タンパク質合成

タンパク質合成とは、細胞が遺伝情報をもとにポリペプチドを作る過程のことです。多くの生物の授業では、この用語には2つのつながった段階が含まれます。転写ではDNAの情報がメッセンジャーRNA（mRNA）に写し取られ、翻訳ではリボソームがそのmRNAを読み取り、正しい順序でアミノ酸をつないでいきます。

要点だけを押さえるなら、次の流れを覚えておけば十分です。

DNA \to mRNA \to \text{polypeptide}

大事なのは、タンパク質合成でまずできるのは通常、最初のアミノ酸鎖であって、必ずしも完成した機能的なタンパク質ではないという点です。

タンパク質合成で最初にできるもの

タンパク質合成の直接の産物は、通常 ポリペプチド です。これは、ペプチド結合でつながったアミノ酸の鎖です。この鎖は特定の立体構造に折りたたまれる必要があり、多くの場合、成熟したタンパク質として働く前に、さらに化学的な修飾も必要になります。

この違いは重要です。というのも、学習者はしばしば「タンパク質が作られた」と「働くタンパク質が完成した」を同じ意味で考えがちだからです。実際の細胞では、この2つは必ずしも同じ段階ではありません。

転写では、DNA中の遺伝子を鋳型としてRNAのコピーが作られます。真核細胞では、この過程は核内で起こります。原核生物には核がないため、転写は細胞質で行われます。

多くの入門図では、転写はDNAがそのままmRNAになるように描かれます。基本的な考え方としてはそれで問題ありません。ただし真核生物では、最初に作られたRNAは、成熟したmRNAとして翻訳される前に加工を受けます。

翻訳では、リボソームがmRNAを3つのヌクレオチドずつ読み取ります。この3塩基の単位を コドン といいます。トランスファーRNA、つまりtRNAは、遺伝暗号に従って各コドンに対応するアミノ酸を運ぶ役割を助けます。

翻訳は通常、開始コドンから始まり、終止コドンで終わります。標準遺伝暗号では、 $AUG$ はメチオニンを指定し、多くの場合開始コドンとしても働きます。

ある遺伝子の一部について、DNAの鋳型鎖が次のようになっているとします。

3' - T A C\ C C G\ A T T - 5'

転写で作られる相補的なmRNAは次のとおりです。

5' - A U G\ G G C\ U A A - 3'

次に、このmRNAをコドンごとに区切ります。

標準遺伝暗号を使うと、次のようになります。

したがって、リボソームは $AUG$ で翻訳を開始し、メチオニン、次にグリシンを加え、 $UAA$ で停止します。できるポリペプチドは、メチオニン-グリシンという2個のアミノ酸からなる短い鎖です。

この例が示している最も重要な点は、DNAがそのまま直接タンパク質として読まれるわけではないということです。情報はまずmRNAに書き換えられ、その後で初めてアミノ酸配列へと翻訳されます。

コドンが重要なのは、リボソームがアミノ酸の意味を1つずつのヌクレオチドで読んでいるわけではないからです。情報は3つ組で読まれます。もし読み枠が1塩基ずれると、その後ろのコドンが変わり、多くのアミノ酸が変化したり、途中で終止シグナルが生じたりすることがあります。

そのため、挿入変異や欠失変異は、3の倍数のヌクレオチド数でない場合に大きな影響を及ぼすことがあります。

通常の細胞でのタンパク質合成では、リボソームが読むのはDNAではなく mRNA です。

この2つはつながっていますが、別々のしくみをもつ異なる過程です。真核生物では、起こる場所も異なります。

翻訳されるRNAもありますが、そうでないRNAも多く存在します。リボソームRNAやトランスファーRNAは、タンパク質に翻訳されないにもかかわらず、タンパク質合成の中心的な役割を担っています。

一直線のアミノ酸鎖は出発点にすぎません。機能は最終的な三次元構造に大きく依存します。

タンパク質合成は、遺伝子発現、細胞の成長、修復、発生、環境への応答の中心にあります。また、多くの薬、変異、実験技術が転写・翻訳・タンパク質の最終的な折りたたみに影響するため、医学やバイオテクノロジーでも重要です。

この概念は、遺伝子と形質を結びつけて考えたいときに特に役立ちます。DNAの変化はmRNAを変え、mRNAの変化はアミノ酸配列を変え、その結果としてタンパク質の機能が変わることがあります。

短いDNA鋳型配列を使って、自分でも試してみましょう。それをmRNAに転写し、コドンごとに区切って、翻訳がどこで始まりどこで止まるかを確認します。さらに一歩深く学ぶなら、次はこの過程をDNA複製と比べてみると、鋳型のコピーと塩基対形成の役割の違いが混同しにくくなります。

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