生物学基礎 第６回 タンパク質の生合成と タンパク質のはたらき 和田 勝 東京医科歯科大学教養部 DNAの構造 DNAからタンパク質へ セントラルドグマ 遺伝の暗号 T １ 番 目 の 塩 基 C A G T Phe 2番目の塩基 C A Ser Tyr G Cys Phe Ser Tyr Cys Leu Ser Stop Stop Leu Ser Stop Leu Pro His Trp Arg Leu Pro His Arg Leu Pro Gln Arg Leu Pro Gln Arg Ile Thr Asn Ser Ile Thr Asn Ser Ile Thr Lys Arg Met Val Thr Lys Arg Ala Asp Gly Val Ala Asp Gly Val Ala Glu Gly Val Ala Glu Gly T C A G T C A G T C A G T C A G ３ 番 目 の 塩 基 転写の過程 一つの遺伝子は一本のポリペプチド 鎖をコードしているのだから始まりと 終わりがあり、これに対応する開始コ ドンと終止コドンがある。 DNAには開始コドンから終止コドンま で一まとまりのセンテンスが、カセット テープに複数の曲が録音されている ように、線状に並んでいる。 転写の過程 それでは必要な遺伝子の情報の読み 出し、すなわち頭出しをどのようにして おこなっているのだろうか。 テープの頭出しって、結構面倒、細胞 はそれをどうやっているのだろうか。 でもその前にRNAについて。 RNA RNAはリボ核酸の略で、DNAと次の3 つの点が異なる。 ●DNAでは五炭糖がデオキシリボース だが、RNAではリボースである。 ●塩基の４種類がTACGではなく、 UACGである。 ●二重ラセン構造を取らず、一本鎖の ままである。 RNA ●DNAでは五炭糖がデオキシリボース だが、RNAではリボースである。 ●塩基がチミン（T）ではなく、ウラシル （U）である。 RNAポリメラーゼ 転写は酵素であるRNAポリメラーゼに よって触媒 RNAポリメラーゼ RNAポリメラーゼは、DNAの二重ラセ ンをほどきながら、二本鎖のうち鋳型 となる鎖の塩基の配列を読んで、これ と相補的な塩基をもったヌクレオチド を取り込み結合していく RNAの鎖の伸長は必ず５’→３’の方 向 転写の過程 (5') ATGGAATTCTCGCTC(3')（コード鎖、sense strand） (3') TACCTTAAGAGCGAG(5')（鋳型鎖、antisense strand） (5‘) AUGGAAUUCUCGCUC(3’)（転写された一本鎖RNA） RNAの鎖の伸長は必ず５’→３’の方 向 転写（頭だし）の過程 DNAの塩基配列にはアミノ酸配列をコ ードしている領域と、転写の調節に関 与する領域がある。 開始コドン（ATG）のすぐ上流にプロモ ーターと呼ばれている領域がある。 真核生物では、プロモーター領域に TATAAAという配列が共通して存在す る（開始コドン上流30塩基を中心）。 転写（頭だし）の過程 この領域をTATA boxとか ホグネス配列とか呼ぶ。 TATA boxに転写因子（タ ンパク質）が結合。 これを目印にRNAポリメラ ーゼ（やその他の転写因 子）が結合。 転写の方向 プロモーターはRNAポリメラーゼの着 地点であるとともに、この酵素がDNA 上を滑っていく方向も規定する。 したがって、二本鎖のうちのどちらが 鋳型鎖になるかは、プロモーターの配 置によって決まる。 mRNAのプロセシング 大事な用語は エクソンとイン トロン。エクソ ンは情報領域 でイントロンは 非情報領域。 イントロンを切 り取ってエクソ ンだけをつな ぎ合わせること をスプライシン グという。 