東京慈恵会医科大学
医学部 生物
2024年度 解答・解説

問1：アロステリック酵素。要確認活性部位（基質が結合する場所）とは別のアロステリック部位に調節物質（ここでは ADP・AMP・ATP）が結合すると、立体構造が変わって活性が変わる酵素を、アロステリック酵素といいます。

問2：ATPによる抑制の意義。要確認ATP は、解糖系・クエン酸回路・電子伝達系でつくられる、細胞のエネルギー通貨です。ATP が多いのは、細胞のエネルギーが足りている状態。このときホスホフルクトキナーゼ（解糖系の入口に近い酵素）が抑えられると、グルコースの分解が止まり、呼吸全体のATP産生が減ります。逆に ADP や AMP が多いと活性化されて、ATP を増やします。つまり、ATP の濃度に応じて、呼吸全体の速さが調節され、グルコースの無駄な消費を防いでいる（フィードバック調節）。

問3：発酵が呼吸の10％以下しかエネルギーを取り出せない理由。要確認ATP の数は、発酵（反応3）が 2 分子、呼吸（反応4）が 38 分子で、$2\div38\approx5\%$。理由は、反応3の生成物のエタノールが有機物で、まだ燃やして（酸化して）エネルギーを取り出せるほど多くの化学エネルギーをもっているのに対し、反応4の生成物の二酸化炭素と水は、これ以上酸化できない最終産物で、エネルギーを取り出し切った状態だからです。

問4：酵母抽出液の実験。要確認「煮沸した抽出液で再活性化した」「同量の水では再活性化しない」という2つの事実から、順に消していきます。

残るのは、グルコースと同様に発酵で消費され（リン酸化に使われ）、再生されないリン酸。それで「リン酸であることがわかった」という流れです。

問5：ハーディ・ワインベルグ。$p=0.6$、$q=1-p=0.4$、人口は 20,000 人です。「強い人」は $nn$、「弱い人」は $nd$、「きわめて弱い人」は $dd$。

合計は $7200+9600+3200=20000$ 人です。

問6：四量体の組合せ。四量体は、2つのタンパク質でできた二量体が2個集まったもので、4か所の位置は固定されています。「弱い人」は、4か所のそれぞれに N か D が入るので、$2^4=16$ 通り（ア）。このうち、「強い人」と同じ（全部 N）は 1 通り（イ）、「きわめて弱い人」と同じ（全部 D）も 1 通り（ウ）。

二量体は2個（位置1・2と、位置3・4）。D を含む二量体は不活性型として働きます。活性が 25％になるのは、NN の二量体が1個と、D を含む二量体が1個の組合せで、$1\times3+3\times1=6$ 通り（エ）。両方が D を含む組合せは $3\times3=9$ 通りで活性 0％、両方が NN は 1 通りで 100％です。

問1：用語。要確認末梢神経は、感覚神経・運動神経を含む体性神経系（ア）と、交感神経・副交感神経を含む自律神経系（イ）に分けられます。脊髄から出入りする2本の束のうち、運動神経は腹根（ウ）、感覚神経は背根（エ）を通ります（ベル・マジャンディーの法則）。脊髄を通らずに脳に入る感覚神経は、光の受容器の視細胞（オ）と、嗅上皮の嗅細胞（カ）です。

問2：交感神経が優位なときの現象。要確認交感神経は、興奮・緊張のときにはたらきます。瞳孔の拡大（a）、血圧の上昇（b）、心拍数の増加（e）が当てはまります。気管支の収縮（c）、排尿の促進（d）、胃の動き（ぜん動）の促進（f）は、副交感神経が優位なときの現象です。答えは a，b，e。

