細胞の分子生物学 第3章 タンパク質

担当：永井
参加者：6名

[概要]
　タンパク質には安定な折りたたみ構造であるコンホメーションがあり、その構造によって、結合する物質であるリガンドは決まる。そして、リガンドと結合することによってコンホメーションは変化し、特定の機能は発揮される。

[議論点]
ヒトはタンパク質でどれくらい語ることができるのか。(タンパク質1つ1つを調べることで個人の特性はわかるのか。)
↓
タンパク質の機能は何があるか。それらの機能は個体の特性にどう関与しているか

タンパク質の機能
　・酵素としての機能
　・繊維を構成
　・物質を識別（ex.抗体が抗原を識別）
　・物質の輸送（ex.トランスポーター）
　・エネルギーの貯蔵（ex.筋肉はエネルギー源となる）

個体の特性　→  性格、体格、運動能力、感覚特性、見た目、頭の良さ、メンタルなど

運動能力を具体化・限定して、"筋肉の量と質"に変換
"筋肉の量と質"　それぞれに、上で挙げた機能はどう関与するか

筋肉の量
　・酵素としての機能　＝　合成を制御することで量を調整

筋肉の質
　・酵素としての機能　＝　乳酸を分解し、質を高める
　・物質の輸送　＝　乳酸・ATPの輸送し、質を高める


[まとめ]
　個体の数ある特性の中の運動能力について、タンパク質の機能は関与していると言える。

[MBCセミナー2019]細胞の分子生物学 第2章 「細胞の化学と生合成」

担当：菅野
参加者：4名

[概要]
　生体内では様々な分子が働いている。その中でもタンパク質は非常に多くの場面で使われ、例えば触媒として多くの反応を促進する。代謝反応では、解糖などで、取り入れた栄養物を段階的に酸化することでエネルギーをADP→ATPやNAD+→NADHなどにして貯蓄し、それらを使って起こりにくい反応を進めることができる。代謝反応は高度に組織化され、そのバランスは驚くほど安定である。

[議論点]
ATPを増やせば増やすほど良いものなのか

ここではATPが過剰に多い状態において、悪影響があるか議論する

細胞内では
（ATPの量）+（ADPの量）= 一定
であるため、ATPが過剰に多いということはADPが非常に少ないということ
→ADPを使う解糖系が進まない

解糖やその先にあるクエン酸回路などの途中で生成される物質は他の反応経路にも使われたりする
→解糖が進まないとそれらの途中生成物もできないため、それを使う反応経路も進まなくなる

→ATPとADPの比が重要

この状態を元の状態に戻すには？
→AMP・ADPを合成する
→ATPを分解および細胞・生体外へ排出する
→解糖系などの反応経路を逆に辿ってATPを消費し、ポリグルコースを生成する

[まとめ]
　ATPが過剰に多いとADPが少なくなり、解糖系が進まず、それらの途中生成物を使う他の反応系もうまく進まなくなるため、ATPとADPの比が重要である。

担当：大林
参加者：6名

[概要]
　細胞は、全生物に共通する機構であるDNA→RNA→タンパク質という情報の流れに基づいた物質代謝を行い、その恒常性を実現している。この機構の成立の背景には遺伝子重複や細胞内共生などの遺伝子資源を増やす仕組みがある。

[議論点]
真核細胞においてミトコンドリアや葉緑体の一部の遺伝子がなぜ宿主細胞のDNAに移る必要があったのか

（簡単のため、共生前のミトコンドリアをＭＴオリジナルと書くことにする）

共生前後のミトコンドリア遺伝子
　ＭＴオリジナル（5000遺伝子程度、細菌と同程度）
　ミトコンドリア（100遺伝子程度）
　参考：核（10000遺伝子程度）

→ ミトコンドリア遺伝子は
   (1) 核に移った →  核が、ミトコンドリアの数や活性を制御するため
   (2) 消滅した     → 機能重複の回避

共生前後のミトコンドリアの機能
　ＭＴオリジナルの機能：好気的エネルギー生産、動く、食べる、増える
　ミトコンドリアの機能：好気的エネルギー生産

共生の理由
　ホストは共生で高効率なエネルギー生産手段を獲得
　ＭＴオリジナルは防御をホストに委ねることができる

一部の遺伝子がミトコンドリアゲノムに残った理由
　遺伝子資源の区分化（輸送する必要がなくなる）
　半自律的制御（酸素呼吸による障害に迅速に対応するため）

[まとめ]
　ホスト細胞の活動に合わせてミトコンドリアの数や活性を制御するため、主に制御関連の遺伝子が核に移動した。

細胞の分子生物学 12章「細胞内区画とタンパク質の選別」4,5節

担当：荒井

参加者：6名

概要

　ペルオキシソームは全ての真核生物に存在する小器官であり、原始の生物において全ての酸素代謝を引き受けていた器官の痕跡であると考えられている。今現在でも酸化作用を担っており、この器官に異常が起きると精神疾患につながる可能性がある。

　小胞体も真核生物に共通する器官であり、細胞質内に広がって存在している。様々な機能を担う器官であり、その機能は領域ごとに高度に専門化されている。また、ミトコンドリアや葉緑体が翻訳後にタンパク質の輸送を行うのに対して、小胞体は翻訳と輸送を同時進行する。小胞体の重要な生合成機能の一つとして、タンパク質への共有結合による糖質付加があり、それによって折り畳みが不完全なタンパク質の不可逆的な凝集を防いでいる。小胞体に輸送されるタンパク質の多く（80%以上）は不完全な折り畳みやオリゴマー状態でないなど分解しなければならないタンパク質であり、それらが小胞体内にたまると小胞体ストレス応答によって対処する。

