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高等学校範囲の生物・生物基礎の要点を体系にまとめました。概要に加えて、深い理解につながる重要語句の詳細な説明を用意しています。この範囲に限らず、生物は語句の意味の暗記と各々の現象や構造についての理解が必要です。適宜図説などをご参照ください。
今回は生物基礎のうち、高2 11月進研模試の出題範囲を扱います。
【注意】光合成と呼吸と遺伝子の範囲は生物基礎の範囲を多少超えているのでここまで難しいのは出題はされないかと思います。「植生の多様性と分布」と「細胞と分子」は選択問題です。前者は生物基礎の範囲なので一度は習っています。後者は4単位生物の範囲なので習っていません。ただ、「植生の多様性と分布」の内容は忘れているだろうし、「細胞と分子」は新しく覚えることが少なく、理解もしやすいので、個人的にどちらを選んでもあんまり変わらんのちゃうかとは思います。
生物の特徴
生物の多様性と共通性
地球の様々な環境には数千万種ともいわれる多種多様な生物が生活しています。生物の分類の基本的な単位を種といいます。交配によって生殖能力をもつ子孫を残すことができることが種の定義です。生物の形質が世代を重ねて受け継がれていく過程で変化していくことを進化といいます。そして生物の進化にもとづく類縁関係を系統といいます。これを表す図は系統樹と呼ばれています。
生物の共通性
すべての生物には次のような特徴がみられる
エネルギーと代謝
生物は体外から取り入れた物質をさまざまな化学反応により他の物質に作り変えて利用しています。これら生体内での化学反応全体を代謝といいます。代謝のうち複雑な物質を単純な物質に分解し、エネルギーを取り出す過程を異化といい、その代表的なものは呼吸です。また、単純な物質から複雑な物質を合成する過程を同化といいます。例として光合成における糖の合成があげられます。
エネルギーの通貨
一般的に、細胞内での代謝によるエネルギーのやりとりはATPと呼ばれる分子を仲立ちとして行われています。ATPはアデノシン三リン酸ともいいます。ATPは、
アデニン(塩基) — リボース(糖) ー リン酸 ー リン酸 ー リン酸
という構造をしています。このリン酸同士の結合を高エネルギーリン酸結合といい、この結合が切れてリン酸が二つになるとADP（アデノシン二リン酸）になります。この過程でエネルギーが放出されます。ちなみにアデノシンとはアデニンとリボースをまとめた言い方です。
酵素
代謝におけるさまざまな化学反応は酵素によって促進されます。酵素はおもにタンパク質でできており、DNAの遺伝情報にもとづいて細胞内で合成されています。また、それ自体は変化せず、化学反応を促進する物質を触媒といいます。生体内ではたらく触媒は生体触媒とも呼ばれます。酵素には最適温度と最適pHがあります。低温だと分子の運動が活発ではなく、高温すぎるとタンパク質が変性してしますためです。ヒトの体内の酵素はだいたい40℃が最適温度です。熱が出るのは酵素を頑張らせるためですね。
酵素が作用する相手の物質を基質といい、酵素の決まった物質としか反応しない性質を基質特異性といいます。酵素の活性部位に基質が結合し、酵素基質複合体を形成します。
呼吸と光合成
ここはかなり詳しくまとめました。進研模試対策としては、おおまかな反応系をおさえておけばいいと思います。下に乗せたのは4単位生物で学習する呼吸と光合成の内容も含んでいます。
呼吸
酸素を用いて有機物を完全に分解し、ATP合成（エネルギーを取り出す過程）を呼吸と言います。細胞質基質で行われる解答系、ミトコンドリアで行われるクエン酸回路、そして電子伝達系の３つからなります。
呼吸全体の式
- C₆H₁₂O₆＋6H₂O＋6O₂ → 6CO₂＋12H₂O＋38ATP
解糖系
細胞質基質で1分子のグルコースが２分子のピルビン酸に分解されます。この過程で2分子のATPと2分子のNADPが生じます。2分子のATPを消費してリン酸化が行われ、脱水素反応によって2NADH、脱リン酸化によって4ATPが合成されます。つまり、ATP2つとNADH2つを生産したことになります。
解糖系の式
- C₆H₁₂O₆＋6NAD⁺ → 2C₃H₆O₃＋2NADH＋2H⁺＋2ATP
クエン酸回路
2分子のピルビン酸はミトコンドリアのマトリックスに入り、脱水素反応や脱炭素反応の作用をうけながら酸化され、8分子のNADH、2分子のFADH2と6分子の二酸化炭素に分解されます。この過程で2分子のATPが合成されます。この回路反応をクエン酸回路と言います。
クエン酸回路の式（グルコース1分子あたり）
- 2C₃H₄O₃＋6H₂O＋8NAD⁺＋2FAD → 6CO₂＋8NADH＋8H⁺＋2FADH₂＋2ATP
電子伝達系
解糖系やクエン酸回路で生じたNADHやFADH2は、ミトコンドリアの内膜（クリステ）で酸化されます。この一連の過程を酸化的リン酸化と言います。
この過程で、1分子のNADHあたり3分子のATPが、1分子のFADH2あたり2分子のATPが合成され、合計34分子のATPが合成されます。呼吸全体では34ATPが合成されます。
電子伝達系の式（グルコース1分子あたり）
- 10NADH＋10H⁺＋2FADH₂＋6O₂ → 10NAD⁺＋2FAD＋12H₂O＋34ATP
光合成
同化のうち、二酸化炭素をもとに有機物を合成するはたらきを炭酸同化といいます。光合成ではクロロフィルやカロテノイドなどの光合成色素によって光エネルギーが吸収されます。葉緑体のチラコイド膜では光エネルギーが吸収され、ATPNADPHが合成されます。葉緑体のストロマでは二酸化炭素から有機物を合成する反応が行われ、この反応系をカルビンベンソン回路といいます。
光合成の全体の式
