主な違い – 葉緑体 vs ミトコンドリア

葉緑体とミトコンドリアは、細胞内に存在する2つの小器官です。

葉緑体は、藻類と植物細胞だけに存在する膜結合型の小器官です。

ミトコンドリアは、真核細胞のような菌類、植物、動物に存在する。

葉緑体とミトコンドリアの主な違いはその機能で、葉緑体は光合成と呼ばれるプロセスで太陽光の助けを借りて糖を生産する役割を担っており、ミトコンドリアは細胞呼吸と呼ばれるプロセスでエネルギーを取り込むために糖を分解する細胞の発電所となっています。

この記事では、次のことを見ています。

葉緑体とは
– 構造と機能
ミトコンドリアとは
– 構造と機能
葉緑体とミトコンドリアの違いとは？

クロロプラストとは

葉緑体とは、藻類や植物の細胞に含まれるプラスチドの一種です。

光合成を行うためにクロロフィル色素を含んでいる。

葉緑体は独自のDNAで構成されています。

葉緑体の主な機能は、太陽光の助けを借りて、CO2とH2Oから有機分子であるグルコースを生産することである。

構造

葉緑体は、植物ではレンズ状の緑色色素として認識されている。

直径は3-10μm、厚さは1-3μm程度です。

植物細胞は、1細胞あたり10-100個の葉緑体を処理する。

藻類では、異なる形状の葉緑体を見ることができます。

藻類の細胞には1つの葉緑体があり、その形は網状、カップ状、リボン状のらせん状などがあります。

図1: 植物の葉緑体構造

葉緑体には3つの膜系が存在する。

葉緑体外膜、葉緑体内膜、チラコイドです。

外側葉緑体膜

葉緑体の外膜は半多孔質で、小さな分子は容易に拡散する。

しかし、大きなタンパク質は拡散することができない。

そのため、葉緑体に必要なタンパク質は、外膜にあるTOC複合体によって細胞質から輸送される。

内側葉緑体膜

葉緑体内膜は、物質の通過を調節して、間質内の環境を一定に保っている。

タンパク質はTOC複合体を通過した後、内膜のTIC複合体を介して輸送される。

ストロマは、葉緑体膜が細胞質内に突出した部分です。

葉緑体ストロマは、葉緑体の2枚の膜に囲まれた液体です。

間質には、チラコイド、葉緑体DNA、リボソーム、デンプン顆粒、多くのタンパク質が浮遊している。

葉緑体のリボソームは70Sで、葉緑体DNAがコードするタンパク質の翻訳を担っている。

葉緑体DNAは、ctDNAまたはcpDNAと呼ばれる。

葉緑体内のヌクレオイドに存在する一本の円形のDNAです。

葉緑体DNAの大きさは約120-170kbで、4-150の遺伝子と逆方向の繰り返しを含んでいる。

葉緑体DNAは、二重置換単位（D-loop）を介して複製される。

葉緑体DNAの大部分は、共生的遺伝子導入により宿主ゲノムに移行する。

葉緑体へのターゲティングシステムとして、細胞質で翻訳されるタンパク質のN末端には切断可能なトランジットペプチドが付加されている。

チラコイド

チラコイドシステムは、非常に動的な膜状の袋の集合体であるチラコイドで構成されています。

チラコイドは、光合成の光反応を担う青緑色の色素であるクロロフィルaで構成されています。

植物には、クロロフィルの他に、黄橙色のカロテノイドと赤色のフィコビリンの2種類の光合成色素が存在することがあります。

グラナは、チラコイドが一緒に配列して形成された積み重ねです。

異なるグラナは、間質チラコイドによって相互に接続されている。

C4植物と一部の藻類の葉緑体は、自由に浮遊する葉緑体から構成されています。

機能

葉緑体は、植物の葉、サボテン、茎に存在する。

クロロフィルからなる植物細胞は、クロレンシーマと呼ばれる。

葉緑体は、太陽光の有無によってその向きを変えることができる。

