yes - 摂南大学p-bisei/lecture_files/biochem-iii...r（arg）arginine m（met）methionine...

生化学Ⅲ　第３回

遺伝情報を担う分子-１

今回のSBOs

遺伝子発現に関するセントラルドグマについて概説できる

染色体の構造を説明できる

生化学Ⅲ SBO-4

遺伝子発現に関するセントラルドグマについて概説できる

Central Dogma

SBO-4 課題(予習＆復習)-1

遺伝子とセントラルドグマに関連する基本的な用語の意味について確認し、ノートにまとめること。

セントラルドグマ、複製、転写、翻訳、逆転写

SBO-4 小テスト-1

セントラルドグマとは、遺伝情報がDNAからRNA、RNAからタンパク質の順で受け渡されることにより、遺伝子の機能が発揮される過程を説明する概念である。

Yes No


RNAの合成過程を示す用語はどれか。１つ選べ。

１．分裂

２．複製

３．翻訳

４．転写

５．交配


セントラルドグマに関する記述として正しいのはどれか。１つ選べ。

１．原核生物に対しては、あてはまらない概念である。

２．細胞分裂時にのみ、あてはまる概念である。

３．DNAは、生体内の様々な反応を触媒する。

４．転写時にRNAに生じた変異は、次世代に遺伝しない。

５．アミノ酸の配列情報をもとにRNAを合成する過程が知られている。

DNAと遺伝子の謎-１

DNAはどのような仕組みで子孫(娘細胞)に伝わるのか？

DNAと遺伝子の謎-２

どのような仕組みでDNAの持つ情報が細胞内の様々な分子の働きとして反映されるのか？

DNAと遺伝子の謎-３

なぜ４種類のヌクレオチド(塩基)だけで多種多様な遺伝情報を規定することができるのか？

復習・基礎生命科学 p147-151

7-1 DNAと遺伝子

２　ゲノムと遺伝子

DNA原本

永久保存版

DNAの複製

DNA原本情報の流れ

永久保存版

① DNAは永久保存

DNAはDNAを鋳型として合成される。

DNAとRNAの役割分担

細胞内の決まり

RNA＿＿＿情報の流れ

② 一方通行

DNAをもとにRNAがつくられる

DNA原本

永久保存版



DNA原本

RNAコピー情報の流れ

永久保存版使い捨て

③ RNAは使い捨て

DNAをもとにRNAがつくられる



DNA原本



例外はレトロウイルスなど

RNAをもとにDNAがつくられる

逆転写


RNAはDNAが持つ遺伝情報を細胞内の機能に置き換える媒体としての役割を持つ。


DNA原本



例外はレトロウイルスなど

RNAの役割とタンパク質合成

タンパク質は、リボソームとtRNAの働きによってmRNAの配列情報をもとに合成される。


RNAコピー

Protein情報の流れ

使い捨て使い捨て

セントラルドグマ

DNA↓複製DNA↓転写RNA↓翻訳タンパク質

Central dogma of molecular biology

分子生物学の中心原理(中心教義)。1958年、F・クリックが提唱した。

＊現在ではRNAからDNAへの逆転写が確認されている。

自己複製

細胞増殖の基本は分裂である。

染色体

複製

細胞が分裂する前に、染色体(遺伝物質：DNA)が複製される。

どうすれば同じ情報（塩基配列）を持つDNAを合成（複製）できるか？

p400 図34-4 DNAの半保存的複製

二本鎖DNAが一本鎖に分かれてから、それぞれのDNA鎖を鋳型にして新しい相補的なDNA鎖が合成される。

DNAの複製に関する３つの仮説

複製前のDNA 複製後のDNA

半保存的複製

保存的複製

分散的複製

メセルソンとスタールの実験

15Nのみを含む培地で培養した大腸菌


DNAを抽出する


遠心器


15Nのみを含むDNA

14Nのみを含むDNA

重い軽い



14Nのみを含む培地？


第一世代第二世代

14Nを含む条件で培養

14N

15N


メセルソンとスタールは、DNAが半保存的に複製されることを証明した。

DNAの複製

C G A TA T

CG

G

T

T T G

T A

DNA合成酵素は、鋳型DNAをもとにアデニンとチミン、シトシンとグアニンが必ず対になるよう新しいDNA鎖を合成する。

3' 5'

A C A

DNA合成酵素

伸長方向

5' 3'

DNAの情報をRNAに置き換える仕組み

せつなんだいがくやくがくぶ

セツナンダイガクヤクガクブ

RNAポリメラーゼは分子コピー機

RNAポリメラーゼは、DNAをもとにRNAを合成する分子装置である。

RNAの合成（転写）

C G A TA T

CG

G

U

T T G

U A

RNA合成酵素は、鋳型DNAをもとに相補的なRNA鎖を合成する。RNAではチミン(T)の代わりにウラシル(U)が使われる。

3' 5'

A C A

RNA合成酵素

伸長方向

5' 3'


ACGTGGTCAGAT...