議題

小胞体がタンパク質の翻訳と輸送を同時進行するメリットとは？

議論点

ミトコンドリアや葉緑体ではタンパク質の翻訳及び輸送は同時進行せず、翻訳が終わった後に輸送される

小胞体でも翻訳後のタンパク質輸送は行われる（酵母の小胞体膜、細胞の細菌膜）

　メリット

　　・タンパク質を小胞体膜に埋め込むことが可能

　デメリット

　　・補助タンパク質としてhsp70が必要

　　・ATP依存となり、エネルギーを消費（これはデメリットとして大きい）

シグナル仮説

　リボソームを翻訳するとシグナル配列が出現し、転送装置まで導かれる。その後に翻訳と輸送が同時に行われる（細胞質内で翻訳されるリボソームも存在する）。

まとめ

　ATPを消費することなくタンパク質の輸送が可能、補助タンパク質無しでの輸送が可能であるという点が翻訳・輸送の同時進行による大きなメリットであると考えられる。一方で、タンパク質を小胞体膜に埋め込むなど同時進行では不可能な事象も存在するため、翻訳後の輸送を行う場合もあると考えられる。

Nature Podcast Digital energy (B4 三好)

担当 みよし
出席者 7名


概要:
https://www.nature.com/articles/d41586-018-06679-5#MO0

・データセンターで使われる電力消費量は増える見通し
・ここ１０年間では省エネ技術は大幅に進歩したことにより、データセンターによる電力消費量は横ばい
・しかし、省エネ技術の進歩はいずれ終わりがくることが予測されるが、電力需要は際限がない

議論点
 情報産業によるエネルギー消費量が増える事で起こる影響


現状:

・インターネットを使用する人数は人口増加に伴い増えるのは避けられない
・それに伴ってデータ量も指数関数的に増える
・一方で電力使用の効率化、省エネ化は線形的にしか増えない


予測される未来:

・電気料金が上がる
・通信料金が上がる

まとめ:
電力需要の伸びは際限が無く、今後個人レベルで節電、節データ使用を強いられる将来は避けられないだろう

細胞の分子生物学 第11章 「小分子の膜輸送と, 膜の電気的性質」

担当：新田
参加者：8名

概要
　細胞は特定の水溶性分子やイオンを運ぶために、特異的な膜輸送タンパクを利用する。膜輸送タンパクには大きく分けて輸送体とチャネルの2種類がある。
　輸送体は特定の溶質を結合し、溶質結合部位を膜の一方の側と他方の側に交互に向ける構造変化を起こして輸送を行う。
　チャネルは膜を横切る小孔を作り、特定の無機イオンを電気的勾配に従って脂質二重層を通過させる。

議論点
イオンチャネルは人工的に作れるのか

・イオンチャネルの持つ機能
1. （無機イオンの）大きさによる選別
2. 向き（一過性、受動輸送）に対する選択性
3. 迅速な輸送（輸送体の10万倍）
4. （水分子を外すことによるエネルギー的な）イオン選択性

・上記の機能を再現するには
1. 特定の大きさの孔を開ける
2. 電圧（水圧など、圧力全般可）をかける
3. 2.の圧力を高くする
4. フィルターの大きさと素材で実現されている（例えばK+チャネル）

・先行研究
金属有機多面体（ロジウム）を利用し、通過する無機イオンを検出する（選別は×）人工イオンチャネルが存在する

・人工のメリット
新特異性チャネルを作ることができる

まとめ
　イオンチャネルの持つ機能を挙げてそれらを再現する方法を議論したところ、タンパク質等を用いることで人工イオンチャネルは作成出来そうという結論になった。評価関数には無機イオンの通過数や選択性を用いれば良さそうだ。

細胞の分子生物学 10章「細胞の内部の構造」

担当：相澤
参加者：7名

概要

10章では、生体膜の構造や機能について述べている。膜は脂質二重膜という構造であり、膜の機能は膜タンパクが担っている。

議題

 細胞内のコンピュータシミュレーションはどれほどの精度で再現可能なのか、パラメーターの決定は如何にして行われるのか

議論内容

・コンピュータシミュレーションの精度について

1995年には300(ps)間のホスファチジルコリン100分子からの原子の位置の計算ができる、またムーアの法則を使うと現在は計算力が4^7倍になっているという予測ができるので、10(ps)で計算できるだろう。

・パラメータの決定の仕方

メインの原子の運動は運動方程式を使って計算できる。原子の質量は既知なので力（結合の強さ）について知りたい。

それぞれについて

原子の結合の強さ➡︎現在はパッケージを使っている。真の値を求めるのはまだできていない。

原子モデルの大きさ➡︎ファンデルワールス力による。

初期位置➡︎ランダムの方がいいが難しいので、整列の状態。

初速度➡︎温度による。

実験系の大きさと温度➡︎観察のしやすさと結果の妥当性の両立による。

まとめ

コンピュータシミュレーションはこれから計算力が上がることで発展があると考えられる。また、パラメータの決定についてはいくつかについて曖昧であるため、基礎研究の発展によって精度が上がると予測される。