278

Part Ⅰ

構造と触媒作用

基質（金属棒）

遷移状態（曲がった棒）

生成物（折れた棒）‡PS

自由エネルギー，G(a) 酵素なし‡ǍG‡非触媒反応SP
反応座標

酵素
磁石
生成物はほとんどないES

自由エネルギー，G(b) 基質に相補的な酵素‡ǍG‡非触媒反応ǍG‡触媒反応SPǍGM

ES
反応座標

E‡

ES+
P

自由エネルギー，G(c) 遷移状態の基質に相補的な酵素

誤：選移
正：遷移‡

‡

ǍG‡非触媒反応 ǍGMǍG‡

S

ES
P
反応座標

図 6-5

金属棒の切断を触媒するように設計された仮想酵素（棒切断酵素）(a) 切断するためには，棒はまず曲げられなければならない（遷移状態）．いずれの棒切断酵素の例でも，通常の酵素と基質の聞の弱い結合相互作用の代わりに磁気的相互作用が働く．(b) 棒切断酵素は棒（基質）と相補的に磁石が並んだポケットをもっており，基質を安定化する．棒と酵素の間の磁気的引力のために，棒の屈曲が妨げられる．(c) 反応遷移状態に相補的なポケットを有する酵素は棒を不安定化し，それによって触媒反応を促進する．磁気的相互作用による結合エネルギーは，棒を曲げるために必要な自由エネルギーを供給する．反応座標図（右側）は，基質に相補的な場合と選移状態に相補的な場合のエネルギー変化を示す（EP 複合体は省略してある）．ΔGM は触媒反応と非触媒反応の間の遷移状態エネルギーの差を示し，金属棒と棒切断酵素の間の磁気的相互作用が寄与している．酵素が基質に相補的な場合（b）には，ES 複合体は安定であり，基底状態の自由エネルギーは基質だけのときよりも小さい．この結果，活性化エネルギーは増大する．

放出される自由エネルギー（結合エネルギー）の移状態は安定な状態ではなく，基質がエネルギー一部は，エネルギーの丘に登るために必要なエネの丘の頂上にある極めて短寿命の存在である．しルギーとして使われる．反応にとって不利な（正かし，エネルギー障壁はずっと低いので，酵素触‡の）活性化エネルギーΔG と，有利な（負の）媒反応は非触媒反応よりもずっと速い．重要な原結合エネルギー（ΔGB）の総和が正味の活性化エ

理は，酵素と基質の間の弱い相互作用が酵素触媒ネルギーとなる（図 6-6）
．酵素の場合にも，遷作用の実質的な推進力となることである．これら

Part Ⅰ404

構造と触媒作用

図 8–3 に示すように，ペントース環は平面ではな

み，チミンが DNA にのみ見られる点）があるが，く，一般に「ヒダのある puckered」構造と呼ば両者を規定する決定的な基準はペントースであれるさまざまなコンホメーションのうちの一つをる．もしも核酸が 2´–デオキシ–D–リボースを構とる．

造内に含んでいれば，たとえその核酸がウラシルを含んでいたとしても定義上は DNA である．同

重要な約束事：DNA と RNA には互いを識別す様に，もしも核酸が D–リボースを含んでいれば，る上で二つの構造上の違い（異なるペントースに塩基の組成にかかわらず RNA である．■

