この 章 で 学ぶ こと
第 3 章 で 学 ん だ 代謝 の 主役 は 酵素 = タンパク質 で し た。 そ の タンパク質 の 設計図 が DNA で す。 第 4 章 で は、 遺伝 が ど の よう に 親 か ら 子 へ 伝 わ り、 DNA が ど の よう に タンパク質 を 作 る か を 学 び ます。
- メンデル の 法則 (優性・分離・独立) を 説明 で きる
- DNA の 二重 ら せ ん 構造 (ワトソン・クリック) を 理解 す る
- 半保存的複製 (メセルソン・スタール) の しく み を 言 え る
- セントラルドグマ (DNA → RNA → タンパク質) を 説明 で きる
- 転写・翻訳 の 流 れ と コドン を 理解 す る
- 突然変異 の 種類 を 言 え る
ポイント: 遺伝 の 研究史 は 「現象 (メンデル) → 染色体 (サットン・モーガン) → 分子 (ワトソン・クリック) → 機能 (転写・翻訳)」 と 進 み ま し た。 こ の 流 れ を 押 さ え る と 全体 が 見 え ます。
**[[DNA]]** の [[二重らせん|にじゅうらせん]]構造 (1953 年[[ワトソン]]・[[クリック]] が 提案)。 4 種類 の **[[塩基|えんき]]** ([[A]]・[[T]]・[[G]]・[[C]]) が **[[相補的|そうほてき]]** に 対 (A-T, G-C) を 作 り、 親鎖 の 配列 が そ の ま ま 子 に 伝 わ る。
**[[ヒト]]** の **[[染色体|せんしょくたい]]** (蛍光染色)。 体細胞 に は **46 本** (23 対) あ り、 そ の う ち 1 対 が **[[性染色体|せいせんしょくたい]]** (XX = 女、 XY = 男)。 各[[染色体|せんしょくたい]] は **長 い [[DNA]] が タンパク 質 と 巻 か れ て 凝縮 し た** も の。
1. メンデル の 遺伝法則
オーストリア の 修道士 メンデル (Gregor Mendel、 1822-1884) が、 エンドウ を 8 年間育 て て 統計的 に 解析 し、 1865 年 に 発表 し た 法則。 彼 の 研究 は 当時注目 さ れ ず、 1900 年 に 3 人 の 学者 (ド・フリース・コレンス・チェルマック) が 同時 に 「再発見」 し た こ と で 広 ま り ま し た。
用語 の 整理
| 用語 | 意味 |
|---|
| [[遺伝子 | いでんし]] |
| [[対立遺伝子 | たいりついでんし]] (アレル) |
| [[ホモ接合 | ホモせつごう]] |
| [[ヘテロ接合 | ヘテロせつごう]] |
| [[顕性 | あらわせい]] (優性) |
| [[潜性 | せんせい]] (劣性) |
| [[表現型 | ひょうげんがた]] |
| [[遺伝子型 | いでんしがた]] |
大事: 「優性」 「劣性」 は 強 い・弱 い と い う 意味 で は な く 「雑種 で 表 に 出 や す い か どう か」 だ け を 意味 し ます。 紛 ら わ し い た め、 現在 は 顕性・潜性 と 呼 ぶ こ と が 推奨 さ れ て い ます。
メンデル の 3 法則
① 優性の法則 (顕性 の 法則)
ホモ接合 の 親 (AA × aa) を 交配 す る と、 雑種第 1 代 (F₁) は す べ て ヘテロ接合 (Aa) で 顕性形質 だ け を 示 す。
② 分離の法則
F₁ (Aa) が 配偶子 (花粉・卵細胞) を 作 る と き、 対立遺伝子 が 1 つ ず つ 分 か れ て 別 の 配偶子 に 入 る。 結果、 F₁ 同士 を 自家受粉 し た F₂ で は 表現型 = 顕性:潜性 = 3:1 に な る。
③ 独立の法則
2 つ の 異 な る 対立遺伝子 (例: 丸 / し わ × 黄色 / 緑) は 互 い に 影響 せ ず 独立 に 配偶子 へ 分 か れ る。 結果、 F₂ で 9:3:3:1 の 比 が 出 る。 (※ た だ し こ の 法則 は 同 じ 染色体上 に な い 遺伝子 に 限 る)
F2 の 比 — 簡単な 計算
| 親 の 組合 せ | F₁ | F₂ (表現型) | 比 |
|---|---|---|---|
| AA × aa | Aa | A_:aa | 3:1 |
| AABB × aabb | AaBb | (A_B_):(A_bb):(aaB_):(aabb) | 9:3:3:1 |
