植物生理学Ｉ 第５回講義
エネルギー消去系、呼吸と光合成の関係
第５回の講義では、最初に前回からの続きとして光エネルギーの消去系の話（サイクリック電子伝達、ステート変化、活性酸素消去系）について紹介し、ついで、実際の研究紹介として、呼吸と光合成の関連についてお話ししました。授業中では言い忘れましたが、呼吸と光合成の相互関係の話は、現在、東京大学の准教授になっている野口航さんが主に研究したものです。
Ｑ：
＊光の消去について
光エネルギーが、時として植物には不要であると言うことを考えたことがあまりなかったため、このトピックは新鮮であった。その中で、光をよける、つまり葉の向きを変えるなどのマクロなレベルでのことは当たり前のように思えた。しかし、光化学系Iにおけるサイクリック電子伝達や、光化学系IIにおけるステート変化などの分子レベルで光エネルギーの消去が行われていることには大変驚いた。さらに、その２つがうまくリンクして機能していることから、毎回のことであるが、その素晴らしいメカニズムに感動するばかりであった。
＊ 呼吸速度について
データを詳しく見ながら、そこから読み取れる事実を学んでいくスタイルはとても楽しめたし、またためになったと思う。と同時に、ひとつの事柄を究明するためには様々な実験をデザインする必要があることを改めて考えた。私達が当たり前のように教科書から学ぶこともすべて、事柄によっては長い月日をかけて数多くの実験から判明したことである。ただ事実を頭に詰め込んでいくのとはまったく違った勉強・授業であった。ただ、グラフなどだけを見ても分からないので、説明を聞き逃せないのが少々大変だが。
Sun plant とshade plant の、各々の呼吸速度の律速要因についても、大変合理的であると感じた。すべて必要に応じた進化の結果であり、その無駄のなさに驚いてしまう。
Ａ：実際のデータを読みとるのは、学部の学生さんにとっては、やや敷居が高いかと思いましたが、何とか皆さん、ついてこられたようで安心しました。具体的な測定方法などにはなじみがないと思いますので、それらを詳しく説明しながら、今後も研究の話を織り込んでゆこうと思います。
Ｑ： 今回の講義で主に扱った光合成曲線と発熱効果の考察はまさに‘なぜ’という問いかけから始まったように思いました。また、光合成曲線に関する実際の研究から、生物を対象として扱う実験は互いに影響し合う条件をコントロールすることが重要なんだな、と思いました。加えて、発熱効果のところで、実験対象をどのように決定するか、というお話が少しありましたが、これもまた生物らしいなと思いました。生物はそれ自体が環境に対して適応するものだからデータをとることは一筋縄ではいかないのでしょうね。感想はこれくらいにして、講義の中で思いついたこと、ひっかかったことを以下にまとめます。
光合成曲線とエンジン特性
光合成曲線を見たとき、またも飛躍かとは思いますが、エンジン特性曲線が浮かびました。低速域にパワーを必要とするバスや作業車のそれが、陰生植物と対応し、回せば回すほど伸びる高速仕様車が陽生植物といった具合です。どちらも低速(弱い光)から高速(強い光)まで万能には対応できないというところで共通していると思いました。
エンジンに関しては熱力学的考察からその理由が導かれるのであれば、光合成も、と安易に推測を進めてしまいましたが、後者は生命活動である呼吸から説明されました。このことを強引に言い換えると、植物は光合成と呼吸という２つのエンジンを持っており、光合成が活発になると２次的に呼吸もより必要となり、その結果、先にあげたような万能なシステムは存在せず、植物は２つの曲線で示されたうちのどちらかを適応の中で選択する、というところでしょうか。
工業の産物であるエンジンと生命体である植物の間に共通点を見出すことが可能なのか、また意味があるのか分かりませんが、少なくとも個人的には、この比較から、はるかな時間を経て進化を遂げてきた植物が選んだ道が、まだまだ発展、改善の余地がある(ここでは効率向上に関して)エンジンの進むべき道に対して参考になる気がしました。
発熱効果
まず、質問なのですが、葉で吸収された過剰な光エネルギーが花における発熱で消費されるとき、発熱を伴う反応は花で起きていると考えると、その反応物質(それ以前の反応による生成物)は葉から輸送されてくるのですか。
スイレンとザゼンソウの例を見る限りでは、植物にとって花は重要であり、かつ守らなければならない器官のようですが、ザゼンソウにおける花の発熱が、寒さに対するものだとしたら気になることが１つあります。スライドを見る限りではザゼンソウの花びら(囲っている部分?)は夜になっても閉じなそうでしたが、アンカップリングプロテインによる発熱は夜でも可能なのでしょうか。
