タンパク質を構成するアミノ酸:21種類目

 タンパク質を構成するアミノ酸が20種類であることは医学を学ぶ場合のみならず、さまざまな場で触れられます。『生理学のための化学』でも第10章で、20種類のアミノ酸の名称と構造を化学的な特徴によって分類して一覧にしています。合わせて、それぞれのアミノ酸の略号も紹介しています。

 授業では例外的に20種類以外のアミノ酸もあり得るという意味の説明をしましたが、ヒトにもある例外を1つ取り上げましょう。セレノシステイン(serenocystein; Sec)というアミノ酸です。セレノシステインは、20種類のアミノ酸の1つであるシステイン(cystein; Cys, C)の側鎖にあるスルフィド基(-SH)の硫黄原子(S)がセレン原子(Se)に置き換わった構造です。周期表を見ると、SeはSと同族で1周期下にあります。名称もこのような構造であることに由来します。

 セレノシステインの産生方法は他のアミノ酸の産生とは大きく異なっています。セレノシステイン用のtRNAに20種類の1つであるセリン(serine; Ser, S)が結合した状態で、セリンの側鎖のヒドロキシ基(-OH)を-SeHに変換することによってセレノシステインが産生されます。したがって、21番目とはいっても、あくまでも20種類のアミノ酸があってこその例外です。

 またセレノシステインに対するmRNAのコドンは、停止コドンの1つである"UGA"が当てられます。ただし、UGA配列の周囲に特別な塩基配列(selenocystein insertion sequence; SECIS)がある場合のみセレノシステインtRNAがmRNAと結合できるようになっています。セレノシステインを含んでいるタンパク質は細胞内での酸化還元反応に関わるいくつかの酵素に限られています。生理学で取り上げられる現象と関わっていそうなのは、甲状腺ホルモン(『内分泌系の構造と機能』で学ぶホルモンの1つ)であるサイロキシン(T4)をトリヨードサイロニン(T3)に変換するテトラヨードチロニン-5'-脱ヨード酵素でしょうか。『生理学のための化学』の第12章でビタミンの機能として触れるグルタチオンペルオキシダーゼもセレノシステインを含んでいます。

 授業で取り上げる内容はかなり表面的ですが、少し掘り下げるだけでものすごく幅が広がります。

第7回 遺伝子と遺伝子発現

 遺伝子や遺伝に関わる生命現象は広く関心の高い分野だと思います。この10年くらいを遡ると、高等学校でもかなり突っ込んだ内容を学習するようです。いわば常識だということでもありますが、表面的な知識にとどまらず、生理現象あるいは疾患に関わるしくみつながるように考えられるようにしていきましょう。できるだけ材料は提供しているつもりです。

 さて、授業では遺伝子を、タンパク質のアミノ酸配列をコードするDNAの領域とタンパク質に翻訳されないRNAの塩基配列をコードするDNAの領域と定義しました。転写や翻訳のしくみと合わせると、前者にウエイトを置いた説明になっていたと思いますが、遺伝子数としては両者がそれぞれ約20,000個で、合わせて約40,000個であると頭に入れておきましょう。遺伝子数は、研究の進展によって厳密には日々変わっていますが、概数としてはほとんど変化しないと思います。まt、ヒトの遺伝子数を他の生物の遺伝子数と比較しておきましょう。

 ゲノムマップについては、βグロビンを例に挙げて説明しましたが、今後授業で多くのタンパク質を学びます。その都度、自分で探してみましょう。ヘモグロビン以外にすでに学んだものを挙げると、α-グロビン、DNAポリメラーゼ、アルブミン、フィブリノーゲン、プラスミノーゲン、エリスロポエチン、ABO血液型遺伝子、いくつかの血液凝固因子などです。1番染色体の「骨格筋アクチン」はαアクチンといい、細胞骨格とした学んだアクチン(βアクチンといい、7番染色体にあります)とは異異なるタンパク質をつくります。

 タンパク質のアミノ酸配列をコードする遺伝子は、エキソンとイントロンに分かれ、さらに調節領域も隣接しています。翻訳の特徴からも分かるように、エキソンのすべてがアミノ酸配列をコードしているわけではなく、非翻訳領域を含んでいます。したがって、エキソンとは、転写後のスプライシングによってmRNAをなる部分のことを指しています。