DNAのTはRNAのUに相当する。

ACGTGGTCAGAT...TGCACCAGTCTA...

例えばDNA(原本)の文字列が

なら

ACGUGGUCAGAU...

RNA(コピー)の文字列は

となる

核酸とタンパク質

DNA(塩基配列)

mRNA(塩基配列)

タンパク質(アミノ酸配列)

Ａ遺伝子

Ａタンパク質

Ａ mRNA

Ｂ

Ｂ

Ｂ

Ｃ

Ｃ

Ｃ

DNAにコードされた遺伝情報は、mRNAに転写され、

mRNAにコードされた遺伝情報は、タンパク質の

アミノ酸配列に翻訳される。


核酸タンパク質

DNA ４種類の塩基(ACGT）20種類のアミノ酸Ala, Arg, Asp, Asn, Cys,Gln, Glu, Gly, His, Ile,Leu, Lys, Met, Phe, Pro,Ser, Thr, Trp, Tyr, Val

RNA ４種類の塩基(ACGU）


4種類の塩基しかない核酸で、20種類のアミノ酸から構成されるタンパク質を合成するために、どのような秘密が隠されているか？

A T G C C T T A C

DNAとRNA:それぞれ4種類の塩基

?Met Pro Tyr

タンパク質:20種類のアミノ酸


１つのアミノ酸を規定する塩基の数組み合わせの数

１塩基４x１=４種類

２塩基４x４=16種類

３塩基４x４x４=64種類

A T G C C T T A C

３塩基で１組ならば、64種類の「文字」を表すことができる。

トリプレット説

タンパク質に含まれるアミノ酸は20種類あるが、DNAの塩基は４種類しかない。F.クリックは、アミノ酸を４種類の塩基で指定するためには３個の塩基の組み合わせ(トリプレット)が必要であると考えた。

この説を裏付ける実験が必要だ

ニーレンバーグ - マティの実験

大腸菌

細胞破壊無細胞タンパク質合成系

合成RNA①

②

③


ポリウラシル

UUUUUUUUUUUUUUUU…

ポリフェニルアラニン

Phe-Phe-Phe-Phe…

大腸菌の

タンパク質合成装置


ウラシル-アデニン

UAUAUAUAUAUAUAUA…

チロシン-イソロイシン

Tyr-Ile-Tyr-Ile…

大腸菌の

タンパク質合成装置

遺伝暗号の解読

ニーレンバーグとマティらの実験によって、遺伝暗号（トリプレットコドン）が解読された。

コドン

DNAとRNAは３つの塩基で１つのアミノ酸残基を

コードする。これをコドン(codon)と呼ぶ。

p457 図37-1 コドン表

アミノ酸の省略表記

G（Gly）GlycineA（Ala）AlanineV（Val）ValineL（Leu）LeucineI（Ile）IsoleucineS（Ser）SerineP（Pro）ProlineT（Thr）ThreonineD（Asp）Aspartic acidN（Asn）Asparagine

E（Glu）Glutamic acidQ（Gln）GlutamineH（His）HistidineK（Lys）LysineC（Cys）CysteineR（Arg）ArginineM（Met）MethionineF（Phe）PhenylalanineY（Tyr）TyrosineW（Trp）Tryptophan

アミノ酸配列の一般的表記例

1 10 20 30MKEKEFQSKP SLTKREREVF ELLVQDKTTK

31 40 50EIASELFISE KTVRNHISNA

アミノ末端（N末端：N-terminal）

カルボキシ末端（C末端：C-terminal）

タンパク質のアミノ酸配列を一次配列と呼ぶ。左端をN末端にして、アミノ酸残基を１文字あるいは３文字で表記する。数字はアミノ酸残基の位置を示す。

遺伝暗号を解読してみよう

5'- CCU CGA GCC UGC ACU AUA UGU GAA -3'

p457のコドン表を参考に下記のRNA塩基配列をアミノ酸配列に翻訳して下さい。

3文字表記

1文字表記

遺伝暗号の解答

5'- CCU CGA GCC UGC ACU AUA UGU GAA -3'

3文字表記

1文字表記

Pro Arg Ala Cys Thr Ile Cys Glu

P R A C T I C E

Practice !