後記；以上まとはずれな思いつきと質問のような気もしますが、自分の講義への理解度見てもらうためにも、と思い書きました。軌道修正が必要であればよろしくご指導お願いします。
Ａ：まず、後記に関する答えを。光合成曲線とエンジン特性の比較は新鮮なアイデアですね。この授業のレポートには質問でも不満な点でも、何でも書いてもらって構いません。しかし、授業中にもいいましたが、その中でも、僕が気がつかなかったような新しいアイデアが盛り込まれているレポートを、僕は高く評価したいと思っています。今後もこのようなレポートを期待しています。
発熱のことですが、植物が意図的に（？）発熱する場合には、その元が過剰なエネルギーである必然性はありませんよね。花では光合成できませんから、当然そのエネルギーは光合成器官から輸送されたものであると考えられます。また、アンカップリングプロテインによる発熱は夜でも可能（と言うか、夜の方が大事）です。過剰なエネルギーの消去系だとすると、夜に働くのはおかしく感じられますが、この場合は、あくまで「過剰」なエネルギーではない、と考えた方がよいでしょう。
Ｑ： 前回の講義にかぶりますが、LHCIIの話を聞いてから、Chlorophyllのアンテナ構造、および、Chlorophyllとたんぱく質の関係が理解できなくなったので調べてみました。その結果、Chlorophyllは一種類しかないと思っていましたが、アンテナ構造を作るPhotonを受け取るAntenna Chlorophyllとアンテナを通じて送られてきたPhotonを受け取るReaction Center Chlorophyllの２種類に分かれていることがわかりました。（すなわち、Chlorophyllは（a、bなどの分け方とは別として、）一種類ではなく、何種類もある）さらに、それぞれの周りにChlorophyll−protein（CP）complexが取り巻いており、一つのCP Complexに２０から２５のChlorophyllを持つという構造をしていることがわかりました。また、LHCIIはLight-harvesting complexIIの略語であり、たくさんのChlorophyllを持ったたんぱく質の複合体で、より多くの光を得るためのアンテナシステムであることがわかりました。
今日もらったプリントに関することで、Sun
PlantとShade Plantの呼吸量の律速条件を調べる実験で、酵素活性が関係してこないということと、Sun
Plantの律速条件が基質によるものであるということはわかりましたが、最後になぜShade
Plantの律速条件がATPによるものであるかがどうしてわかるのか、わかりませんでした。
今日の授業は一つの結果を得るための過程を説明するという授業形式でしたが、とてもためになりました。以前、生物の講演会を聞いたときに、講演者が実験過程を説明しながら研究結果を述べていましたが、いろいろわかっていることが前提の講演だったため、データの解析などの説明がかなり省かれており初心者の私にはまったくわかりませんでした。そのとき、今回の授業のように実験や得たデータを解析していく、その過程をいろいろ学ぶことがいかに必要であるか感じたので、今回の授業はとてもためになりました。今後も今回のように丁寧に説明してくださるとうれしいです。
Ａ：なかなか鋭いですね。実は、Shade Plantの呼吸の律速条件がATP需要であることは、きちんと証明していません。酵素活性でもなく、基質によるものでもないので、ATP需要なのでは、という消去法によるものです。本当はきちんと証明できるといいんですがね。
Ｑ：今回の講義のように、あまり教科書に載っていなかったり実際のデータを元に物事を解析するという内容は私個人にとってはうれしいです。一応4月から卒論なのでどういう実験を自分で組み立てていくか、そして得られた実験結果をどうとるかということはもっと勉強したいです。
Sun plantとShade plantの呼吸量は夜の状態だと大きく異なるとのことでしたがこれは遺伝的なものなのですか、それとも後天的だったり環境要因によって変わることが可能なのですか。昼間でも光が当たらないところは人の目から見ると「暗い」という印象は受けない（と思う）し、夜の暗さとは全く違うのに、植物にしてみればおおきな差なんだと思いました。また、それによって糖の供給やATP消費量が異なるというのも、もうすでに遺伝的に組み込まれていたり、または植物が進化していく過程で獲得したものなのか？と思いました。もしそれが進化の結果であるのならば極端な話ですが、十分な時間があれば例えば光の条件だけで新しい種を作っていくことなど可能なのでしょうか。
