遺伝暗号；tRNAの構造と機能；アミノアシルtRNA合成酵素；コドン-アンチコドンの対応

🧠 遺伝暗号genetic code 遺伝暗号（genetic code）genetic code（遺伝暗号） は「3ヌクレオチド＝1アミノ酸」という固定比率の暗号表であり、tRNAはコドン（mRNA側）とアミノ酸（タンパク質側）を橋渡しする「物理的な変換アダプター」である。 アミノアシルtRNA合成酵素aminoacyl-tRNA synthetase アミノアシルtRNA合成酵素（aminoacyl-tRNA synthetase）aminoacyl-tRNA synthetase（アミノアシルtRNA合成酵素） がtRNAに正しいアミノ酸を「充填」し、ウォブルwobble ウォブル（wobble）wobble（ウォブル） がtRNAの種類を節約する——この2つの工夫により、20種のアミノアシルtRNA合成酵素 aminoacyl-tRNA synthetase アミノアシルtRNA合成酵素（aminoacyl-tRNA synthetase） aminoacyl-tRNA synthetase（アミノアシルtRNA合成酵素） と比較的少数のtRNA種で61種のセンスコドン sense codon センスコドン（sense codon） sense codon（センスコドン） 全てをカバーできる。

遺伝暗号

遺伝暗号genetic code 遺伝暗号（genetic code）genetic code（遺伝暗号） はトリプレットコードtriplet codeトリプレットコード（triplet code）triplet code（トリプレットコード）（3ヌクレオチド配列＝コドン）であり、mRNA上の特定の開始点から読まれる。遺伝暗号genetic code 遺伝暗号（genetic code）genetic code（遺伝暗号） には64通りのコドンが存在し、うち61個が個々のアミノ酸を指定する。

3つのコドン「UAA、UGA、UAG」はアミノ酸を指定せず、「終止コドンstop codon終止コドン（stop codon）stop codon（終止コドン）」と呼ばれる。これらはポリペプチド鎖のカルボキシル末端 carboxyl terminus (C-terminus) カルボキシル末端（carboxyl terminus (C-terminus)） carboxyl terminus (C-terminus)（カルボキシル末端） を示す。

ほとんどのアミノ酸は複数の3ヌクレオチド配列（コドン）によりコードされる。唯一の例外はトリプトファン tryptophan トリプトファン（tryptophan） tryptophan（トリプトファン） とメチオニン methionine メチオニン（methionine） methionine（メチオニン） で、これらは単一の3ヌクレオチド配列のみでコードされる→メチオニン methionine メチオニン（methionine） methionine（メチオニン） （AUG）は「開始コドンstart codon開始コドン（start codon）start codon（開始コドン）」である。

→ 遺伝暗号genetic code 遺伝暗号（genetic code）genetic code（遺伝暗号） とは、遺伝物質hereditary material 遺伝物質（hereditary material）hereditary material（遺伝物質） （DNA、RNA）にコードされた情報が、生きた細胞によってタンパク質（アミノ酸配列amino-acid sequenceアミノ酸配列（amino-acid sequence）amino-acid sequence（アミノ酸配列））へ翻訳される際の一連の規則である。

遺伝暗号の特性

読み枠

特定の開始コドン start codon 開始コドン（start codon） start codon（開始コドン） から特定の終止コドン stop codon 終止コドン（stop codon） stop codon（終止コドン） まで続くコドンの配列（開始→読み枠 reading frame 読み枠（reading frame） reading frame（読み枠） →終止）。

フレームシフトframeshift フレームシフト（frameshift）frameshift（フレームシフト） ： タンパク質合成装置が4ヌクレオチドを1アミノ酸として読み、その後トリプレット読みを続けてしまう場合。基本的には読み取りが1〜2ヌクレオチドをスキップして開始すると、遺伝暗号genetic code 遺伝暗号（genetic code）genetic code（遺伝暗号） 全体がずれてしまう。

複数の読み枠 reading frame 読み枠（reading frame） reading frame（読み枠） ： mRNA分子は3通りの読み枠 reading frame 読み枠（reading frame） reading frame（読み枠） のいずれでも読まれうる。原理的には同じRNA配列が読み枠 reading frame 読み枠（reading frame） reading frame（読み枠） 次第で3つの全く異なるアミノ酸配列 amino-acid sequence アミノ酸配列（amino-acid sequence） amino-acid sequence（アミノ酸配列） を指定しうる。しかし実際にはこれらの読み枠 reading frame 読み枠（reading frame） reading frame（読み枠） のうち1つのみが実際のメッセージを含む。