フレーム (frame)：コドンの読み枠

1つのコドンは3つの塩基で決まるため、同一DNA鎖上でコドンの読み枠は3通り存在する。

例: 5'- CCUCGAGCCUGCACUAUA -3'

Frame-1: CCU CGA GCC UGC ACU AUAFrame-2: CUC GAG CCU GCA CUA UA*Frame-3: UCG AGC CUG CAC UAU A**

通常、１つのタンパク質は１つのフレームにコードされる（途中でフレームがずれない）。

開始コドンと終止コドン

タンパク質の生合成は、翻訳開始コドン(AUG)から始まり、翻訳終止コドン(UAA,UAG,UGA)で終結する。

AUG

リボソーム結合配列

リボソーム

UAAUAGUGA

StopStart

＊AUGの他、UUG,GUGなどが翻訳開始コドンになることがある。

ORF

オープンリーディングフレーム

ORFは翻訳開始コドン（AUG）から、終止コドン（UAA, UAG, UGA）の１つ前のコドンまでの塩基配列を示す言葉。

（open reading frame）略してORF

語句使用例○このORFにコードされるタンパク質は、○3つの連続したORFが、

DNAのセンス鎖とアンチセンス鎖

センス鎖：タンパク質をコードするDNA鎖

アンチセンス鎖：センス鎖の逆側DNA鎖

例センス鎖　　　　5'- CCTCGAGCCTGCACTATA -3'アンチセンス鎖　3'- GGAGCTCGGACGTGATAT -5'

mRNA　　　　 5'- CCUCGAGCCUGCACUAUA -3'

mRNAはアンチセンス鎖を鋳型に合成されるので、UをTに置換すればセンス鎖と同じ配列になる。

遺伝子発現練習問題

DNA配列

5'- GCCTATATGGAATCTTCAGCAGGGGAGTAACAA -3'3'- CGGATATACCTTAGAAGTCGTCCCCTCATTGTT -5'mRNA

5'- _________________________________ -3'Amino acid

N - _________________________________ -C

下記のDNAからmRNAを転写し、ORFを探して１文字表記のアミノ酸配列に翻訳して下さい。

DNAは上段がセンス鎖です。アミノ酸配列は１文字表記法で示し、Stopコドンは「＊」で示して下さい。

遺伝子発現練習問題解答

DNA配列

5'- GCCTATATGGAATCTTCAGCAGGGGAGTAACAA -3'3'- CGGATATACCTTAGAAGTCGTCCCCTCATTGTT -5'mRNA

5'- ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, -3'Amino acid

N - ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, -C

DNAは上段がセンス鎖です。アミノ酸配列は１文字表記法で示し、Stopコドンは「＊」で示して下さい。

GCCUAUAUGGAAUCUUCAGCAGGGGAGUAACAA

M E S S A G E *

下記のDNAからmRNAを転写し、ORFを探して１文字表記のアミノ酸配列に翻訳して下さい。

まとめ：生命の基本システム

DNA↓RNA↓

タンパク質↓

細胞の機能

複製(replication)

↓↑物質輸送

転写(transcription)

翻訳(translation)

DNA→ 設計図の原本

設計図のコピー＆部品

　　部品

代謝(metabolism)

核の働き

核は染色体DNAの存在部位であり、核内でDNAと

RNAが合成される(DNAの複製とRNAの転写)。

Nucleus (yellow) and Actin (red)

核の構造

核内には染色体と1~数個の核小体(仁)が存在す

る。核膜は脂質二重膜の内外二重構造になって

いる。

核小体の働き

核小体内ではリボソームRNA(rRNA)の合成とリボソーム

(80Sリボソーム)の組み立てが行われる。

核膜孔

核膜には、イオン・タンパク質・RNAなどを透過させる

ための核膜孔が存在する。

小胞体の構造と働き

小胞体は脂質二重膜で構成される網目状や扁平袋状の

細胞小器官で、タンパク質の合成や修飾に関与する。

小胞体膜とタンパク質合成

膜タンパク質や分泌タンパク質は、小胞体膜に

付着したリボソームで合成される(粗面小胞体)。

真核細胞の分泌タンパク質

小胞体で合成された前駆体タンパク質は、小胞体内と

ゴルジ体内で切断や糖鎖付加などの修飾を受けて成熟

タンパク質となる。

核：mRNA合成

小胞体膜：分泌タンパク質合成

小胞体内：タンパク質修飾(切断＆立体構造形成など)

