“生命”のしくみ佐藤公行（２００９年１１月29日、浅口市）

Ｇ. ガリレイ（1564－1642）
Ｆ. レディー
（1626－1698）
Ａ．レーウェンフック
（1632－1723）

Ｃ．ダーウィン
（1809－1882）
Ｇ. メンデル（1822－1884）
Ｌ．パストゥール
（1822－1895）
Ａ．Ｉ．オパーリン（1894－1980）

ところで、“生命”とは何か？

“生命”とは何か？
• ふえる！
・成長する・子孫を残す・？

• “複製能・代謝（触媒）能・変異能”

－話題－地球上の生物はどんな存在か？
その起源と行く末は？

－話題－

地球上の生物はどんな存在か？
その起源と行く末は？
（宇宙で何が見つかるのか！）地球上の生物の特徴• “形（構造）”や“営み（機能）”が多様である• 本質において画一的である
細胞が単位
水が主成分
炭素を中心に作られた高分子で構成（核酸・タンパク質・脂質・・・）

生物は“分子（化学）機械“である！

生物の化学的な構成

生体を構成する元素（生元素？）（存在度ベスト１０ー原子数）（地殻）
酸素（Ｏ）、珪素（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、水素（Ｈ）、ナトリウム（Ｎａ）、カルシウム（Ｃａ）、鉄（Ｆｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カリウム（Ｋ）、チタン（Ｔｉ）（人体）
水素（Ｈ）、酸素（Ｏ）、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、カルシウム（Ｃａ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、塩素（Ｃｌ）（海水？）

元素の周期律表

生物を構成する分子• 水（Ｈ２Ｏ）• 炭素を中心とする高分子化合物（Ｈ・Ｃ・Ｏ・Ｎ・Ｓ・・・）
核酸・タンパク質・炭水化物・脂質・・・“既知の1700万以上の化合物のうち、90％近くが炭素を含む有機化合物である”

生物に特徴的な分子がある！
（生物によってしかつくられないか？）化学結合の仕組み―化学の復習―〈強い結合〉 50-100 kcal /モル• 電子を共有する―“電子”は“カスガイ”
電子共有結合〈弱い結合〉 数kcal /モル• 電気的に引き合う
イオン結合
水素結合
• 類は集う―“水と水”、“油と油”
疎水性相互作用（例）“水分子（Ｈ２Ｏ）”の構造

水は特異な分子である！

“水素結合”のネットワーク（Ｘ－Ｈ∙∙∙∙Ｙ）

水の変わった性質
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融点・沸点が異常に高い－常温（0‐100℃）で液体－融解熱・蒸発熱が大きい
比熱が大きい氷（固体）より大きな密度を示す
極性分子である“物質をよく溶かす”“低分子の脂質からなる生体膜を安定化する”

これらの性質がミクロやマクロの次元で生物の生存を支えている！

生体を構成する高分子• 限られた種類の“構成単位”から多種類の化合物がつくられる• “脱水縮合”が結合の原理である（共有結合）

タンパク質の構成単位は“アミノ酸”
ペプチド結合でつながる！

・・ＮＨ－Ｃα －ＣＯ－ＮＨ－Ｃα －ＣＯ・・

Ｃαは正三角錐の中心！

“側鎖（Ｒ）”の種類（２０種類）• 非極性（親油性）－疎水性相互作用性
グリシン（Ｇｌｙ・Ｇ）、アラニン（Ａｌａ・Ａ）、ロイシン（Ｌｅｕ・Ｌ）
フェニールアラニン（Ｐｈｅ・Ｆ）、トリプトファン（Ｔｒｐ・Ｗ）
Ｖ・Ｉ・Ｍ・Ｐ• 極性無電荷（親水性）－水素結合性
セリン（Ｓｅｒ・Ｓ）、チロシン（Ｔｙｒ・Ｙ）、システイン（Ｃｙｓ・Ｃ）＊
Ｔ・Ｎ・Ｑ• 極性電荷（親水性）－イオン結合性
リジン（Ｌｙｓ・Ｋ）、ヒスチジン（Ｈｉｓ・Ｈ），グルタミン酸（Ｇｌｕ・Ｅ） Ｄ・Ｒ

側鎖（Ｒ）は多様性に富んでいる！
親水（極）性
疎水（親油）性
イオン（荷電）性
共有結合性（Ｓ－Ｓ）

この多様性がタンパク質の機能に深く関わっている！

タンパク質の一次構造（例）・Gly-Ilu-Val-Glu-Gln-Cys-Cys-Ala-Ser-Val-Cys-Ser-LeuTyr-Gln-Leu-Glu-Asn-Tyr-Cys-Asn ‐ ‐（３文字表記）・GIVEQCCASVCSLYQLENYCN・・・（１文字表記）タンパク質１分子のアミノ酸の数は平均値で約１０００個－分子量は約10万！

