ナノの技術をバイオに応用

現代生物学概論

先進理工学科

生体機能システムコース

化学生物学研究室 准教授

瀧 真清

②遺伝子（プログラム）と蛋白質（ナノマシン）

1 本日まで「お試し期間」なので、出席は取りません。

リボソーム ア ミ ノ ア シ ル 化 されたtRNA tRNA アミノ酸 アミノアシルtRNA 合成酵素 (ARS) （合成途中の） ★蛋白質 G C A G C A A U U U C U U G C U A A G A G A U U U _C U U G C U A A G A G G C A tRNAの アミノアシル化 転写 翻訳 コドンーアンチコ ドンの対合 A U U U _C U U G C U A A G A G G C A G A A ペプチド結合 の形成

本日の概要： 蛋白質生合成の全スキーム

★DNA mRNA DNAから蛋白質への情報の流れ アミノ酸から蛋白質への物質の流れ 2 ←本日は詳細は省略

A U 5' 3'

RNAの化学構造と一本鎖構造

遺伝情報 NH₂ N N O NH2 N N N N NH N O O N N N N O H NH₂ C H C H O O P O C H O-O CH2 C H C H O O P O C H O-O CH₂ C H C H O O P O C H O-O CH2 C H C H OH O C C H CH₂ G C A U 5' 3' HO O P O-O OH C OH C OH C OH

0

1

2

3

0 1 2 33 3 3 0 0 ₀ 0 0 3 2 2 22 1 参考：DNAとRNAとの構造の違い 出典： よく分かる分子生物学の基本としくみ、p.82. 3

mRNAの

3個の塩基

（コドン）が

1個のアミノ酸

に

翻訳

される アミノ酸の(脱水）重縮合 mRNA ポリペプチド＝蛋白質 A U G C U A G コドン U U C U U G A U A A A G A G 4進数：１ １ １ ３ １ １ ２ ０ １ ０ ０ ０ ２ ０ ２ • mRNA上のプログラムはリボソーム内で 実行される。（アミノ酸を順につなぐ；翻訳）

遺伝情報

4

Glycine Alanine Valine Leucine Isoleucine Serine Threonine H2N COOH H H H2N COOH H CH3 H2N COOH H CH CH3 CH3 H2N COOH H CH2 H3C CH3 CH H2N COOH H CH CH3 CH3 CH2 H2N COOH H CH2 OH H2N COOH H CH CH3 OH

Methionine Aspartic acid Glutamic acid Asparagine Glutamine Lysine

Cysteine NH2 H2N COOH H CH2 SH H2N COOH H CH2 CH2 S CH3 COOH H2N H CH2 CONH2 H2N COOH H CH2 CH2 COOH COOH H2N H CH2 COOH H2N COOH H CH2 CH2 CONH2 H2N COOH H CH2 CH2 CH2 CH2

Histidine Phenylalanine Tyrosine Tryptophan

Arginine C OH NH2 COOH H2N H CH2 N NH COOH H2N H CH2 COOH H2N H CH2 COOH H2N H CH2 NH H2N COOH H CH2 CH2 NH CH2 NH2+ COOH HN H CH2 H2C CH2

20種類のアミノ酸

皆さんの体は、 これら20種類のアミノ酸の重合体（蛋白質）でできています。 5

Phe mRNA UUU AAA Anticodon Codon Aminoacyl tRNA UUU UUC UUA UUG Phe Leu U U C A G C A G Leu CUU CUC CUA CUG AUU AUC AUA Ile AUG Met GUU GUC GUA GUG Val UCU UCC UCA UCG Ser CCU CCC CCA CCG Pro ACU ACC ACA ACG Thr GCU GCC GCA GCG Ala Tyr Stop His Gln Cys Stop Trp Asn Lys Asp Glu Gly Arg Ser Arg CGU CGC CGA CGG GGU GGC GGA GGG UAU UAC UAA UAG CAU CAC CAA CAG AAU AAC AAA AAG GAA GAG GAU GAC AGU AGC AGA AGG UGU UGC UGA UGG