- 6CO₂＋12H₂O＋光エネルギー → C₆H₁₂O₆＋6H₂O＋6O₂
光合成色素
光合成色素の種類
光合成色素は葉緑体のチラコイドに存在し、生物の種類によって色素の種類も異なっています。ただ、主色素はどれもクロロフィルaです。
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シアノバクテリアクロロフィルaフィコシアニン フィコエリトリン
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褐藻類クロロフィルaクロロフィルc フコキサンチン
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緑藻類 陸上植物クロロフィルaクロロフィルb カロテン キサントフィル
光合成色素
色素を分離する方法として、クロマトグラフィーがあります。
吸光度
光合成色素にはさまざまなものがあるが、それぞれ吸収する光の波長が異なる。各光合成色素の光の吸収の割合をグラフにあらわしたものを吸収スペクトルといいます。また、光の波長と葉の光合成の効率の関係をあらわしたものを作用スペクトルといいます。
グラフの形がクロロフィルaに影響されていることから、クロロフィルaが多く含まれていることがわかります。
チラコイドで起こる反応
水の分解で生じた電子が電子伝達系に伝達されるときにATPを合成する過程を光リン酸化といいます。また、クロロフィルが活性化し、電子を放出する反応を光化学反応といいます。
カルビンベンソン回路
ストロマではリプロース二リン酸カルボキシラーゼ(ルビスコ)など多くの酵素群のはたらきで、チラコイドで合成されたATPやNADPHを利用して、二酸化炭素が還元されて糖が合成されます。この反応は回路反応であり、カルビンベンソン回路といいます。
遺伝子とその働き
遺伝子
染色体
染色体とは端的に言うと、遺伝情報の発言と伝達を担う生体物質です。遺伝子は染色体を通して子孫に伝わります。DNAが集まって染色体となるわけです。遺伝子・染色体・DNA、この言葉の定義を確実におさえましょう。
染色体の構造
真核生物の染色体はDNAがヒストンという円盤状のタンパク質にまきついています。これをヌクレオソームと言います。そして、これを積み重ねるとクロマチン繊維になります。染色体はこれが何重にも折りたたまれてできています。
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相同染色体1個の体細胞には形と大きさが同じ染色体が２本あります。このように対をなす染色体を相同染色体といいます。
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遺伝子座染色体の中で占める遺伝子の位置を遺伝子座といいます。
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常染色体雄雌で共通の染色体を常染色体といいます。ヒトの場合、23対の染色体のうち、22対がこれにあたります。
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性染色体雄雌で異なる染色体を性染色体といいます。ヒトの場合、46本の染色体のうち、2本がこれにあたります。
染色体いろいろ
ヌクレオソームが積み重なったものは？
- クロマチン繊維
- ヒストン
- 染色体
- DNA
減数分裂
減数分裂は体細胞分裂とは異なり、生殖細胞を形成する器官で行われます。
特徴
・2回の分裂からなり、娘細胞が4個生じます。
・第一分裂で相同染色体が対合し、二価染色体を形成します。
・第一分裂の終わりに染色体数が半減します。
過程
DNA量の変化
細胞周期
細胞の分裂が終わってから次の分裂が終わるまでの過程を細胞周期といいます。細胞周期は間期と分裂期にわかれており、間期はDNA合成準備期（G₁期）、DNA合成期（S期）、分裂準備期（G₂期）に細分されます。分裂期はM期ともいいます。細胞当たりのDNA量が増えるのはS期です。
DNA
ここでは、DNAの基礎知識をまとめました。
DNAの構造
DNAの構成単位は糖（デオキシリボース）にリン酸と塩基が結合したヌクレオチドです。
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Aアデニン Tと仲良し
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Tチミン Aと仲良し
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Gグアニン Cと仲良し
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Cシトシン Gと仲良し
塩基
このように塩基の部分でヌクレオチドが互いに水素結合しています。また、塩基の仲良しの関係を相補性といいます。
2重らせんモデル
ワトソンとクリックが1953年にDNAの構造を解明しました。DNAのこのような構造を2重らせんモデルといいます。
DNAの複製
おおまかな流れ
DNAの複製では、DNAの２本鎖がほどけて１本の鋳型となります。DNAポリメラーゼによって元の塩基配列と相補的な塩基配列をもつヌクレオチド鎖が形成されます。もとの1本鎖と新しい1本鎖が二重らせんを形成し、同じ塩基配列をもつDNAが2分子合成されます。これを半保存的複製といいます。
複製のしくみ
DNAポリメラーゼは5'→3'方向だけに鎖を合成する リーディング鎖では連続的に新しい鎖が形成される
ラギング鎖では、不連続なDNA断片である岡崎フラグメントが合成される 岡崎フラグメントはDNAリカーゼによって連結される