実例（ヒトβグロビン遺伝子） CCCTGTGGAGCCACACCCTAGGGTTGGCCAATCTACTCCCAGGAGCAGGGA GGGCAGGAGCCAGGGCTGGGCATAAAAGTCAGGGCAGAGCCATCTATTGCT TACATTTGCTTCTGACACAACTGTGTTCACTAGCAACCTCAAACAGACACC ATGGTGCACCTGACTCCTGAGGAGAAGTCTGCCGTTACTGCCCTGTGGGGC AAGGTGAACGTGGATGAAGTTGGTGGTGAGGCCCTGGGCAGGTTGGTATCA AGGTTACAAGACAGGTTTAAGGAGACCAATAGAAACTGGGCATGTGGAGAC AGAGAAGACTCTTGGGTTTCTGATAGGCACTGACTCTCTCTGCCTATTGGT CTATTTTCCCACCCTTAGGCTGCTGGTGGTCTACCCTTGGACCCAGAGGTT CTTTGAGTCCTTTGGGGATCTGTCCACTCCTGATGCTGTTATGGGCAACCC TAAGGTGAAGGCTCATGGCAAGAAAGTGCTCGGTGCCTTTAGTGATGGCCT GGCTCACCTGGACAACCTCAAGGGCACCTTTGCCACACTGAGTGAGCTGCA CTGTGACAAGCTGCACGTGGATCCTGAGAACTTCAGGGTGAGTCTATGGGA CCCTTGATGTTTTCTTTCCCCTTCTTTTCTATGGTTAAGTTCATGTCATAG GAAGGGGAGAAGTAACAGGGTACAGTTTAGAATGGGAAACAGACGAATGAT TGCATCAGTGTGGAAGTCTCAGGATCGTTTTAGTTTCTTTTATTTGCTGTT CATAACAATTGTTTTCTTTTGTTTAATTCTTGCTTTCTTTTTTTTTCTTCT CCGCAATTTTTACTATTATACTTAATGCCTTAACATTGTGTATAACAAAAG GAAATATCTCTGAGATACATTAAGTAACTTAAAAAAAAACTTTACACAGTC TGCCTAGTACATTACTATTTGGAATATATGTGTGCTTATTTGCATATTCAT AATCTCCCTACTTTATTTTCTTTTATTTTTAATTGATACATAATCATTATA CATATTTATGGGTTAAAGTGTAATGTTTTAATATGTGTACACATATTGACC AAATCAGGGTAATTTTGCATTTGTAATTTTAAAAAATGCTTTCTTCTTTTA ATATACTTTTTTGTTTATCTTATTTCTAATACTTTCCCTAATCTCTTTCTT TCAGGGCAATAATGATACAATGTATCATGCCTCTTTGCACCATTCTAAAGA ATAACAGTGATAATTTCTGGGTTAAGGCAATAGCAATATTTCTGCATATAA ATATTTCTGCATATAAATTGTAACTGATGTAAGAGGTTTCATATTGCTAAT AGCAGCTACAATCCAGCTACCATTCTGCTTTTATTTTATGGTTGGGATAAG GCTGGATTATTCTGAGTCCAAGCTAGGCCCTTTTGCTAATCATGTTCATAC CTCTTATCTTCCTCCCACAGCTCCTGGGCAACGTGCTGGTCTGTGTGCTGG CCCATCACTTTGGCAAAGAATTCACCCCACCAGTGCAGGCTGCCTATCAGA AAGTGGTGGCTGGTGTGGCTAATGCCCTGGCCCACAAGTATCACTAAGCTC GCTTTCTTGCTGTCCAATTTCTATTAAAGGTTCCTTTGTTCCCTAAGTCCA ACTACTAAACTGGGGGATATTATGAAGGGCCTTGAGCATCTGGATTCTGCC TAATAAAAAACATTTATTTTCATTGCAATGATGTATTTAAATTATTTCTGA ATATTTTACTAAAAAGGGAATGTGGGAGGTCAGTGCATTTAAAACATAAAG AAATGAAGAGCTAGTTCAAACCTTGGGAAAATACACTATATCTTAAACTCC ATGAAAGAAGGTGAGGCTGCAAACAGCTAATGCACATTGGCAACAGCCCTG