細胞の中を歩く：動物細胞・植物細胞・細菌

あなたが立っている場所

細胞は小さすぎて思い描けません。教科書でおなじみの図は、円の中に核、いくつかのミトコンドリア、波打つ小胞体の線を描き入れたもので、どれもほぼ同じ大きさで、何もない空間に浮かんでいます。この展示では動物細胞を 1 個、百万倍に拡大し、ふつうの目の高さで中を歩けるようにしました。すべて本物の細胞で測られた大きさで描いているので、ミトコンドリアは腰かけられるほどのカプセル、リボソームは大きめのビー玉ほどの黒い粒です。

細胞の形は、ガラスの皿の上に広がった細胞と同じです。長さ 30 µm、幅 24 µm、中央の高さ 8 µm の低いドームです。出発点はその床、つまりガラスに貼りついた細胞膜の部分です。中央を核が占め、その左側を粗面小胞体が包み、右側にゴルジ体の重なりがあります。ミトコンドリアとリソソームがあちこちに散らばり、核のそばの 1 点から微小管が扇形に広がり、小さな小胞がその上に乗って細胞の縁へ向かいます。

なぜ百万倍なのか

まず思いつくのは、自分の体が入るぎりぎりの大きさまで細胞を拡大することです。100,000 倍では足りません。この倍率では 20 µm の細胞が 2 m の泡になり、核はあなたの頭より小さくなります。身長 1.6 m の人は 16 µm にあたり、細胞全体より背が高くなってしまいます。

1,000,000 倍にすると、数字が読みやすくなります。模型の 1 メートルは細胞の 1 マイクロメートル、1 ミリメートルは 1 ナノメートルです。1.6 m の目の高さは 1.6 µm にあたります。左上の縮尺ボックスがこれを示し、そのバーは真正面にあるものに合わせて描き直されます。3 m 先の壁を見ていれば、その距離で 1 µm がどれだけの長さに見えるかをバーが示します。

模型の中の大きさ

おもな部分と、模型をつくった大きさです。実際の値は幅をもっています。細胞の種類によって違うからです。

この細胞の体積は計算すると約 3,000 µm³ です。『Cell Biology by the Numbers』はヒトの細胞の目安として 2,000 µm³ を使い、多くは 500〜4,000 µm³ の範囲に入るとしています。また例題では典型的な哺乳類の細胞を 3,000 µm³ としています。スライドガラスの上に広がった HeLa 細胞は幅が約 40 µm に達する一方、高さは数マイクロメートルしかありません。そのため模型は球ではなく低いドームにしてあります。

数字を自分で確かめる

出発点近くの切り開いたミトコンドリアの横に立ってみてください。幅は 1 m なので、上端は目の高さより少し下です。本物の細胞ではこれが 1 µm で、ヒトの髪の毛の太さのおよそ百分の一です。

いちばん見えにくいのは膜です。厚さ 4〜10 nm の膜は模型では 4〜10 mm、鉛筆くらいの厚さで、長さ 30 m の部屋を包んでいます。『Cell Biology by the Numbers』はこれを、胴体の幅に対する飛行機の外板にたとえています。そこで右の壁の一部だけを、ほかより 20 倍厚く描きました。その部分では脂質の頭部が 0.8 mm ではなく 16 mm の幅になり、2 層を数えることができます。

まったく収まらない数字が核の中の DNA です。ヒトの細胞 1 個には約 2 m の DNA があります（約 30 億塩基対のゲノムが 2 組、1 塩基対あたり 0.3 nm）。模型ではこれが 2,000 km の糸になり、長さ 9 m の玉に詰めこまれることになります。窓の中に見える紫の糸は、質感を伝えるために描いたごく一部の見本です。

膜の断面

リン脂質には、水になじむ頭部と、水になじまない 2 本の尾部があります。水の中では尾部が水を避けて尾どうしを向かい合わせに並べ、両側の外面に頭部が並んだ 2 層ができます。1 層の深さは約 2 nm なので、二重層の芯の厚さは約 4 nm です。タンパク質はこの薄い膜の中に収まっています。拡大した部分にある青い樽は 2 層を貫くチャネルで、外側に緑の粒を付けたタンパク質は糖の鎖を持っています。

膜は流動的です。脂質はいつも横方向に隣をすり抜けて動いていますが、ある層から別の層へ移ることはごくまれなので、2 つの層は別々の脂質の組み合わせを保てます。模型では脂質を止めてあります。

