翻訳 (生物学)

タンパク質合成：翻訳のメカニズム

細胞は、遺伝情報に基づいてタンパク質を合成することで生命活動を営んでいます。この過程は、大きく「転写」と「翻訳」の2段階に分けられます。転写ではDNAの遺伝情報がmRNAに写し取られ、翻訳ではそのmRNAの情報に基づいてタンパク質が合成されます。本稿では、翻訳のメカニズムについて詳細に解説します。

翻訳の概要

翻訳とは、mRNA上の遺伝暗号を解読し、アミノ酸を繋ぎ合わせてポリペプチド鎖（タンパク質）を合成する細胞内プロセスです。この過程は、細胞質または小胞体で行われ、リボソームという分子機械が中心的な役割を果たします。mRNAは、核で転写された遺伝情報がmRNAとして細胞質に運ばれたものです。

リボソームは、mRNAをコドン（3つのヌクレオチドの配列）単位で読み取ります。各コドンは特定のアミノ酸に対応しており、tRNA（transfer RNA）と呼ばれる分子が、対応するアミノ酸をリボソームに運びます。tRNAは、mRNAのコドンと相補的なアンチコドンを持つため、正確なアミノ酸が選択されます。

翻訳の3段階

翻訳は、大きく「開始」、「伸長」、「終結」の3段階に分けられます。

1. 開始: リボソームがmRNAに結合し、開始コドン（通常はAUG）から翻訳が開始されます。最初のtRNAが開始コドンに結合し、アミノ酸鎖の合成が開始されます。
2. 伸長: リボソームはmRNAを5'末端から3'末端に向かって移動し、コドンごとに対応するtRNAが結合します。アミノ酸はペプチド結合で次々と結合し、ポリペプチド鎖が伸長していきます。
3. 終結: リボソームが終止コドン（UAA, UAG, UGA）に到達すると、翻訳が終了します。合成されたポリペプチド鎖はリボソームから放出され、折り畳まれて機能的なタンパク質となります。

真核生物と原核生物の違い

真核生物（動物、植物など）と原核生物（細菌、古細菌など）では、翻訳の場所や開始メカニズムに違いがあります。真核生物では、翻訳は細胞質または小胞体で行われます。小胞体で合成されたタンパク質は、小胞体腔に蓄積されたり、細胞外に分泌されたりします。一方、原核生物では、翻訳は細胞質で行われます。

翻訳の制御と臨床的意義

翻訳の過程は、様々な因子によって厳密に制御されています。この制御は、細胞の増殖、分化、応答など、様々な生命現象において重要な役割を果たします。

がん細胞では、翻訳制御機構が異常になっていることが多く、がんの発生や進展に関与しています。そのため、翻訳過程を標的とした抗がん剤の開発が盛んに行われています。

翻訳の数理モデル

近年、翻訳過程の数理モデルが盛んに研究されています。これらのモデルは、翻訳の効率や精度、制御機構などを理解する上で役立っています。様々なモデル化手法（反応速度論、TASEP、確率論的論理ネットワークなど）を用いて、翻訳過程を詳細に記述するモデルが開発されています。

遺伝暗号と翻訳表

mRNA上のコドンとアミノ酸の対応関係は遺伝暗号と呼ばれ、ほぼ普遍的に保存されています。しかし、わずかな例外があり、ミトコンドリアなどでは異なる遺伝暗号が使用される場合があります。これらの情報は翻訳表にまとめられており、DNAやRNA配列からタンパク質のアミノ酸配列を予測する際に利用されます。

まとめ

翻訳は、遺伝情報に基づいてタンパク質を合成する細胞の基本的なプロセスです。リボソーム、tRNA、mRNAなどの分子機械が協調して働くことで、正確かつ効率的にタンパク質が合成されます。翻訳過程は複雑かつ高度に制御されており、生命現象の多様な側面に関わっています。さらに、その数理モデル化の進展も、生命現象の理解を深める上で重要な役割を果たすと期待されます。この過程の異常は、様々な疾患、特にがんの発生と進展に深く関与していることが明らかになってきており、今後の研究により新たな治療法開発への道筋が開かれる可能性も秘めています。

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