ゴルジ体内：糖鎖修飾

分泌顆粒：細胞外へのタンパク質放出

生化学Ⅲ SBO-5

染色体の構造を説明できる

Chromosome Structure

染色体とは？

染色体は遺伝子の集合体であり、遺伝情報を持

つDNA(核酸)と、DNAと結合するタンパク質から

構成される。

復習遺伝物質(DNAまたはRNA)の種類

真核生物染色体DNA(核DNA)、ミトコンドリアDNA、葉緑体DNA

原核生物染色体DNA、プラスミドDNA

ウイルス DNAまたはRNA

一般に真核細胞の染色体DNA(核DNA)や、原核細胞の染色体DNAをゲノムDNAとよぶ。

ミトコンドリアゲノム、葉緑体ゲノム、ウイルスゲノムなどと表現することがある

SBO-5 課題(予習＆復習)-1

染色体の構造に関連する基本的な用語の意味について確認し、ノートにまとめること。

核、原核細胞、真核細胞、細胞周期、ヌクレオ

ソーム、クロマチン、テロメア、セントロメア、

マイクロサテライト、DNA結合タンパク質、DNA

の修飾


真核細胞の染色体は、DNAとタンパク質で構成されている。

Yes No

染色体

本来は真核生物の細胞周期の分裂期に見られる

凝縮した構造体を指すが、広義にはミトコンド

リアなどの細胞小器官や原核生物のゲノム（全

ＤＮＡ）も含まれる。


7-1 DNAと遺伝子

１　生物種とDNA量

原核細胞と真核細胞

核

DNA(染色体)

核膜

細胞膜

原核細胞真核細胞

核様体

すべての細胞に染色体DNAと細胞膜が存在する。

原核細胞と真核細胞

核

DNA(染色体)

核膜

細胞膜

原核細胞真核細胞

核様体

原核細胞と真核細胞の最も重要な形態の違いは、染色体DNAを包む核膜の有無である。

細菌と真核細胞の染色体構造比較

核膜

形態

塩基対数

推定ORF数

細菌（大腸菌）

無

環状２本鎖DNA

4.2x106

4.4x103

真核細胞（ヒト）

有

直鎖状２本鎖DNA

3.3x109

4x104 ?

核の染色体

真核生物の核の染色体は直鎖状DNA

ミトコンドリアの染色体

真核生物のミトコンドリア染色体は環状DNA

ヒトの場合、mtDNAの割合は細胞DNAの総量の約１％程度

ウイルスの遺伝物質(染色体)

原核生物や真核生物だけでなく、ウイルスにも固有の「染色体」があります。

原核生物に共通する特徴-追加

原核生物の染色体DNAは環状二本鎖DNAである。

細胞とDNAの長さ

大腸菌の細胞の長さは約2μmで、染色体DNAの

長さは約1.6mm、太さは約2nmである。

細胞とDNAの長さ

A.大腸菌を20cmの円柱に例えると、DNAの長さは約1.6kmで太さは約0.2mmに相当する。

細胞とDNAの長さの不思議

A.小さな細胞の中でDNAが絡まないのは、DNAを

巻き取ってコンパクトにまとめる仕組みがあ

るからです！

原核細胞のDNAとDNA結合タンパク質

原核細胞の染色体DNAは、DNA結合タンパク質と複合体を形成する(細胞内のDNAは単独で存在しない)。

リールのようにDNAをまとめるタンパク質がありました！

原核細胞のDNAとDNA結合タンパク質

原核細胞の染色体DNAの構造は、DNA結合タンパク質によって制御される。

原核細胞の核様体

原核細胞において染色体DNAが存在する領域は核様体と呼ばれ、特殊な顕微鏡を用いることで観察できる。

赤(FM4-64)細胞膜

青(DAPI)DNA

緑(HBS-GFP)DNA結合タンパク質

枯草菌の蛍光顕微鏡観察：染色体DNAは原核生物のヒストン様タンパク質HBSと結合している。

ミトコンドリアと葉緑体のDNA

核の染色体は直鎖状で、ミトコンドリアと葉緑体の染

色体DNAは環状である。

核直鎖状DNA

葉緑体環状DNA

ミトコンドリア環状DNA

p417 図35-8　ミトコンドリアDNA

核のDNAの他に、ミトコンドリアにも独自のDNAが存在する(mtDNA)。mtDNAは環状二本鎖DNAである。

p417 表35-3　ミトコンドリアDNAの特徴

ウイルスの基本構造

コア(核酸) カプシド(タンパク質)

ヌクレオカプシド(核酸+タンパク質)

