ナノの技術をバイオに応用

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みそらみねむら
5 years ago
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1 本日までお試し期間なので出席は取りません現代生物学概論 2 遺伝子 ( プログラム ) と蛋白質 ( ナノマシン ) 先進理工学科化学生物学研究室准教授生体機能システムコース瀧真清 1

2 本日の概要 : 蛋白質生合成の全スキーム D 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転写 D 本日は詳細は省略アミノアシル tr 合成酵素 (RS) 翻訳 mr コドンーアンチコドンの対合アミノ酸 tr リボソーム ( 合成途中の ) 蛋白質ペプチド結合の形成アミノアシル化された tr trのアミノアシル化 2

3 参考 :D と R との構造の違い R の化学構造と一本鎖構造 H 2 H 2 H H H P - 5' H H H H 2 H P - H H H H 2 H P - H 2 H H H H 2 H P - H H 2 H H H H 3' 5' ' 遺伝情報出典 : よく分かる分子生物学の基本としくみ p.82. 3

4 mr の 3 個の塩基 ( コドン ) が 1 個のアミノ酸に翻訳される 4 進数 : コドン遺伝情報 mr mr 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 ) アミノ酸の ( 脱水 ) 重縮合ポリペプチド = 蛋白質 4

5 20 種類のアミノ酸 H 2 H 3 H 2 H H 2 H H 2 H H 2 H H 2 H H 2 H H H H H 3 H H H H H 2 H H H H 3 H H 2 H H H H 3 H 3 H 3 H 2 H H 3 H 3 lycine lanine Valine Leucine Isoleucine Serine Threonine H 2 H H 2 H H 2 H H 2 H H 2 H H 2 H H 2 H H H 2 SH H H 2 H 2 S H H 2 H H H 2 H 2H H H 2 H 2 H H 2 H 2 H 2 H H 2 H 2 H 2 H 3 H 2 ysteine Methionine spartic acid lutamic acid sparagine lutamine Lysine H 2 H 2 H H H 2 H 2 H 2 H rginine H 2 H2 + H 2 H H H 2 H H 2 H H 2 H H 2 H H H 2 H H 2 H H 2 Histidine Phenylalanine Tyrosine H Tryptophan H H H H H2 H 2 H2 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

6 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 ) 触媒 ( アミノ酸の運び屋 ) アミノ酸 Phe minoacyl tr Phe Leu Leu Ser Pro Tyr Stop His ln ys Stop Trp rg mr 遺伝暗号 nticodon odon Ile Met Val 1 文字目 Thr la sn Lys sp lu Ser rg ly 6

7 mr 上のコドンとアミノ酸の対応は tr によって仲立ちされる 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 : 進数 : コドンアンチコドン mr アミノ酸 tr( 触媒 ; アミノ酸の運び屋 ) 成長中のポリペプチド鎖 ( できかけの蛋白質 ) 7

8 5' p aa* aminoacid anticodon tr の化学構造触媒 ( アミノ酸の運び屋 ) nticodon mr tr odon アミノ酸 aa 遺伝暗号核酸塩基の対合 (D の場合 ) H H 3 T H H H H H H H H P - 5' H 2 H H H H 2 H P - H H H H H 2 H P - H H 2 H H H H 2 H P - H H 2 H 2 H H H 8 H 3'

9 tr の立体構造アミノ酸結合部位核酸塩基の対合 (D の場合 ) アンチコドン 5' p aa* anticodon aminoacid H H 3 T H H H H H H H H P - 5' H 2 H H H 2 H H P - H 2 H H H H H P - H 2 H H H H H H 2 P - H H 2 H 2 H H H 9 H 3'

10 アミノ酸の重合は 2 個の tr( 触媒 ) が mr( 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成長中のポリペプチドが付いた tr アミノ酸がついた tr アンチコドン遺伝暗号コドン mr の 3 個の塩基 ( コドン ) が 1 個のアミノ酸に翻訳される 10

11 2 個の tr はリボソーム触媒によって固定される遺伝暗号 mr P サイト成長中のポリペプチド鎖アミノ酸触媒 ( アミノ酸の運び屋 ) tr サイトリボソーム触媒 ( 蛋白質 +R でできている生物の P ) 11

) 50S Ribosome E- Site H H H2 aa aa aa aa P- Site H H-R H H2 Peptide-Bond Formation - Site

12 rowing Polyeptide hain リボソーム触媒 (P) の結晶構造 Thermus Thermophilus M.M. Yusupov,.Z. Yusupova,. Baucom, K. Lieberman, T.. Earnest, J.H.D. ate, and H.F. oller, Science, 292, 883 (2001) これ自体が巨大複雑なナノマシーン ( 正に P!) 50S Ribosome E- Site H H H2 aa aa aa aa P- Site H H-R H H2 Peptide-Bond Formation - Site odon/nticodon Pair H2 H-R H H2 mr Peptidyl tr in the P-Site minoacyl tr in the -Site free tr in the E-Site 30S Ribosome 12