ATGCCTATGCCTTATTCATCCCTCAGAAAAGGATTCAAGTAGAGGCTTGAT TTGGAGGTTAAAGTTTTGCTATGCTGTATTTTACATTACTTATTGTTTTAG CTGTCCTCATGAATGTCTTTTCACTACCCATTTGCTTATCCTGCATCTCTC AGCCTTGACTCCACTCAGTTCTCTTGCTTAGAGATACCACCTTTCCCCTGA AGTGTTCCTTCCATGTTTTACGGCGAGATGGTTTCTCCTCGCCTGGCCACT CAGCCTTAGTTGTCTCTGTTGTCTTATAGAGGTCTACTTGAAGAAGGAAAA ACAGGG GGCATGGTTTGACT…… 実例（ヒトβグロビン遺伝子） 核膜孔からサイトゾールへ 転写の調節 すべての情報がいつの転写されて、タ ンパク質ができるなるわけではない。 転写の量的な調節がおこることが多 い。 そのため、同じ遺伝子組成の生物で も、置かれた環境によって表現型に量 的な変異があらわれる（環境変異、彷 徨変異）。これは遺伝子突然変異とは 異なり、遺伝はしない。 リボソーム リボソームがタンパク質の合成の場 リボソームは、塩基語からアミノ酸語 への翻訳機 tRNAの構造 クリックの予想したアダプターの実体 はtRNAであった。アダプターとして機 能するためには、コドン認識部位とア ミノ酸連結部位 が必要。 クローバ型モデル tRNAの構造 実際の形は、下の図のようなL字型 をしていて、右端にアミノ酸を結合、 下端にアンチコドン。 tRNAの構造 3‘末端は CCAで、A にアミノ 酸が結合 アンチコド ン部は規 則的な3 段構造。 tRNAにアミノ酸を付加 リボソームの模式図 翻訳の開始 mRNA ＋ リボソーム小顆粒 リボソーム大顆粒 メチオニンtRNA （P部位に座る） 隣席のA部位に対応するアミノアシル ｔRNAが座り、翻訳開始 ペプチドの伸長 翻訳の終了 リボソームが終止コドンまでくると、 終止因子と呼ぶタンパク質分子がこ のコドンを認識してA部位に座る。 翻訳は停止し、完成したポリペプチド 鎖が切り離され、mRNA、大小のリボ ソーム顆粒、ｔRNAがバラバラになる。 合成されたタンパク質の行方 遺伝の本体 遺伝子型 （genotype） DNA → 表現型 （phenotype） → タンパク質 DNAからタンパク質へ DNAの５’→３’の並び方 アミノ酸のN末端からC末端への並び方 《ただし3つの塩基（コドン）が １つのアミノ酸を指定》 DNAからタンパク質へ こうして、染色体を構成しているタンパ ク質とDNAのうち、DNAに遺伝情報が 書き込まれていることが明確になった。 ３つの塩基の組み合わせ（コドン）がア ミノ酸を指定（コード）している。 塩基が変わればコードするアミノ酸が 変わり、タンパク質が機能を失うことが ある。これが突然変異。 タンパク質のはたらき 種類 役割 例 構造タンパク質 支持 コラーゲンやエラスティンのよ うに組織の形を保つ。ケラチン のように毛髪や爪をつくる 貯蔵タンパク質 アミノ酸の貯蔵 卵白のオボアルブミンやミルク タンパク質のカゼイン 運搬タンパク質 物質の運搬 ヘモグロビンは酸素を運搬 ホルモンタンパク 質 ホルモンとして生体の調 節 インシュリンのようにホルモン としてはたらく 受容体タンパク質 信号分子を受取る ホルモンなどの信号分子と結合 して信号を細胞に伝える 収縮タンパク質 細胞運動 アクチンとミオシンは筋収縮を になうタンパク質 防御タンパク質 病気から生体を防御 抗体は細菌やウイルスに対抗す る 酵素タンパク質 化学反応を選択的に促進 消化酵素は食物を分解。