核と核膜孔

核膜は内膜と外膜の 2 枚の膜で、そのあいだに数十ナノメートルのすき間があります。核の正面に開けた窓から両方の縁が見え、模型では約 4 cm 離れています。外膜は粗面小胞体へ続いているので、模型の小胞体のシートは核のすぐ横から始まっています。

核膜孔は 2 枚の膜を一度に貫いています。1 つ 1 つは直径約 120 nm のタンパク質の輪で、中央に通り道があり、脊椎動物の核 1 個には約 2,000 個あります。伝令 RNA やリボソームのサブユニットは核膜孔から出ていき、核の中で必要なタンパク質が入ってきます。模型では、端末に応じて 300〜1,100 個の核膜孔を表示します。

核の中にある核小体は膜に包まれていない密な領域で、模型では直径 2 µm で描いています。リボソーム RNA の遺伝子のまわりにでき、リボソームの 2 つの部分はここで組み立てられてから核の外へ送られます。

タンパク質がつくられ、荷造りされる場所

リボソームは伝令 RNA を読み、アミノ酸を鎖につなぎます。細胞質基質に浮かぶリボソームは、細胞質基質にとどまるタンパク質をつくります。新しいタンパク質の先頭に小胞体行きの信号があると、リボソームは小胞体に結合し、伸びていく鎖を膜の向こうの袋の中へ送り込みます。小胞体がざらざらして見えるのはこのためです。滑面小胞体にはリボソームがありません。太さ 30〜100 nm の管の網で、脂質をつくりカルシウムを蓄えます。

小胞体を出たタンパク質は、小さな小胞に入ってゴルジ体へ運ばれます。哺乳類の細胞にはゴルジ体の重なりが 40〜100 個あり、ふつうは中心体の近くに集まっています。1 つの重なりには 4〜8 枚の槽があり、模型では 6 枚の重なりを 1 つ示しました。タンパク質は小胞体にいちばん近いシス側から入り、通り抜けるあいだに糖が切りそろえられたり付け加えられたりして、トランス側から小胞に入って細胞膜やリソソーム、そのほかの区画へ出ていきます。

微小管の上を歩くキネシン

微小管は太さ約 25 nm の中空の管で、ふつうは 13 列のチューブリンでできています。1 列はアルファとベータのチューブリンの対が 8 nm ごとにくり返す鎖です。ほとんどの微小管は核のそばの中心体から始まり、細胞の縁へ向かって伸びます。細胞の中ほどの距離では、かたくてほぼまっすぐです。

キネシン-1 には、長いコイル状の柄でつながった 2 つのモーター頭部と、荷物をつかむ尾があります。PDB-101 の説明どおり、手をかわるがわる前に出すように歩きます。片方の頭が微小管に結合したまま、もう片方が離れて前へ振り出し、16 nm 先で結合します。1 歩で荷物は 8 nm 進み、ATP を 1 分子使います。『Cell Biology by the Numbers』は、試験管の中の通常のキネシンの速さを 1 秒に約 800 nm、外れるまでの歩数を約 100 歩としています。

百万倍の大きさでは、1 秒に 800 nm は秒速 0.8 m、ゆっくり歩く速さになります。しかし頭は 1 秒に約 100 歩も進むので、画面では速すぎて追えません。そこでキネシンを紹介するガイドの場面では、実際の 1/20 の速さのスローモーションに切り替わり、頭が交互に追い越していく様子が見えるようにしています。

ミトコンドリアとリソソーム

ミトコンドリアには 2 枚の膜があります。外膜はなめらかで、内膜はクリステと呼ばれるひだに折りたたまれ、ATP をつくるタンパク質のための広い面をつくっています。『Cell Biology by the Numbers』は典型的なミトコンドリアを長さ約 2 µm、直径 1 µm のカプセルとしていますが、多くの細胞ではつながって長さ数十マイクロメートルの枝分かれした網になります。模型では 10 個の独立したカプセルを置き、1 個を切り開いてクリステを見せています。

リソソームは 60 種類を超える消化酵素の入った袋で、細胞にはふつう数百個あります。模型には 6 個あります。中は pH 4.5〜5 に保たれ、酵素はこの酸性度でいちばんよく働きます。まわりの細胞質基質は pH 約 7.2 で、そこでは酵素がうまく働かないため、リソソームから中身がもれても細胞のほかの部分が消化されることはありません。

10 分の 1、100 分の 1 に縮む

百万倍なら細胞の中を楽に歩けますが、約 20 nm より小さいものは足もとのかけらにしか見えません。リボソームはビー玉ほど、カリウムチャネルは直径 8 mm です。分子を見るにはもう 1 段の拡大が必要で、右上の「大きさ」ボタンでさらに 2 段、×10 と ×100 が選べます。