13 aa1 aa2 成長中のペプチド aa3 aa4 H R 4 H 2 R 5 リボソーム中のサイトと P サイトに入った tr の空間配置とペプチド結合形成反応アミノ酸 ( 蛋白質の原料 ) サイト中の tr 触媒 ( アミノ酸の運び屋 ) P サイト中の tr 遺伝暗号 mr の一部 Yusupov, Yusupova, Baucom, Lieberman, Earnest, ate, and oller, Science, 292, 883 (2001) コドン / アンチコドン対の形成 13

14 コドン / アンチコドン対の配置 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 ) tr in P-Site tr in -Site mr (r 6 ) 遺伝暗号 Yusupov, Yusupova, Baucom, Lieberman, Earnest, ate, and oller, Science, 292, 883 (2001) 14

15 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 ) 触媒 ( アミノ酸の運び屋 ) アミノ酸 Phe minoacyl tr Phe Leu Leu Ser Pro Tyr Stop His ln ys Stop Trp rg mr 遺伝暗号 nticodon odon Ile Met Val 1 文字目 Thr la sn Lys sp lu Ser rg ly 15

16 ここまでのまとめ : 蛋白質生合成の全スキーム D 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転写 D アミノアシル tr 合成酵素 (RS) 翻訳 mr コドンーアンチコドンの対合アミノ酸 tr リボソーム ( 合成途中の ) 蛋白質ペプチド結合の形成アミノアシル化された tr trのアミノアシル化 16

17 特定のアミノ酸は特定のRS( 触媒 ) によって特定のtR( 運び屋 ) にだけ結合するアミノアシル tr 合成酵素触媒 (RS) tr アミノアシル化反応 Phe Leu Leu Ile Met Val アミノ酸 Ser Pro Thr la Tyr Stop His ln sn Lys sp lu ys Stop Trp rg Ser rg ly アミノアシル化 tr 17

18 RS は 2 段階の反応を触媒する : (1) アミノ酸の活性化 mino cid (aa) RS aa-mp RS TP アミノアシル tr 合成酵素触媒 (RS) H 2 TP Phe H P P - P - - H H H H 2 H 2 Phe-MP P - H H H 2 18

19 Y Y T Y 5'p 3' --Phe RS aa-mp Y Y T Y 5'p 3' -H RS aa-mp Y Y T Y 5'p 3' -H Y Y T Y 5'p 3' - aa* RS は 2 段階の反応を触媒する : (2) 活性化アミノ酸の tr への結合 H 2 H H 2 P - 19

20 RS-tR 複合体の立体構造 ( これまた巨大複雑なナノマシーン ) cceptor Stem tr sp TP sprs 2 つの触媒 (RS+tR) が合体する sprs-tr(sp)+tp Saccharomyces erevisiae (Yeast) avarelli, et al, (1994) nticodon 20

21 ポリペプチド鎖 ( 蛋白質 ) の合成される方向 H 2 H 2 H + H 2 H H 2 H H 2 H H 3 H 2 3 H 2 H 2 H 2 H H H 2 H 2 2 H H H 2 2 H H H H H H H H H H -terminal 末端 Pro Leu rg Ser Lys H 2 H ly -terminal 末端蛋白質末端末端 21

22 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 22

23 本日のまとめ : 蛋白質生合成の全スキーム D 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合成途中の蛋白質転写翻訳コドンーアンチコドンの対合ペプチド結合の形成 D mr リボソームアニメーションで復習しますアミノアシル化された tr アミノアシル tr 合成酵素 (RS) アミノ酸 tr tr のアミノアシル化 23

24 余談 : 生物と P P( 脳を真似たもの ) 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 P で実行生物 Dの持つ T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 ) にプログラムの真核生物では断片化格納場所はゲノム ( 核 ) 実行時に Dの情報は mrにコピー ( 転写 ) mr 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 ) 生物学 : 作り方の分かっていない超高性能 P( 生物 ) の仕組みを解明するとも取れる 24

スライド 1

スライド 1 タンパク質 ( 生化学 1) 平成 29 年 4 月 20 日病態生化学分野分子酵素化学分野教授山縣和也生化学 1のスケジュール 4 月 20 日講義開始 6 月 1 日中間試験 9 月 25 日生化学 1 試験講義日程内容は一部変更があります講義資料 ( 山縣吉澤分 ): 熊本大学病態生化学で検索 ID: Biochem2 パスワード :76TgFD3Xc 生化学 1 の合否判定は