細胞内 のあらゆる化学反応を触媒する αグロビンの構造 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 Val Leu Ser Pro Ala Asp Lys Thr Asn Val Lys Ala Ala Trp Gly 15 16 Lys Val Gly Ala His Ala Gly Glu Tyr Gly Ala Glu Ala Leu Glu 30 31 Arg Met Phe Leu Ser Phe Pro Thr Thr Lys Thr Tyr Phe Pro His 45 46 Phe Asp Leu Ser His Gly Ser Ala Gln Val Lys Gly His Gly Lys 60 61 Lys Val Ala Asp Ala Leu Thr Asn Ala Val Ala His Val Asp Asp 76 Met Pro Asn Ala Leu Ser Ala Leu Ser Asp Leu His Ala His Lys 75 90 91 Leu Arg Val Asp Pro Val Asn Phe Lys Leu Leu Ser His Cys Leu 105 106 Leu Val Thr Leu Ala Ala His Leu Pro Ala Glu Phe Thr Pro Ala 120 121 Val His Ala Ser Leu Asp Lys Phe Leu Ala Ser Val Ser Thr Val 135 136 Leu Thr Ser Lys Tyr Arg βグロビンの構造 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 Val His Leu Thr Pro Glu Glu Lys Ser Ala Val Thr Ala Leu Trp 15 16 Gly Lys Val Asn Val Asp Glu Val Gly Gly Glu Ala Leu Gly Arg 30 31 Leu Leu Val Val Tyr Pro Trp Thr Gln Arg Phe Phe Glu Ser Phe 45 46 Gly Asp Leu Ser Thr Pro Asp Ala Val Met Gly Asn Pro Lys Val 60 61 Lys Ala His Gly Lys Lys Val Leu Gly Ala Phe Ser Asp Gly Leu 75 76 Ala His Leu Asp Asn Leu Lys Gly Thr Phe Ala Thr Leu Ser Glu 90 91 Leu His Cys Asp Lys Leu His Val Asp Pro Glu Asn Phe Arg Leu 105 106 Leu Gly Asn Val Leu Val Cys Val Leu Ala His His Phe Gly Lys 120 121 Glu Phe Thr Pro Pro Val Gln Ala Ala Tyr Gln Lys Val Val Ala 135 136 Gly Val Ala Asn Ala Leu Ala His Lys Tyr His βグロビンの二次構造 βグロビンの58から74番目のアミノ 酸がαヘリックスを形成 Pro Lys Val Lys Ala His Gly Lys Lys Val Leu Gly Ala Phe Ser Asp Gly βグロビンの三次構造 βグロビンの三次構造 ヘモグロビン ヘモグロビンはαグロビン２個とβグ ロビン２個のテトラマー（α2β2） ヘモグロビンの変異 たくさんのヘモグロビンの変異が見 つかっている。 たとえば、1番目のアミノ酸のバリン がアラニンに変わってしまったHb Raleighという variantでは、酸素との 親和性が低下する。 このアミノ酸の変化は遺伝子の第１ コドンGTGがGCGに変わったため ヘモグロビンの変異 ヘモグロビンの変異でもっとも有名な のは鎌形赤血球ではないだろうか。 鎌形赤血球貧血（sickle cell anemia） は、主として西アフリカの原住民に認 められる病気で、腹痛や関節痛、ある いは骨の痛みを伴う貧血症である。 赤血球が平たい円形ではなく、鎌の ような形をしているため、この名に。 鎌形赤血球貧血 家系調査をした結果、この 病気は劣性のホモのときに 発病する遺伝性の疾患で ある予想され、さらに詳細 な調査によってメンデル型 の一遺伝子雑種の遺伝様 式で遺伝することが確認さ れた。 