ボタンは細胞をつくり直すのではなく、あなたを縮めます。×10 では縮尺が 10,000,000 分の 1 になり、目の前の 1 メートルは 100 nm、目の高さは床から 160 nm です。×100 では縮尺が 100,000,000 分の 1、1 メートルは 10 nm、身長は 16 nm で、プロテアソームとほぼ同じ高さです。左上のボックスには、いまの倍率、1 メートルが何にあたるか、あなたの実際の身長がいつも表示されるので、どの段にいても数字はごまかしなしです。細胞そのものは変わりません。ソファほどだったミトコンドリアは長さ 100 m の建物になり、×100 でその横を通り過ぎるには何分もかかります。

実物大の分子

分子は RCSB PDB-101 のイラストにならって、タンパク質の折りたたまれた部分 1 つにつき玉 1 個のビーズモデルで描いています。実物の大きさでつくり、働いている場所に置いたうえで、見える距離まで近づくまでは隠してあります。細胞の反対側から見ているあいだは、描画の負担になりません。

動物細胞では 4 か所で見つかります。

• 床の膜の上、手前右寄り。 カリウムチャネル、ナトリウム-カリウムポンプ、受容体、アクアポリンが、0.8 nm 間隔で脂質の頭部を敷き詰めた膜の一画にあります。幅約 100 nm のかご、クラスリン被覆ピットが膜の芽を内側へ引き込んでいます。幅 7 nm のアクチンフィラメントが床を横切り、その 1 本の上をミオシン V のモーターが歩いていて、近くには綱のような中間径フィラメントが横たわっています。
• そのそばの混雑の中。 一辺 100 nm の箱に、本物の細胞質基質と同じ密度、1 立方マイクロメートルあたり約 300 万個のタンパク質を詰めてあります。×100 では、押し入っていける分子の壁になります。縁にはプロテアソーム、シャペロン Hsp90、グリコーゲン顆粒、同じ 1 本の伝令 RNA を読むリボソームの列があります。
• 核の中。 ヌクレオソームに巻きついた DNA の一部で、RNA ポリメラーゼ II が RNA の鎖をつくっています。核膜の上には細部まで描いた核膜孔複合体があります。
• 細胞小器官の上。 Sec61 チャネルを通じて粗面小胞体に結合したリボソーム、開いたミトコンドリアの切り口に並ぶ ATP 合成酵素、キネシンの線路の下のダイニンモーターです。

密度は、図鑑にそう書いてある場所（混雑の箱、脂質の床）では本物どおりで、ほかの場所では間引いてあります。本物の膜はタンパク質でぎっしりなので、そのままではチャネルを見分けにくいからです。

同じ縮尺の植物細胞

「細胞」ボタンで、同じ縮尺でつくった葉の細胞に切り替わります。長さ 40 µm、幅 24 µm、高さ 20 µm で、セルロースの壁に包まれています。『Cell Biology by the Numbers』は、体積の大部分を液胞が占めるこうした植物細胞について述べていますが、まさにそれが最初に目に入ります。半透明のかたまりが中央を埋め、細胞のほかの部分は、そのまわりの薄い層と、核のある片端の小部屋に押しこめられています。

葉緑体は液胞の下の床と、一方の壁ぎわにあります。長さは 5 µm で描いており、維管束植物について示されている 4〜6 µm の範囲に入ります。1 個は切り開いてあり、平たいチラコイドの袋を積み重ねたグラナと、デンプン粒が見えます。奥の壁には、幅約 50 nm の通り道である原形質連絡が集まった壁孔域があり、この細胞をとなりの細胞とつないでいます。手前の壁ぞいでは、細胞小器官がアクチンの綱の輪をめぐって秒速 4 µm で流れています。これは原形質流動で測られている秒速 1〜100 µm の範囲に入ります。×100 で切り開いた葉緑体に入ると、二酸化炭素を固定する酵素ルビスコと、水を分解して酸素を出す光化学系 II が見つかります。

同じ縮尺の細菌

3 つ目の細胞は大腸菌です。『Cell Biology by the Numbers』は目安として幅約 1 µm、長さ 2 µm、体積 1 µm³ を使っています。百万倍にすると、生物まるごとが皿の上に横たわる長さ 2 m のカプセルになり、動物細胞のミトコンドリア 1 個と同じくらいです。これは模型の偶然ではありません。ミトコンドリアは、はるか昔にほかの細胞に取り込まれた細菌の子孫で、いまも自分の小さなゲノムを持っています。皿の格子は 1 µm 四方のます目で描いています。

