型とGi型のようにメカニズムが異なるわけではなく、リガンドの結合によってチャネルが開くというメカニズムに変わりはありません。

ニコチン性アセチルコリン受容体の構造は、宮澤らによる極低温高分解能電子顕微鏡を用いた研究によって解明されました(15、16、図8)。この分子は(α、α、β、γ or ε、δ)の5つのサブユニットからなり、それらが環状に配置されてイオンチャネルを形成しています。それぞれのサブユニットは細胞膜を1回貫通しています。

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アセチルコリンまたはニコチンが受容体に結合すると、受容体のサブユニットがアロステリックな構造変化を起こしてイオンチャネルが開放されます(15、16)。このチャネルは、カチオンでありサイズが大きすぎなければ非選択的にイオンを通過させます。したがってリガンドが結合するとチャネルが開放され、ナトリウムやカリウムが細胞内に流入し、ただちに活動電位が発生します。

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参照

1)http://morph.way-nifty.com/grey/2019/02/post-e2ed.html

2)脳科学辞典 アセチルコリン
https://bsd.neuroinf.jp/wiki/%E3%82%A2%E3%82%BB%E3%83%81%E3%83%AB%E3%82%B3%E3%83%AA%E3%83%B3

3)Lee E. Eiden.,The Cholinergic Gene Locus., Journal of Neurochemistry., vo.70, no.6, pp. 2227-2240 (1998)
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9603187

4)Takashi Okuda et al., Transmembrane Topology and Oligomeric Structure of the High-affinity Choline Transporter., J. Biol. Chem., vol.287, no.51., pp. 42826-42834 (2012)
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3522279/

5)奥田隆志、芳賀達也: 高親和性コリントランスポーター -ゲノム情報を利用したクローニング-
蛋白質 核酸 酵素 45巻 10号 pp 1722-1727 (2000)

6)Takashi Okuda et al.,  Identification and characterization of the high-affinity choline transporter., Nature Neuroscience, vol. 3, pp. 120-125 (2000)

7)Haga, T., Molecular properties of the high-affinity choline transporter CHT1.,  J. Biochem. vol. 156(4): pp. 181–194  (2014) doi:10.1093/jb/mvu047
https://www.researchgate.net/publication/264390083_Molecular_properties_of_the_high-affinity_choline_transporter_CHT1

8)岩尾 紅子、稲津 正人: 血液脳関門におけるコリントランスポーターの機能発現 Functional expression of choline transporters in blood-brain barrier., 東大医誌 vo.75 (1), pp. 74-77 (2017)

9)アセチルコチン受容体
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A2%E3%82%BB%E3%83%81%E3%83%AB%E3%82%B3%E3%83%AA%E3%83%B3%E5%8F%97%E5%AE%B9%E4%BD%93

10)Brian Piper: Muscarinic agonists and antagonists (2012)
https://www.slideshare.net/bpiper74/muscarinic-agonists-andantagonists

11)Kubo T. et al., Cloning, sequencing and expression of complementary DNA encoding the muscarinic acetylcholine receptor. Nature vol. 323: pp. 411-416.   (1986)
https://www.nature.com/articles/323411a0

12)https://ja.wikipedia.org/wiki/G%E3%82%BF%E3%83%B3%E3%83%91%E3%82%AF%E8%B3%AA

13)https://ja.wikipedia.org/wiki/G%E3%82%BF%E3%83%B3%E3%83%91%E3%82%AF%E8%B3%AA

14)https://www.jst.go.jp/pr/announce/20060623/zu1.html

15)Miyazawa A, Fujiyoshi Y, Unwin N., Structure and gating mechanism of the acetylcholine receptor pore. Nature. 2003 Jun 26;423(6943):949-55.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12827192

16)宮澤淳夫、藤吉好則: ニコチン性アセチルコリン受容体の構造と機能 蛋白質 核酸 酵素 col.49 no.1 pp. 1-10 (2004)
http://lifesciencedb.jp/dbsearch/Literature/get_pne_cgpdf.phpyear=2004&number=4901&file=mndiLGM3FM1ZjMmfEFUUKA==


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2019年2月 5日 (火)

やぶにらみ生物論121: 化学シナプスの発見とカルシウムチャネル

シナプスといえば、通常は図1のような化学シナプスを意味しますが、広義では前稿(1)のようなギャップ結合も含まれます。この様な場合、ギャップ結合は電気シナプス、軸索先端と樹状突起・筋肉などが接する通常のシナプスは化学シナプスと呼ばれることになります。ギャップ結合ではイオンや電子は細胞間のトンネルを拡散によってダイレクトに往来しますが、化学シナプスでは細胞と細胞で神経伝達物質を受け渡しするという複雑なプロセスを経て情報が伝わります。

心臓の拍動のように生まれてから死ぬまで同じことをやっているのなら、ギャップ結合での伝達で大丈夫かもしれませんが、その心臓にしても運動すれば拍動を増やさなければなりません。そしてやめれば元に戻す必要があります。睡眠時・冬眠時には拍動は低下します。新たな記憶を蓄積し、日々中身が変化していく脳では、とてもギャップ結合だけではやっていけません。

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化学シナプスの存在を予言したのはカハール(図1)で、その後デ・ロバーティスやパラーデの電子顕微鏡を用いた研究によってその実在が形態学的に証明されました(2)。さらにシナプスにおける情報伝達が、なんらかの水溶性化学物質で行なわれていることを証明したのはオットー・レーヴィです(図2)。

レーヴィはストラスブルク大学の医学部を卒業後いったん臨床医になりましたが、あまりに多くの患者の死を見て自分が無力であることを思い知らされ、臨床医をやめて基礎医学を志しました(3)。

彼はユダヤ系のドイツ人ですが、1902年にオーストリアのグラーツ大学に職を得て、そこで図2の重要な実験を行ない、1921年に発表しました。彼は2匹のカエルから心臓を取り出し、片方には迷走神経をつけたまま、片方は迷走神経を取り除いた状態にしました。両者ともリンゲル液(ナトリウム、カリウム、カルシウムを含む生理食塩水)に浸し、迷走神経に電気刺激を与えると心臓の拍動が低下しました。そしてそのときに心臓をひたしていた液を吸い取り、別のリンゲル液に浸しておいた迷走神経を除去した心臓に滴下するとやはり心臓の拍動が低下することを発見しました。

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レーヴィの実験結果は、迷走神経の刺激によってリンゲル液に溶け出した水溶性の化学物質に、心臓の拍動を低下させる活性があることを意味します。後にこの物質はデイルによってアセチルコリンであることが証明されました。神経伝達物質の発見です。これらの業績によってレーヴィとデイル(図2)は1936年のノーベル生理学医学賞を受賞しました(4)。

レーヴィは運の良い人で、彼の実験は迷走神経の働きが活発な冬のカエルを用いた場合だけ再現できることがあとで分かりました(5)。夏に実験していたらこの発見はなかったことでしょう。

その運の良いはずのレーヴィはその後とんでもない不運に遭遇します。ノーベル賞受賞の2年後にドイツ軍がオーストリアに侵攻し、レーヴィは逮捕されてポストや財産をすべて剥奪されることになりました。しかしなんとか収容所送りは免れ、米国に亡命して1961年に亡くなるまでニューヨークで暮らしました。

バーナード・カッツ(図3)もオットー・レーヴィと同じくユダヤ系のドイツ人でしたが、彼はライプチッヒ大学の医学部を1934年に卒業すると、いちはやく英国に実質亡命し、ロンドン大学で研究を行ないました(6)。その後オーストラリアに移住し、シドニーでエクレスとカフラーという共同研究を得ました。カッツは彼らと共に、アセチルコリンエステラーゼの阻害剤であるエゼリンを用いた実験で、筋収縮が神経筋接合部からの電気刺激によって直接おこるのではなく、神経筋接合部(シナプス)での神経伝達物質の作用によって間接的に活動電位が発生することを示し、レーヴィとデイルの理論を実証しました(7、8)。

カッツはその後オーストラリア国籍を獲得し、第二次世界大戦中はオーストラリア空軍に入隊しました。ニューギニアで航空管制部隊の将校として、日本航空部隊によるポートモレスビーやダーウィン攻撃をレーダーで監視していたようです。戦後ロンドンに戻って研究に復帰しました(8)。

カッツの最大の業績はシナプス前細胞において、神経伝達物質が袋に包まれて保管されており、それが袋単位で膜から放出されてシナプス後細胞を興奮させる役割を持っていることを示したことです(9、10)。文献10にはシナプス前細胞に多数のシナプス小胞が存在することを示す電子顕微鏡写真が掲載されています。カッツのアイデアはその後多くの研究者によって実証され、図3のようなシナプスの模式図が描かれるようになりました。カッツは1970年にノーベル生理学医学賞を受賞しています。

