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DNAの伸長方向は5'→3'方向になる理由を構造レベルで理解しよう

今回は分子生物学の内容です。
分子生物学が勉強していると必ず出てくるDNA鎖の伸長方向についての考え方です。

まず、基礎の内容としてDNAというのは逆方向性の2本鎖ヌクレオチド構造を取りますね。
イメージでいうと以下のような構造です。

DNAの逆方向性
DNAの逆方向性.png
片方の鎖が3'→5'方向だと、もう一方は5'→3'方向になっています(=これが逆方向性)。
なお、アデニン(A)はチミン(T)と対となり水素結合は2本
シトシン(C)はグアニン(G)と対となり、水素結合は3本です
(※CGはコンピューターグラフィックで3Dのイメージで3本と覚える)

複製・転写・翻訳について

ここまでは問題ないと思うのですが、
引っかかってしまう人が増えるのが
「複製・転写・翻訳」の際の、方向性の話になった際です。

・複製はDNAからDNAを合成する反応
・転写はDNAからRNAを合成する反応
・翻訳はmRNAからタンパク質を合成する反応を指しますが

まとめると以下のようになります
鋳型となるもの読み取られる鋳型の方向合成されるもの伸長(合成)方向
複製DNA3'→5'方向DNA
(=ヌクレオチド)
5’→3'方向
転写DNA3'→5'方向RNA(mRNA)
(=ヌクレオチド)
5’→3'方向
翻訳mRNA(=ヌクレオチド)5'→3'方向タンパク質N末端→C末端


上の表の内容を覚える際に重要になってくる部分を赤色で示しました。

極端な話、上の表の内容を覚えるためには赤色の部分だけ覚えればよいのです。

つまり「ヌクレオチドの伸長方向は5'→3'方向に限定されている
ヌクレオチドは「ゴミ(5'→3')の方向にしか伸ばせない」という内容が最も重要なポイントになります。

これを丸暗記するのではなく、構造レベルで理解しましょう。
下のイラストはヌクレオチドがDNAポリメラーゼなどで伸長していくのを模式化したものになります。

DNAが5'→3'方向に伸長する際の化学反応(模式図)

分子生物学(DNAの伸長方向).png

このイラストをよく見てもらえば、DNA(やRNAといったヌクレオチド)が5'→3'方向にしか伸長しない理由がよく分かるかと思います。

そして、冒頭に申し上げたとおり、DNA(ヌクレオチド)は2本鎖を形成する際には逆方向性をとるため、鋳型(読み取られる側の鎖)からの視点では複製と転写において、鋳型は「3'→5'」方向に読み取られていくことになる

複製だけは方向性に注意

ここまでの内容で、この表の複製・転写の行については説明ができました。

鋳型となるもの読み取られる鋳型の方向合成されるもの伸長(合成)方向
複製DNA3'→5'方向DNA
(=ヌクレオチド)
5’→3'方向
転写DNA3'→5'方向RNA(mRNA)
(=ヌクレオチド)
5’→3'方向
翻訳mRNA(=ヌクレオチド)5'→3'方向タンパク質N末端→C末端

それでは、翻訳については一体どのように考えるべきなのでしょうか。
ここで大事なのは、「翻訳=ヌクレオチドを作る反応ではない」ということです。

翻訳』とはmRNAをもとにタンパク質を作る反応なので、
鋳型となるmRNAは理論上、5'→3'方向に読み取ることに何ら支障はないのです。

(整理してほしいのは、『複製』と『翻訳』は、それぞれDNAやRNAというヌクレオチドを合成する反応であり、
 ヌクレオチドの伸長(合成)方向には5'→3'のみという縛りがあり、必然的に鋳型は3'→5'に読み取られる必要があったこと。翻訳はタンパク質というポリペプチドを作る反応であり、N末端、C末端という概念はあるが、3'とか5'などの概念は必要ないという点である)

『転写』の際にmRNAを合成(mRNAのプロセシングを)する際、
mRNAの5'末端には7-メチルグアノシンが付加され(cap構造と呼ぶ)、3'末端にはポリ(A)テイルと呼ばれるアデニル酸が150〜200個ほど連結した構造が付加される。