 転写の鋳型となるDNA鎖は、2本鎖のうちのいずれか一方です。どちらの鎖が鋳型として使われるかは遺伝子に依ります。相補的な組合せによって塩基対をつくりながら、転写反応が生じるところを押さえておきましょう。5個のエキソンからなる遺伝子の場合、第1のエキソンのはじめから第5のエキソンの最後までを転写します。その後、プロセシングが生じてmRNAとして、細胞質へ出て行きます。

 細胞質へ出たmRNAは直ちにリボソームと結合すると考えていいでしょう。翻訳反応は転写よりもやや複雑でしたが、mRNAの連続する3つの塩基の並び=コドンごとに一区切りとして、それぞれをアミノ酸に対応させます。アミノ酸はサイトゾル中に豊富に存在するのですが、必ずtRNAによってリボソームへ運搬されます。

 プリントp77の図に、始まりであるメチオニン以外のアミノ酸おmRNAのコドンを見ながら、順にアミノ酸を当てはめてみましょう。実感がわくと思います。そして、最後は停止コドンには、対応するアミノ酸またはtRNAがないために、ここでペプチド結合の合成反応が止まります。つまり、蛋白質の合成反応が終わります。

 できあがったタンパク質は、そのままでは機能できないため、しかるべき立体構造をつくりながら、それぞれのタンパク質が機能する部位へ運搬されていきます。来週はこの部分を簡単に説明します。今回の予習の範囲でしたが、p78の図を説明と照らし合わせながら、もう一度よく見ておきましょう。

 さらに、次回の授業では物質がどのようにして細胞膜を通過するのかについて考えます。『生理学のための化学』第9章は脂質の構造と特徴、さらになぜ細胞膜が脂質二重膜を基本構造として成り立っているのかを取り上げています。細胞膜の構造と機能を改めて確認しましょう。さらに、第4章で学んだ溶液中での物質の拡散、さらに第6章のテーマであった浸透現象も、細胞膜を介した物質移動のしくみを考える上で基礎となる知識です。理解が不十分であると感じていれば、合わせて見直しておきましょう。

キログラムが変わりました

 『生理学のための化学』でも少し触れていますが、先週の月曜日、2019年5月20日をもって質量の単位である「キログラム」の定義が変わりました。

 100年以上にわたって使用されてきた「キログラム原器」の質量を基準にするのではなく、光の速度やプランク定数という物理学上の基本的な量に基づいて再定義されました。「キログラム原器」は、当初10万年は重さが変化しないとして作成されたようですが、予想に反して経年劣化は早く、約50マイクログラム変化してしまったそうです。

 日本では茨城県にある国立の研究機関、産業技術総合研究所(産総研)の計量標準総合センターが基礎的な研究を通じて今回の定義の変更に大きく寄与したとのこと。「キログラム定義改訂特設サイト:https://www.aist.go.jp/taisaku/ja/kg/index.html」を設けて、快適の経緯や詳しい根拠などをまとめていますので、一度見てみましょう。

 また、朝日新聞のWebサイトでは産総研のセンター長さんが解説をしていますので、興味があれば読んでみるとよいでしょう。ここです:
https://webronza.asahi.com/science/articles/2019052200005.html

第6回 細胞分裂、染色体、DNAとその複製

 今回は、はじめに細胞周期について簡単に説明しました。授業では細胞分裂と細胞周期の二つの用語をあまり区別することなく使いました。細胞分裂という場合には、分裂して数を増やしていく、まさに分裂する場面に注目していることが多いような気がします。一方、細胞周期という場合には、間期も含めて考えている場合が多いでしょう。したがって、DNAの複製という現象も、細胞周期の中の一場面と考えられます。

 DNAが複製される仕組みは非常に複雑で、かなりごまかして説明をしました。『生理学のための化学』第11章でも取り上げています。小テストの対象とするのはもう少し先ですが、時間を作って早めに目を通しておきましょう。