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ニューロン軸索での電気的情報移動は主としてナトリウムチャネルの働きによるものですが、ニューロン末端での化学的情報移動においては主役がカルシウムチャネルに変わります。このメカニズムはウィキペディアで簡潔にまとめてあるので、コピペしておきます(11)。

1.前シナプス細胞の軸索を活動電位が伝わり、末端にある膨らみであるシナプス小頭に到達する。
2.活動電位によりシナプス小頭の膜上に位置する電位依存性カルシウムイオンチャネルが開く。
3.するとカルシウムイオンがシナプス内に流入し、シナプス小胞が細胞膜に接して神経伝達物質が細胞外に開口放出される。
4.神経伝達物質はシナプス間隙を拡散し、後シナプス細胞の細胞膜上に分布する神経伝達物質受容体に結合する。
5.後シナプス細胞のイオンチャネルが開き、細胞膜内外の電位差が変化する。

図3で興味深いのは、シナプス間隙に放出された神経伝達物質のうち、シナプス後細胞にトラップされなかった余剰分子は、シナプス前細胞の自己受容体や能動的再吸収で回収されるという機構の存在です。これは単にもったいないから再利用しようというだけでなく、拡散によって周囲のニューロンに影響を与えるとノイズになってしまうからだと思われます。

カルシウムは昔から筋収縮に必要であることは知られていました。このあたりの話は江橋節郎の自伝にいろんなエピソードが書かれてあり、楽しく読ませていただきました(12)。そのなかでリンゲル液で有名なリンゲルが、早くも1883年に筋収縮にカルシウムが必要であることを示す実験をやっていたことが書いてあります。またポツラーがカルシウムキレート剤によって筋肉が弛緩することを発見したとも記されてあります。

細胞内のカルシウムイオン濃度は通常10の-8乗から-7乗モルという非常に低い濃度ですが、血清中の濃度は10の-3乗モルという高濃度であり、この著しい濃度差をカルシウムチャネルが維持しているわけです(13)。活動電位が神経末端に到達すると、カルシウムチャネルが開いて一気にカルシウムが細胞内に流入するわけです。この電位依存性カルシウムチャネルの構造は、ウィリアム・キャテラルらが中心となって解明しました(14、図4、図5)。

骨格筋のカルシウムチャネルはα1、α2、β、γ、δ の5つのサブユニットからなり、α2とδはSS結合で共有結合しています。カルシウムの通り道となるチャネル自体は膜貫通α1サブユニットにより形成され、δ は細胞外、β は細胞内にあります。このほか膜を貫通するα2とγ がα1に隣接しています(図4)。

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α1サブユニットは6回づつ膜を貫通するドメインを4つ持つ、アミノ酸の数約2000で分子量190キロダルトンの巨大タンパク質です(図5)。β サブユニットとγ サブユニットはどちらも4つのαヘリックス部位を持っていますが、γ が膜を4回貫通しているのに対して、β は一度も貫通せず、細胞内に存在します(図5)。脳神経系におけるカルシウムチャネルの構造もこれに類似していますが、γ  サブユニットについてはチャネルに含まれるかどうかまだ議論があるようです(14)。

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β サブユニットやα1サブユニットの細胞内領域は神経伝達物質の放出制御、シナプス小胞の移動、遺伝子発現の調節などに関与しているとされています。例えばβサブユニットはRIM1という足場タンパク質と結合し、RIM1がシナプス小胞のタンパク質Rab3に結合することが報告されています(15)。このことはカルシウムチャネル複合体が、シナプス小胞を膜近傍に引き寄せる働きを持っていることを示唆しています。シナプス小胞が膜に接近すれば、エキソサイトーシス機構によって神経伝達物質がシナプス間隙に放出されます(図6)

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図7はシナプス前後細胞の電子顕微鏡写真です(16)。シナプス前細胞に多数のシナプス小胞が蓄積されていることがわかります。シナプス後細胞のシナプス側には非常に電子密度の高い部分がありますが、これは神経伝達物質を受け取り、細胞内に取り込む機構が集積しているためと思われます(図7)

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図7は神経と神経の接合部ですが、図8は神経と筋肉の接合部です。同じシナプスですが、その構造には違いがあります。左の電子顕微鏡写真をみると筋細胞のシナプス領域には、効率よく神経伝達物質をトラップするためと思われる多数のひだがみられます(図8)。神経伝達物質が取り込まれることによって、ナトリウムチャネルが開いて活動電位が発生し、筋収縮の引き金が引かれます(17)。

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参照

1)http://morph.way-nifty.com/grey/2019/01/post-b533.html

2)http://morph.way-nifty.com/grey/2018/04/post-a2b0.html

3)ウィキペディア:オットー・レーヴィ
https://en.wikipedia.org/wiki/Otto_Loewi

4)Otto Loewi, Novel lecture: The Chemical Transmission of Nerve Action.
https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1936/loewi/lecture/

5)Elliot S. Valenstein, The Discovery of Chemical Neurotransmitters., Brain and Cognition vol. 49, pp. 73–95 (2002)
doi:10.1006/brcg.2001.1487
https://pdfs.semanticscholar.org/f7ba/4a5c744019d8e93347a9a04991d8d729a2f7.pdf#search=%27Walter+Dixon

+neurotransmitter%27

6)Sir Bernard Katz, Biographical
https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1970/katz/biographical/

7)JC Eccles, B Katz, and SW Kuffler., Effect of eserine on neuromuscular transmission. J. Neurophys., vol.5, no.3, pp. 211-230

(1942)
https://www.physiology.org/doi/abs/10.1152/jn.1942.5.3.211?journalCode=jn

8)Bert Sakmann, Sir Bernard Katz: 26 March 1911 - 20 April 2003., Biogr Mem Fellows R Soc. vol. 53., pp. 185-202. (2007)
https://royalsocietypublishing.org/doi/pdf/10.1098/rsbm.2007.0013

9)J del Castillo and B Katz., La base ‘quantale’ de la transmission neuromusculaire. Colloques Int. C.N.R.S. vol. 67, pp. 245–

256. (1957)

10)R. Birks, H. E. Huxley, and B. Katz., The fine structure of the neuromuscular junction of the frog., J Physiol., vol. 150(1):

pp. 134–144. (1960)
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1363152/pdf/jphysiol01288-0154.pdf

11)https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B7%E3%83%8A%E3%83%97%E3%82%B9

12)江橋 節郎: カルシウムと私
http://brh.co.jp/s_library/interview/12/

13)千勝典子、松本俊夫: カルシウム代謝とその調節
http://www.nara-gyunyuya.com/contents/ca/15.htm

14)William A. Catterall、Voltage-Gated Calcium Channels., Cold Spring Harb Perspect Biol 2011;3:a003947 (2011)
doi: 10.1101/cshperspect.a003947
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3140680/pdf/cshperspect-CAL-a003947.pdf

15)清中茂樹,瓜生幸嗣,三木崇史,森泰生、神経伝達物質放出におけるCa2+チャネル複合体形成の生理的意義
生化学 第80巻 7号 pp.658-661 (2008) 
http://www.jbsoc.or.jp/seika/wp-content/uploads/2013/11/80-07-08.pdf

16)Zacharie Taoufiq, OIST2013
https://www.oist.jp/ja/news-center/photos/11850

17)Neuromuscular junction (wikipedia)
https://en.wikipedia.org/wiki/Neuromuscular_junction

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2019年1月12日 (土)

やぶにらみ生物論120: ギャップ結合チャネル

多細胞生物が出現したのはいつなのかはわかりませんが、単細胞生物が多細胞になるためには、ともかく細胞分裂がおこったときに2つの娘細胞が離れないでくっついているためのメカニズムを構築することが重要でした。その上で生殖細胞を分化させ、生殖細胞は本体から分離しなければなりません。

細胞を接着させる機構は、図1に示すようにいくつかあってそれぞれ特徴がありますが(1)、ここでは興奮の伝達というブログの流れから、ギャップ結合とその構成要素であるコネクシンに着目します。図1・図2にみられるようにギャップ結合部位にはトンネルがあって、分子量約1000以下の水溶性低分子はここから隣接した細胞に移動することが可能です。

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ギャップ結合の構造は1967年にレベルとカルノウスキーによって発見されました(2)。 この構造にギャップ結合(Gap junction)という名前を与えたのは、ブライトマンとリーゼとされています(3)。これが細胞と細胞を結ぶトンネル様の構造であることは、X線解析や電子顕微鏡観察によって1970年代に明らかにされました(4)。また構成タンパク質であるコネクシンも報告されました(5)

細胞興奮(アクションポテンシャル)の本質はイオンの移動ですから、このトンネルを通してイオンが移動すれば興奮も隣の細胞に移動します。神経伝達の基本はシナプスですが、これはいったん細胞から出たシグナル分子が隣接細胞のレセプターを介して情報の受け渡しをおこなうプロセスであり、制御可能で正確な伝達ではあっても時間を要します。