Ａ：呼吸量はもちろん環境要因によっても変化します。授業の中でも触れましたように陽生殖物の呼吸量は生育光強度が高いほど高くなります。しかし、陽生殖物と陰生殖物の差は遺伝的なものもあると思います。基本的には、異なる生育環境で進化していく過程で新しい種が生まれてきた、という概念で正しいと思います。
Ｑ： 今回の講義では、実際のデータに基づいてある事柄の説明があり、私は個人的に、この形式を続けてほしいと思いました。というのは、これまでも色々な研究の発表を聞く機会があったのですが、私はその説明についていけず、途中で見失ってしまうことが多かったため、日頃から少しずつこのようなやり方に慣れておきたいと思うからです。また、呼吸速度を測る為にどのような装置を使ったかを説明して下さったのが、とても嬉しかったです。今までを振り返ってみて、私は、結果のみを知っていて、それがどのような過程を経て得られたのかを知らないことがとても多いです。しかし、実際にその過程を知った時にこそ、本当にその結果も納得して、受け入れられるように思います。そして、過程を知ることで、驚きがあったり、感動があったり、そのことについての興味もいっそう沸いてくるように感じます。
授業で、高校生の頃に見たことのある光の強さと光合成速度を表わしたグラフが出てきました。高校生の頃に習った内容に疑いを持たずにいた私にとっては、このグラフを再検討した実験の結果を見て、とても驚きました。そして同時に、実験に関していくつか疑問も持ちました。まず、Alocasiaの呼吸量を律速しているのは、基質量でも酵素の反応速度でもないので、消去法で考えると、ATPの必要量ということでしたが、なんとなく、消去法、というのが引っかかってしまいます。本当にその選択肢の中に正しい答えがあるのだろうか、と考えてしまうのですが。この場合、他に選択肢は考えられないのですか？また、今回の授業を聞いていて、律速条件になるものは量が少なく、反対に言うと、量が多いものは律速条件になりえない、という印象を受けたのですが、それは一般的に言えることなのでしょうか？
次に、シアノバクテリアの光合成と呼吸の経路に関してですが、シアノバクテリアは、呼吸鎖と光合成の電子伝達鎖を一部共有していますが、共有してからこれが再び別れているところでは、呼吸鎖からの物質と光合成からの物質は、それぞれ呼吸鎖由来のものは呼吸鎖に、光合成経路由来のものは光合成の経路に戻っていくのですか？だとしたら、その物質がどちら由来かを見分けるシステムをシアノバクテリアは持っているのですか？
Ａ：なかなか皆さん弱点をついてきますね。上でも触れましたが、消去法に頼らず、きちんと証明できればそれにこしたことはないのですが、実際には、本当に陰生殖物でATP需要が律速段階になっているかはまだ検討していません。一般論としては、量が多いものは律速段階とならず、一番少ない（もしくは一番反応速度の遅い）ところが律速段階となると考えてよいと思います。
シアノバクテリアの呼吸系と光合成系を通る電子（物質というのは不正確です）は全くお互いに区別は付きません。極端な場合、呼吸系の最後にあるチトクロ−ム酸化酵素をKCNなどで阻害しておけば、電子は光合成から来たものも、呼吸系から来たものも、全て光合成の光化学系Ｉの方に流れていきます。
Ｑ： 今回の講義の最後に、原核生物の光合成と呼吸の関係について説明があった。真核生物の光合成経路と呼吸経路は糖を介して間接的にしか関わっていないが、これに対しシアノバクテリアのような原核生物は両者が直接リンクしている。このように合同（？）の経路をもつことによって、体内の構造を簡素化し、エネルギーのロスを少なくすることができ、一見とても効率が良さそうに見える。しかし、この経路のどこかに支障をきたした場合、影響が光合成、呼吸の両方に及ぶ。しかも、原核生物はこのような経路を複数持つことはない。そのため、１箇所のダメージが即生命の危険につながるのではないだろうか。真核生物のように、複雑で比較的大きい構造をもつ生物にとって、その生命を維持するには光合成と呼吸をつかさどる経路は別個の小器官として存在していた方が安全なのだなとあらためて納得した。
Ａ：確かに、無駄があるということは、別の言い方をすれば余裕があるということです。ぎちぎちの生活をしていれば、何かちょっと間違えがあったときにすぐにダウンしてしまうのと同じですね。遺伝子のイントロンなども同じようなものなのでしょうか。
Ｑ：前回の授業は納得したつもりなのに、によく考えてみると疑問に思うことばかりだと気付いた。今回のレポートは考察より疑問集のようになりそうだ。
講義で活性酸素の生産と酸素から水への反応のことについてふれた。この反応は途中で停止することなく水まで到達するのですか。例えば過酸化水素から水も反応でカタラーゼやアスコルビン酸パーオキサイドなどが不足していたらこの反応はどうなるのですか。結局水以外の物質は反応性が比較的高い（？）のなら危険ではないのか。