より構成されている点と，ウラシルが RNA にの
NH2NNO–O

H2N–

P

H3C

N

HN

N

N

OO–O

O

CH2 O
H–O

H

H

OH

H

P

CH2 O
H–O

H

H

OH

HPO
O

O

H

O

N–OO

O

H

NO

N–O

NH

N

N

NH 2CH2 O
H–H

H

OH

H

O

P

CH2 O

O

O

H

H

H

H

OH

H

H

ヌクレオチド：デオキシアデニル酸（デオキシアデノシン5´‒ 一リン酸）
記号：A, dA, dAMP

デオキシグアニル酸（デオキシグアノシン5´‒ 一リン酸）
G, dG, dGMP

デオキシチミジル酸（デオキシチミジン5´‒ 一リン酸）
T, dT, dTMP

デオキシシチジル酸（デオキシシチジン5´‒ 一リン酸）
C, dC, dCMP

ヌクレオシド：デオキシアデノシンデオキシグアノシン

デオキシチミジン

デオキシシチジン(a) デオキシリボヌクレオチド

N

N–

O

H2N–

P
O

O
O

CH2 O
H–O

H

HOH

OH

H

ヌクレオチド： アデニル酸（アデノシン5´‒ 一リン酸）
記号：A, AMP
ヌクレオシド： アデノシン

N

HN

N

N
O

O

O

NH2NH

N

N

N–

P
O

O
O

CH2 O
H–

O

H

H

OH

OH

H

NH2N

O

N

–PO
CH2 O

O

O

H–O

H

H

OH

OH

H

グアニル酸
（グアノシン5´‒ 一リン酸）
G, GMP

ウリジル酸（ウリジン5´‒ 一リン酸）
U, UMP

グアノシン

ウリジン

O

–PO

O

CH2 O
H

H

HOH

OH

H

シチジル酸
（シチジン5´‒ 一リン酸）
C, CMPシチジン(b) リボヌクレオチド

図 8︲4 核酸を構成するデオキシリボヌクレオチドとリボヌクレオチド

誤：C，AMP

すべてのヌクレオチドは，pH 7.0 における遊離型で示してある．DNA のヌクレオチド単位 (a) は，通常はA，正：C，CMP
G，T，C と表記されるが，dA，dG，dT，dC と表記されることもある．RNA のヌクレオチド単位 (b) は，A，G，U，C と表記される．遊離型では，デオキシリボヌクレオチドは一般に dAMP，dGMP，dTMP，dCMP と略記され，リボヌクレオチドは AMP，GMP，UMP，CMP と略記される．図中の各ヌクレオチドに関して，より慣用的な名称が最初に示され，次にかっこ内に正式名称が示されている．すべての略語表記において，リン酸基は5´位にあるものと仮定する．各ヌクレオチド分子中のヌクレオシド部分を淡赤色の網かけで示す．これ以降の図では，慣例に従って環の炭素原子を示さない．

Chap.15

代謝調節の原理

873

ホスホリラーゼの Ser 残基にホスホリル基を転を大きく増幅できる（図 15⊖37 の桃色の網かけ参移することによってホスホリラーゼを活性化する照）．cAMP 濃度の上昇は，プロテインキナーゼ酵素（ホスホリラーゼ b キナーゼ）は，エピネフ

A protein kinase A（PKA）とも呼ばれる cAMP

リンやグルカゴンによって，図 15⊖37 に示す一連

依 存 性 プ ロ テ イ ン キ ナ ー ゼ cAMP-dependentの ス テ ッ プ を 経 て そ れ 自 体 が 活 性 化 さ れ る．

protein kinase を活性化する．PKA は次にホスSutherland は， セ カ ン ド メ ッ セ ン ジ ャ ー のホ リ ラ ー ゼ b キ ナ ー ゼ phosphorylase b kinasecAMP を発見した．cAMP の濃度は，エピネフをリン酸化して活性化する．ホスホリラーゼ b キリン（筋肉）やグルカゴン（肝臓）による刺激にナーゼは，グリコーゲンホスホリラーゼの 2 個の応じて上昇する．cAMP 濃度が上昇すると，酵同一サブユニットの各 Ser 残基のリン酸化を触媒

素カスケード enzyme cascade が開始される．こして活性化し，その結果グリコーゲン分解を促進のカスケードでは，触媒が触媒を活性化し，それする．筋肉では，グリコーゲン分解は，エピネフがさらに別の触媒を活性化する（Sec. 12.2 参照）．