これに対して、たとえば心臓のように多くの細胞が常時連動して興奮すべき器官では、関連する細胞がギャップ結合で連結していて、イオンや電子が直接移動することによって興奮の伝達を行なうことができれば、非常に効率的です。ギャップ結合はこのような目的にふさわしい構造です。

図2にギャップ結合の大まかな構造を示します。トンネル部分を分子が通過することからギャップ結合チャネルとも言われます。チャネルとは水路という意味です。6分子のコネクシンというタンパク質が集合してパイプのような構造を形成し細胞膜を貫通します(6)。この6量体をコネクソンといいます。

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コネクソンは隣接細胞のコネクソンと結合してギャップ結合チャネルを形成します(図2)。ギャップ結合チャネルは細胞と細胞を接着させる機能と、細胞から細胞への分子量約1000以下の分子の移動をサポートするというふたつの機能を持っています。他の細胞接着構造は細胞間の分子移動をサポートしていません(図1)。

ヒトやマウスにはそれぞれ20のコネクシン遺伝子があり、それに対応して20種のタンパク質がコネクシンとして機能しています。同じタンパク質6個が集合してコネクソンを形成することもあれば(ホモマー)、別種のタンパク質が集合してコネクソンを形成することもあります(ヘテロマー)(図3)。ホモマーのコネクソン同士が結合してギャップ結合チャネルを形成することもあれば、ヘテロマーとホモマー、ヘテロマーとヘテロマーという組み合わせの場合もあります(7、図3)。

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図4にギャップ結合の電子顕微鏡写真を示します(8、東京医科歯科大学講義資料より)。細胞と細胞の間には通常10~20nmくらいの隙間があるのですが、ギャップ結合部位では2~4nmに狭まっており、多数のギャップ結合チャネルが存在して留め金のように細胞と細胞を接着させています(9)。

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前田らはギャップ結合を構成しているコネクシンが電位の変化によって分子構造を変化させ、チャネルを閉鎖できることを示しました(10、11、図5)。このことによってギャップ結合を介した興奮伝達も、アクションポテンシャルのように一過性であることが可能になります。

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随意筋である骨格筋は数千個の筋細胞が融合してできたシンシチウム(多核細胞体)であり、ひとつのニューロンのアクションポテンシャルがシナプスを介してシンシチウムに伝えられると、このひとつのシグナルによって数千個の細胞に相当するシンシチウムが統合された筋収縮を行なうことができます(12)。

一方不随意筋からなる心臓は個々の細胞が個別に連携して筋収縮を行なう必要があります。19世紀には心臓の収縮は神経によって支配されるという神経原説と、心臓自体に自動収縮能があるという筋原説が対立していましたが、エンゲルマン(図6)はカエルの心筋を分断しても、ごく一部の筋束で繋がっていれば分断された双方が同調して収縮することから、筋原説を提唱しました(13)。

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田原(図6)は心臓の刺激伝達系を詳しく解析し、刺激は房室結節に発し、房室束からプルキンエ線維に伝えられて心臓全体が動くことを示しました(14、図7)。田原の発表の翌年には、房室結節の上流に洞房結節という組織があり、ここがシグナルの源泉すなわちペースメーカーであることがキースとフラックによって発見されました(15、図6、図7)。田原としては大魚を逸したということで、大変残念だったことと思います。

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前記したようにコネクシン(コネキシン)には多くの種類があり、それぞれトンネルのサイズや特異性、どのくらいの電位差で開閉するかなどに違いがあります。図7のようにそれぞれが組織特異的に分布しています(16)。心臓の中でも部位によって各分子の局在が異なります。いずれにしても神経によって直接活動が制御されていない心臓の活動は、ギャップ結合チャネルによって統合されることによって秩序のある収縮が行なわれていると考えられています。

無脊椎動物にもコネクシンに相当するタンパク質は存在し、イネクシンと呼ばれています。しかしイネクシンが分子進化によってコネクシンができたわけではなく、脊索動物が持つコネクシンは別系統の4回膜貫通タンパク質から進化したと考えられています(17、図8)。

脊索動物にはコネクシン以外に、イネクシンに近縁のパネクシンというタンパク質が存在し、これはカエルなどではギャップ結合チャネルをつくりますが、哺乳類ではつくりません。では何をやっているかというと、細胞と外界とを結ぶ膜チャネルとして機能しています。コネクシンも連結するコネクソンがない場合、膜チャンネルをつくることもあります(17)

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ギャップ結合チャネルには興奮の伝達以外にも重要な働きがあることが知られています。ある細胞にある化学物質が情報を伝えたとします。その情報を核に伝えるシグナル因子がつくられた際に、その細胞とギャップ結合をしている細胞にはそのシグナル因子が伝わり、同じ遺伝情報が発現されることになります。

このことは生物がその発生過程のなかである臓器を作る場合、ギャップ結合でつながっている細胞群がその臓器に分化し、つながっていない細胞群は別の臓器に分化することを意味します(17)。ですからギャップ結合チャネルは多細胞生物が形態形成をおこなう上で有意義なツールだと言えるでしょう。


参照

1)https://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%B4%B0%E8%83%9E%E6%8E%A5%E7%9D%80

2)J. P. Revel, M. J. Karnovsky., Hexagonal array of subunits in intercellular junctions of the mouse heart and liver. J. Cell Biol., vol.33 C7-C12 (1967)

3)M.W. Brightman and T.S. Reese., Junctions between intimately apposed cell membranes in the vertebrate brain. J. Cell Biol., vol.40,  pp.648- 677 (1969)

4)J.C. Saez et al., Plasma membrane channels formed by connexins: Their regularion and functions. Physiol. Rev., vol. 83., pp. 1359-1400 (2003)
https://www.physiology.org/doi/pdf/10.1152/physrev.00007.2003

5)Daniel A. Goodenough., Bulk isolation of mouse hepatocyte gap junctions. Characterization of the principal protein, connexin., J Cell Biol. vol.61(2): pp. 557–563. (1974)
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2109294/
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2109294/pdf/557.pdf

6)https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B3%E3%83%8D%E3%82%AF%E3%82%B7%E3%83%B3

7)Gulistan Mese, Gabriele Richard and Thomas W. White., Gap Junctions: Basic Structure and Function., J. Invest. Dermatol., vol. 127, pp. 2516–2524 (2007); doi:10.1038/sj.jid.5700770

8)東京医科歯科大学講義資料 細胞膜
http://www.tmd.ac.jp/artsci/biol/pdf/cellmemb.pdf

9)https://en.wikipedia.org/wiki/Gap_junction

10)Shoji Maeda, So Nakagawa, Michihiro Suga, Eiki Yamashita, Atsunori Oshima, Yoshinori Fujiyoshi & Tomitake Tsukihara., Structure of the connexin 26 gap junction channel at 3.5 A resolution
Nature 458, 597-602 (2009)
http://www.protein.osaka-u.ac.jp/achievement/papers/connexin-26-gap-junction-channel-structure
http://ipr.pdbj.org/eprots/index_ja.cgi?PDB%3A2zw3

11)前田将司 ギャップ結合チャネルの構造基盤 日本結晶学会雑誌 52巻 第1号 pp.25~30、(2010)

12)https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%90%88%E8%83%9E%E4%BD%93

13)https://en.wikipedia.org/wiki/Theodor_Wilhelm_Engelmann

14)Tawara S : Das Reizleitungssystem des Saeugertierherzens. Eine Anatomisch-Histologische Studie ueber das
Atrioventrikularbuendel und die Purkinjeschen Faeden. Gustav Fischer Jena, (1906).

15). Keith A, Flack M., The form and nature of the muscular connections between the pri-mary divisions of the vertebrate heart. J Anat Physiol, vol. 41, pp. 172–189. (1907)

16)九州大学学術情報リポジトリ 柴田洋三郎 「ギャップ結合:コネキシン分子の多様な発現 : 『田
原結節』の分子解剖学」 (2010)
https://catalog.lib.kyushu-u.ac.jp/opac_download_md/16985/fam101-1_p001.pdf

17)Eric C. Beyer and Viviana M. Berthoud., Gap junction gene and protein families: Connexins, innexins, and pannexins., Biochim Biophys Acta., vol. 1860(1), pp. 5–8. (2018)  doi:10.1016/j.bbamem.2017.05.016.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28559187
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5704981/pdf/nihms885096.pdf

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2018年12月15日 (土)

やぶにらみ生物論119: 跳躍伝導

生物にとって神経の伝達速度を上げると、他の生命体より早く知覚し早く行動することができるので、生存にとって明らかに有利です。また周囲からの干渉を遮断・絶縁することや漏電を防ぐことも、正確な伝達には必要なことでしょう。脊椎動物はそのためにミエリン鞘(髄鞘)という神経を被覆する組織を獲得しました(1、図1)。ただし脊椎動物の専売特許ではなく、脳科学辞典によるとエビやミミズも類似した組織を持っているようです(1)。