問3：手順を誤った標本。要確認正しい手順は、B点で糸を結んで固定してからA点で切断するものでした。手順を誤り、A点で縛ってB点で切断した標本では、電気刺激に対してほぼ平らな記録（線4）、つまり活動電位が記録されませんでした。理由として書くのは、「神経に傷害が加わって細胞膜が壊れ、イオンが自由に出入りして静止電位を保てなくなったため、活動電位が発生・伝導しない」という内容です。ただし、これは図のA・Bの位置関係の読み取りに依存します（標本として残す側の神経がどのように扱われたか）。冊子の図で、残した神経のどの部分が傷害を受けたかを確かめてから書いてください。

問4：筋肉が収縮しなかった理由。要確認測定2では、電極FとGの中間で神経束を新たに木綿糸でしばりました。しばった部分では細胞膜が傷ついて、活動電位が伝導できません。すると、興奮が神経の末端（筋肉との接合部）に届かず、筋肉を収縮させるシグナルが伝わらなかったのです。電極E−G の記録が、最初の下向きの波だけになる（線3）ことも同じ理由です。

問5：伝導速度。電極E と F の距離は 2 cm。線1（電極E）の波が始まるのは 1.0 ミリ秒、線2（電極F）の波が始まるのは 1.5 ミリ秒なので、2 cm を 0.5 ミリ秒で伝わっています。

確認：電極DからEまでは 4 cm で、$4\div4=1.0$ ミリ秒。刺激の1.0 ミリ秒後に波が始まるという線1とも合います。また、E−G（4 cm）では 1.0 ミリ秒の差になるので、線1の下向きの波と上向きの波がぴったり並ぶ形になります。

問6：電極Eで刺激したときの C−D の波形。Eで活動電位を起こすと、興奮は両方向に伝わります。D（ED＝4 cm）には $4\div4=1.0$ ミリ秒、C（さらに CD＝4 cm）には 2.0 ミリ秒で届きます。電極Dを基準にしたCの電位は、先に D が興奮するので、まず上向き（正）の波、あとから下向き（負）の波になります。線1（E−G）は、先に E が興奮するので、下向き→上向きでした。つまり、線1を上下反転した形です。

問1：中胚葉由来の器官。要確認中胚葉からは、腎臓（ウ）・心臓（エ）・骨格筋（オ）ができます。肺は内胚葉由来、網膜は外胚葉（神経管由来）です。答えは ウ，エ，オ。

問2：実験1と2から。要確認実験1では、肢芽の間充織の細胞が細胞死で消失します。実験2で、指間領域の表皮を除去すると、その下の間充織細胞は細胞死を起こしませんでした。つまり、指間領域の間充織の細胞死には、その上の表皮が必要（表皮から細胞死を引き起こす信号が出ている）と言えます。

問3：DNA複製の時期。日数を時間に直して、時間軸に並べます。孵卵開始からの日数で、細胞死のはじまりは $7\frac13$ 日（7日8時間）。薬品Aが効いたのは、8時間ずつの区間のうち $6\frac13$ 日〜$6\frac23$ 日（6日8時間〜6日16時間）の1区間だけです。この間にDNAを複製している細胞が、薬品Aを取り込んで転写パターンが変わり、細胞死が抑制されたと考えられます。

答えは「16」「24」（順不同）です。細胞死開始時を基準にして、16時間前〜24時間前の間にDNA複製を行っています。

問4：細胞死の機構。要確認実験2〜4を、「いつ運命が決まるか」でつなぎます。

以上から、指間領域の細胞は、表皮の影響下で、細胞死の16〜24時間前（6日8時間〜16時間ごろ）のDNA複製を伴う転写の変化によって、細胞死が運命づけられる。そしてその後は、表皮がなくても、決まった時刻に細胞死が進む、と考えられます。

問5：アヒルとニワトリ。要確認アヒルは水中で泳ぐ水鳥で、後肢の指の間に水かきが必要です。指間の細胞死が起こらず膜が残ることで、水をかく面積が大きくなります。ニワトリは地上を歩く鳥で、指が分かれている方が、地面をつかんで歩くのに有利です。

