21.12
DNAには遺伝子、ヌクレオチドの配列が含まれており、その一部はタンパク質の一連のアミノ酸をコードする命令です。DNAからRNA、タンパク質への遺伝情報の流れは、セントラルドグマとして知られるプロセスです。
このプロセスの最初のステップは転写であり、RNAポリメラーゼ酵素がRNAベースのコピーまたは遺伝子の転写産物を合成します。DNAは、転写産物に追加された新しいRNA塩基がDNAの元の鎖に相補的であるテンプレートとして使用されます。
メッセンジャーまたはmRNAと呼ばれる一部の転写産物はタンパク質をコードしますが、非コード転写産物は他の細胞プロセスに関与します。例えば、リボソームrRNAやトランスファーtRNAはタンパク質合成に関与しています。
次のステップは翻訳で、mRNAを解読してアミノ酸の鎖を合成します。遺伝暗号と呼ばれる一連の命令は、mRNAを読み取るために使用されます。
ほとんどの生物は、特定のアミノ酸に翻訳されるコドンと呼ばれる3つのヌクレオチド基で構成されるこの同じユニバーサルコードを使用しています。
64の異なるヌクレオチドトリプレットがありますが、コードを縮退させるタンパク質には20の標準アミノ酸しかなく、つまり、複数のコドンセットが同じ指示を与えることができます。61 はアミノ酸のコードを設定し、3 は翻訳の停止を示します。
翻訳は、tRNAの助けを借りて、rRNAとタンパク質の大きな複合体であるリボソームで起こります。
tRNAは3ヘアピンループ構造をしています。1つのループには、コドンに相補的な塩基を持つアンチコドンと呼ばれる配列が含まれています。
この配列に対応するアミノ酸がtRNAの末端に結合し、tRNAがそれをリボソームに輸送します。
開始因子と呼ばれるタンパク質は、小さなリボソームユニット、開始者tRNA、およびmRNAをまとめます。複合体の集合後、リボソームは翻訳開始部位を求めてmRNAに沿って滑る。
ここで、開始者tRNAアンチコドンが相補的コドンに結合し、大きなリボソーム単位がアセンブリに結合し、翻訳が開始される。次にtRNAが入ってくると、開始剤からのアミノ酸が分離して隣接するアミノ酸に移動し、ポリペプチド鎖が成長します。
アミノ酸の付加は、mRNAで終止コドンが検出されるまで続きます。その後、リボソームは鎖を放出して、機能的なタンパク質に折り畳むことができます。
DNA→mRNA→タンパク質という細胞内の遺伝情報の流れは、「遺伝子がmRNAの配列を決定し、そのmRNAがすべてのタンパク質を構成するアミノ酸の配列を決定する」というセントラルドグマによって説明されます。ある分子から別の分子への解読は、特定のタンパク質とRNAによって行われます。DNAに保存された情報は細胞機能の中心であるため、DNA自体を保護したまま、細胞がタンパク質合成のためにこの情報のmRNAコピーを作成することは直感的に理解できます。DNAからRNAへのコピーは比較的簡単であり、DNAのヌクレオチドを読み取るごとにmRNA鎖に1つのヌクレオチドが追加されます。mRNAの3つのヌクレオチドがポリペプチド配列の1つのアミノ酸に対応しているため、タンパク質への翻訳は少し複雑になります。タンパク質への翻訳は、ヌクレオチド1〜3がアミノ酸1に、ヌクレオチド4〜6がアミノ酸2に...というように、系統的かつ共線的に行われます。
遺伝暗号は縮退した普遍的なものである
各アミノ酸は、トリプレットコドンと呼ばれる3つのヌクレオチド配列によって定義されます。mRNAとタンパク質のアルファベットの数が異なることから、科学者たちは、1つのアミノ酸はヌクレオチドの組み合わせで表されなければならないと考えた。2つのヌクレオチドの組み合わせは16通り(42)しかないため、ヌクレオチドの2重構造だけではすべてのアミノ酸を指定することはできません。一方、ヌクレオチドの3重構造は64通り(43)あり、アミノ酸の数よりもはるかに多いです。科学者たちは、アミノ酸はヌクレオチド3重項によってコード化されており、遺伝暗号は縮退しているという説を提唱しました。これは後に実験的に確認されました。フランシス・クリックとシドニー・ブレナーは、突然変異原であるプロフラビンを使って、ウイルスの遺伝子に1個、2個、3個のヌクレオチドを挿入しました。1、2個のヌクレオチドを挿入した場合、正常なタンパク質は生成されなかった。しかし、3つのヌクレオチドを挿入すると、正常なタンパク質が合成されるようになった。これにより、アミノ酸は3本のヌクレオチドで指定されなければならないことがわかった。この3つのヌクレオチドの集合体をコドンと呼びます。1つまたは2つのヌクレオチドが挿入されると、トリプレットのリーディングフレームが完全に変わり、後続のアミノ酸のメッセージが変化します。3つのヌクレオチドを挿入すると、翻訳時に余分なアミノ酸が挿入されるが、残りのタンパク質の完全性は維持されます。