ミエリン鞘は軸索を完全に被っているわけではなく切れ目があって、その部分をランヴィエ絞輪とよびます(図1)。ミエリン鞘とランヴィエ絞輪はそれぞれルドルフ・フィルヒョウ(2、図1)とルイ・ランヴィエ(3、図1)によって19世紀に発見されました。

すべての神経にミエリン鞘やランヴィエ絞輪があるのではなく、有髄神経に限って存在します(1)。無髄神経では、たとえば皮膚の痛覚神経では伝達速度は1m/秒くらいですが、同じ皮膚でも有髄神経の触覚神経では50m/秒と著しくアドバンテージがあります。伝達速度は有髄・無髄の差以外に、神経線維の太さが関係します(4)。イカの巨大軸索は直径が1mmくらいあり、伝達速度は30m/秒と、無髄神経であるにもかかわらず脊椎動物の有髄神経にも匹敵する高速伝達を行ないます。

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ミエリン鞘の実体は末梢神経系ではシュワン細胞、中枢神経系ではオリゴデンドロサイトです。シュワン細胞は毛布のような細胞で、軸索に巻き付いています(図2)。オリゴデンドロサイトについては後述します。これらの細胞が何重にも巻き付くことによってミエリン鞘が形成され、有髄神経ができあがります(図2)。ミエリン鞘の一番外側の部分を神経鞘ともいいます。断面をみればミエリン鞘の多層構造がよくわかりますが、これらの層はすべて同じ細胞で連続しています(図2)。

毛布がきちんとたたまれてはがれないようにするためには、高度に硫酸化された糖鎖を持つP0(ピーゼロ)というタンパク質が必要だとされています(5)。ミエリン鞘は単に電源コードのシールドのようなものではなく、神経細胞とさまざまな相互作用を行なって、神経細胞を健全に保つためにも有用であるようです(6)。

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さて今回のテーマは跳躍伝導ですが、これを理解するためにはコンデンサというものを理解する必要があるようです。ウィキペディアにはいろいろなコンデンサを並べた写真がでていました(7、図3)。世界で年間に2兆個も制作されているとのことです。

村田製作所のサイトによると、コンデンサは 1)電圧を安定させる、2)ノイズを取り除く、3)信号を取り出すなどの用途に用いられます(8)。要するに充電式電池のようなものですが、電池が化学式で書けるような化学変化すなわち分子の変化を基盤としているのに対して、コンデンサは分子の整列や分子内での構造変化を基盤とするものです。生物はみずから体内にコンデンサの役割を果たす組織を制作・設置し、神経伝達に使っています。

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コンデンサは絶縁体の両側を2枚の金属板ではさんだような構造になっています(8-10、図4A)。ここに電池を使って電圧をかけると、2枚の金属板にはそれぞれ+および-の荷電が蓄積します(図4充電)。このとき絶縁体内部でも非通電時にはランダムだった分子の並びが整列した状態になり、各分子の内部でも電子密度が偏った状態になります(9)。この状態は電池をはずしても変わりません(図4B、蓄電)。ところが導線を電池の代わりに電球につなぐと、ここに電流が発生し、電球は点灯します(図4C、放電)。

電球が点灯してエネルギーが消費されると、コンデンサにおける金属板の帯電と絶縁体での分子の状態がもとのランダムな状態にもどります(図4A)。ここでまた電池をつなぐと再び充電されます。

図4をよく見ていただくと、絶縁体があるにもかかわらず、あたかも充電時には電池プラス極→導線→金属板→絶縁体→金属板→導線→電池マイナス極、放電時には電球→導線→金属板→絶縁体→金属板→導線→電球と逆回りに電流が流れているような状況が生まれます。

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神経細胞の軸索は図5のようにミエリン鞘で被われており、その切れ目にランヴィエ絞輪があります。このどの部分がコンデンサかというと、それはミエリン鞘と軸索の細胞膜がそれに当たります(図5)。

ランヴィエ絞輪には多数のナトリウムチャネルが集中していて、これがいわば図4の電池のような役割を果たしているわけです。ここに刺激がきて一時的にチャネルがフリーパス状態になると、ナトリウムイオンが軸索に流れ込み、これらはミエリン鞘に被われた部分のマイナスチャージにひかれて移動し、電流が流れます。一方外側はナトリウムイオンが減少するので、ミエリン鞘の外側からランヴィエ絞輪の方向に電流が流れます。神経標本の周囲の電解液が導線の役割を果たします。

電流が隣のランヴィエ絞輪に届くと、隣のランヴィエ絞輪のナトリウムチャネルが開放されます。このようにランヴィエ絞輪から隣のランヴィエ絞輪へと刺激は伝達されます。ランヴィエ絞輪につつまれた部分の軸索には、ほとんどナトリウムチャネルはありません。つまりチャネルの開放部位が順次軸索内でドミノ倒しのように移動しなくても、ランヴィエ絞輪単位でステップワイズに(飛び飛びに)神経伝達が行なわれます。これが跳躍伝導です。このシステムによって、有髄神経は前述のような桁違いの高速伝達を可能にしました。

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慶應義塾大学の田崎一二らは第二次世界大戦前に、図6に記したような方法などで、実際にミエリン鞘というコンデンサから発生する電流を測定し、跳躍伝導を証明しました(図6)。

杉晴夫によると(9)、第二次世界大戦中に彼らが論文をドイツの雑誌に投稿したところ、ベルリンが廃墟になっているにもかかわらず、ちゃんと雑誌に印刷発表されたそうです(10、11)。日本ではほとんどの学術雑誌は戦争で休刊せざるを得なくなりました。図6は簡略化したものなので、詳細を知りたい方は文献10、11をあたってください。

田崎一二の業績も含めて、跳躍伝導などについてはすでにやぶにらみ生物論102でも述べていますが(12)、記述が足りなかったのであらためて仕切り直しました。重複する部分が発生しましたがご容赦下さい。田崎一二は戦後まもなく渡米し、米国に帰化して97才までNIHで働いていました。これはNIHのレコードだそうです(13)。

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イカなどは巨大神経線維をつくって神経伝導の速度をはやめましたが、脊椎動物は有髄神経による跳躍伝導のシステムをつくることによって、細い神経線維でも高速な伝達速度を確保することに成功しました。このことは脳を発達させる上で非常に重要なエポックだったと思われます(9)。なぜなら脳にそんな太い神経が鎮座すると、脳に多くの情報を詰め込むための容量が損なわれてしまいます。

脳ではシュワン細胞に代わって、オリゴデンドロサイトというグループのグリア細胞がミエリン鞘を形成します(14、15、図7)。ひとつのオリゴデンドロサイトがいくつもの軸索のミエリン鞘をかけもちするところが、末梢でのシュワン細胞とは違うところです(図7)。

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参照

1)http://humancell.blog.jp/archives/%E3%82%B7%E3%83%A5%E3%83%AF%E3%83%B3%E7%B4%B0%E8%83%9E.html

2)https://en.wikipedia.org/wiki/Rudolf_Virchow

3)https://en.wikipedia.org/wiki/Louis-Antoine_Ranvier

4)神経線維の信号伝達のスピード
http://web2.chubu-gu.ac.jp/web_labo/mikami/brain/12/index-12.html

5)T. Yoshimura et al., GlcNAc6ST-1 regulates sulfation of N-glycans and myelination in the peripheral nervous system., Scientific Reports vol. 7, Article number: 42257 (2017)
https://www.nature.com/articles/srep42257

6)https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B7%E3%83%A3%E3%83%AB%E3%82%B3%E3%83%BC%E3%83%BB%E3%83%9E%E3%83%AA%E3%83%BC%E3%83%BB

%E3%83%88%E3%82%A5%E3%83%BC%E3%82%B9%E7%97%85

7)https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B3%E3%83%B3%E3%83%87%E3%83%B3%E3%82%B5

8)村田製作所 コンデンサとは?
https://www.murata.com/ja-jp/campaign/ads/japan/elekids/compo/capacitor

9)杉晴夫 「生体電気信号とはなにか」 講談社ブルーバックス (2006)

10)Ichiji Tasaki und Taiji Takeuchi, Der am Ranvierschen Knoten entstehende hktionsstrom und seine Bedeutung fiir die Erregungsleitung., Pflügers Archive vol.244, pp. 696- (1941)
https://link.springer.com/article/10.1007%2FBF01755414

11)Ichiji Tasaki und Taiji Takeuchi, Weitere Studien über den Aktionsstrom der markhaltigen Nervenfaser und über die elektrosaltatorisehe Übertragung des Nervenimpulses.,  Pflügers

Archive., vol. 245, pp. 764-782 (1942)
https://science.nichd.nih.gov/.../Myelinated_nerve_fiber.pdf

12)http://morph.way-nifty.com/grey/2018/04/post-a2b0.html

13)NIH record - mile stones - Biophysicist Tasaki Leaves Extraordinary Scientific Legacy
https://nihrecord.nih.gov/newsletters/2009/02_20_2009/milestones.htm