問6：アポトーシスが周辺を傷つけにくい理由。要確認アポトーシスでは、細胞が縮小して、小さな断片（アポトーシス小体）に分かれ、細胞膜に包まれたまま食細胞に取り込まれて処理されます。細胞の内容物（酵素など）が周囲に漏れ出ないので、周辺の細胞に損傷を与えにくいのです。ネクローシスは、細胞が膨らんで破裂し、内容物が漏れて周囲を傷つけます。

問7：落葉。要確認落葉は、葉柄の付け根にできる特別な細胞層離層（A）の細胞壁が酵素で分解されて起こります。この過程は、植物ホルモンのエチレン（B）で促進され、オーキシン（C）で抑制されます。

問8：ほかの例。要確認たとえば道管の形成。道管の細胞は、プログラム細胞死で内容物が失われ、細胞壁だけが残って中空の管になります。（病原体が感染した部分が自ら死んで感染を広げない過敏感反応でも可。）

問9①：照葉樹林。要確認日本の照葉樹林（暖温帯）には、スダジイ（エ）などが分布し、クチクラ層の厚い葉（オ）をつける常緑広葉樹が多く見られます。ブナ・冷温帯は夏緑樹林、ハイマツは亜高山帯〜高山帯です。答えは エ，オ。

問9②：夏緑樹の生活形。要確認冬は低温で日照も弱く、光合成で得られる利益が小さい一方、葉を維持するのに呼吸などのコストがかかり、凍結や乾燥で葉が傷むおそれもあります。そこで、冬は落葉して葉の維持コストと凍結・乾燥の害を避け、春に新しい葉をつけて光合成をすることが、夏緑樹には有利です。

問1：空欄補充。要確認血管の外の、細胞の間にある液体は組織液（ア）。血液の液体成分は血しょう（イ）。血しょうに最も多いタンパク質はアルブミン（ウ）で、毛細血管の壁を通りにくく、組織液へ移りにくい。赤血球は、成人では骨髄（エ）の造血幹細胞からつくられ、寿命は約120日（オ）。古くなった赤血球は、脾臓（カ）や肝臓で壊されます。

問2：細胞内に多い陽イオン。要確認細胞外液は Na⁺ が多く、細胞内液はK⁺（カリウムイオン）が多い、というイオン組成の違いがあります。答えは K⁺。

問3：アルブミンと水分保持。要確認アルブミンは、分子が大きいので毛細血管の壁を通りにくく、血しょう中に高い濃度で残ります。その結果、血しょうの膠質浸透圧が組織液より高くなり、水を血管の中に引き込む（保持する）はたらきをします。アルブミンが減ると、水が組織液へ出てむくみが起こります。

問4：赤血球の形状の利点。要確認核がなく、扁平（両面がくぼんだ円盤状）の形には、利点が3つ考えられます。①表面積が体積に対して大きく、酸素の受け渡しが速い。②核がないぶん、ヘモグロビンを多く含められ、酸素を多く運べる。③変形しやすく、細い毛細血管を通り抜けやすい。このうち二つを書きます。

問5：胎児ヘモグロビンの利点。要確認胎盤での酸素濃度は約30。この濃度で酸素ヘモグロビンの割合は、成人ヘモグロビン（母体）で約40％、胎児ヘモグロビンで約80％です。つまり、同じ酸素濃度で、胎児ヘモグロビンの方が酸素と結合しやすい（酸素との親和性が高い）。母体のヘモグロビンが手放した酸素を、胎児のヘモグロビンが受け取れる、というしくみです。曲線が左にずれているほど、酸素を受け取りやすいことを、2つの値で示すのがコツです。

問6：パルスオキシメーターの限界。要確認成人ヘモグロビンの曲線は、酸素濃度が高い範囲（約70〜100）では、ほぼ水平です。肺の傷害で、血液の酸素濃度が100から70に下がっても、酸素ヘモグロビンの割合は98％から約93％にしか下がりません。つまり、初期の酸素濃度の低下では、酸素ヘモグロビンの割合（パルスオキシメーターの測定値）がほとんど変わらず、異常に気づきにくいのです。70より下がると、割合が急に低下します。