リンをシグナルとする闘争-逃走応答に関して，このようなカスケードによって，最初のシグナル筋収縮を持続させるための解糖の燃料を供給す

筋細胞

x 分子

エピネフリングルカゴン

誤：活性型グリコーゲンホスホリラーゼ b
正：活性型グリコーゲンホスホリラーゼ a

Gsa

ATP

アデニル酸
シクラーゼ

不活性型PKA［Ca2+］
不活性型ホスホリラーゼbキナーゼ

サイクリックAMP
20 x 分子活性型PKA
10 x 分子活性型ホスホリラーゼbキナーゼ

100 x 分子不活性型グリコーゲン
ホスホリラーゼb

活性型グリコーゲン
ホスホリラーゼa
1,000 x 分子

［AMP］

グリコーゲン

肝細胞

グルコース 1-リン酸
10,000 x 分子

解糖

グルコース

筋収縮

血糖
10,000 x 分子

図 15-37 エピネフリンとグルカゴンの作用のカスケード機構
筋細胞（左）ではエピネフリンが，肝細胞（右）ではグルカゴンが特異的な細胞表面受容体に結合することによって，GTP 結合タンパク質 GSα（図 12-7 参照）を活性化する．活性型の GSαは cAMP 濃度の上昇の引き金となり，PKA を活性化して，リン酸化のカスケードを作動させる．すなわち，
PKA はホスホリラーゼ b キナーゼを活性化し，ホスホリラーゼ b キナーゼは次にグリコーゲンホスホリラーゼを活性化する．このようなカスケードは，最初のシグナルを大きく増幅させる．桃色の網かけ内の数字
は，カスケードの各段階における実際の分子数の増加をおそらくは低めに見積もった値である．結果的に起こるグリコーゲンの分解によってグルコースが供給される．グ
ルコースは，筋細胞では（解糖を介して）筋収縮のための ATP を提供することができ，肝細胞では低血糖に対処するために血中に放出される．

Chap. 25

DNA 代謝1433

対称な単一の DNA ポリメラーゼⅢ二量体によっ25-13 に示すように，ラギング鎖 DNA をループて合成される．この協調的な DNA 合成は，図状にし，二つの重合点を近づけることによって達リーディング鎖合成（DNA ポリメラーゼⅢ）

PolⅢ
複製フォークの動き

5′3′

SSB

直前につくられた
岡崎フラグメントのRNA プライマー

3' 5'
5' 3'
3' 5'
5' 3'(b)プライマーゼRNA
プライマー

ラギング鎖合成（DNA ポリメラーゼⅢ）

(c)

(d)

図 25-12

正5′3′DnaB
ヘリカーゼ
DNA トポイソメラーゼⅡ（DNA ジャイレース）

誤(a) 5′3′岡崎フラグメントの合成(a) ところどころで，プライマーゼが新たな岡崎フラグメントのために必要な RNA プライマーを合成する．
もしも 2 本の鋳型鎖が図のように平行に並んでいると考えた場合に，ラギング鎖合成は形式的にはフォークの動きとは反対方向に進むことに注意しよう．(b) 各プライマーは，DNA ポリメラーゼⅢによって伸長される．(c)DNA 合成は，その直前につくられた岡崎フラグメントのプライマー RNA に出会うまで続く．複製フォーク近くでは，新たなプライマーが合成されて，過程が再開される．(d) 各 DNA ポリメラーゼⅢホロ酵素は 3 組のコアサブユニットを有し，一つまたは二つの岡崎フラグメントをリーディング鎖と同時に合成することができる．

1434 Part Ⅲ

情報伝達成される．

によって行われる．DnaB ヘリカーゼと DnaG プ

ラギング鎖上での岡崎フラグメントの合成は，ライマーゼは，プライモソーム primosome と呼エレガントなダンスの振付けともいえる酵素機構

ば れ る 複 製 複 合 体 中 の 機 能 単 位 を 形 成 す る．

(a)コア
リーディング鎖DNA が DnaB ヘリカーゼにより巻き戻されるにつれて，リーディング鎖の連 続 的合成が進行する．

開いたβスライディングクランプを有する
クランプローディング複合体

誤：クランププローディング複合体
正：クランプローディング複合体

ラギング鎖

DnaB

直前につくられた岡崎フラグメントのRNA プライマー

プライマーゼ(b)(e)
新たな岡崎フラグメントの合成が開始するのに伴って，次のβクランプが準備される．

岡崎フラグメント合成が終わりに近づく．

プライマーゼ

新たなRNA
プライマー

プライマーゼが DnaBに結合し，新たなプライマーを合 成し，そして解離する．

(c)