14)https://en.wikipedia.org/wiki/Oligodendrocyte

15)https://bsd.neuroinf.jp/wiki/%E9%AB%84%E9%9E%98

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2018年12月 8日 (土)

やぶにらみ生物論118: 活動電位

17世紀の生物学者スワメルダムが神経伝達の速度は音や光のように速いと考えたことはすでに述べましたが(1)、その速度の測定は19世紀までまたなければなりませんでした。

エミール・デュボア=レーモンはマテウッチの損傷電流(1)に関心を持っていましたが、マテウッチの実験は筋肉で測定したものだったので、どうしても神経でその損傷電流を測定したいと考えました。

ところがなかなか神経ではうまく損傷電流を測定できませんでした。彼が使っていた既存のガルバノメーター(検流計)はコイルが6,000回巻いてあるものでしたが、レーモンは一念発起し、この感度を高めるために数週間かけてコイルを24,000回巻いた高性能ガルバノメーターを作成しました(2)。

自作の高性能ガルバノメーターを使うと、図1Aのように神経における損傷電流を測定することに成功しました。しかも奇妙なことに図1Bのように神経に刺激を与えると、一過性で損傷電流が消滅することがわかりました(1、2、図1)。デュボア=レーモンはこれを電気陰性波と呼びました。興奮の伝導とはこの電気陰性波が刺激部位から神経の両側に沿って移動することを意味します(図1)。

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デュボア=レーモンは1852年に研究をまとめて "On animal electricity" という本を出版しました。この本の翻訳はいくつかあるようですが、例えば2014年に英訳版が出版されていて現在も販売されています(3)。私は未読です。彼の言う電気陰性波の実体は何なのでしょうか? その答えは生物学とはかけ離れた分野からもたらされました。

1869年にドイツの物理学者ヴィルヘルム・ヒットルフは、真空容器の中に電極を封入し電圧をかけると、陽極側の容器内壁が発光することを発見しました(4)。フィリップ・レーナルトとジョセフ・トムソンは、これが陰極から撃ち出される粒子(電子)が容器壁に衝突することによって発生する現象であることとし、原子は物質の最小単位ではなく、その中に電子を含むものであることを証明しました(5、6)。彼らはこの業績により1905年と1906年に相次いでノーベル物理学賞を受賞しました。

電子の存在が明らかになりつつある頃、ユリウス・ベルンシュタインは差動型レオトーム(7)という測定器(検流計)を開発し、レーモンの言う電気陰性波を正確に測定することに成功しました。

電気陰性波はミリセカンド単位の時間しか発生しないので、正確に測定するには機器を開発する必要がありました。電子の存在とベルンシュタインの研究を合わせて考えと、

『神経は通常の状態ではその細胞膜の内側に沿って電子が並んでおり、細胞膜の外側には陽イオンが並んでいて電気的二重層を形成している(図2A)。神経が損傷すると、損傷部位から電子が流出し細胞膜の外側を損傷していない部位へと移動する(図2B)。したがって電流は非損傷部位から損傷部位へと流れる。ここで神経を電流などで刺激すると、刺激を与えた部位から陽イオンが細胞内に一時的に流れ込み(脱分極)、そこに向かって電子が移動するので電流は刺激部位から両方向に流れ、両サイドを刺激する(図2C)。この刺激によって脱分極が誘発され、両サイドにパルスが伝播する』

・・・・・というような考え方で神経伝達が説明できそうです(8)。

図2Bの様な状態の時に神経に刺激を与えると損傷電流とは逆方向の電流が発生するので、デュボア=レーモンの実験で一時的に損傷電流が消滅することも理解できます。

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刺激が与えられていない状態での細胞内外の電位差(静止電位)は、細胞膜内側に電子が並ぶのでマイナス(約-70mV)なのですが、刺激が与えられると陽イオンが細胞内に流入し、非常に短い時間脱分極が起こってプラスに転じます。これが活動電位(アクションポテンシャル)です(図3)。その後陽イオンの細胞外への排出が行なわれ、電位差は元にもどります(図3)。

実はカリウムイオンは細胞内濃度が高いので刺激がくると外に流出するのですが、ナトリウムイオンの流入効果の影響が大きく(赤点線の囲み)、活動電位はプラスとなります(図3)。

A_3

真空容器の中に電極を封入し電圧をかけると、陰極から電子が撃ち出されることは前述しましたが、その電子がぶつかる容器面に蛍光物質を塗っておくと、蛍光物質は電子が衝突することにより発光します。小さな発光する点の明るさを制御することによって画面に像を作ることができます。これがブラウン管の原理であり、テレビができた頃にはみんなブラウン管でテレビを見ていたわけです。これを発明したのはカール・フェルディナント・ブラウンです(9、10、図4)。1909年にノーベル物理学賞を受賞しています。

ブラウン管によって時間による輝度の変化を投射したのがオシロスコープであり、オシロスコープによって活動電位の変化の様子や神経伝達の速度などを観察できるようになり、神経生理学は飛躍的に進歩しました。

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ところで、1920年代には神経伝達が減衰するかしないかで論争があり、特に日本では京都大学と慶應義塾大学でおぞましいほどの激しい論争がおこなわれていたそうです。神経の伝達速度はその種類や太さに依存するので、慶応の加藤元一はなんとか単一神経線維で実験できないものかと考えていたのですが、文献11から引用すると「そして1930~1931年、ついに清水、釜谷、大邸医専から研究に来ていた郭在禧博士らによって神経束から単一神経線維の分離に成功した」とあります。この技術は顕微解剖法によるもので、私は読んでおりませんが文献12に方法が詳しく述べられているようです。この方法を用いた実験で加藤らの非減衰説が勝利しました。

さらに重要なのは、加藤らは自らが考案した図5のような装置を用いて(13)、単独神経線維を刺激する実験から、筋収縮は刺激の強さに応じて収縮の強度が変化するのではなく、一定の閾値を超えた刺激に対して筋肉は常に同じ反応をする=全か無かの法則を証明したことです。このことは文献11によると「1935年,条件反射で有名なパヴロフによって国際生理学会がモスクワで開催された時、加藤先生は単一神経線維の実験のデモを行うため、170 匹のガマとともに一週間のシベリア鉄道の旅を行った。教授は毎朝太陽に向かい、ガマが死なないように祈ったという有名な話がある。パヴロフ会長は、ノーベル賞候補として加藤を推薦したことを告げた。単一神経線維興奮のデモは新入研究生の田崎一二(跳躍伝導の発見者)が行った」 だそうです。

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慶應義塾大学信濃町キャンパスの新教育研究棟の一階の入り口に、武見太郎の筆で「加藤元一先生之像」と刻まれた胸像があるそうです。

文献14によるとそこには「不減衰之記 加藤元一先生、大正六年慶應義塾に医学部創設さるゝや、弱冠二十八歳にして生理学教授とならる。昭和二年「不減衰傳導学説」に対して帝国学士院賞を授与させらる。続いてノーベル賞候補に挙る事再度、その学勲内外に高し。昭和十九年三月義塾に医学専門部、開設されるやその長となり、昭和二十七年三月同部を閉ずるまでの間、四百六十六名の人材を育成し、慶應医学にあらたなる活力を加えたり。この間の教育者としての情熱、蓋し不減衰傳導学説樹立にも勝るものあり。茲に我等卒業生その徳を仰ぎ、その情を慕い且つその智を敬してこの像を建つ。

昭和四十一年文化の日 慶應義塾大学附属医学専門部 卒業生一同」

と記されているそうです。

参照

1)やぶにらみ生物論117: 動物電気への道
http://morph.way-nifty.com/grey/2018/11/post-bca3.html

2)Jef Akst,The Body Electric, 1840s. Emil du Bois-Reymond’s innovations for recording electrical signals from living tissue set the stage for today’s neural monitoring techniques. The Scientist., 2014
https://www.the-scientist.com/foundations/the-body-electric-1840s-36484

3)E H Du Bois-Reymond, On animal electricity., Book on Demand Ltd. (2014)
https://www.amazon.co.jp/Animal-Electricity-H-Du-Bois-Reymond/dp/5519073244

4)https://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%99%B0%E6%A5%B5%E7%B7%9A

5)https://en.wikipedia.org/wiki/Philipp_Lenard

6)https://en.wikipedia.org/wiki/J._J._Thomson

7)https://en.wikipedia.org/wiki/Julius_Bernstein

8)Seyfarth E.A., Julius Bernstein (1839–1917): pioneer neurobiologist and biophysicist. Biological Cybernetics., Vol. 94, Issue 1,  pp. 2–8  (2006)
https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs00422-005-0031-y
https://dl.acm.org/citation.cfm?id=1108509.1108511

9)https://en.wikipedia.org/wiki/Karl_Ferdinand_Braun

10)https://en.wikipedia.org/wiki/Cathode-ray_tube

11)大村裕:我が国の神経生理学の黎明期 日本生理学雑誌 Vol. 71,No. 1, pp. 44-49 (2009)
http://physiology.jp/wp-content/uploads/2014/01/071010044.pdf