ウイルスの遺伝物質

ＤＮＡウイルスのＤＮＡは、直鎖状の一本鎖(single strand)または二本鎖(double strand)の分子、あるいは環状二本鎖分子である。

直鎖状一本鎖ＤＮＡ(ssDNA)

直鎖状二本鎖ＤＮＡ(dsDNA)

環状二本鎖ＤＮＡ(dsDNA)

DNAウイルス


DNAウイルス

直鎖状一本鎖ＤＮＡ

パルボウイルス(パルボウイルス科・伝染性紅斑)

直鎖状二本鎖ＤＮＡ

アデノウイルス(アデノウイルス科)

天然痘ウイルス(ポックスウイルス科）

単純ヘルペスウイルス(ヘルペスウイルス科)

環状二本鎖ＤＮＡ

パピローマウイルス(パピローマウイルス科・子宮頸がん）

Ｂ型肝炎ウイルス(ヘパドナウイルス科）


ＲＮＡウイルスのＲＮＡは、直鎖状の一本鎖(single strand)または二本鎖(double strand)の分子で、分節型と非分節型がある。

RNAウイルス

一本鎖（＋）ＲＮＡ

(ssRNA(+))

一本鎖（－）ＲＮＡ

(ssRNA(-))

二本鎖ＲＮＡ(dsRNA)


(ssRNA(-))

非分節型分節型


RNAウイルスの分類

一本鎖（＋）ＲＮＡ

ポリオウイルス(ピコルナウイルス科)

Ａ型肝炎ウイルス(ピコルナウイルス科)

ノロウイルス(カリシウイルス科)

ヒト免疫不全ウイルス(レトロウイルス科)


Ａ型インフルエンザウイルス(オルトミクソウイルス科)

狂犬病ウイルス(ラブドウイルス科)

エボラウイルス(フィロウイルス科)

二本鎖ＲＮＡ

ロタウイルス（レオウイルス科）

p413 図35-5　ヒトの12番染色体

テロメアの反復配列

哺乳類 TTAGGG

線虫 TTAGGC

カイコ TTAGG

シロイヌナズナ TTTAAGG

セントロメアとテロメア

真核生物のDNAにいおて、紡錘糸(微小管)が付着

する部分をセントロメアと呼ぶ。両末端にはテ

ロメアが存在する。

5'

3'

3'

5'

テロメアテロメアセントロメア

（動原体）

相同染色体

二倍体の細胞では、両親から受け継いだ同じ種

類の染色体が２つずつ存在する。これを相同染

色体と呼ぶ。

１番染色体

１番染色体

２番染色体

２番染色体

３番染色体

３番染色体

二倍体の細胞(体細胞)

相同染色体

受精

精子由来卵由来

精子と卵に由来する同じタイプの染色体

精子

卵

相同染色体

姉妹染色体

体細胞

複製

姉妹染色体

複製によって生じる染色体のペア

分裂

相同染色体

相同染色体と姉妹染色体

姉妹染色体

相同染色体相同染色体相同染色体

姉妹染色体


7-2 DNAの複製

１　DNAの存在様式

p410 図35-3　染色体の構造

真核細胞のDNA

通常、真核細胞のDNAは凝集状態で存在する。

p409 図35-2　DNAとヒストン

ヌクレオソーム＝コアヒストン＋145bp DNA

DNAとヒストン

DNA(酸性)

ヒストン(塩基性)

ヒストンH1

ヒストン8量体(H2A,H2B,H3,H4)


7-5 遺伝子発現

３　真核生物の転写制御

p409 表35-1　ヒストン修飾の意義

ヒストンはDNAの複製・修復と、遺伝子の発現制御に関与する

DNAとヒストン

DNA(酸性)

ヒストン(アセチル化)

どうして離れていくの？ヒストンさん

俺の塩基性アミノ酸残基が、アセチル化しちまったのさ。

ユークロマチン

ヒストンのアセチル化により転写が促進される

ヘテロクロマチン

ヒストンのメチル化により転写が抑制される

ヒストンのメチル化の他、DNAのシトシンのメチル化も同様に染色体を凝集させる

クロマチンと遺伝子発現制御

染色体がほどけた部分(ループ)で遺伝子が活性化する

ヒストン修飾酵素クロマチン再校正複合体RNAポリメラーゼ

DNAのメチル化

シトシンがメチル化され、5-メチルシトシンになる

真核生物では特定の「CG」配列の「C」がメチル化される

DNAのメチル化

複製後もメチル化のパターンが維持される

yes - 摂南大学p-bisei/lecture_files/biochem-iii...r（arg）arginine m（met）methionine...

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