⚠️ 「20種のアミノ酸・3種の終止コドン stop codon終止コドン（stop codon） stop codon（終止コドン）」には確立した例外が2つある。 特定の文脈でだけ終止コドン stop codon 終止コドン（stop codon） stop codon（終止コドン） がアミノ酸として読み替えられる（リコーディング）。

これらは「終止コドンstop codon 終止コドン（stop codon）stop codon（終止コドン） が常に終止を意味する」わけではないことを示す。ただし読み替えは専用の装置が揃った文脈でのみ起こり、既定では UAA・UGA・UAG は終止コドン stop codon 終止コドン（stop codon） stop codon（終止コドン） である。

転移RNA

mRNAのタンパク質への翻訳には、tRNAとアミノアシルtRNA合成酵素aminoacyl-tRNA synthetaseアミノアシルtRNA合成酵素（aminoacyl-tRNA synthetase）aminoacyl-tRNA synthetase（アミノアシルtRNA合成酵素）と呼ばれる酵素の両方が必要である。翻訳はtRNA分子に依存する——これらは一方の部位でコドンを認識・結合し、もう一方の部位でアミノ酸を結合できる。これらのアダプター分子 adaptor molecule アダプター分子（adaptor molecule） adaptor molecule（アダプター分子） はRNAポリメラーゼIII RNA polymerase III RNAポリメラーゼIII（RNA polymerase III） RNA polymerase III（RNAポリメラーゼIII） により合成され、長さ約73〜93ヌクレオチド（うち7〜15個は特殊な修飾塩基）である。

構造

折りたたまれたtRNA分子は3D構造ではL字型だが、2Dではクローバーリーフ cloverleaf クローバーリーフ（cloverleaf） cloverleaf（クローバーリーフ） 様の構造に折りたたまれる。4つのステムはワトソン Watson (Watson–Crick base pairing) ワトソン（Watson (Watson–Crick base pairing)） Watson (Watson–Crick base pairing)（ワトソン） -クリック click クリック（click） click（クリック） 塩基対合 base pairing 塩基対合（base pairing） base pairing（塩基対合） （ピリミジン＋プリン）によって安定化された短い二重らせん double helix 二重らせん（double helix） double helix（二重らせん） である。

機能： 翻訳中にリボソームへアミノ酸を運ぶ。mRNA上の各トリプレットコード triplet code トリプレットコード（triplet code） triplet code（トリプレットコード） が読まれると、tRNAは成長中のポリペプチド鎖にアミノ酸を届ける（mRNA→tRNAアンチコドン anticodon アンチコドン（anticodon） anticodon（アンチコドン） →タンパク質）。mRNAとアミノ酸配列 amino-acid sequence アミノ酸配列（amino-acid sequence） amino-acid sequence（アミノ酸配列） 間の物理的な連結役を果たす。

ウォブル

ウォブルwobble ウォブル（wobble）wobble（ウォブル） とは、A-U・G-C以外のヌクレオチド間の非典型的 non-conventional 非典型的（non-conventional） non-conventional（非典型的） な塩基対合 base pairing 塩基対合（base pairing） base pairing（塩基対合） が起こる現象である。

• コドンの第3位置とアンチコドン anticodon アンチコドン（anticodon） anticodon（アンチコドン） の第1位置で起こる
• ウォブル対合wobble base pairing ウォブル対合（wobble base pairing）wobble base pairing（ウォブル対合） には独自の規則がある——アンチコドン anticodon アンチコドン（anticodon） anticodon（アンチコドン） 中のGはコドン第3位置のC/Uとのみ対合 synapsis 対合（synapsis） synapsis（対合） できる
• 機能： 遺伝暗号genetic code 遺伝暗号（genetic code）genetic code（遺伝暗号） の全コドンをカバーするために必要なtRNAの種類を減らしながら、コード化の正確性を確保できる＝tRNAのmRNAからの解離を速める

コドン-アンチコドン anticodon アンチコドン（anticodon） anticodon（アンチコドン） ハイブリダイゼーション hybridization ハイブリダイゼーション（hybridization） hybridization（ハイブリダイゼーション） ： コドンとアンチコドン anticodon アンチコドン（anticodon） anticodon（アンチコドン） の相補的結合——アンチコドン anticodon アンチコドン（anticodon） anticodon（アンチコドン） はmRNA上のコドンに対する逆向き＋相補的なヌクレオチドトリオを提示する。

