細胞生物学では、オルガネラは各々特定の働きを担う細胞内の構造（小器官）を指します。細胞は多様な化学反応を同時に効率よく進める必要があり、オルガネラはそれぞれの反応や機能を局在化して調節します。

オルガネラは通常、その周囲に独自の細胞膜を持っているものが多く、これによって内部環境を外部（細胞質）と区別できます。多くの小器官は細胞質内に存在しますが、核のように核膜で隔てられたものや、膜を持たないリボソームのようなものもあります。

オルガネラという名前は、これらの構造が細胞にとって、体にとっての器官のように機能するという考え方に由来しています。

真核細胞には多種類の小器官が存在します。かつては原核生物は細胞小器官を持たないと考えられていましたが、現在ではいくつかの例が見つかっており、真核生物の小器官のように膜で明確に囲まれてはいないものの、特定の機能を果たす構造体が存在することが分かっています。これはバクテリア・マイクロコンプレメントと呼ばれるものの一例です。

オルガネラの主な役割

  • エネルギー代謝（例：ミトコンドリアでのATP産生、葉緑体での光合成）
  • 遺伝情報の保存と転写・翻訳（核、リボソーム）
  • タンパク質の合成、修飾、輸送（粗面小胞体、滑面小胞体、ゴルジ体）
  • 不要物の分解やリサイクル（リソソーム、オートファゴソーム、ペルオキシソーム）
  • 細胞骨格による形状維持や輸送、分裂（微小管、アクチンフィラメントなど）
  • 貯蔵や隔離（液胞、脂肪滴など）

代表的なオルガネラと特徴

  • 核（nucleus）：遺伝情報（DNA）を格納し、転写やDNA修復が行われる。核膜で細胞質と隔てられる。
  • ミトコンドリア：好気的呼吸でATPを作る「細胞の発電所」。独自のDNAと二重膜を持ち、古細菌や細菌との共生（エンドシンビオント説）が示唆される。
  • 葉緑体（植物・藻類）：光合成を行い有機物と酸素を生成。二重膜とチラコイド膜を持ち、独自のDNAを有する。
  • 小胞体（ER）：粗面小胞体はリボソームが付着しタンパク質合成の場、滑面小胞体は脂質合成やカルシウム貯蔵を担う。
  • ゴルジ体：タンパク質や脂質の修飾・仕分け・輸送を行い、分泌や膜タンパク質の配列を制御する。
  • リソソーム：加水分解酵素を含み、不要な分子や細胞小器官の分解を行う。酸性の環境で働く。
  • ペルオキシソーム：過酸化水素などの有害物質の分解や脂肪酸の代謝を行う。
  • リボソーム：タンパク質合成の場。膜に囲まれていないが細胞に不可欠。
  • 液胞（植物）：貯蔵、浸透圧の調整、廃棄物の隔離などを行う大型のオルガネラ。

構造と形成のしくみ

膜結合性オルガネラは脂質二重層の膜により内部が区画化されており、膜上のタンパク質や膜輸送（小胞輸送）によって物質のやり取りが行われます。多くのタンパク質はシグナル配列（転送シークエンス）に基づき適切なオルガネラへ局在化します。

原核生物の「小器官」

原核生物は一般に膜で囲まれたオルガネラを持たないとされてきましたが、最近の研究で炭素固定を行うカルボキシソームなど、特定の化学反応を局在化するたんぱく質シェルで囲まれた構造体が見つかっています。これらは膜で囲まれてはいませんが、機能的にはオルガネラに似ています（バクテリア・マイクロコンプレメントとして研究される）。

進化的視点

ミトコンドリアや葉緑体は古い細菌が真核細胞に取り込まれ共生した結果として現れたとするエンドシンビオント説が広く支持されています。これらのオルガネラは独自のゲノムを持ち、系統や機能の理解に重要な手がかりを与えます。

観察と大きさ

オルガネラの多くは光学顕微鏡で観察できますが、より詳細な構造（膜二重層やチラコイドなど）は電子顕微鏡が必要です。大きさは種類によって大きく異なり、リボソームは数十ナノメートル、ミトコンドリアや核は数百ナノメートルから数マイクロメートルに及びます。

可塑性と細胞種特異性

オルガネラは細胞の種類や状態（分化、ストレス、栄養状態）によって形態や数が変化します。例えば、筋細胞ではミトコンドリアが多く、脂肪細胞では脂肪滴が発達します。また、オートファジーなどの機構で古くなったオルガネラが分解・リサイクルされることもあります。

まとめると、オルガネラは細胞の機能を分業化・効率化する重要な構造群であり、その構造、形成、進化、機能を理解することは生命現象全般を理解する上で不可欠です。