そしてmRNAは、5'末端のcap構造からリボソームの小サブユニット(真核生物では40S、原核生物では30Sサブユニット)
により読み取られて3'末端のポリ(A)テイルのほうに向かって読み取られていく。

※5'末端のキャップ構造の近くに存在する開始コドンから読み取りをスタートして、3'末端のポリ(A)テイル側に終止コドンが存在するため、「mRNAはキャップを被っている頭(5')から読み取りを開始する」と覚える

したがって、結論として翻訳においては
鋳型mRNAは5'→3'方向に読み取られて、
タンパク質はN末端→C末端方向に伸長が進んでいくこととなる。



平滑筋の収縮メカニズムとRhoキナーゼの作用点を確認しよう

<平滑筋の収縮メカニズム>をまとめます

■平滑筋は主に細胞外液からのCa2+イオンの流入により、筋収縮を引こ起こされる。

アセチルコリンM3受容体やヒスタミンH1受容体によりGqタンパク質が刺激されるとホスファチジルイノシトール2リン酸(PIP2)がホスホリパーゼCにより加水分解される。

  PIP2→IP3+DG

その結果、イノシトール3リン酸(IP3)とジアシルグリセロール(DG)が生成し、IP3は平滑筋細胞内に存在する小胞体上に存在するIP3受容体と結合し、IP3受容体はCa2+チャネルとして機能するため、細胞質にCa2+イオンが放出され筋収縮が起こる。

その、収縮までの過程として
@ Ca2+イオンとカルモジュリンと結合
A Ca2+イオン-カルモジュリン複合体が、ミオシン軽鎖キナーゼ(MLCK)を活性化
B MLCKは、ミオシン軽鎖(ミオシンフィラメントの頭部)をリン酸化する
C ミオシン軽鎖のリン酸化体の数が増加する
D ミオシン軽鎖のリン酸化体は、ATPase活性が上昇するため、ATPの加水分解エネルギーを利用
E ミオシンフィラメントとアクチンフィラメントの滑り込み現象が起こり筋収縮が起こる

以上のような流れにより平滑筋は収縮する。

平滑筋のまとめ1.png
平滑筋が収縮を起こした後、弛緩する過程があるが、平滑筋が弛緩するためには
ミオシン軽鎖ホスファターゼという脱リン酸化酵素が作用する必要がある。

ミオシン軽鎖ホスファターゼは、リン酸化を受けたミオシン軽鎖を脱リン酸化することで
ATPase活性を低下させて、筋弛緩を引き起こす

しかしながら、生体内には、Rhoキナーゼと呼ばれるミオシン軽鎖ホスファターゼを抑制している酵素
存在し、脱リン酸化を阻害している。その結果、Rhoキナーゼは、平滑筋の収縮に関与する。

平滑筋のまとめ(ファスジル).png
平滑筋の収縮は、血管において血管収縮を引き起こすため、例えば脳血管れん縮などの脳虚血に関与している。
当然、脳血管れん縮などの脳虚血は、生体にとって悪影響であるため、Rhoキナーゼの作用は好ましくない。

このような背景のもと、Rhoキナーゼ阻害薬であるファスジル(エリル®点滴静注液)が開発され、2007年より臨床応用されている。

---以下は、ファスジルのインタビューフォームからの引用---

 くも膜下出血は、働きざかりの人を突然襲い、命まで奪う重篤な疾患であるが、早期のクリッピング術や術後管理技術の進歩により、患者の救命率、機能予後の成績は向上しつつある。

しかし、くも膜下出血術後数日を経て高頻度に発生する脳血管れん縮は、予後を悪化させる最大の要因であり、ときに死亡の原因ともなる

脳血管れん縮には、様々な血管収縮物質の関与が考えられているが、いずれの場合も、最終段階では血管平滑筋細胞内のカルシウム濃度が上昇し、ミオシン軽鎖がリン酸化されて異常な血管収縮に至ると考えられている。

本剤は、構造上これまで類を見ない5-イソキノリンスルホンアミドの誘導体で、血管平滑筋収縮機構の最終段階であるミオシン軽鎖のリン酸化を阻害する「世界で初めての蛋白リン酸化酵素阻害剤」である。

本剤は、くも膜下出血術後の脳血管攣縮及びこれに伴う脳虚血症状を改善する。



   
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