コドン表（ 3文字・4進数の遺伝暗号と、20種類のアミノ酸と

の対応表）

3文字の4進数を用いれば、 原理的には最高4x4x4=64種類のアミノ酸を指定することが可能だが、 現実は

たった20種類

_{しかない。 → 縮重（重複している）}

遺伝暗号

アミノ酸

触媒（アミノ酸の運び屋）

6 ↑1文字目

mRNA上のコドンとアミノ酸の対応はtRNAによって仲立ち

される

アンチコドン コドン tRNA(触媒；アミノ酸の運び屋） mRNA アミノ酸 成長中のポリペプチド鎖 (できかけの蛋白質） U U U C U U G A U A _A A G A G G C A G A A A C G U A 3文字の4進数（プログラム）で、（20種類中）ただ1つのアミノ酸を指定 4進数：１ １ １ ３ １ １ ２ ０ １ ０ ０ ０ ２ ０ ２ 4進数：２ ０ ０ ３ １ ０ 7

UU U AA A aa tRNA m RNA Codon Anticodon G C G G A U U U A G C U C A G U U G G G A G A G C G C C A G A C UA C U G GA G C G C U U A A G A C A C G U G C U U U A A CC A C aa* G C C U G aminoacid anticodon C A U C G U p 5'

tRNAの化学構造

アミノ酸

触媒（アミノ酸の運び屋）

遺伝暗号

NH₂ N N O NH2 N N N N NH N O O N N N N O H NH₂ C H C H O O P O C H O-O CH2 C H C H O O P O C H O-O CH₂ C H C H O O P O C H O-O CH2 C H C H OH O C C H CH₂ G C A U 5' 3' HO O P O-O OH C OH C OH C OH G A N N N N N H H N O N O CH3 H T N N N N N O H H H N N O H H N _C 核酸塩基の対合（DNAの場合） 8

tRNAの立体構造

アミノ酸結合部位 アンチコドン NH₂ N N O NH2 N N N N NH N O O N N N N O H NH₂ C H C H O O P O C H O-O CH2 C H C H O O P O C H O-O CH₂ C H C H O O P O C H O-O CH2 C H C H OH O C C H CH₂ G C A U 5' 3' HO O P O-O OH C OH C OH C OH G A N N N N N H H N O N O CH3 H T N N N N N O H H H N N O H H N _C 核酸塩基の対合（DNAの場合） G C G G A U U U A G C U C A G U U G G G A G A G C G C C A G A C UA C U G GA G C G C U U A A G A C A C G U G C U U U A A CC A C aa* G C C U G aminoacid anticodon C A U C G U p 5' 9

アミノ酸の重合は2個のtRNA(触媒）がmRNA(遺伝暗号）上

で

並ぶ

ことによって行われる

成長中のポリペプチド鎖（できかけの蛋白質） ペプチド結合の形成 アンチコドン コドン 成長中のポリペプチド が付いたtRNA アミノ酸がついた tRNA

遺伝暗号

mRNAの3個の塩基（コドン）が1個のアミノ酸に翻訳される ₁₀

Pサイト

リボソーム触媒

（蛋白質＋RNAでできている。

生物のCPU。）

Aサイト

2個のtRNAはリボソーム触媒によって固定される

tRNA mRNA アミノ酸 成長中のポリ ペプチド鎖 G C A G A A A C G U A U U U C U U G A U A A A G A G 遺伝暗号 触媒（アミノ酸の運び屋） 11

free tRNA in the E-Site Peptidyl tRNA in the P-Site 50S Ribosome Aminoacyl tRNA in the A-Site 30S Ribosome

Growing Polyeptide Chain

aa aa aa aa mRNA OH O NH CH-R CO O O 2 N N N N NH P- Site OH O NH CH-R CO O O 2 N N N N NH 2 A- Site Peptide-Bond Formation Codon/Anticodon Pair OH O O 2 N N N N NH E- Site OH Thermus Thermophilus

M.M. Yusupov, G.Z. Yusupova, A. Baucom, K. Lieberman,

T.N. Earnest, J.H.D. Cate, and H.F. Noller, Science, 292, 883 (2001)