タンパク質の高次構造－ヘモグロビンβ鎖の例－

ヘモグロビンβ鎖

ウマ心筋シトクロムｃ（１）

ウマ心筋シトクロムｃ
（２）

ウマ心筋
シトクロムｃ（３）

タンパク質の高次構造の特徴• 一次構造が高次構造を決める• 高次構造の形成において、“弱い結合”が中心的な役割を担う• 高次構造は可逆的である（変性・復元）• 高次構造の変化が繊細な“機能調節”に結びつている（酵素・基質相互作用や“アロステリック”制御など）

タンパク質は分子レベルで “言葉”をあやつる！

核酸（ＲＮＡ, ＤＮＡ）の構成単位は“ヌクレオチド”

塩基の種類

プリン
（Ａ・Ｇ）

ピリミジン
（Ｃ・Ｕ・Ｔ）

ＲＮＡ（リボ核酸）

ＤＮＡ（デオキシリボ核酸）（骨組み）

・・－ “糖”－“リン酸”－“糖”－・・

ＤＮＡ、ＲＮＡの塩基配列（ＲＮＡ）・・・・・・・・・・・・
・・・ＡＵＣＧＣＡ・・・・（ＤＮＡ）・・・・・・・・・・・・（二重）相補配列
・・・ＡＴＣＧＣＡ・・・・・・・ＴＡＧＣＧＴ・・・・

ＤＮＡの構造－“塩基対”“水素結合”で形成される塩基対（ｂｐ）！

ＤＮＡの二重らせん構造

ヒトゲノム（♂）• 23本の染色体• 約30億の塩基対• 20,000-25,000種類のタンパク質をコード• 多数のＲＮＡをコード（後述）ＤＮＡ分子のサイズ
生物（ウイルス・葉緑体を含む）

塩基対の数（キロbp）---------------------------------------------------------------------------------------------ウイルス
ポリオ―マ
5.2
λファージ
48.6
鶏痘
280
（タバコ葉緑体）（156）
古細菌（アーキア）
メタン細菌（例）
1,570
真正細菌
マイコプラズマ
760
大腸菌（Ｋ12株）
4,600
シアノバクテリア（例）
3,960
真核生物
酵母（一倍体染色体17本で）12,000
ショウジョウバエ（一倍体染色体4本で）180,000
ヒト（一倍体染色体23本で）2,850,000
肺魚（一倍体染色体19本で）102,000,000

脂質（１）－グリセリンの脂肪酸エステル－(a)脂質（２）• 極性脂質 （例、リン脂質）
親水性の頭部－リン酸、糖 ・・・
疎水性（親油性）の尾部－脂肪酸、（イソプレノイド） ・・・

二重性（親水性・親油性）！

水の中での脂質の構造―脂質二重膜―生物の高次（膜）構造を決める！

人工膜（リポソーム）の構造

生体膜の構造• 外界と隔絶する（別世界）• 膜上のタンパク質を介して外界と相互作用する（物質の選択的透過・信号の授受）

生物の営み―動的な化学過程―

“営み”の目的は？
• 成長（発生）
２個の細胞（卵、精子）から約1,000,000,000,000,000個の細胞まで（ヒト）
何故、成長するの？
• 増殖
子孫を残す！

全過程は、“エネルギー消費”によって支えられている！

成長（発生）・増殖を支配する仕組み
ー内在的情報の発現ー

情報分子としてのＤＮＡ、ＲＮＡ機能（触媒）分子としてのタンパク質！

情報の流れを示す“漫画”（１）

Ｊ．ド. ロイネ（菊池訳）1991から

“鍵”となる反応• ＤＮＡ依存性ＤＮＡ合成（複製）• ＤＮＡ依存性ＲＮＡ合成（転写）• ＲＮＡ依存性タンパク質合成（翻訳）• タンパク質が触媒する多彩な化学反応“増殖”目的を達成するための秩序だった機能（合目的性）！

ＤＮＡの複製（ＤＮＡ依存性ＤＮＡポリメラーゼ）

メッセンジャーＲＮＡの情報に基づく機能タンパク質の合成―不思議な仕組み―• 二つの役者：（１）アミノ酸転移ＲＮＡ（tRNA）
三つ組の塩基配列が特定のアミノ酸を指定する！
（２）翻訳装置（リボソーム）
塩基配列の情報をアミノ酸配列に変換する！

アミノ酸転位ＲＮＡ（１）―７６塩基程度のヌクレオチドで構成―アミノ酸転移ＲＮＡ（２）