(d)
クランプローダーによって，新たなβクランプが新しい鋳型プライマーに結合する．

ラギング鎖のコアサブユニットは新たなプライマーとβクランプへと移動し，古いβクランプは取り残される．
取り残されたβクランプ

新たな岡崎フラグメントの合成がラギン
グ鎖上で完了する．

図 25-13

リーディング鎖とラギング鎖上の DNA 合成

複製フォークでは，単一の DNA ポリメラーゼⅢの二量体が DnaB ヘリカーゼを含む大きな複合体内で働いて，2 本の鎖の合成を協調的に行う．この図は，すでに進行している複製過程を表している；(a) ～ (e) までの各ステップについては本文中に記述．ラギング鎖上で起こる反応サイクルをよりわかりやすく表すために，ポリメラーゼのコアサブユニットを 2 組のみ示している．ラギング鎖がループを形成することによって，リーディング鎖とラギング鎖の鋳型上での DNA 合成が着実に同時進行する．細い赤色の矢印は，新しく合成された 2 本の鎖の 3′末端，すなわち DNA 合成の方向を示す．ラギング鎖上で岡崎フラグメントが合成されつつある様子を強調してある．クランプローディング複合体のサブユニットの色分けと機能については図 25-14 で説明する．

1518 Part Ⅲ

情報伝達

miRNA の役割については Chap. 28 で詳しく述べる．

RNA 代謝のいくつかの過程は RNA 酵素によって触媒される

RNA 分子の転写後プロセシングに関する研究から，現代の生化学における最もエキサイティングな発見の一つが得られた．すなわち RNA 酵素の存在である．最もよく解析されているリボザイ
ムは自己スプライシングを行うグループⅠイントロン，リボヌクレアーゼ P（RN アーゼ P），およびハンマーヘッド型リボザイムである（後述）．
これらのリボザイムの活性のほとんどは，二つの基本的な反応，すなわちエステル転移（図 26‑A A
AUCA
C GC GU A ハンマーヘッド
G CGA
GA
U
A
A C G C C 3A
GU G C G G 5
UCC
G C
A U
C G
C G
A U
U AC
UA
CUCGA
U A
A U
G C
G C(a)
5 3
(b)

33

GC

5GC53誤：…グループⅠイントロン，すなわちリボ 図 26‑28 ハンマーヘッド型リボザイム13）とホスホジエステル結合の加水分解（切断）ヌクレアーゼ P（RNP）とハン
ウイルソイドというある種のウイルス様エレメンに基づく．リボザイムの基質はRNAアーゼ分子である
トは，小さなRNA ゲノムをもっており，通常はそのマーヘッド型リボザイムである（後述）．
ことが多く，ときには基質がリボザイムそのもの複製またはパッケージング，あるいはその両方に他のウイルスの助けを必要とする．いくつかのウイルP（RN アーゼ P），およびハンマには，RNAーゼ
触媒は塩基対形成の相互作用を利用
ソ イ ド RNA は， 複 製 に 伴 っ て 起 こ る 部 位 特 異 的ーヘッド型リボザイムである（後述）．
RNA 切断反応を促進する小さな領域を含んでいる．
して，反応基質を所定の位置に配置することがでこの領域は，二次構造がハンマーの頭部のような形きる．
なので，ハンマーヘッド型リボザイムと呼ばれる．
リボザイムはサイズが極めて多様である．自己ハンマーヘッド型リボザイムは，もっと大きなウイ
ルス RNA からも見出され，別個に研究されてきた．
スプライシング型のグループⅠイントロンは，(a) リボザイムによる触媒に必要な最小の配列．枠囲400 ヌクレオチド以上の場合もある．ハンマーみしたヌクレオチドは高度に保存されており，触媒ヘッド型リボザイムは，全体でもわずか 41 ヌク機能にとって必須である．桃色の網かけで示すグア
レオチドの 2 本の RNA 鎖から成る（図 26‑28）．
ニンヌクレオチドは活性部位の一部を形成する．矢印は自己切断部位を示す．(b) 三次元構造（別のハンタンパク質酵素の場合と同様に，リボザイムの三マーヘッド型リボザイムの空間充填表示については次元構造は機能にとって重要である．融解温度を
図 8‑25（b）参照）．鎖は（a）と同じ色で色づけされて超えて加熱されたり，変性剤が添加されたり，正いる．ハンマーヘッド型リボザイムは金属酵素であしい塩基対形成を壊すような相補的オリゴヌクレり，での活性には Mg²+ が必須である．自己