ポリペプチド鎖に特定のアミノ酸の付加を指示するコドンに加えて、64個のコドンのうち3個はタンパク質合成を終了させ、ポリペプチドを翻訳から解放します。これらの3つのコドンはナンセンスコドンまたはストップコドンと呼ばれます。また、AUGというコドンも特別な機能を有しています。AUGは、アミノ酸のメチオニンを指定するだけでなく、翻訳を開始するための開始コドンとしても機能します。翻訳のためのリーディングフレームは、AUG開始コドンによってmRNAの5'末端付近に設定されます。開始コドンに続いて、停止コドンに出会うまで、mRNAは3つのグループに分けて読まれます。
1つのアミノ酸を複数の類似したコドンで指定することを「縮退」といい、縮退はランダムな突然変異の悪影響を軽減するための細胞のメカニズムであると考えられています。同じアミノ酸を指定するコドンは、通常、1つのヌクレオチドだけが異なります。また、化学的に類似した側鎖を持つアミノ酸は、類似したコドンでコード化されます。例えば、GA*ブロックを構成するアスパラギン酸(Asp)とグルタミン酸(Glu)は、どちらも負の電荷を帯びています。このように、1塩基置換の突然変異が起こったとしても、同じアミノ酸が指定されるために効果がなかったり、類似のアミノ酸が指定されることによって、タンパク質が完全に機能しなくなることを防いでいます。
遺伝暗号は普遍的なものです。 いくつかの例外を除いて、事実上すべての種が同じ遺伝暗号を使ってタンパク質を合成しています。コドンが保存されているということは、馬のグロビンタンパク質をコードするmRNAをチューリップの細胞に移植すれば、チューリップは馬のグロビンを合成することができるということです。20種類のアミノ酸と64個のトリプレットコドンの組み合わせが約1084通りあることを考えると、遺伝暗号が1つしかないということは、地球上のすべての生命が共通の起源を持っていることの強力な証拠となります。
上記の文章は以下から引用しました。 Openstax, Biology 2e, Chapter 15.1: The Genetic Code.
DNAには遺伝子、ヌクレオチドの配列が含まれており、その一部はタンパク質の一連のアミノ酸をコードする命令です。DNAからRNA、タンパク質への遺伝情報の流れは、セントラルドグマとして知られるプロセスです。
このプロセスの最初のステップは転写であり、RNAポリメラーゼ酵素がRNAベースのコピーまたは遺伝子の転写産物を合成します。DNAは、転写産物に追加された新しいRNA塩基がDNAの元の鎖に相補的であるテンプレートとして使用されます。
メッセンジャーまたはmRNAと呼ばれる一部の転写産物はタンパク質をコードしますが、非コード転写産物は他の細胞プロセスに関与します。例えば、リボソームrRNAやトランスファーtRNAはタンパク質合成に関与しています。
次のステップは翻訳で、mRNAを解読してアミノ酸の鎖を合成します。遺伝暗号と呼ばれる一連の命令は、mRNAを読み取るために使用されます。
ほとんどの生物は、特定のアミノ酸に翻訳されるコドンと呼ばれる3つのヌクレオチド基で構成されるこの同じユニバーサルコードを使用しています。
64の異なるヌクレオチドトリプレットがありますが、コードを縮退させるタンパク質には20の標準アミノ酸しかなく、つまり、複数のコドンセットが同じ指示を与えることができます。61 はアミノ酸のコードを設定し、3 は翻訳の停止を示します。
翻訳は、tRNAの助けを借りて、rRNAとタンパク質の大きな複合体であるリボソームで起こります。
tRNAは3ヘアピンループ構造をしています。1つのループには、コドンに相補的な塩基を持つアンチコドンと呼ばれる配列が含まれています。
この配列に対応するアミノ酸がtRNAの末端に結合し、tRNAがそれをリボソームに輸送します。
開始因子と呼ばれるタンパク質は、小さなリボソームユニット、開始者tRNA、およびmRNAをまとめます。複合体の集合後、リボソームは翻訳開始部位を求めてmRNAに沿って滑る。
ここで、開始者tRNAアンチコドンが相補的コドンに結合し、大きなリボソーム単位がアセンブリに結合し、翻訳が開始される。次にtRNAが入ってくると、開始剤からのアミノ酸が分離して隣接するアミノ酸に移動し、ポリペプチド鎖が成長します。
アミノ酸の付加は、mRNAで終止コドンが検出されるまで続きます。その後、リボソームは鎖を放出して、機能的なタンパク質に折り畳むことができます。
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