転写と翻訳
セントラルドグマ
DNAの塩基配列はまずRNAに置換されます。このことを転写といいます。次に、RNAの塩基配列はタンパク質のアミノ酸配列に置き換わります。この過程を翻訳といいます。これは生物が共通にもつ基本法則であり、クリックはこれをセントラルドグマと呼びました。
転写
翻訳
生物の体内環境
植生の多様性と分布
細胞と分子
細胞って何？
細胞とは生物の構造および機能の基本的単位を構成する生命体です。中には単細胞生物として単独で生命活動を営むものもいますが、多くは多細胞生物の異なる組織・器官に分化し、個体としての生命体を形成する単位となっています。
真核細胞と原核細胞
細胞は大きく2つに分類されます。それは真核細胞と原核細胞です。この2つの違いを確実におさえよう。
原核細胞
真核細胞
また、真核細胞からなる生物を真核生物、原核細胞からなる生物を原核生物といいます。
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細胞膜半透明性、選択的透過性をもつ細胞内物質の出し入れをおこなう
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核二重の核膜で包まれている内部に数個の核小体をもつ核小体ではRNAの合成がされている
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葉緑体二重膜で包まれている光合成により、二酸化炭素と水から糖を合成する
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ミトコンドリア二重膜で包まれている呼吸によりATPを生産する
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中心体２個の中心粒からなる動物細胞では細胞分裂の起点となる種子植物にはないが、藻類やシダ、コケにはある
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小胞体滑面小胞体：脂質合成の場粗面小胞体：タンパク質の輸送を行う
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ゴルジ体扁平な袋状の小胞が重なっているタンパク質を細胞外へ分泌する
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リボソームタンパク質合成の場
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リソソームリボソームよりでかい細胞内消化を行う
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細胞壁全透制を示す主成分はセルロース
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液胞細胞内の浸透圧調節に関与有機酸や無機塩類などを含む細胞液で満たされている老廃物（アントシアンなど）が蓄積される
細胞小器官
この中で唯一真核生物なのは？
- 酵母
- 大腸菌
- 高熱性細菌
- アオコ
生体膜と細胞骨格
生体膜
細胞膜や細胞小器官の膜をまとめて生体膜といいます。生体膜は、リン脂質の二重層からできています。
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頭部リン脂質の頭部はリン酸でできており、親水性である
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尾部尾部は脂肪酸でできており、疎水性である
また、一つのリン酸につき、二つの脂肪酸がくっついている
リン脂質
尾部同士がつながれており、膜の内側と外側は親水性のリン酸で構成されてます。また、その膜にはちょいちょい膜タンパク質がはさまっててホルモンやイオンを通してます。
細胞骨格
細胞内の形や細胞小器官の形を支える繊維状の構造を細胞骨格といいます。
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微小管微小のくせに一番でかい。直径25nmでαチューブリンとβチューブリンがあるαが－端、βが＋端でこの二つが鎖状に結合したのが13本集まっている繊毛とか鞭毛とかにある
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アクチンフィラメントタンパク質のアクチンからなる7mmの繊維アメーバ運動や細胞分裂時のくびれの形成、筋収縮に関与する
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中間径フィラメントあんまり言うことない直径10mmで強度があり、細胞や核の形を保つ
様々な細胞骨格
細胞間結合
膜タンパク質のよって細胞同士が結合することを細胞間結合といいます。上皮組織の場合、次の3つがあります。
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密着結合接着タンパク質同士の結合小腸の上皮細胞でみられる低分子物質も通さない かっこいい
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固定結合細胞骨格と接着タンパク質の結合伸縮性と強度を与えるカドヘリンが活躍
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ギャップ結合中空のタンパクによる結合低分子は通す
細胞間結合
読んでくれてありがとう。図説もみてイメージをつかんでね。