×1 では大きすぎて入れないので、ここは ×10 から歩き始めます。中では、核様体のまわりの空間の大部分をリボソームが埋めています。核様体は中央にある染色体のもつれで、膜には包まれていません。頭上の外被は 3 層で、内膜、ペプチドグリカンの薄い網、外膜です。外被には直径約 45 nm のべん毛モーターが埋まり、それぞれがらせん状の繊維を 1 秒に約 100 回転させています。片端にある化学受容体の格子が、モーターにいつ逆回転するかを伝えます。あいだに核がないので、伝令 RNA がまだつくられている途中からリボソームが読み始めます。模型では出発点近くの 2 か所でこれを見せています。

図鑑

「図鑑」ボタンを押すと、訪ねられる 78 か所の一覧が開きます。動物細胞に 49、植物細胞に 14、細菌に 15 です。名前で探したり、細胞と種類（細胞小器官・分子・過程）で絞り込んだり、大きさ順に並べたりできます。1 つ選ぶと、必要なら細胞と大きさが切り替わり、その前まで歩いて連れていきます。続いてカードに、実際の大きさ、細胞 1 個あたりの数、短い説明、参考資料、そしてタンパク質、リボソーム、大腸菌、動物細胞、いまの大きさでのあなたの身長と比べたバーが表示されます。

7 つの過程、つまり体細胞分裂の各時期、細胞周期、分裂中の植物細胞の細胞板、細菌の二分裂は、3D の細胞の中では再現していません。それらのカードには代わりに小さな図を載せています。

百万倍の拡大が速さと距離にすること

模型の 1 m は細胞の 1 µm なので、どんな長さも単位を 6 段上げれば換算できます。幅 20 µm の細胞は 20 m になり、バス 1 台半を縦に並べた長さです。25 nm のリボソームは 25 mm、つまり 2.5 cm で、大きなビー玉ほどです。5 nm のタンパク質は 5 mm で、立てた米粒のようなものです。厚さ 5 nm の膜は 5 mm の厚さになり、長さ 30 m のホールを包む、指二本ではさめるほどの層です。

速さも同じ割合で変わります。時間は引き延ばされないからです。キネシンは 1 秒に約 800 nm 進み、模型では秒速 0.8 m です。1 秒に数 µm 漂うタンパク質は、数 m 動くことになります。あなたは秒速約 1.4 m で歩きますが、本物の細胞では秒速 1.4 µm にあたり、キネシンより少し速い歩みです。細胞の長さ 30 m を渡るには約 21 秒かかります。×100 では同じ歩みが秒速 14 nm になり、歩きの操作に速いモードがあるのはそのためです。

単位には落とし穴があります。面積は二乗で、体積は三乗で変わります。体積 1 µm³ のミトコンドリアは模型では 1 m³、一辺 1 m の立方体です。細胞全体の約 3000 µm³ は 3000 m³ で、約 2500 m³ のオリンピックプールより大きいホールです。上の表の数字は長さです。このガイドが「1 細胞あたりの数」を言うときは、この 3000 立方メートルの中の数を指します。

分子の数と、横切るのにかかる時間

『Cell Biology by the Numbers』によると、細胞 1 立方マイクロメートルあたり約 300 万個のタンパク質があるので、体積 2000 から 4000 µm³ のヒトの細胞には 100 億（10¹⁰）個ほどのタンパク質が入っています。この模型の 3000 µm³ で計算すると 3000 × 300 万、約 90 億個です。模型では、あなたの周りの 1 立方メートルごとに 300 万個があります。隣り合うタンパク質の平均の間隔は、1 µm³ を 300 万で割った値の立方根で、約 0.007 µm、つまり 7 nm、画面では 7 mm です。典型的なタンパク質は約 5 nm なので、ほとんど接しています。人だかりの箱が再現しているのはこの密度で、模型のほかの場所はずっと空いています。

細胞の中の分子はまっすぐ進みません。水の分子にあちこち突き飛ばされます。この動きを拡散といい、距離 x を進むのにかかる平均の時間は、距離の 2 乗に比例して増えます。1 次元で動く粒子では t ≈ x² / 2D で、D は拡散定数です。3 次元では 2 が 6 になります。本は D を、平均的な大きさのタンパク質で水中なら約 100 µm²/s、細胞内なら約 10 µm²/s としています。数字を入れると次のとおりです。