12)加藤元一 The microphysiology of nerve., Maruzen, Tokyo, (1934)

13)杉晴夫 「生体電気信号とはなにか」 講談社ブルーバックス (2006)

14)山内慶太 蝦蟇(がま)と三色旗 三田評論 2016年7月号
https://www.keio-up.co.jp/mita/r-shiseki/s1012_2.html

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2018年11月20日 (火)

やぶにらみ生物論117: 動物電気への道

イタリアが主導したルネサンスは、17世紀に入ると国家の混乱のうちに終焉を迎え、ガリレオ・ガリレイも失意のうちに亡くなりました。次世代の科学は英国のニュートンやボイル、オランダのホイヘンスらが主導する物理学の時代となりました。生物学の分野では英国のロバート・フック(1635-1703)やオランダのフォン・レーウェンフック(1632-1723)が顕微鏡図譜で業績を上げたくらいで、どちらかといえば停滞していた時代かもしれません。

ただあまり教科書などには登場しませんが、オランダの生物学者ヤン・スワメルダム(1637-1680)については述べておく必要があります。彼は生活のために医師を職業としていましたが、業績から言えば生物学者とよぶのがふさわしいでしょう。

かの有名な哲学者デカルト(1596-1650)は当時生物学の分野にまで進出していて、動物機械論=機械と動物の違いはその複雑さだけである・・・という理論を提出していました。デカルトは中世まで考えられていたような霊魂(スピリット)が神経の中を流れて筋肉を動かすという説を廃し、神経の中を物質(液体または気体)が移動して筋肉に達し、そのはたらきによって筋肉が動くと考えました。

スワメルダムはカエルの神経付きの筋肉の生体標本をつくり、神経をピンセットなどで刺激すると筋肉が収縮することをまず確認し(図1A)、もしデカルト説が正しければ、刺激によって物質が移動するのだから筋肉の体積が増加するはずだと考えました。そこで図1B・Cのように筋肉をガラスの管(下方は密閉、上方は毛細管)に閉じ込め、毛細管の中に水滴をいれて、刺激によって筋肉の体積が増えれば水滴が上昇するという装置をつくりました(1-3)。

そこで図1Bのcをメスでつついたり、より洗練された図Cのように、真鍮のフックで固定した神経を銀線でつついたりしてガラス管の筋肉を収縮させる実験をおこないましたが、いずれの場合も水滴が上昇することはありませんでした(2、3)。デカルト説は証明できませんでした。

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しかし、そこでスワメルダムは昔の霊魂説にもどったかというと、そうではなく、彼は神経伝達は光や音のように瞬時に伝わるメカニズムによると考えました。これはスワメルダムが当時としては非常に先進的な考えを持っていたことを示しています。彼が考案した神経付きのカエル筋肉標本はその後何世紀にもわたって、頻繁に神経と筋収縮の実験に用いられましたし、さらに彼は顕微解剖法という技術も開発しました。しかも彼の最も著名な業績は昆虫の変態の研究や赤血球の発見であって、ここで述べた研究ではないのです(2、3)。

図1のCで興味深いのは、神経を刺激したとき真鍮と銀という2種類の金属が神経に接触していることです。おそらくスワメルダムは後述するガルヴァーニの電気刺激の実験を1世紀前にすでに行なっていたのではないかと思われます(2、3)。

さて、学校というのはもちろん紀元前からあったでしょうし、インドには経典を教える大規模な高等教育機関もあったようですが、現代につながる大学の原点となるような学術研究と教育の最高学府である大学の最初のモデルは、11世紀設立のイタリアのボローニャ大学だろうと言われています(4)。引き続いてパリ大学やオックスフォード大学が設立されました。

ボローニャ大学の校章をみると1088年設立となっています(図2)。日本最古の大学である東京大学の開学が1877年であることを考えると、このイタリアの大学の設立時期は気の遠くなるような昔で、日本では平安時代の話です。ボローニャ大学は現在も健在です。こうしてみると日本ではまだまだ学問が市民権を得ていないというのもうなずけます。なにしろ文部科学省が人文科学は不要といっているほどですから(5)。

ウィキペディアにあった1350年代のボローニャ大学での講義風景をコピペしました(図2)。まじめに講義を聴いているのは2列目までで、後方では雑談したり居眠りしたりしている風景は現在でも変わりません。ルイジ・ガルヴァーニはこの大学で医学と哲学の学位をとり、1762年にスタッフに採用されました(6)。

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ガルヴァーニは1780年代に、カエルの筋肉が2種の金属に同時に触れると収縮するという現象を発見し、1791年に論文をまとめて、発表しました(7)。この現象は異種金属を接続したアークをつくり、その両端を筋肉にあててもおこります(図3)。

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この現象の解釈として次のふたつが考えられます。(A) もともと蛙の筋肉の中に電気が存在していて、それに二つの金属が接触して「電気が流れて」、筋肉が収縮した。(B) 「二つの異なった金属」から電気が発生し、蛙の足に「電気が流れて」筋肉が収縮した。

ガルヴァーニは(A)を選択し、ここで流れる電気を「動物電気」と名付けました。一方アレッサンドロ・ボルタは後者の(B)説を選択し、実際2種の金属を接触させると電気が発生することを、前記事(やぶにらみ生物論116:電池の起源へ寄り道)で記したように、ボルタ電堆などによって証明し、(B)説が正しいことを証明しました(8)。

「動物電気」は実際には存在するのですが、ガルヴァーニの実験では証明できませんでした。しかし彼の実験は、ボルタ電堆にはじまる電池の発明、イオン化傾向の発見、電流と磁場の関係の発見、電磁誘導の発見など思わぬ方向の怒濤のような化学や電磁気学の進展のきっかけをつくったことで、大きな意義のある実験でした。ボローニャ市にはカエルの筋肉の標本を持ったガルヴァーニの彫像があるそうです(図3)。

上述した中で、「電流と磁場の関係の発見」はデンマークの科学者ハンス・クリスチャン・エルステッドの1820年の業績です(9、10)。彼は図4のように金属線に電流を流すと、磁石の針を動かす力が発生することを発見しました。電流と磁場という全く関係のなさそうな現象が、密接に関係していることがはじめて示されたことは、物理学における革命的な発見でした。これはノーベル賞ができるずっと前のことです。コペンハーゲンにはエルステッドの名を冠した公園があるそうです。

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アンドレ=マリー・アンペアはエルステッドの発見を理論化し、ヨハン・シュヴァイガーなどと共に検流計を開発してガルバノメーターと名付けました。もちろんこの分野の発展の契機をつくったルイジ・ガルヴァーニにちなんで命名したわけです(11、12)。エルステッドの発見以来間髪を入れず開発されたガルバノメーターは、さまざまな研究者・技術者によって改良が重ねられましたが、図5は1900年頃開発された D'Arsonval/Weston型といわれるものです。電線と針が一体化して動くようになっています。


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ガルバノメーターの発明によって、ようやく「動物電気」を測定することができるようになりました。最初に動物が電気を発生することをみつけたのはボローニャ大学出身のカルロ・マテウッチでした。彼は1840年頃、正常なカエルの筋肉に電極をあてても電気は流れていませんが、筋肉に損傷を与え、その損傷面と正常面に電極をあてると、ガルバノメーターによって電流が検出さることを発見しました(12、図6)。これがいわゆる損傷電流(current of injury)です。ちょうど損傷電流が流れなくなるように逆方向の電圧を加えると、その値は数十mVでした(14)。

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参照

1)https://en.wikipedia.org/wiki/Jan_Swammerdam

2)Nerve function and “animal spirits”
http://www.janswammerdam.org/nerve.html

3)Matthew Cobb, Exorcizing the animal spirits: Jan Swammerdam on nerve function., Nature Reviews Neuroscience, vol. 3, pp. 395-400 (2002)
http://www.janswammerdam.org/NRN.pdf

4)https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%9C%E3%83%AD%E3%83%BC%E3%83%8B%E3%83%A3%E5%A4%A7%E5%AD%A6

5)人文社会系学部は不要? 文部科学省の通達の背景を専門家が解説
https://benesse.jp/kyouiku/201507/20150726-2.html
https://www.j-cast.com/2015/11/07250008.html?p=all

6)https://en.wikipedia.org/wiki/Luigi_Galvani

7)Luigi Galvani, De viribus electricitatis in motu musculari commentarius. Accademia delle Scienze, Bologna, (1791)
https://web.archive.org/web/20110909013601/http://137.204.24.205:80/cis13b/bsco3/intro_opera.asp?id_opera=23

8)http://morph.way-nifty.com/grey/2018/11/post-7b47.html

9)https://en.wikipedia.org/wiki/Hans_Christian_%C3%98rsted

10)Hans Christian Orsted (1997). Karen Jelved, Andrew D. Jackson, and Ole Knudsen, translators from Danish to English. Selected Scientific Works of Hans Christian Orsted, ISBN?0-691-04334-5, pp.421-445