いつもと違った授業の進め方は難しかったけど、でもとても興味深いと思った。陰生植物と陽生植物の呼吸の違いは納得できた。光スペクトル（赤外線）を利用して測定するのは理解できた。でもヴァルブを使って空気を上と下に切り替えて空気を流すと正確なデータが得られるのかに関しては疑問を持った。
もう一つ分からなかったのはシアン耐性経路のこととその有効性について。これは熱を発散することを目的にしているのか、それかATPを作らなくてすむために存在する回路の結果として熱か発散されるのか。ここは今でも混乱していて理解できていなかった。
前回は本当に面白かった。でも資料の読み方や実験に関する補足説明をもう少しお願いします。そしたらもっと理解も深まるし自分でももっと考えられると思いました。
Ａ：授業で説明した活性酸素消去系を利用した
water-water cycle は、あくまで活性酸素消去系が十分に働けるということが前提となります。ある意味で、活性酸素消去系に電子を流して消去するというのは、危険と裏腹の諸刃の剣と言えると思います。
ヴァルブを使って葉を通った空気と通らなかった空気を切り替えて測定するのは、差を取るためです。一般的に言って、絶対値の測定と、相対値の測定では、相対値の測定の方が誤差が小さくなります。これは、２つの値の差を取れば、２つの値に共通して変動する誤差を取り除くことができるからです。これは赤外線吸収で言えば、流す空気の中の最初の二酸化炭素の濃度が変化しても、差を取っている限り、測定結果はその変化に影響されないことを考えるとわかると思います。
シアン耐性経路については、過剰な還元力の消去系として使われる場合と、発熱のために使われる場合が両方あり、その２つを区別する必要があります。その辺の説明が不十分だったかも知れません。もう少し、説明を丁寧にするようにしたいと思います。
Ｑ：今回の授業はとても興味深かったです。まだ多くある生物やその他の分野のなかでも自分ではどんなことを将来やりたいなど、まだ検討もつかず、まだ世の中にある沢山の出来事などを把握してないので、具体的な研究の内容などを授業で紹介してくださるのはとても良いです。自分の知らないことが沢山でてきても、ちょっとでもその内容をもっと知りたいとか自分の知っている内容がちょっとでもでるともっと勉強したいって思います。ので自分の目標や今後の考える内容とかになってとても参考になります。今後の授業も楽しみにしています。私が特に興味を抱くのが実験方法です。今回もChamberに空気を通して二酸化炭素の変化を調べたようにいろいろな実験方法のひらめきなどがとても興味深いです。
Ａ：学部の学生だと、まだあまり実験を経験していないでしょうから、難しいかなと思ったのですが、比較的好評で安心しました。手法の説明をきちんとして続けていきたいと思います。
Ｑ：今回の講義では、前回の講義の感想を聞いてくださっていて、黒板での説明によって細かく説明してくれたのでよくわかりました。しかし、光化学系の説明（サイクリック電子伝達、ステート変化の説明部分）のところで、系IIのアンテナがはずれすぎると、調節されて系IIにもどっていくと言っていましたが、どのような作用で調節されているんでしょうか？またwater-water cycleの部分の大体の流れはつかめたのですが、Fdがアスコルビン酸にどのように作用していて、2MDAというものとの間のサイクルを作っているのかという部分と、反応性の高さでOH−が最も高いのかという疑問が残りました。また、酸素がポテンシャルとして有毒に働きうるというのはどういう事なんでしょうか？
Ａ：ステート変化は系Ｉと系ＩＩの間にどれだけ電子がたまっているかによって調節されます。系IIが働きすぎると系Ｉとの間に電子がたまってアンテナがはずれます。アンテナがはずれすぎれば系IIの働きが弱くなりますから系Ｉと系IIの間の電子は段々なくなり、再びアンテナが戻るわけです。具体的には電子のたまり具合が、アンテナのリン酸化をするリン酸化酵素の活性を制御していると考えられます。フェレドキシン(Fd)はMDAを還元してアスコルビン酸に戻します。アスコルビン酸は過酸化水素によって酸化されてMDAになりますから、くるくるサイクルを回ることになります。反応性の高さでは活性酸素のうちOH-（ヒドロキシラジカル）が一番高いです。また、酸素も、我々人間はその毒性をあまり普段認識しませんが、嫌気的な生物は酸素にさらされると酵素などが失活して成育できなくなります。人間でも酸素をきちんと処理するシステムがあるから生きていけるんですよ。
