遺伝子とその働き

たんぱく質の合成にはRNAが重要

DNAはタンパク質の情報が記されている設計図である。DNAを核外に出すことは危険であるので、コピーを核外に出して使用する。DNAのコピーをRNAと呼ぶ。RNAはDNAとほぼ構造は同じであるが、デオキシリボースの代わりにリボースが使用されている。また、チミンの代わりにウラシル（U）が使用されており、２本鎖ではなく１本鎖である。

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転写：ＤＮＡを基にＲＮＡを合成する

DNAからタンパク質を作る際には、はじめにDNAのコピーであるRNAを合成する必要がある。DNAの塩基配列を基に、RNAを合成することを転写と呼ぶ。DNAの２本鎖の一部がほどけ、DNAのA、T、G、Cの塩基に、RNAのU、A、C、Gが結合し、１本鎖のRNAが合成される。

スプライシング：不要な部分をカットする

合成されたRNAには、必要な部分と不必要な部分が存在する。不必要な部分を排除し、必要な部分だけを残す作業をスプライシングと呼ぶ。スプライシングを経たRNAはmRNA（メッセンジャーRNA）と呼ばれる。

翻訳：mRNAの情報を基にたんぱく質を合成する

mRNAの情報を基に、タンパク質を合成する過程を翻訳と呼ぶ。まず、mRNAはリボソームに運ばれる。mRNAの３つの塩基（コドン）は１つのアミノ酸を指定し、指定されたアミノ酸をtRNAがリボソームへと運ぶ。運ばれたアミノ酸は結合していき、タンパク質が合成される。

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動画で見ると次のようになる。mRNAのコドンに合致するtRNAが次々とアミノ酸を運んでくる。

セントラルドグマ

DNAの情報を基にRNAが合成され、RNAの情報を基にタンパク質が合成される。この流れをセントラルドグマと呼ぶ。エヴァンゲリオンでは、最も最下層の中心部分をセントラルドグマと呼んでいる。この生物学用語が由来となっている。

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生体内のタンパク質

生体内でのタンパク質は、酵素や、皮膚や骨の成分、水晶体の成分、筋肉の繊維として用いられている。酵素は化学反応の触媒として働く。触媒とは、特定の化学反応の反応速度を速める物質で、自身は反応の前後で変化しないものをいう。以下に生体内でのタンパク質の例を示す。

リゾチーム

涙や鼻水に含まれる酵素。真性細菌の細胞壁である多糖類を分解する。

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コラーゲン

骨や皮膚の成分で、細長い繊維である。弾力を生み出す。

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クリスタリン

水晶体の成分である。

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アクチン

筋肉の成分であり、繊維状である。

http://legacy.owensboro.kctcs.edu/

タンパク質の構造

タンパク質はアミノ酸が多数結合してできたものである。

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アミノ酸は、１個の炭素原子にアミノ基とカルボキシ基が結合した物質である。

体細胞分裂と細胞周期

体細胞分裂は、４つの期に分類することができる。DNA合成準備期（G1期）、DNA合成期(S期）、分裂準備期（G2期）、分裂期（M期）の４つである。G１、S、G２は間期と呼ばれている。M期に入り、細胞分裂を終えたあとは、G１期に戻る。このサイクルを細胞周期と呼ぶ。ヒトの培養細胞では、細胞周期は２４時間ほどであり、そのうちS期が約半分を占めている。

分裂期（Ｍ期）

分裂期は前期、中期、後期、終期の４つに分類することができる。

前期

前期では、核膜が消失し、染色体が出現する。中心体は２つになる。

中期

中期では、染色体が赤道面に並ぶ。また中心体から紡錘糸が伸びて、紡錘体（中心体と染色体が繋がった構造物）を形成する。

後期

後期では、染色体が両極へ移動する。

終期

終期では、核膜が出現する。動物細胞の場合はくびれが生じて２つに分裂する。植物細胞の場合は、細胞板が形成され、分裂する。

実際の様子（ＧＩＦ画像）

下画像は実際の体細胞分裂の様子である。見事に染色体が両極に移動しているのがわかる。

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DNA量の変化

間期のS期では、細胞分裂に備えてDNAは合成されて増加する。G２期に入る時にはDNA量は２倍となる。M期を経て体細胞分裂を終えるとDNA量は元の量に戻る。

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細胞周期のDNA量の変化をグラフにすると次のようになる。間期のＳ期にＤＮＡが複製されて２倍になり、Ｍ期終期に元に戻る。

http://www.seibutsushi.net/

遺伝子研究の歴史

かつては遺伝物質はDNAではなく、タンパク質であると考えられていた。それは、複雑な遺伝情報を４種類の塩基だけでは記述しきれないと思い込んでいたためであった（タンパク質を構成するアミノ酸は２０種類である）。しかし、肺炎双球菌を使ったグリフィスとエイブリーの実験、バクテリオファージと大腸菌を使ったハーシーとチェイスの実験によって、遺伝子物質はDNAであることが証明された。