11)https://en.wikipedia.org/wiki/Andr%C3%A9-Marie_Amp%C3%A8re

12)https://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%A4%9C%E6%B5%81%E8%A8%88

13)https://en.wikipedia.org/wiki/Carlo_Matteucci

14)杉晴夫著 「生体電気信号とは何か」 講談社ブルーバックス(2006) p.32

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2018年11月13日 (火)

やぶにらみ生物論116: 電池の起源へ寄り道

ヒトという生物にとって分子生物学の観点から見た生命現象はバックグラウンドであって、脳という電気信号の巨大な集積体が私達の意識を形成し、私達はその中で生きているわけです。ですから電気について考察することは生物、特にヒトを理解する上で避けては通れないことだと思われます。

元素の水溶液中におけるイオン化傾向は、元素の酸化されやすさの指標でもあり(1)、化学の一丁目一番地です。私は「金借るな、間借りあてにすな、水餡食い過ぎ銀ブラ禁」とおぼえましたが、最近では「リッチに貸そうかな まああてにすんな ひどすぎる借金」という語呂合わせが流布しているようです(2)。後者の方が正確かもしれません(図1)。

最も酸化されやすい元素の一つであるリチウムは、海水中だけでも2300億トンあるそうですが(3)、人間が製造した物を除いては、単体では地球上に存在しません。意外なことに金も海水中に50億トンも存在するそうです(4)。金はほとんど単体で存在します。ともあれ私達生物も化学の法則に則って生きているので、このイオン化傾向のリスト(図1)は重要な意味を持っています。

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ここで少し電池の話に寄り道してみましょう。後述するように、私達の体を構成するひとつひとつの細胞もある種の電池です。電池は金属によってイオン化傾向が異なるということがその原理と深く関わっています。電池の発明によって、私達は電気を人工的に製造し使用することが可能になったのですが、ではその電池を発明したのは誰なのでしょうか? 一般的にはアレッサンドロ・ボルタが1800年に発表したボルタ電堆が最初と言われていますが、それはおそらく違います。

1936年にイラクの首都バグダッドの近郊で、鉄道の敷設を行なっていた作業員が奇妙な容器を発見しました(5)。調べてみるとそれは図2のような電池で、パルティア国またはサーサーン朝ペルシャで製造された物であることがわかりました(5、6)。パルティア国とは紀元前約250年から紀元後224年まで現在のイラン・イラクおよび周辺を支配していた国家で(7、図2)、サーサーン王朝はその領地を引き継ぎ、紀元後650年位まで続きました(8)。

この電池は1~2ボルトくらいのパワーがあり、おそらく金または銀メッキを行なうために使われたのではないかといわれています(5、6)。さらにもっと以前の時代の古代エジプトでも金メッキは行なわれており、おそらく電池が使われたのではないかと考えられています(9、10)。

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近代になってからは、ボルタの電堆(voltaic pile)が最初に発明された電池として有名です(11、図3)。これは銅板-電解液(希硫酸または食塩水)に浸した紙-亜鉛板のセットを1ユニットとして、多数このユニットを積み上げた物です。希硫酸電解液の中では、Zn → Zn2+ plus  2e- および 2H+ plus 2e- → H2 という反応が起きて、亜鉛イオン(Zn2+)は隣接する上方の銅板の方に、電子(2e-)は隣接する下方の電解液の方に流れるので、電流は下から上に流れることになります。

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ボルタが電堆を発表したのは1800年頃ですが、江戸時代の蘭学者宇田川榕菴は、1830年代から40年代にかけて出版されたその著書「舎密開宗(せいみかいそう」の中で、ボルタ電堆を紹介しています(図4)。電気分解を行なっているような図です。

宇田川榕菴は岡山県最北部の津山藩に所属していましたが、そのような辺境の地にありながら、世界でも先進的な研究の勉強や実験をよくやっていたものだと驚かされます。このウィキペディアに掲載されていた肖像画に記してある名前は榕菴とはなっていないので、信じていいのかどうか私にはわかりません。

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希硫酸の中に銅板と亜鉛板を入れると、銅には何の変化もありませんが、亜鉛はイオン化してZn++の形で溶解し、亜鉛板には電子が取り残されます。両者は静電気で引きつけ合うので、亜鉛イオンは板の外側、電子は板の内側に集合して自由に動けない状態となります(図5)。これを電気的二重層といいます。

この状態は細胞と似ています。細胞は表層のイオンポンプで常にナトリウムをくみ出しているので、外側にNa+が集合し、内側に電子が集合するという状況になっています(図5)。このような状況では電流は流れませんが、電池の場合は導線などで銅板と亜鉛板をつなぐ、細胞の場合はイオンチャンネルの穴を開放するなどの操作によって、電気的二重層は崩壊し電流が発生します。

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ボルタ電池の銅板と亜鉛板を導線でつなぐと、亜鉛板の電子は陽極(銅板)に移動し、亜鉛イオンは電解質溶液中に解放されて、そこで硫酸と反応して硫酸亜鉛と水素イオンを生成します(図6)。水素イオンは陽極に集積した電子と反応して水素分子を形成し、泡となって空中に放出されます。これがボルタ電池の原理です。

なのですが、ボルタ電池で起こっていることを科学的に正確に説明するのはなかなか困難なことらしく、歴史的に重要ではあっても、あまり教科書に使うのにはふさわしくないという考え方もあります(12)。

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確かにダニエル電池の場合、時間による反応の変動が少ないので実用的であるだけでなく、説明も容易でしょう(図7)。基本的に陽極では銅が析出し、陰極では亜鉛が溶出するということです。この電池を発明したジョン・フレデリック・ダニエルの本職は気象学者で、湿度計や温度計の開発にも大きな業績を残しました(13)。

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参照

1)https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A4%E3%82%AA%E3%83%B3%E5%8C%96%E5%82%BE%E5%90%91

2)https://juken-mikata.net/how-to/chemistry/ionization-tendency.html

3)https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%AA%E3%83%81%E3%82%A6%E3%83%A0

4)金のこれまでの採掘量と地球に残された埋蔵量
https://nanboya.com/gold-kaitori/post/amountof-gold-extraction/

5)When Was the Battery Invented?
https://batteryuniversity.com/learn/article/when_was_the_battery_invented

6)バグダッド電池
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%90%E3%82%B0%E3%83%80%E3%83%83%E3%83%89%E9%9B%BB%E6%B1%A0

7)パルティア国
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%91%E3%83%AB%E3%83%86%E3%82%A3%E3%82%A2

8)サーサーン朝
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B5%E3%83%BC%E3%82%B5%E3%83%BC%E3%83%B3%E6%9C%9D

9)http://xanadu.xyz/850/

10)メッキとは何か
http://www.geocities.jp/hiroyuki0620785/k0dennsikotai/51c3mekki.htm

11)Giuliano Pancaldi: Volta, Science and culture in the age of enlightment. Princeton Univ. Press. ISBN 978-0-691-12226-7 (2003)
https://books.google.co.jp/books?id=hGoYB1Twx4sC&pg=PA73&redir_esc=y&hl=ja#v=onepage&q&f=false

12)坪村宏: ボルタ電池はもうやめよう 一 問題の多い電気化学分野の記述 化学と教育 vol.46, no.10, pp. 632-635 (1998)
https://www.jstage.jst.go.jp/article/kakyoshi/46/10/46_KJ00003520589/_pdf

13)https://www.britannica.com/biography/John-Frederic-Daniell


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2018年10月13日 (土)

やぶにらみ生物論115: 昆虫の単眼

多くの昆虫たちは立派な複眼を2つ持っている上に、3つの単眼を持っています(図1)。彼らはどうしてこんなに贅沢な眼のセットを装備しているのでしょうか?