 しかし、重要なポイントは「半保存的に複製される」ということです。元々ある二本鎖のそれぞれの鎖の塩基の配列に対して相補的な塩基をもつヌクレオチドを向かいに置き、そのヌクレオチドを順につなぎ合わせていくとこによって、もとの二本鎖と全く同じ二本鎖が二つできあがります。

 DNAの複製の仕組みを明らかにするにあたっては日本人研究者も大きな貢献をしています。機会があればゆっくりと説明したいと思います。

 DNAの二重らせん構造とともに、さらに立体的に構築された染色体の構造も考えました。どうやったらあんなにコンパクトに、しかも常に同じ形態になるのか、実はまだよく分かっていません。しかし、複製された後に染色体がつくられ、1個の染色体は2本の染色分体がセントロメアで結合しています。そして、各染色分体が細胞1個分のDNAにあたり、細胞分裂によって染色分体ごとに分配されていくということが繰り返されています。

 細胞が増殖するだけでは、細胞の大きな集合体ができるだけです。生物の身体を形作っていくためには、細胞ごとに特別な構造と機能を獲得する必要があります。そのために、細胞ごとの異なった遺伝子の働きが必要です。次回は、遺伝子の構造と、それぞれの遺伝子がどのように発現するか=転写され翻訳されるのかを考えます。

第5回 サイトゾル、細胞骨格、細胞小器官

 今週の授業は細胞小器管の構造と機能を順に取り上げていったため、やや雑ぱくな内容になりました。サイトゾルや細胞骨格を含めた各小器官の機能は、これから考えていく器官や組織のはたらきを直接に担っています。生理学Ⅰ&Ⅲでは、ある器官や組織、細胞の機能を考えるときには、具体的にどの細胞のどの小器官が関わっているのかに触れていくつもりです。自分でもけその都度よく考えるようにしましょう。

 サイトゾルは細胞内で生じる多くの化学反応の場です。細胞内である反応が生じているという説明があった場合、小器官が特定されていなければサイトゾルが舞台となっていると考えていいでしょう。ATP産生のための解糖系やグリコーゲンの合成と分解、あるいは赤血球中でヘモグロビンが存在するのもサイトゾルです。また、細胞外からの刺激が細胞内に伝わっていく場合も、サイトゾルでさまざまな分子の移動や化学反応が生じています。

 ところで、サイトゾルの「ゾル」とは、全体がコロイド溶液になっている状態をさします。したがって、流動性はあり、化学反応の進行にも支障のないようになっています。ただ、一般的な細胞の条件では、細胞質の周辺部分(膜近傍)には微小繊維などが豊富であるために、粘性が高い状態(ゲルといいます)になっています。

 細胞骨格については、3種類、特に微小繊維と微小管の構成が重要です。繊毛、鞭毛、微絨毛は、いずれも生理学Ⅱ&Ⅳや解剖学で学ぶ内容に関わっていますが、ここで頭に入れてしまいましょう。アクチンは非常に有名なタンパク質で、微小繊維を構成すること以外にも役割があります(『生理学Ⅰ第5章』で取り上げます)。微小管は骨格であると同時に、細胞内での小器官の移動にも必須の役割があります。これも別の機会に取り上げます。

 細胞小器官は、一区塚に分けて説明をしました。タンパク質の合成や加工・修飾、運搬に関わっているのがリボソーム、粗面小胞体、ゴルジ装置です。第2章第6節遺伝子発現のしくみで改めて取り上げますが、それぞれの構造や互いの関わりについておさえておきましょう。

 同じ小胞体でも、滑面小胞体は非常に特殊な位置づけです。生理学Ⅰ&Ⅲでは筋細胞における役割について触れます。

 リソソーム、プロテオソーム、ペルオキシソームの3種類は、細胞内での分解や処理にかかわる小器官です。特にリソソームは多様なはたらきをもっているため、研究も進んでいます。参考として上げら「オートファジー」はその代表です。プリントには図と簡単な説明しかありませんでしたので、追加で説明文を配布しました。改めて解説することはありませんので、各自で目を通しておくように。