ポーリングの実験 ポーリングは低酸素のときに赤血球 が鎌形になるのはヘモグロビン分子 の性状の違いに起因するに違いな いと推測。 患者のヘモグロビン分子（HbS）と健 常者のヘモグロビン分子（HbA）をゲ ル電気泳動法で調べた。 ポーリングの実験 HbSとHbAの泳動像から、HbSでは２ ないし４個、正の電荷を多く持ってい ると推定した。 分子病 鎌形赤血球という病気の病因が、ヘ モグロビン分子のわずかな電荷の違 いによるものであることわかった。 分子の違いによる病気ということで 分子病（molecular disease）という言 葉ができ、この分野の研究を大いに 刺激した。 イングラムの実験 鎌形赤血球貧血 イングラムは、電荷の違いが１つの スポットにあることを明らかにする。 さらに１～８番目の断片（８番目のア ミノ酸はリシンLysである）の６番目の アミノ酸が、HbAではグルタミン酸Glu なのにHbSではバリンValであること を明らかにする。 鎌形赤血球貧血の病因が、わずか1 個のアミノ酸の違いに帰着。 ＨｂＳだとどうして貧血に？ タンパク質は極性アミノ酸をなるべく 表面に、非極性アミノ酸を分子内に しまいこむような構造をとって安定。 βグロビン ＨｂＳだとどうして貧血に？ ６番目のグルタミン酸（極性）がバリン （非極性）に。 右図では白で 示してある ＨｂＳだとどうして貧血に？ その結果、水の中では他の疎水性の アミノ酸分子と会合しやすくる。 ＨｂＳだとどうして貧血に？ こうしてHbS分子は重合して繊維状に なり、沈殿を作ってしまう。赤血球の中 に繊維ができてしまうため、赤血球の 性質を大きく変えてしまう。 ＨｂＳの遺伝子 6番目のグルタミン酸がバリンに代わ ったのは、βグロビンをコードしている 遺伝子に突然変異がおこったから。 1 2 3 4 5 6 7 8 ATG/GTG/CAC/CTG/ACT/CCT/GAG/GAG/AAG/ Val - His - Leu - Thr - Pro - Glu - Glu - Lys ATG/GTG/CAC/CTG/ACT/CCT/GTG/GAG/AAG/ Val - His - Leu - Thr - Pro - Val - Glu - Lys このような突然変異をミスセンス突然変異という。 ＨｂＳの遺伝子 この遺伝子はどこにあるのだろうか。 ヒト染色体の核型分析 染色体の各部の名前 これは体細胞分裂中期 の染色体 Ｐ腕 セントロメア（＋キネトコア） Ｑ腕 番地が決まっている ＨｂＳの遺伝子 αグロビンは16ｐ13.3（第16染色体の P腕の13領域の３）、βグロビン遺伝 子は11p15.5（第11染色体のP腕の15 領域の５）にある。 ヘモグロビンというタンパク質は、２種 類４本のポリペプチド鎖からなり、それ ぞれのペプチド鎖は別の遺伝子にコ ードされていることがわかる。 ＨｂＳの遺伝子 鎌型赤血球貧血症患者もしくは保因者 では、11番目の染色体の、このβグロ ビン遺伝子に変異があるのである。 しかも塩基が一つ異なるだけの変異な のである。 発病するのは相同染色体両方に変異 がある場合（ホモ）で、片方が正常でヘ テロだと保因者。 その他の例（酵素トリプシン） ジスルフィド結合(S-S結合）で三次元構 造を保つ 酵素トリプシン 基質 結合 ポケット 酵素トリプシン 活性中 心 ペプチ ド結合 を切る ナイフ の役目 酵素の性質 結合部位ポケットのかたちで基質特異 性が生まれる。 基質が結合部位ポケットに捕捉されて、 活性中心と作用を受ける部位が近づく ことにより作用する。 熱運動による衝突のチャンスと不安定 さのバランスで最適温度が決まる。 タンパク質の働きで、、、 こうして、設計図とおりに作られた各種 のタンパク質が働いて細胞が生きてい る。 この講義では、ここまでの基本的な枠 組みを理解してもらいたかった。 理解できたかしら？ これから、、、 専門科目群 生化学 生理学 免疫学 発生学 薬理学 解剖学・ 病理学 組織学 個体と多様性の生物学 生物学特論B 生物学基礎
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