図1中央のカマキリ(1)の3つの単眼をみると、左右の単眼は左右を、前の単眼は前を向いているように見えます。これは左のアシナガバチの場合とは違う感じがします。

右図のカマキリが飛んでいるところを示しますが(2)、カマキリは人間で言えば立った状態で飛んでいるように見えます。こんな状態だと、眼が前を向いていないと視界が上と後方に限られます。ですから単眼の前の1個は前方を見ている必要があること、そして後ろの2個は左右を見ていることが推測できます。

ハチは体を水平にして飛ぶので、体の外側に眼が飛び出してさえいれば、広い視野が確保できるのでしょう。

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私が単眼に興味を持ったのは、水波誠著「昆虫-驚異の微小脳」(3)を読んでからです。この第4章はすべて単眼について述べてあります。

素晴らしい本なのですが、この第4章は記述に混乱がみられ、私も原著をさがして検証していったので少し疲労しました。特にチャールズ・テイラーの仕事(後述)については、名前を出して解説すべきではないでしょうか? 是非改訂版を出版して欲しいと思います。

単眼の構造はヤフー知恵袋にきれいな絵があったので(4)、改変して図2を作成しました。図2に示したように、昆虫たちの単眼が私達の眼と異なるのは、ピントを合わせたり光量を調節したりする装置がまったく装備されていないことです。ですから網膜の上に像を結ばせることはできませんし、まぶしさを回避することもできません。

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単眼からは少し話がそれますが、ドナルド・ウィルソンという登山家としても有名な研究者が1961年に「The central nervous control of flight in a locust」という論文を出版しました(5、図3)。これは衝撃的なタイトルです。それまでは動物のリズミカルな運動は末梢神経における反射の連続で行なわれると考えられていたからです。

ドナルド・ウィルソンはバッタの飛翔が全身の感覚器を動員して、中枢神経の制御のもとに行なわれることを証明しました。彼の論文は単独名ですが、ジェラルディン・タカタという方が実験のお手伝いをしていたようです(6)。

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ドナルド・ウィルソンは1970年に37才の若さで亡くなりました。アイダホ州の川でラフティング(急流下り)を楽しんでいるときに不慮の事故にあったそうです。あるサイト(7)に、彼の仕事と生涯の記録がアップされています。プライベートな多数の写真も見ることができます。

マーチン・ウィルソンはドナルド・ウィルソンの仕事を引き継ぎ、バッタの飛翔には3つの単眼から得られた情報が中枢神経で処理されることが重要であることを示しました(8)。さらにチャールズ・テイラーはバッタの3つの単眼がそれぞれ空と大地などの明るさを識別し、その割合と境界線の角度を知ることによって、飛翔を安定化していることを示しました(9、10)。これこそが主要な単眼の機能だったのです。

前に位置する1個の単眼は、暗部が多いと下向きの飛翔、明部が多いと上向きの飛翔であることを認識し、これを中枢神経に伝えて、もし水平飛行すべきであればそのように筋肉に修正の指示を出すわけです(図4)。後部のふたつの単眼はそれぞれの明暗部の割合から左右どちらに傾いているかを認識し、修正することができます。また明暗域の左右への移動から旋回の方向と速度を測定することができます(図4)。まさしく航空機が搭載しているジャイロスコープのような役割を果たしているわけです(9、10、図4)。

しかし地平線とか景色とかは複眼でも見えているわけですから、なぜ単眼でなければならないのでしょうか? 複眼は見ているものの形を識別するために、多数のニューロンに個別にパルスを発生させ解像度を高めています。また記憶と照合するなどの作業のために神経回路も複雑になっています。一方単眼はもともと結像していませんし、単眼といってもそれなりに視細胞は多数ありますが、実はそれぞれの情報を極めて僅かなニューロンに集積しているのです。しかもその結果を最少のシナプスで中枢神経に伝えます。

このようなシステムによって、単眼は明るさ暗さを精細かつ短時間に中枢神経に伝達することができます。水波の著書(3)によると、バッタの単眼と複眼に光刺激を与え、刺激開始から運動中枢のニューロンに応答が起こるまでの時間を測定したところ、複眼では25ミリ秒~33ミリ秒であったのが、単眼では9ミリ秒だったそうです。飛翔の制御は迅速に行なうことが特に重要なので、単眼のメリットは十分にあると考えられます。

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単眼はすべての昆虫に3つづつ配置されているわけではなく、ゴキブリや類縁関係にあるシロアリでは2個しかありませんし(11、12、図5、単眼は触角の根元にあるようですが、私はどこにあるのか判定できませんでした)、多くの甲虫は単眼を持っていません。おそらく生活の中で、上手に飛翔する必要がないグループでは退化してしまったのでしょう。実際カミキリムシなど甲虫の飛翔は実にのんびりしたものです。それでも体が硬いので鳥のエサにはなりにくいのでしょう。

単眼が2個のゴキブリですが、バッタやミツバチに比べてゴキブリは実験室での飼育が圧倒的に簡単です(さすがに大量に飼育しているのを見るのは気持ち悪いですが)。

水波はワモンゴキブリを材料として単眼の研究を行ないました(3)。水波によると、ワモンゴキブリの単眼には約1万個の光受容細胞がありますが、それらは僅か4つの二次ニューロンとシナプス結合するそうです。これは明るさの違いを二次ニューロンが精細に識別することができることを意味します。そして1個の二次ニューロンはそれぞれ13個以上の脳細胞(3次ニューロン)に接続しているそうです。

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ゴキブリはおそらく上手に飛翔するよりも、主として明るさを避けたり、暗闇の中での確実で迅速な行動のために単眼を使っているのではないかと考えられます。ゴキブリの飛翔は何度か見たことがありますが、ミサイルのように直線的に突進する感じでした。

さて、では私達の祖先にもあったはずの単眼はどこに行ってしまったのでしょうか? ヒトの場合、その痕跡は脳の奥深くに松果体という組織で残っています(図6)。私達の祖先には頭頂部に光を通す頭蓋骨の「窓」があり、現在は松果体となった光感知組織(網膜)が存在したと考えられています。

今その松果体は何をやっているかというと、メラトニンという催眠ホルモンを分泌し、概日リズムを保つ(ひらたくいえば夜が来ると眠くなる)上で重要な働きをしています。松果体自体は脳の深部にあるので光を感知できず、眼や皮膚で感知した光の情報が視床下部に届き、視床下部が松果体に指示を下すとされています(13)。

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脊椎動物の中にも、祖先が持っていた単眼(頭頂眼)を失わずに持っている種類がいます。図7のウシガエル、マダガスカルミツメイグアナ、カリフォルニアアノールトカゲなどです。ほとんどの脊椎動物は三畳紀にこの頭頂眼を失ったとされています(13)。どうしてそうなったのかは全くわかりませんが、哺乳類についてはおそらく多くが夜行性だったために、夜になると眠くなるのでは困ったのかもしれません。もっともゴキブリは単眼があるのに夜行性です。ただこれは察知して明るいところを避けているとか、日光の照射には弱いとか別の理由がありそうです。

また三畳紀末期は哺乳類を派生した単弓類のほとんどが壊滅するような絶滅時代で、これは乾燥によるとされています。この時代を生き残るには夏眠(冬眠)ができるものが有利で、概日リズムはむしろ上書きされなければならなかったのでしょう。三畳紀には翼竜という空飛ぶ爬虫類も出現しましたが、昆虫のように3つの単眼でジャイロスコープの役割を果たすというような特殊な進化はみられなかったと思われます。3つの単眼を持つ脊椎動物はみつかっていません。

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参照

1)南大沢昆虫便り
https://blog.goo.ne.jp/mos314/e/8ef2c28d7e5a9d8cdc7bc313160a3a86

2)昆虫の楽園
http://a-kurosawa.cocolog-nifty.com/blog/2011/12/post-0461.html

3)水波誠著「昆虫-驚異の微小脳」中公新書1860(2006)

4)https://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/qa/question_detail/q11174624961

5)Donald M. Wilson, The central nervous control of flight in a locust., Exp. Biol., vol.38, pp. 471-490 (1961)
http://jeb.biologists.org/content/209/22/4411

6)Donald M. Wilson, Inherent asymmetry and reflex modulation of the locust flight motor pattern. Exp. Biol., vol.48, pp. 631-641 (1968)

7)Donald M. Wilson~ the point that must be reached ~ (1932 - 1970)
http://faculty.ucr.edu/~currie/donald-wilson.htm

8)Martin Wilson., The functional organisation of locust ocelli., J. Comp. Physiol., vol. 124, pp. 297-316 (1978)
https://link.springer.com/article/10.1007/BF00661380

9)Charles P. Taylor., Contribution of compound eyes and ocelli to steering of locusts in flight. I. Behavioural analysis.,  J. Exp. Biol., vol. 93., pp. 1-18 (1981)
http://jeb.biologists.org/content/93/1/1

10)Charles P. Taylor., Contribution of compound eyes and ocelli to steering of locusts in flight. II. Contribution of compound eyes and ocelli to steering of locusts in flight.,  J. Exp. Biol., vol. 93., pp. 19-31 (1981)
https://pdfs.semanticscholar.org/d5f7/0c0958c6dc3ac9674038bb2ff20e53dcceb3.pdf#search=%27Contribution+of+compound+eyes+and+ocelli+to+steering+of+locusts+in+flight.+I.%27

11)BSI生物科学研究所 衛生昆虫の微細構造 第一章
http://bsikagaku.jp/insect/cockroach.pdf#search=%27%E3%82%B4%E3%82%AD%E3%83%96%E3%83%AA+%E5%8D%98%E7%9C%BC%27

12)山野勝次 昆虫学講座 第3回
https://www.bunchuken.or.jp/wp-bunchuken/wp-content/uploads/2012/03/60_4.pdf

13)松果体(ウィキペディア)
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%9D%BE%E6%9E%9C%E4%BD%93

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