細胞生物学

第二回

奈良教育大学　理科教育講座 生物学教室　細胞生物学研究室

石田正樹

遺伝情報の伝達と遺伝情報の発現

遺伝情報の伝達と 遺伝情報の発現

遺伝情報 DNA = 設計図

• 遺伝 細胞から細胞へ分配する 情報を複製 replication 　heredity ２倍にする

遺伝情報を子孫へ伝える

• 遺伝情報の発現 　　　タンパク質の合成 　 どの場所(細胞）で 　gene expression どの環境で

どれだけの量で 配達先の指定

細胞や個体の形成・維持 分解される速度

遺伝情報の２つの役割

細胞増殖

細胞増殖は細胞の最も基本的な機能

生物の共通性 　　　　　 1.  リン脂質二重層からなる膜で囲まれた細胞とよばれる単位からできている。�2.  遺伝物質DNAによって、自己を複製する。�3.  環境からの刺激に応答する。�4.  環境からエネルギー物質「アデノシン三リン酸（ATP)」を合成し、それを用いて生

活・成長する。�

単細胞生物 　　　細胞分裂　　　　 　　　　　　　細胞の増殖

多細胞生物 　　　子孫という個体が増える　　　　生殖細胞　　　　 　　　　　　　の形成・発生

DNA 複製の特殊性

細胞は２分裂によって増える 親細胞 parent cell の全ての細胞構成成分が２倍

になり ２個の娘細胞 daughter cell を生じる

細胞

DNA複製の特殊性

複製を　１分子単位で正確に行うものは、遺伝子をおいて他には見当たらない

ただし、構成成分（細胞質）や大きさもだいたい 全く等分というわけではない

DNA 染色体は、母親から２３種類、父親から２３種類、あわせて４６種類の遺伝子をもつ 配列はそれぞれに異なり、一つとして同じものは無い　　 それぞれ遺伝子配列を複製して２倍にする 　　　　 全く同じものを分配する

遺伝子の定義

遺伝子の定義　　　

高分子 DNA の中でタンパク質の一次構造（アミノ酸配列） あるいは非翻訳 RNA の構造（塩基配列）を決定する

情報を持った領域

DNA は、その配列の全てが遺伝子というわけではない

ゲノム genome の定義 　　　　ある生物の遺伝情報の全体 　　　　原核生物や生殖細胞　１倍体　（n　=　1） 　　　　この １ 倍体の遺伝情報全体をゲノム配列と考える

染色体外ゲノム 　　　　ミトコンドリアや葉緑体のDNA extrachromosomal genome　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

染色体ゲノム 　　　 染色体のもつDNA chromosomal genome

DNA量と遺伝子数

生物のDNA量

生物間で比較　（１倍体の値）

ヒト　 細胞当たり　３.1 pg　 （30億塩基対）　

大腸菌の1,000倍

真核生物間では、概ね高等といわ れるもほど、DNA量が多い

ただし

魚や高等植物には、DNA量がヒト

より多いものがいる アメーバすらヒトより多い

ヒトが一番高等であるわけではない

生物の遺伝子数

ヒト　　26,000

大腸菌の約５倍

真核生物の遺伝子は １つの遺伝子から

部分的に配列を組み合わせて

複数種類のタンパク質を つくることができる （イントロンの存在）

DNA量とは直ちに対比しない

DNA

DNA

3

exon

intron

repeated seuence

DNA

DNA DNA

������ nucleotide!

DNA

複製の方法１

糖の3位と5位の炭素の位置でリン酸ジエステル結合がおこりヌクレオチドが連結されたものが核酸である�

リン酸 ジエステル結

合�

5’端��� �3’端の方向に合成される ���"5’ A-G-C-T-T-A-C-A 3’�

DNAポリメラーゼ DNA polymerase

DNA 合成酵素

5’ 3’

5’ 3’ 娘

5’ A-G-C-T-T-A-C-A 3’�

3’ T-C-G-A-A-T-G-T 5’�

DNAは、相補的な塩基配列をもつ２本の鎖が 逆に並んでいる�

親

親

2

http://www.nig.ac.jp/museum/dataroom/index.html

DNA

origin of replication point ori) termination point (ter)

DNA

= replicon

=

RNA

primase

複製の方法３

5’ A-G-C-T-T-A-C-A 3’�

3’ T-C-G-A-A-T-G-T 5’� 親

親

娘

ラギング鎖 "lagging strand"

リーディング鎖 "leading strand"

5’ 3’

リーディング鎖�先に複製される鎖�

5’ 3’

ラギング鎖��遅れて複製される鎖�

3’� 5’�

3’�5’�

岡崎フラグメント okazaki fragment

ヘリカーゼ helicase

トポイソメラーゼ topoisomerase

プライマーゼ primase

DNAポリメラーゼ DNA polymerase

プライマーの追加合成

複製の速度

トポイソメラーゼ topoisomerase

瞬間的に鎖を切り、蓄

積したねじれをほどく 酵素

クランプ　clump 留め金のようなもの

プライマー

リーディング鎖 "leading strand"

ラギング鎖 "lagging strand"

ヘリカーゼ　 helicase

プライマーゼ primase +

DNAポリメラーゼ DNA polymerase

DNA合成酵素

DNAを解列させ"一本鎖DNAにする"

酵素

プライマー 合成酵素

DNAの損傷と修復

損傷を発見

すき間をDNAポリメラーゼが埋める

周囲のヌクレオチドごと切断除去

DNAは、日常的に多くの損傷をうける • 化学物質　 DNAの塩基に結合 　　　　　　　 塩基同士を結合する

• 放射線 紫外線 DNA切断 宇宙線

まとめ  ヒトは大腸菌に比べて細胞当たり約1,000倍のDNA量をもつが、遺伝子の数は、ヒトで約

　26,000、大腸菌で約4,300といわれ、ヒトの遺伝子数は、大腸菌の約５倍でしかない。

 完全に同じ塩基配列を持つ染色体DNA分子は、細胞あたり１分子しか存在しない。

 真核生物のDNAには多くの反復配列が含まれている。

 真核生物の遺伝子は、アミノ酸の配列情報をもつエキソンと、アミノ酸配列情報のないイ

　ントロンを含む。

 細胞が増殖する際には、親細胞のもつDNA分子と全く同じ分子を正確に複製して２分子

　にし、細胞分裂して２つの娘細胞に分配する。

 DNA合成を複製と呼ぶのは、遺伝情報の複製を意味するからである。

 DNA複製は親の鎖を鋳型として使い、塩基対を形成しながら４種類のヌクレオチドを順次

　つなげて、親鎖と相補的な塩基配列をもつ娘鎖を合成する。このような複製方法を

　半保存的複製という。

 新たに出来た２つの二本鎖DNAは、それぞれ１本の親鎖と１本の娘鎖からなる。

 DNA複製反応の主役は、DNAポリメラーゼであるが、非常に多種類の酵素やタンパク質

　が関わった複雑な反応である。