生命活動をになう分子

生命分子細胞の中では，タンパク質やRNAに代表されるさまざまな分子が，生命を維持するために働いています。それらは，生物が長い進化の過程で獲得してきた精妙な「分子機械」です。

タンパク質のメカニズム
生命活動は，生体を構成しているタンパク質の化学反応によって維持されています。最近では，こうした動きを理解するために，レーザーを利用した様々な分光法が開発され，また理論的計算によってもダイナミクスが「見える」ようになってきています。

タンパク質の役割とはタンパク質の動きを直接見る

DNAの上に書かれた遺伝情報をもと

生体タンパク質は，あるきっかけににして，細胞の中でRNAとタンパク質よりタンパク質全体の構造が変化し，がつくられます。RNAには，タンパク機能を果たすようにできています。多質を合成する際の遺伝情報の受け渡し

くの原子が，ある目的のためにいっせに関わる分子のほか，それ自体で酵素いに動く，その働きのメカニズムはど反応をおこなったり，他のタンパク質うなっているのでしょうか。非常に短の機能を調節したりする「機能性RNA」

い時間（フェムト秒：100兆分の1秒）もあります。タンパク質は，細胞内でから長い時間（1000秒）のオーダーのさまざまな反応をおこない，また，細動きを観測することで，初めて原子を胞の機能を調節する働きをしていま動かす機構が明らかになります。例えす。RNAやタンパク質は，生命活動のば生体内で酸素を蓄える働きをするミ維持において中心的な役割を演じていオグロビンタンパクの構造変化を明らます。

かにするために，パルスレーザー光で酸素を解離させ，その後のタンパクの化学動きが調べられています。

パルスレーザー光でミオグロビンタンパクの酸素を解離させたときのタンパクの構造変化

細胞内における遺伝情報の流れ

蛋白質の分子シミュレーション
分子シミュレーションは，分子や分子の集合体の振る舞いをコンピュータ上で再現する方法です。実験だけでは知ることが難しい分子が機能を発揮する際の詳細なメカニズムを調べることができます。
タンパク質を結晶化して，これにＸ線を照射し蛋白質のような巨大分子の振る舞いを再現するためには，蛋白質分子とその周りにある水分子も含めた数万から数百万の原子から構成される系をコンピュータ上で再現します。原
子間の相互作用エネルギーをすべて考慮することで，各原子がどのように動いているのかを観ることができます。
この図には実際の分子シミュレーショ
ンに用いたリゾチームという蛋白質と分子シミュレーションで得られたリゾチームとその周りの水分子の配置

55その周りの水分子が示してあります。

タンパク質の立体構造を知る
生体内の化学反応をつかさどるタンパク質の立体構造を知ることで，その生物学的な機能を理解することができます。

Ｘ線結晶解析によるタンパク質の立体構造の決定
タンパク質を結晶化して，これにＸ輝度の高いシンクロトロン放射光が用ず，その測定に用いる波長も自由に選線を照射し結晶からの回折を測定するいられます。シンクロトロン放射光でぶことができ，このことは結晶構造のことで，結晶を作っているタンパク質は，Ｘ線強度が非常に大きいのみなら解析の手法に用いられています。の３次元立体構造を原子レベルで決定することができます。タンパク質はほとんどの生体内化学反応を触媒していますが，折りたたまれて立体構造を形成することで初めてその機能が発現されます。したがって，タンパク質の機能を理解するためには立体構造を知ることが不可欠です。Ｘ線結晶解析の方法は，結晶さえできればどんなに大きなタンパク質分子（あるいはその複合左：シンクロトロン放射光施設
Spring-8（兵庫県西播磨）体）でも，原子レベルでの立体構造を知ることができます。Ｘ線には極めて

DNA の 複 製 を 開 始 す る タ ン パ ク 質 とDNAとの複合体の立体構造
DNAの複製が起こる時，これを制御することのためにもタンパク質が使わ化
学

写真提供：（財）高輝度光科学研究センター

ることで，複製を開始するシグナルを与えています。

光合成の光エネルギー変換反応を行う膜タンパク質
膜タンパク質は生体膜（脂質二重層）に埋もれて存在するタンパク質で，れています。DNAが複製を開始すると生体膜という反応の場の上で，多くのきにタンパク質がDNAに結合して，複重要な生物学的な働きを担っていま製を開始するシグナルを与えます。こす。光合成反応中心複合体は最初に立の図は大腸菌の，あるプラスミドの複体構造が解明された膜タンパク質で，製開始を制御するタンパク質とDNAと光合成反応において，吸収した光エネの複合体の立体構造で，タンパク質ルギーを化学的なエネルギーに変換す（上部）の２箇所のヘリックス部分がるという役目を担っています。生物のDNA（下部）の２つの大きな溝にそれぞれ結合していることがわかります。