• 大腸菌 1 個を横切る場合、x = 1 µm：t ≈ 1 / 60、約 0.02 s。本には約 0.01 s とあります。
• HeLa 細胞を横切る場合、x = 20 µm：t ≈ 400 / 60、約 7 s。本には約 10 s とあります。
• 長さ 1 cm の軸索に沿う場合、x = 10,000 µm：t ≈ 10⁸ / 60、約 170 万 s で、3 週間近くです。本は D と係数を丸めているため、約 2 週間としています。

1 秒に 1 µm 進むモーターが 1 cm を行くには 2 から 3 時間かかります。神経細胞が荷物を拡散にまかせず、微小管に載せて運ぶのはそのためです。ただし細胞 1 個の大きさでは、2 つの方法は近い値になります。20 µm ならモーターは 20 s、拡散は 10 s 足らずです。小さな細胞は分子を拡散にまかせ、モーターは大きな荷物や決まった場所へ届ける荷物のために取っておきます。

よくある誤解

• 「細胞小器官は何もない水の中に離れて浮いている。」 本物の細胞では細胞質はぎっしり詰まったゲルで、小器官は近くに寄り添い、小胞体はほとんどあらゆる所に広がっています。模型で歩く広い空間は、動き回れるようにした簡略化です。
• 「分子はどこへ行けばよいか知っている。」 たいていは拡散による偶然で相手に出会い、向きが合ったときだけ反応します。キネシンのようなモーターはレールをたどるので例外ですが、荷物もレールを見つけなければなりません。
• 「キネシンは人のように歩く。」 アニメーションではそう見えますが、頭は周りの水に絶えず押されるほど小さいものです。歩みはラチェットで、ATP 1 個ごとに頭が 1 つ前へ振り出されて結合し、揺れが一方向の歩みに変わります。
• 「核は細胞の脳で、すべてを直接に支配している。」 核はゲノムを保管して複製し、RNA を作りますが、タンパク質は細胞質と小胞体で作られ、細胞の判断の多くは膜に届く信号から始まります。ミトコンドリアは小さな独自のゲノムまで持っています。
• 「細胞はどれも教科書の絵のような形をしている。」 模型が見せるのは、ガラスの上に広がった 1 種類の細胞で、大きさはよく研究される細胞のものです。赤血球には核がなく、筋繊維には多数あり、細胞の体積は何桁にもわたります。

模型と本物の細胞の違い

• ここの細胞質基質はほとんど空っぽです。 本物の細胞には 1 立方マイクロメートルあたり約 300 万個のタンパク質があります。まわりに浮かぶ粒は多くても数千個で、高速でぶつかり合うのではなく、ゆっくり漂っています。
• リボソームは間引いてあります。 模型に描いたのは数千個です。本物の細胞にはずっと多く、粗面小胞体の上にぎっしり並んでシートが鋲を打ったように見えます。
• アクチンと中間径フィラメントはまばらです。 アクチンの束が床を横切り、数本の中間径フィラメントが核に巻きついていますが、膜の下の密なアクチンの網は、通り道をあけておくために省いています。
• 遠くからは分子が見えません。 分子モデルは見える距離まで近づいたときだけ現れ、転がり回らずに止まっています。
• ほとんどの細胞小器官は動きません。 生きた細胞ではミトコンドリアが動き、分かれ、つながり、小胞体は 1 分ごとに形を変えます。
• 核に窓があります。 本物の核膜は核膜孔を除いて閉じています。
• 色は創作です。 この大きさでは細胞小器官に固有の色はありません。電子顕微鏡では灰色に写り、蛍光画像では色素を使います。

動き方

パソコンでは WASD か矢印キーで歩き、マウスでドラッグして見回します。R で上昇し、F で元の高さへ沈みます。Shift を押すと速く動きます。床をクリックすると、そこまで歩きます。スマートフォンでは画面の左半分がジョイスティック、右半分で視点を回します。右側の 2 つの矢印で上下に動きます。

ステージ右側のパネルは 3 段です。「細胞」で動物細胞、植物細胞、細菌を切り替えます。「大きさ」で ×10 か ×100 に縮み、また元に戻ります。「歩く速さ」でゆっくり、ふつう、速くを選べます。×100 ではふつうの速さだと 1 秒に 13 nm しか進まないので役に立ちます。左上の小さな地図は、いまいる場所を上から示します。クリックするとその場所まで歩きます。

何かに近づくと名札が現れ、×100 では分子 1 つ 1 つに名札が付きます。「名札をすべて表示」にすると一度に多くの名札が出ます。「部品」の一覧と「図鑑」は、どちらも選んだものの前へまっすぐ連れていきます。