アミノアシルtRNA合成酵素

mRNA中の核酸配列 nucleic acid sequence 核酸配列（nucleic acid sequence） nucleic acid sequence（核酸配列） をタンパク質中のアミノ酸配列 amino-acid sequence アミノ酸配列（amino-acid sequence） amino-acid sequence（アミノ酸配列） へ翻訳する過程は、各アミノ酸をtRNA分子の3′端へ結合させるアミノアシルtRNA合成酵素 aminoacyl-tRNA synthetase アミノアシルtRNA合成酵素（aminoacyl-tRNA synthetase） aminoacyl-tRNA synthetase（アミノアシルtRNA合成酵素） から始まる→tRNAが活性化される。

アミノアシルの形成

flowchart TD
  A["アミノ酸の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='carboxyl group'>カルボキシル基</span>（-COOH）がAMPと連結"] --> B["アデニル化アミノ酸を形成（ATP加水分解、ATP→AMPが駆動）"]
  B --> C["アデニル化アミノ酸がtRNA3'端の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='hydroxyl group'>ヒドロキシル基</span>（-OH）へ転移"]
  C --> D["AMPが放出される"]
  D --> E["アミノ酸のCOOH基とtRNAのOH基が<span class='jp-term jp-term-diagram' title='ester bond'>エステル結合</span>を形成"]
  E --> F["tRNAはmRNA上の対応コドンに<span class='jp-term jp-term-diagram' title='anticodon'>アンチコドン</span>で結合可能に"]

1. アミノ酸はまずカルボキシル基 carboxyl group カルボキシル基（carboxyl group） carboxyl group（カルボキシル基） をAMPに連結することで活性化され、アデニル化アミノ酸を形成する。この連結はATPの加水分解（ATP→AMP）によって駆動される
2. アデニル化アミノ酸はtRNA分子の3′端のヒドロキシル基 hydroxyl group ヒドロキシル基（hydroxyl group） hydroxyl group（ヒドロキシル基） （-OH）へ転移される
3. ここでAMPが放出され、アミノ酸のCOOH基とtRNAのOH基が連結してエステル結合 ester bond エステル結合（ester bond） ester bond（エステル結合） を形成する＝tRNAがmRNA上の対応コドンにそのアンチコドン anticodon アンチコドン（anticodon） anticodon（アンチコドン） で結合するようになる

結合の種類： 高エネルギーエステル結合 ester bond エステル結合（ester bond） ester bond（エステル結合） （tRNA3′端のCCA中の2′または3′-OH末端A）。

アンチコドンループanticodon loop アンチコドンループ（anticodon loop）anticodon loop（アンチコドンループ） の機能： アンチコドンループanticodon loop アンチコドンループ（anticodon loop）anticodon loop（アンチコドンループ） 先端のトリプレットがmRNA中の対応コドンと塩基対合 base pairing 塩基対合（base pairing） base pairing（塩基対合） する。

アクセプターステムacceptor stem アクセプターステム（acceptor stem）acceptor stem（アクセプターステム） の機能： tRNAの3′端に位置し、CCA配列を持つ。特定のアミノ酸が結合し、tRNAが活性化アミノアシルtRNA aminoacyl-tRNA アミノアシルtRNA（aminoacyl-tRNA） aminoacyl-tRNA（アミノアシルtRNA） となる部位。

アミノアシルtRNA合成酵素の機能

1. アミノ酸の活性化
   • 形成されたエステル結合 ester bond エステル結合（ester bond） ester bond（エステル結合） はペプチド結合形成のためのエネルギーを提供する
   • ピロリン酸pyrophosphate ピロリン酸（pyrophosphate）pyrophosphate（ピロリン酸） の加水分解が反応を不可逆にする
2. 遺伝暗号genetic code 遺伝暗号（genetic code）genetic code（遺伝暗号） の翻訳
   • 20種の異なるアミノアシルtRNA合成酵素 aminoacyl-tRNA synthetase アミノアシルtRNA合成酵素（aminoacyl-tRNA synthetase） aminoacyl-tRNA synthetase（アミノアシルtRNA合成酵素） はそれぞれ1つのアミノ酸と適合するtRNAを認識する → アミノ酸の数だけアミノアシルtRNA合成酵素 aminoacyl-tRNA synthetase アミノアシルtRNA合成酵素（aminoacyl-tRNA synthetase） aminoacyl-tRNA synthetase（アミノアシルtRNA合成酵素） が存在する