リボソーム触媒（CPU）の結晶構造

これ自体が巨大・複雑なナノマシーン（正にCPU！）

Yusupov, Yusupova, Baucom, Lieberman, Earnest, Cate, and Noller, Science, 292, 883 (2001)

aa1 aa2 aa3 リボソーム中のＡサイトとＰサイトに入った tRNAの空間配置とペプチド結合形成反応 Ｐサイト中のtRNA Ａサイト中のtRNA O NH O R₄ O NH₂ O R₅ mRNA の一部 コドン／アンチコ ドン対の形成 aa4 成長中のペプチド

遺伝暗号

←アミノ酸（蛋白質の原料）

触媒（アミノ酸の運び屋）

13

tRNA in P-Site

tRNA in A-Site

mRNA (rU6)

Yusupov, Yusupova, Baucom, Lieberman, Earnest, Cate, and Noller, Science , 292, 883 (2001)

コドン／アンチコドン対の配置

遺伝暗号

3文字の4進数（プログラム）で、（20種類中）ただ1つのアミノ酸を指定

触媒（アミノ酸の運び屋）

Phe mRNA UUU AAA Anticodon Codon Aminoacyl tRNA UUU UUC UUA UUG Phe Leu U U C A G C A G Leu CUU CUC CUA CUG AUU AUC AUA Ile AUG Met GUU GUC GUA GUG Val UCU UCC UCA UCG Ser CCU CCC CCA CCG Pro ACU ACC ACA ACG Thr GCU GCC GCA GCG Ala Tyr Stop His Gln Cys Stop Trp Asn Lys Asp Glu Gly Arg Ser Arg CGU CGC CGA CGG GGU GGC GGA GGG UAU UAC UAA UAG CAU CAC CAA CAG AAU AAC AAA AAG GAA GAG GAU GAC AGU AGC AGA AGG UGU UGC UGA UGG

コドン表（ 3文字・4進数の遺伝暗号と、20種類のアミノ酸と

の対応表）

3文字の4進数を用いれば、 原理的には最高4x4x4=64種類のアミノ酸を指定することが可能だが、 現実は

たった20種類

_{しかない。 → 縮重（重複している）}

遺伝暗号

アミノ酸

触媒（アミノ酸の運び屋）

15 ↑1文字目

リボソーム ア ミ ノ ア シ ル 化 されたtRNA tRNA アミノ酸 アミノアシルtRNA 合成酵素 (ARS) （合成途中の） 蛋白質 G C A G C A A U U U C U U G C U A A G A G A U U U _C U U G C U A A G A G G C A tRNAの アミノアシル化 転写 翻訳 コドンーアンチコ ドンの対合 A U U U _C U U G C U A A G A G G C A G A A ペプチド結合 の形成 ★DNA mRNA DNAから蛋白質への情報の流れ アミノ酸から蛋白質への物質の流れ 16

ここまでのまとめ： 蛋白質生合成の全スキーム

tRNA アミノアシルtRNA合成酵素触媒（ARS） G C A アミノ酸 アミノアシル化反応 G C A G C A アミノアシル化tRNA

特定のアミノ酸は特定のARS(触媒）によって

特定のtRNA(運び屋）にだけ結合する

UUU UUC UUA UUG Phe Leu U U C A G C A G Leu CUU CUC CUA CUG AUU AUC AUA Ile AUG Met GUU GUC GUA GUG Val UCU UCC UCA UCG Ser CCU CCC CCA CCG Pro ACU ACC ACA ACG Thr GCU GCC GCA GCG Ala Tyr Stop His Gln Cys Stop Trp Asn Lys Asp Glu Gly Arg Ser Arg CGU CGC CGA CGG GGU GGC GGA GGG UAU UAC UAA UAG CAU CAC CAA CAG AAU AAC AAA AAG GAA GAG GAU GAC AGU AGC AGA AGG UGU UGC UGA UGG 17

O N N N N NH 2 HO OH O NH 2 OH O NH 2 Phe Phe-AMP O N N N N NH 2 HO OH ATP

Amino Acid (aa)