Ｑ：陽生植物と陰生植物における呼吸の違いでは、陽生植物が基質量（糖、ＮＡＤＨ）の供給により律速されるのに対し、陰生植物では生育が遅いためＡＴＰ消費量が少ないのでＡＴＰ消費量に律速されるというように、自らの生きる環境に合わせて呼吸のメカニズムそのものが異なっていることに驚きを覚えました。速い速度で育成するためには呼吸速度が大きくなることを避けられず（陽生植物）、呼吸速度を小さくすれば育成は遅くなる（陰生植物）という原理も、様々な生命体が共存していく上でよく出来ていると感心しました。耐陰性があると同時に、強光下でもよく育つ陰陽生植物（アジサイ、クチナシ等）に関しては、やはり基質量の供給により呼吸速度は律速されているのでしょうか？
また、シアン耐性植物、アンカップリングプロテインの発熱効果では、過剰なエメルギーを発熱して解消することが植物の体温維持のためにも役立つというのが興味深かったです。植物が体温を維持しているというのは特に新鮮でした。
前回、今回の授業を通して強く感じることは、エネルギーはただあればいいというものではなく、過剰に存在すればネガティブな作用を引き起こすものであって、生命にとっては何事も適量というのが決められているのだということです。動物も過剰なエネルギー摂取により肥満や病気を引き起こしてしまいますが、動物にはどのような過剰なエネルギー消去器官が存在するのでしょうか？
最後に、今回の授業からは具体的なグラフ等のデータを用いた授業でしたが、データを見比べながら理解できるので解りやすく面白かったです。ただ個人的にはこのような形式の授業に慣れていないため、やや授業の進度が早く感じました。
Ａ：強光下でも育つと「同時に」耐陰性も持つというのは難しいと思いますが、光が強いときには陽生殖物のように順化し、弱いときには陰生殖物のようになることは可能だと思います。ただし、そのような可塑性を持つこと自体、コストがかかる（つまり別な面で損をする）ことは覚悟しなければなりません。授業中に話したアンカップリングプロテインは元々動物で見つかっていたものですから、エネルギーを無駄遣いするシステムは動物にもあることになります。
Ｑ：前半の光エネルギー消去についてはよく分かりました。でも後半の実験データにもとずいた講義は、さらさらと説明されてしまったので、そのときは理解したのですがその後何を理解したのか分からなくなってしまいました。講義の中で実験の説明を入れる事は興味を刺激されるので今後も続けて欲しいです。で、要望なのですが、もっと簡単で、データ量の少ない、しかし本質的な実験があればそれを取り上げて欲しいです。もともとこの授業のレベルは高めになっているので無茶な注文だとは思うのですがよろしくお願いします。
Ａ：うーむ。簡単で、データ量が少なくて、本質的な実験ですか。おそらく世の中の研究者はみんな、そんな実験をしたいなあと常に思っているけれども、その夢が叶えられるのは、１０年に１度あったらいい方でしょうね。授業の中で、Mitchel の化学浸透説を実験的に証明したJagendorf の acid-base transition に触れたと思いますが、これなどは、その数少ない例だと思います。
Ｑ：今回の講義で印象に残ったのは、先生が実験から得られたデータを基に、そこから論理的な推論・推察を展開し、それを説明されたことです。CO2発生速度（呼吸速度）の律速要素について、考えられる3つの要素；基質量、酵素の反応速度、ATPの必要量、のうち、どれが最も強い律速要素であるか、を決定する際のロジックです。4年生になり、卒業研究などを行っていくことになるのですが、このようなロジックを働かせる必要になってくると思うので、とても参考になります。ここで、Spinachの場合は基質量が律速要因になっているということはわかったのですが、Alocasiaの律速要因がATPの必要量であるということがどのように導き出されるか、ということがよく理解できませんでした。
このことは、2枚目のプリントにあるチャートグラフから理解できることで考えてよいのでしょうか？陽生植物は、昼間に糖を蓄え、夜に消費する。つまり、蓄えられた糖（基質量）によって、呼吸速度が律速されている。陰生植物は、そのような作用はなく、光合成を行うと共に光化学系を介して呼吸をおこなっているため、ATPの量が律速要因となっている、とかんがえてよいのでしょうか？ちなみに、他の部分は理解できました。
Ａ：上の方に述べましたが、陰生殖物の呼吸がATP需要で律速されている、ということは消去法によって導いただけで、実験的にはちゃんと証明していません（つまり、図だけを見てロジックがわからなかったと言うことは、むしろきちんと理解していることの証拠ですね）。「光化学系を介して呼吸をおこなっている」というのは不正確な表現です。光化学系の産物が呼吸の基質となりうる、ということですので、強いて言えば光合成が糖を介して呼吸と相互関係を持っていると言うところでしょうか。