葉緑体は、光合成と呼ばれるプロセスで、光エネルギーを利用してCO2とH2Oを使い、ブドウ糖を生産することができます。

光合成は、光反応と暗反応の2つのステップを経て進行します。

光反応

光反応はチラコイド膜の中で起こります。

光反応では、水の分解により酸素が生成される。

また、光エネルギーは、NADP+の還元と光リン酸化によって、それぞれNADPHとATPに蓄えられる。

このように、暗反応のエネルギーキャリアは、ATPとNADPHの2つです。

図2に光反応の詳細図を示す。

図2: 光反応

ダーク・リアクション

暗反応は、カルビンサイクルとも呼ばれる。

葉緑体の間質で起こる。

カルビンサイクルは、炭素固定、還元、リブロースの再生の3つの段階を経て進行する。

カルビンサイクルの最終生成物はグリセルアルデヒド-3-リン酸であり、これが倍加してグルコースやフルクトースとなる。

また、葉緑体は、細胞内のすべてのアミノ酸と窒素塩基を自分で生産することができる。

このため、細胞質からアミノ酸や窒素塩基を輸送する必要がない。

また、葉緑体は植物の免疫反応にも関与しており、病原菌から身を守っている。

ミトコンドリアとは

ミトコンドリアは、すべての真核細胞に存在する膜結合型の小器官です。

細胞の化学的エネルギー源であるATPは、ミトコンドリアで生成される。

また、ミトコンドリアは自身のDNAをオルガネラの中に持っています。

構造

ミトコンドリアは直径0.75～3μmの豆のような構造をしている。

細胞内に存在するミトコンドリアの数は、細胞の種類、組織、生物によって異なる。

ミトコンドリアの構造には、5つの異なる構成要素が確認できる。

図4はミトコンドリアの構造です。

図4：ミトコンドリア

ミトコンドリアは内膜と外膜の2つの膜で構成されている。

ミトコンドリア外膜

ミトコンドリア外膜にはポリンと呼ばれる膜貫通タンパク質が多数存在する。

トランスロカーゼは外膜タンパク質の一つです。

トランスロカーゼが結合した大きなタンパク質の N 末端シグナル配列によって、タンパク質はミトコンドリア内に入ることができる。

ミトコンドリア外膜と小胞体が会合することで、MAM（mitochondria-associated ER-membrane）と呼ばれる構造が形成される。

MAMはカルシウムのシグナルによってミトコンドリアと小胞体の間で脂質の輸送を可能にする。

内ミトコンドリア膜

ミトコンドリア内膜は151種類以上のタンパク質で構成され、様々な機能を持つ。

ポリンはなく、内膜に存在するトランスロカーゼの一種をTIC複合体と呼んでいる。

ミトコンドリア内膜と外膜の間には膜間隙があります。

2つのミトコンドリア膜に囲まれた空間をマトリックスと呼ぶ。

マトリックスには、ミトコンドリアDNAと多数の酵素を持つリボソームが浮遊している。

ミトコンドリアDNAは円形の分子です。

DNAの大きさは約16kbで、37個の遺伝子をコードしている。

ミトコンドリアはオルガネラの中にそのDNAのコピーを2-10個持っていることがあります。

ミトコンドリアの内膜は、マトリックスにひだを形成しており、これはクリステと呼ばれる。

クリスターは内膜の表面積を増加させる。

機能

ミトコンドリアは、呼吸と呼ばれる過程で、細胞の機能に必要な化学エネルギーをATPという形で生産している。

この呼吸に関与する反応を総称してクエン酸サイクルまたはクレブスサイクルと呼ぶ。

クエン酸サイクルは、ミトコンドリアの内膜で行われる。

細胞質で生成されたピルビン酸とNADHを、酸素の助けを借りて酸化する。

図5：クエン酸サイクル