ATP ARS ARS aa-AMP

ARSは2段階の反応を触媒する： (1)アミノ酸の活性化

HO _P O O O O P O O O P O O - - -O P O O O -18 アミノアシルtRNA合成酵素触媒（ARS）

G C C G G G U G A G C C U G G C C C G G Y C C G C C C G A U U U C U Y C U C G G A A A A G A A G U C A A C G G U G G G C C U C G U G T _Y U A C A A G A A 5'p 3' -O-Phe ARS aa-AMP G C C G G G U G A G C C U G G C C C G G Y C C G C CC G A U U U C U Y C U C G G A A A A G A _A G U C A A C G G U G G G C _C U C G U G TY U A C A A G A A 5'p 3' -OH ARS aa-AMP G C C G G G U G A G C C U G G C C C G G Y C C G C CC G A U U U C U Y C U C G G A A A A G A A G U C A A C G G U G G G C _C U C G U G TY U A C A A G A A 5'p 3' -OH G C C G G G U G A G C C U G G C C C G G Y C C G C CC G A U U U C U Y C U C G G A A A A G A _A G U C A A C G G U G G G C _C U C G U G TY U A C A A G A A 5'p 3' -O aa* ARSは2段階の反応を触媒する： (2)活性化アミノ酸のtRNAへの結合 O N N N N NH 2 OH O NH 2 O O P O O O -19

tRNAAsp AspRS Anticodon Acceptor Stem ATP AspRS-tRNA(Asp)+ATP

Saccharomyces Cerevisiae (Yeast)

Cavarelli, et al, (1994)

ARS-tRNA複合体の立体構造 （これまた、巨大・複雑なナノマシーン）

２つの触媒(ARS+tRNA) が合体する。

Pro O O O N CH C O CH CH₂ CH₂ NH CH₂ CH CH₂ OH C NH _C O CH H₃C CH₂ CH₃ CH NH CH CH₂ C NH _C O H₂C CH₂ H₂C NH₂ CH₂ H₂C CH₂ NH C NH+ NH₂ NH C CH_{2 OH} H Ser Leu Lys Arg Gly C-terminal N-terminal

ポリペプチド鎖(蛋白質）の合成される方向

蛋白質

A U U U C U U G C U A A G A G G C A G A A

N末端

C末端

21

N末端

C末端

できた蛋白質は、折りたたみ構造を持つようになり、

ナノマシーンとしての機能を獲得する。

リボソーム アミノアシル化 されたtRNA tRNA アミノ酸 アミノアシル tRNA合成酵素 (ARS) 合成途中の 蛋白質 G C A G C A A U U U C U U G C U A A G A G A U U U C U U G C U A A G A G G C A tRNAの アミノアシル化 転写 翻訳 コドンーアンチコドン の対合 A U U U C U U G C U A A G A G G C A G A A ペプチド結合 の形成

本日のまとめ： 蛋白質生合成の全スキーム

DNA mRNA DNAから蛋白質への情報の流れ アミノ酸から蛋白質への物質の流れ 23

ア

ニ

メー

シ

ョ

ン

で

復

習

しま

す

余談：生物とPC

• 0または1 の2進数

• 2進数の組み合わ

せで命令

• 命令の並びで1つ

のプログラム

• プログラムの

格納場所はHD,SSD

• 実行時に、プログラ

ムはメモリにコピー

• メモリのプログラム

はCPUで実行

• DNAの持つ、ATGCの4進数

• 3文字の4進数（プログラム）で、

1つのアミノ酸を指定

• アミノ酸の並びで1つの蛋白

質（ナノマシン）に

• プログラムの

格納場所はゲノム（核）

• 実行時に、DNAの情報は

mRNAにコピー（転写）

• mRNA上のプログラムはリボ

ソーム内で実行（アミノ酸を順

につなぐ；翻訳）

PC（脳を真似たもの）

生物

真核生物では断片化 生物学：作り方の分かっていない超高性能PC（生物）の仕組みを解明する、とも取れる。24