DNA複製開始タンパク質とDNAとのこのようにタンパク質がDNAを認識す複合体の立体構造

生命維持に必須である光合成の中で，最も重要な最初のステップの鍵を握っているタンパク質です。光合成反応中
心の立体構造からは，その中で起こる電子伝達反応において，電子が複合体の中をどのように伝わっていくかが手に取るように理解できます。

光エネルギーを化学エネルギーに変換する光合成反応中心複合体での電子伝達反応のようす

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酵素が触媒する化学反応の解明
ウンデカプレニル二リン酸合成酵素

55個のウンデカプレニル二リン酸を合せるのに都合よい構造をつくっているは，細胞壁の合成などに関与する生命成します。その立体構造が決定され，わけです。そのような酵素の表面の窪維持に必須の酵素タンパク質です。こ酵素は二量体として働いており，酵素みで，基質分子がどのように反応するの酵素はイソプレノイドの一種であるの表面にはリン酸基を結合する部分とかということも酵素の立体構造から理

ファルネシル二リン酸（炭素15個の化

長い疎水性の炭素鎖を認識する窪んだ解することができます。

合物）に，炭素が５個のイソプレンを部分があることが分かりました。酵素

次々と連続的に８回付加させて，炭素の表面で基質と生成物をうまく反応さファルネシルニリン酸（C15化合物）
OPP

OPP

イソペンテニルニリン酸（ C5化合物 ）

連
続８回
縮合
反応

ウンデカプレニルニリン酸（ C55化合物 ）

化
学

OPP

ピロリン酸

7OPP

左：ウンデカプレニル二リン酸合成酵素が触媒する反応
右上：ウンデカプレニル二リン酸合成酵素の立体構造
右下：酵素の分子表面で進行中の触媒反応のようす

炭素15個の出発物質 +（炭素5個の化合物 × 8回反応）= 炭素55個の反応生成物

水素を合成したり分解したりする酵素・ヒドロゲナーゼ
多くの微生物は，水素を合成したり分解したりする酵素・ヒドロゲナーゼというタンパク質を持っています。ヒ+ドロゲナーゼは，（ H2 →← 2H + 2e ）の反応を触媒し，細胞の中のプロトン濃度を調節する働きをしています。ヒ
ドロゲナーゼの触媒としての働きをその化学構造から解明できれば，水素をもっと効率良く合成したりすることがヒドロゲナーゼ分子全体構造の模式図可能となります。つまり，将来，水素をエネルギー源として利用できるようになるかもしれません。図で示したよ
うに，ヒドロゲナーゼはNiやFe原子

酵素反応部位の拡大図（Ni-Feを含む金属錯体）
SO/CN/CO

システイン（酵素反応部位）を持ち，そこで上に示した反応を触媒します。

システイン
CN/CO

Fe
CN/CO

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システインSNi機能性RNA
RNAは，細胞の中で遺伝情報を伝える働きをしていることが古くから知られていましたが，それ以外にも，さまざまな働きをしているRNAが存在します。それら機能性RNAの研究をもとにして，自然界には無い，新しい機能性RNAを創り出すことも可能になりつつあります。

リボザイム（RNA酵素）

タンパク質合成とRNA約20年前に酵素活性を持つRNA（リタンパク質合成の際にも，リボゾーボザイム）が発見されて以来，RNAはムRNAが触媒として働いていることが細胞内で情報担体としての働き以外にわかっています。RNAは，遺伝情報をも多様な働きをしていることがわかっ担うことができてきました。図は，リボザイムの中でると同時に，タ現在もっとも研究が進んでいるテトランパク質合成でヒメナのイントロン・リボザイムの活も中心的な役割性中心の構造です。RNAの二重らせんを果たしているがいろいろな相互作用で折り畳まれ，ことから，地球２本の二重らせんの間に形成された溝上に生命が誕生（クレフト）が活性中心を形成していした際には，RNAが大きな役割を果たしたものと考えられています。

ます。

化学

イントロンリボザイムの高次構造モデル

リボゾーム

機能性RNAをデザインする
自然界に存在するRNA分子の構造のりました。それを利用して，希望するあります。図は，2本の二重らせんが研究から，RNAの高次構造の形成に関高次構造を持ったRNA分子を人工的に近接するように設計したRNAの一例でわるいろいろな構造単位が明らかにな設計することができるようになりつつす。中央の溝の部分の塩基配列を改変することによって，この部分で触媒反応を起こさせることができます。このように，RNAは自由に構造を設計することができるうえに，そのRNA上で特異的な触媒反応を起こさせたり，細胞内の特定の分子を識別させたりすることができ，はかりしれない応用の可能性を秘めた素材です。

人工的に設計したRNA２つの近接した二重らせんの間で，触媒反応を起こさせることができます。

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