正：…グループⅠイントロン，リボヌクレアの一部分であることもある．RNAが基質の場合オチドが添加されたりすると，リボザイムは失活する．必須のヌクレオチドが変化しても失活する．
テトラヒメナの 26S rRNA 前駆体由来の自己ス
プライシングを行うグループⅠイントロンの二次構造の詳細を図 26‑29 に示す．

切断部位のホスホジエステル結合を矢印で示す．［出典：（b）PDB ID 3ZD5, M. Martick and W. G. Scott,126: 309, 2006.］

Chap. 27
細菌リボソーム70S
分子量 2.7×10⁶

細菌

タンパク質代謝1565

真核生物リボソーム
80S
分子量 4.2×10⁶

古細菌

真核生物

誤：tRNA

50S

60S

正：rRNA

図 27‑15 生命の三つの生物超界由来の小サブユニット rRNA の二次構造の保存
赤色，黄色，紫色は，細菌，古細菌，真核生物のrRNA の構造が異なっている領域を示す．保存された領域を緑色で示す．［出典：www.rna.icmb.utexas.
edu の情報．
］

分子量 1.8×10⁶
分子量 2.8×10⁶
5S rRNA
5S rRNA（120 ヌクレオチド） （120 ヌクレオチド）
23S rRNA
28S rRNA（3,200 ヌクレオチド）（4,700 ヌクレオチド）
36 個のタンパク質
5.8S rRNA（160 ヌクレオチド）
47 個のタンパク質

30S

が，その二次構造だけでは完全な構造において見られる三次元相互作用の広範なネットワークを築くことはできない．
真核細胞のリボソーム（ミトコンドリアや葉緑体のリボソームを除く）は，細菌のリボソームよりも大きくて複雑であり（図 27‑16；図 27‑14（b）と比較せよ），直径約 23 nm で沈降係数は約 80Sである．二つのサブユニットが存在し，それぞれのサイズは生物種によって異なるが，平均 60Sと 40S である．真核細胞のリボソームは，80 種

分子量 0.9×10⁶
16S rRNA（1,540 ヌクレオチド）
21 個のタンパク質40S
分子量 1.4×10⁶
18S rRNA（1,900 ヌクレオチド）33 個のタンパク質

図 27‑16 細菌と真核生物のリボソームの組成と質量のまとめ
リボソームのサブユニットは，遠心のときの沈降速度を表す沈降係数 S（スベドベリ Svedberg 単位）の値によって同定される．S 値は分子量の 3 分の 2 にほぼ比例し，分子の形によってもわずかに影響を受けるので，サブユニットの値を合算した値にはならない．

類以上のタンパク質を含んでいる．ミトコンドリ
アや葉緑体のリボソームは，細菌のリボソームよる．これらの複合体の組成は，新たなリボソームりもいくぶん小さくて単純である．それにもかかタ ン パ ク 質 が 加 え ら れ る に つ れ て 変 化 す る．

わらず，リボソームの構造と機能は，すべての生rRNA はそれらの最終的な形を獲得し，rRNA の物と細胞小器官において極めて類似している．

プロセシングに必要ないくつかのタンパク質は遊細菌でも真核細胞でも，リボソームは，rRNAが合成されるにつれて，リボソームタンパク質の階層的な取り込みを通して組み立てられる．プレrRNA（図 26‑24 参照）のプロセシングの大部分は，大きなリボヌクレオタンパク質複合体内で起こ離する．