 ミトコンドリアはATP産生のための小器官です。ただし、サイトゾルで生じる解糖系が非有酸素反応(酸素を消費せずにATPを産生する)であるのに対して、ミトコンドリア内で生じるクエン酸回路と電子伝達系は有酸素反応(反応の進行に酸素が必須)です。すでに学んだ赤血球にはミトコンドリアがありません(他の小器官もほとんどありません)から、赤血球は有酸素反応によってATPを産生することができません。

 細胞小器官の構造を考える上で忘れてならないのは、小胞体、ゴルジ装置、リソソーム、ペルオキシソーム、そしてミトコンドリアはいずれも膜によってできているということです。これらを細胞内の「細胞内膜系」としてまとめることもありますが、いずれも細胞膜同様に脂質二重膜(+膜タンパク質)によってつくられています。ミトコンドリアだけが膜が二重になっていますが、他はすべて1枚の膜によって、サイトゾルとその小器官の内部が仕切られています。細胞膜とこれら小器官の膜を合わせて『生体膜』ということがあります。来週の授業で追加プリントを配布して、これらの細胞内膜系小器官の成り立ちを解説します。

コレステロール

 授業中にコレステロールについて質問がありました。血中のコレステロールについては他の科目でも取り上げられるでしょうから、ここでは細胞膜に関して1点だけ補足をしておきます。

 授業では特に断りなく「細胞膜にはコレステロール必ずある」という意味の説明をしましたが、「動物細胞の」という限定を付ける必要があります。植物を構成する細胞=植物細胞の細胞膜にはコレステロールはほとんど含まれていません。他の種類のステロイド化合物が同様の役割を演じています。ステロイドという点では共通していますので、コレステロールと同様にステロイド環を持っている化合物です。また、植物にも、動物同様に「ホルモン」として機能する物質がありますが、ステロイドホルモンはわずかです。

 ところで、家庭で揚げ物や炒め物にはどんな油を使いますか? 多くの家庭では、いわゆるサラダ油、多くはひまわり油や菜種油、大豆油、ごま油などの混合物を使っているのではないでしょうか。中にはオローブ油を使う家庭もあるかもしれません。いずれにせよ、植物性油脂です。上の説明からも分かるように、植物にはコレステロールはほとんど含まれていませんので、これらの油脂は事実上「コレステロール・ゼロ」と考えてよいでしょう。わざわざ「コレステロール・ゼロ」と強調している商品もありますが、「他の製品にはコレステロールが入っているが、これには入っていないから健康によい」と言いたいのでしょうか? 

フックとレーウェンフック

 「細胞」とは「cell」の訳語としてつくられた語です。そもそも「cell」とはキリスト教の修道院での修道士や修道女たちの個室、あるいは隠遁するための庵を表した語で、ラテン語で「小さな部屋」などを意味する”cella”に由来するそうです。中世には監獄の各房を表す語としても用いられたようですが、17世紀にはハチの巣の房室や植物の構造に対しても用いられていたようです。(参考:Online Etymology Dictionary"https://www.etymonline.com/search?q=cell")

 授業でも触れましたが、「cell」という語を現在の「細胞」に近い意味で使ったのは、イギリスのロバート・フック(Robert Hooke、1635〜1703)です。
フックは最初の顕微鏡を発明してさまざまなものを観察しているほか、バネの伸びに関する弾性の法則(フックの法則)を発見したことでも知られています。彼の顕微鏡を使った観察図を集めた「ミクログラフィア(Micrographia、顕微図譜)」という書物の中に、授業で紹介したコルクのスケッチがあります。ここに描かれた一つ一つの小さな箱のような部分に対してフックは「cell」という語を当てて報告しました。(MicrographiaはWebで閲覧することができます。ここ:http://www.gutenberg.org/files/15491/15491-h/15491-h.htmでひらいて、Schem11 にある図です)

 我々が製品として目にする「コルク」は、コルク樫の樹皮をはいで乾燥させたものです。したがって、フックが顕微鏡で観察した試料が同様のものであるとすると、彼の言う「cell」は、細胞(正確には原形質=細胞質+核)が抜け落ちて周囲の細胞壁だけが残ったもので、「細胞」ではありません。実は、フックは「ワインのビンの栓としてコルクが優れているのはなぜか?」と問われたために、コルク片を顕微鏡で観察したとのこと。そして、コルク片のcellに空気が閉じ込められたために、気密性と弾性が生じていることを見いだしました。生きた細胞ではありませんが、「cell」という言葉を提唱し、意味は変わってもその後も使い続けられているという点で、大きな意義があったと思います。(参考:山科正平 (2009). 細胞発見物語~その驚くべき構造の解明からiPS細胞まで, 講談社.)