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グリフィスの実験

グリフィスは肺炎双球菌を用いて実験を行った。肺炎双球菌には病原性を持つS型菌と、非病原性であるR型菌が存在する。S型菌は菌外にカプセルを持っているのが特徴である（下画像）。

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加熱殺菌したS型菌と、R型菌を混合すると、R型菌が病原性を獲得した。このことから、S型菌の遺伝物質がR型菌に移動して、R型菌を有毒化したと考えられる。このように遺伝物質導入によって形質が変化することを、形質転換と呼ぶ。

エイブリーの実験

DNA分解酵素でDNAを分解したS型菌をR型菌と混合すると、S型菌は生じなかった。一方、タンパク質分解酵素でタンパク質を分解したS型菌をR型菌と混合すると、S型菌が生じた。このことから、S型菌のDNAが形質転換を引き起こす要因となったことが考えられる。

ハーシーとチェイスの実験

ハーシーとチェイスはバクテリオファージと大腸菌を用いて実験を行った。バクテリオファージは大腸菌に感染するウィルスである。

バクテリオファージの殻タンパク質を35S（硫黄原子の同位体）で標識し、DNAを32P（リン原子の同位体）で標識した。ファージを大腸菌に感染させると、菌内でファージが増殖した。菌体内からは35Sではなく、32Pのみが検出された。このことから、DNAが遺伝子の本体であることが明らかとなった。下画像では、赤色が同位体元素である。画像上段ではＤＮＡに同位体Ｐが、下段では殻タンパク質に同位体Ｓが使用されている。

DNAの構成

DNAはデオキシリボ核酸が正式名称である。糖のデオキシリボースに、リン酸と塩基が結合している。この糖、リン酸、塩基のユニットをヌクレオチド（下画像）と呼ぶ。

塩基の種類

塩基にはアデニン、チミン、グアニン、シトシンの４種類がある。略称はそれぞれ、A、T、G、Cである。

二重螺旋構造

アデニンはチミンと、グアニンはシトシンと結合する性質を持っており、これを塩基の相補性と呼んでいる。

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DNAは２本のヌクレオチド鎖が平行に並んでおり、相補的な塩基同士が結合してはしご状になっている。塩基同士は水素結合でゆるく結ばれている。

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このはしごが螺旋状にねじれている。この構造を二重螺旋構造でと呼ぶ。

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DNA構造解明への研究

シャルガフは、どの生物においてもアデニン（A）とチミン（T）、グアニン（G）とシトシン（C）がそれぞれ同じ割合で存在することを明らかにした。

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ウィルキンスは、X線による回析を行った。

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これらの実験を基に、ワトソンとクリックは二重螺旋構造を提唱した。

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有性生殖

有性生殖とは、配偶子（精子や卵）を作り、受精を行う生殖方法である。有性生殖では雌雄の遺伝子が混ざり合うため、遺伝子多様性が増し、環境の変化に対応することができる。配偶子を作る際には、染色体の数を半分にする減数分裂を行う。

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減数分裂

減数分裂とは染色体数が半分に減る分裂である。例えばヒトの染色体数は４６本あるが、配偶子（精子や卵子）を作る際には減数分裂を行って、染色体数を２３本に減らす。詳しくは生物の「減数分裂」で説明する。

https://sites.google.com/

受精すると精子（２３本）＋卵子（２３本）＝受精卵（４６本）となり、染色体数がもとにもどる。

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配偶子

有性生殖の精子や卵のように減数分裂によってできる細胞を配偶子と呼ぶ。配偶子の合体を接合（受精）と言い、精子と卵子の場合は合体したものを受精卵と呼ぶ。それ以外の場合は接合子と呼ぶ。

減数分裂を伴わない生殖

性を持たない生物の無性生殖では減数分裂は行われない。無性生殖では自身のクローン（遺伝子的に全く同じ個体）を作ることによって増えていく。しかし、ゾウリムシなどの単細胞生物もたまに接合して遺伝子交換を行っていることが確認されている。

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