⚠️ 「アミノ酸20種＝合成酵素20種」は原則であって、全生物に成り立つ規則ではない。 グラム陽性菌・シアノバクテリアcyanobacteriaシアノバクテリア（cyanobacteria）cyanobacteria（シアノバクテリア）・古細菌Archaea古細菌（Archaea）Archaea（古細菌）・オルガネラはグルタミニルtRNA合成酵素そのものを持たない。これらでは、グルタミル合成酵素がtRNAGlnにグルタミン酸を誤って載せ（Glu-tRNAGln）、gatCABがコードするヘテロ三量体アミドトランスフェラーゼがそれをアミド化 amidylation アミド化（amidylation） amidylation（アミド化） して正しいGln-tRNAGlnに変換する。枯草菌ではこれが唯一の供給路で、このオペロンの破壊は致死である³。セレノシステインselenocysteine セレノシステイン（selenocysteine）selenocysteine（セレノシステイン） にも専用の合成酵素は無く、tRNASecにまずセリルtRNA合成酵素がセリンを載せ、その後に変換される¹。つまり「アミノ酸1種につき合成酵素1種」ではなく、誤って載せてから直す間接経路という第2のやり方が実在する。

💡 合成酵素は構造的に2クラスに分かれる。 配列モチーフが排他的な2群があり、クラスI（GlnRS・TyrRS・MetRS・GluRS・ArgRSなど）はHIGHとKMSKSという2つの共通配列 universal sequence 共通配列（universal sequence） universal sequence（共通配列） とATP結合ロスマンフォールドを持ち、クラスII（ProRS・ThrRS・SerRS・AspRS・AsnRSなど）は別の3モチーフを共有する⁴。この違いが上で述べた「2′-OHか3′-OHか」に対応する——クラスIはアデノシンの2′-OHに、クラスIIは3′-OHにアミノ酸を渡す。

まとめ

• 遺伝暗号genetic code 遺伝暗号（genetic code）genetic code（遺伝暗号） は縮重性 degenerated縮重性（degenerated） degenerated（縮重性）・非曖昧性non-ambiguous非曖昧性（non-ambiguous）non-ambiguous（非曖昧性）・非重複性non-overlapping非重複性（non-overlapping）non-overlapping（非重複性）・非区切り性・普遍性universal 普遍性（universal）universal（普遍性） という5つの特性を持つトリプレットコード triplet code トリプレットコード（triplet code） triplet code（トリプレットコード） であり、61個のセンスコドン sense codon センスコドン（sense codon） sense codon（センスコドン） が20種のアミノ酸を、3個の終止コドン stop codon 終止コドン（stop codon） stop codon（終止コドン） （UAA、UGA、UAG）が翻訳終結を指定する。ただし普遍性 universal 普遍性（universal） universal（普遍性） は完全ではなく、SECIS要素のある文脈でUGAがセレノシステイン selenocysteine セレノシステイン（selenocysteine） selenocysteine（セレノシステイン） （21番目、ヒトにも存在）に、専用tRNAを持つ生物でUAGがピロリジン pyrrolidine ピロリジン（pyrrolidine） pyrrolidine（ピロリジン） （22番目）に読み替えられる¹²。
• tRNAはクローバーリーフ cloverleaf クローバーリーフ（cloverleaf） cloverleaf（クローバーリーフ） 2次構造（アンチコドンループanticodon loopアンチコドンループ（anticodon loop）anticodon loop（アンチコドンループ）・D-loop・T-loop・アクセプターステムacceptor stemアクセプターステム（acceptor stem）acceptor stem（アクセプターステム））を持ち、mRNAのコドンとアミノ酸を仲介 mediate 仲介（mediate） mediate（仲介） する物理的アダプターとして機能する。
• ウォブルwobble ウォブル（wobble）wobble（ウォブル） （コドン第3位置とアンチコドン anticodon アンチコドン（anticodon） anticodon（アンチコドン） 第1位置の非標準対合 synapsis対合（synapsis） synapsis（対合））は、遺伝暗号genetic code 遺伝暗号（genetic code）genetic code（遺伝暗号） 全体をカバーするために必要なtRNA種類数を減らす効率化機構である。
• アミノアシルtRNA合成酵素aminoacyl-tRNA synthetase アミノアシルtRNA合成酵素（aminoacyl-tRNA synthetase）aminoacyl-tRNA synthetase（アミノアシルtRNA合成酵素） はATP依存性にアミノ酸をtRNAの3′端へエステル結合 ester bond エステル結合（ester bond） ester bond（エステル結合） で連結し（アミノ酸ごとに1種、計20種）、この活性化がペプチド結合形成のエネルギー源となる。ただしグルタミニル合成酵素を欠く生物・オルガネラでは誤アシル化＋アミドトランスフェラーゼ（GatCAB）による間接経路が働き、合成酵素自体もクラスI／クラスIIの2群に分かれる³⁴。