 また、フックと同時代に単式顕微鏡を開発したオランダのレーウェンフック(Antonie van Leeuwenhoek、1632~1723)も紹介しました。彼はオランダ南部のデルフトという町で生まれ、おそらく生涯をこの町で過ごしています。彼が顕微鏡を観察している絵を紹介しましたが、どこかで見たことのある雰囲気だと感じた人はいますか? レーウェンフックと同じ年に、同じくデルフトで生まれたヨハネス・フェルメール(Johannes Vermeer、1632〜1675)の絵画(代表作はここにあります:https://www.wikiart.org/en/johannes-vermeer/all-works#!#filterName:all-paintings-chronologically,resultType:masonry)などを意識して描かれているような気がします。レーウェンフックは、フェルメールの友人だったらしく、先に亡くなったフェルメールの遺産管財人を務めています。フェルメール作品の中で、珍しく弾性を描いた『天文学者(The Astronomer)』や『地理学者(The Geographer)』はレーウェンフックがモデルだという説もあるとのことです。

第4回 細胞と細胞膜

 長い連休でしたが、やることも多かったことでしょう。連休前に紹介した医学会総会などに行っていれば是非感想を聞かせて下さい。

 今回からいよいよ細胞の構造と機能を考えていきます。冒頭で紹介したように、17世紀から既に観察され、19世紀の初めには、細胞が生体の基本単位であることが明らかにされていました。ちょうど、ベルナールが恒常性の概念を発表した時期に一致します。したがって、この時期に現在につながる生命科学が始まったといってもいいかもしれません。

 今回の内容で最も重要なことは、細胞膜の構造が脂質とタンパク質からなる「流動モザイクモデル」で説明できるということです。そして、細胞膜の基本構造は脂質二重膜で、さらにその中心はリン脂質です。したがって、リン脂質の構造と両親媒性物質であることをよく理解しましょう。『生理学のための化学』第9章ではやや詳しく説明しましたので、小テストの順番にとらわれずにじっくりと読んでみましょう。また、構造を理解するためには、なんと言っても実際に図を描いてみることです。リン脂質も、頭部と尾部の二つの部分からなっているということが分かる程度でよいので、手を動かしてみましょう。眺めているだけでは絶対に理解できません。

 細胞膜を構成する脂質の3/4はリン脂質ですが、それ以外にコレステロールと糖脂質があります。特に、コレステロールは膜の強度を高めるために必須です。ややもするとネガティブなイメージで語られることの多い物質ですが、細胞膜の構造に必須であるということは生存に必須であるということです。合わせて頭に入れておきましょう。

 細胞膜の機能を大きく二つに分けるとすると、細胞内外の障壁としての機能と細胞内外での物質や情報の媒体としての機能に分けることができます。障壁としての機能は主に脂質二重膜が担っています。しかし、物質や情報の媒体としての機能の多くを果たしているのは膜タンパク質です。今回は大雑把に紹介しただけですが、今後さまざまな膜タンパク質を取り上げてその機能を説明します。また、生理学2&4でも触れられるはずですから、その都度良く確認しましょう。
 
 授業の冒頭で紹介した18世紀の複式顕微鏡やレーウェンフック単式顕微鏡の写真などは昨年、東京・上野の国立科学博物館で開催された特別展「人体〜神秘への挑戦」の図録に掲載されています。既に終わった展覧会ですが、公式のホームページはここです。http://www.kahaku.go.jp/exhibitions/ueno/special/2018/jintai/index.html、また、文献リストはhttp://www.kahaku.go.jp/exhibitions/ueno/special/2018/jintai/reference.html に挙げられています。