NADHとFADH2は、クエン酸サイクルで生成される酸化還元エネルギーの運搬体です。

NADHとFADH2は、電子伝達系を経由して、そのエネルギーを酸素に変換する。

この過程を酸化的リン酸化という。

酸化的リン酸化から放出されたプロトンは、ATP合成酵素によってADPからATPが生成される際に使われます。

図6に電子伝達連鎖の図を示す。

生成されたATPはポリンを使って膜を通過する。

ミトコンドリア内膜の機能

酸化的リン酸化の実行
ATPの合成
輸送タンパク質を保持し、物質の通過を制御する
輸送のためのTIC複合体を保持する
ミトコンドリアの分裂・融合に関与する

ミトコンドリアのその他の機能

細胞内の代謝を調節する
ステロイドの合成
細胞内のシグナル伝達のためのカルシウムの貯蔵
膜電位調節
シグナル伝達に利用される活性酸素種
ヘム合成経路でのポルフィリン合成
ホルモンシグナル伝達
アポトーシスの制御

葉緑体とミトコンドリアの違い

細胞の種類

葉緑体。

植物や藻類の細胞に含まれる。

ミトコンドリア。

ミトコンドリアは、すべての好気性真核生物細胞に存在する。

カラー

葉緑体。

葉緑体の色は緑色です。

ミトコンドリアミトコンドリアは通常無色です。

形状

葉緑体。

葉緑体は円盤状。

ミトコンドリアミトコンドリアは豆のような形をしている。

内膜

葉緑体。

内膜の折れ曲がりはストロミュールを形成する。

ミトコンドリア内膜の折れ曲がりはクリストフを形成する。

グラナ

葉緑体。

チラコイドが円盤状に積み重なったもので、グラナと呼ばれる。

ミトコンドリア。

クリスティはグラナを形成しない。

コンパートメント

葉緑体。

チラコイドとストロマという2つのコンパートメントが確認できる。

ミトコンドリア。

クリスターとマトリックスの2つのコンパートメントが確認できる。

顔料

葉緑体。

光合成色素としてクロロフィルやカロテノイドがチラコイド膜に存在する。

ミトコンドリアミトコンドリアには、色素は存在しない。

エネルギー変換

葉緑体。

葉緑体：太陽エネルギーをブドウ糖の化学結合に蓄える。

ミトコンドリアミトコンドリアは糖を化学エネルギーに変換し、ATPとする。

原材料と最終製品

葉緑体。

葉緑体：CO2とH2Oを使い、ブドウ糖を作る。

ミトコンドリアミトコンドリアは、ブドウ糖をCO2とH2Oに分解する。

酸素

葉緑体。

葉緑体は酸素を放出する。

ミトコンドリアミトコンドリアは酸素を消費します。

プロセス

葉緑体。

光合成と光呼吸は葉緑体で行われる。

ミトコンドリア電子輸送系、酸化的リン酸化、β酸化、光呼吸が行われる。

結論

葉緑体とミトコンドリアは、ともに膜結合型の小器官であり、エネルギー変換に関与している。

葉緑体は、光合成と呼ばれる過程で、光エネルギーをブドウ糖の化学結合に蓄える。

ミトコンドリアは、グルコースに蓄えられた光エネルギーを化学エネルギーに変換し、ATPという形で細胞内のプロセスに利用する。

このプロセスは、細胞呼吸と呼ばれています。

どちらの細胞小器官も、そのプロセスにおいてCO2とO2を利用する。

葉緑体とミトコンドリアは、その主な機能以外に、細胞の分化、シグナル伝達、細胞死にも関与している。

また、細胞の増殖や細胞周期を制御している。

両器官は、共生によって生まれたと考えられている。

また、両器官とも独自のDNAを有している。

しかし、葉緑体とミトコンドリアの主な違いは、細胞内での機能です。

2017年02月02日アクセス
2. “ミトコンドリオン”. フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』、2017年。