2. 染色体 と 遺伝子
染色体説
メンデル の 死後、 細胞学 が 進 み、 1903 年 に サットン が 「遺伝子 は 染色体 に 載 っ て い る」 と 提案 (染色体説)。 1910 年 に モーガン が ショウジョウバエ の 実験 で 確認 し、 「連鎖 と 組換え」 を 発見 (ノーベル 賞)。
連鎖 と 組換え
| 用語 | 意味 |
|---|
| [[連鎖 | れんさ]] |
| [[組換え | くみかえ]] |
| [[組換え価 | くみかえか]] |
組換え価 が 高 い ほ ど 遺伝子 の 距離 が 遠 い こ と を 意味 し、 こ れ で 染色体地図 が 作 れ ます。
3. DNA — 遺伝物質 の 正体
DNA が 遺伝物質 だ と 分かる ま で
| 年 | 研究 | 結果 |
|---|
| 1869 | ミーシャー | 細胞核 か ら ヌクレイン を 抽出 |
| 1928 | グリフィス | 肺炎双球菌 の **[[形質転換 |
| 1944 | エイブリー ら | 形質転換 の 正体 が DNA と 確定 |
| 1952 | ハーシー・チェイス | バクテリオファージ 実験 で DNA が [[遺伝 |
| 1953 | ワトソン・クリック | DNA の 二重 ら せ ん 構造 を 発表 (1962 ノーベル 賞) |
DNA の 構造
DNA (Deoxyribo Nucleic Acid、 デオキシリボ 核酸) は、 ヌクレオチド が 多数 つ な が っ た 高分子。
1 つ の ヌクレオチド:
- リン酸 + デオキシリボース (糖) + 塩基 (4 種 の う ち 1 つ)
4 種 の 塩基:
| 種類 | 略 | 分類 | 相補 ペア |
|---|
| アデニン | A | プリン | T |
| チミン | T | ピリミジン | A |
| グアニン | G | プリン | C |
| シトシン | C | ピリミジン | G |
二重 らせん の 4 つ の 特徴
| 特徴 | 内容 |
|---|
| ① 2 本鎖 | 2 本 の ヌクレオチド 鎖 が 互 い に 巻 き つ く |
| ② 逆平行 | 1 本 が 5'→3'、 も う 1 本 が 3'→5' (向 き が 逆) |
| ③ 相補性 | A と T、 G と C が 必 ず ペア (水素結合) |
| ④ ら せ ん | 10 塩基 で 1 周 (約 3.4 nm)、 直径約 2 nm |
大事: シャルガフ の 規則 (1950): どの 生物 の DNA で も A の 量 = T の 量、 G の 量 = C の 量。 ワトソン・クリック の 二重 ら せ ん モデル の 重要 な ヒント に な り ま し た。
DNA 抽出実験 (バナナ・タマネギ)
家庭 で も 行 え る 簡単 な 実験:
- タマネギ や バナナ を す り つ ぶ す
- 食塩水 + 中性洗剤 を 加 え 細胞膜 を 壊 す
- ろ 過 し て 上澄 み を と る
- 冷 や し た エタノール を そ っ と 加 え る
- 境界 に 白 い 糸状 の DNA が 浮 か び 上 が る
安全配慮: 食塩水・洗剤・エタノール は 飲 ま ない、 目 に 入 れ ない。 エタノール 抽出時 は 火気厳禁 (引火性)。 抽出 し た DNA は 個人 で 持 ち 帰 ら ず、 学校 で 廃棄 し ます。
4. DNA の 複製 — 半保存的複製
細胞分裂 の 前 に、 DNA は 正確 に 2 倍 に 増 え ま す (複製)。
半保存的複製
1958 年、 メセルソン・スタール が ¹⁵N (重 い 窒素) で 標識 し た 大腸菌 の 実験 で 確認:
- 元 の 二重 ら せ ん が ほ ど け、 各鎖 を 鋳型 と し て 新 し い 鎖 が 作 ら れ る
- で きた 二重 ら せ ん は 1 本 が 古 い 鎖、 1 本 が 新 し い 鎖 = 半保存的複製
複製 に 関わる 酵素
| 酵素 | 役割 |
|---|
| ヘリカーゼ | 二重 ら せ ん を ほ ど く |
| DNAポリメラーゼ | 鋳型 に 沿 っ て 新 し い ヌクレオチド を つ な ぐ |
| プライマーゼ | 開始点 と な る RNA プライマー を 作 る |
| DNAリガーゼ | 切 れ た DNA 鎖 を つ な ぐ |
リーディング 鎖 と ラギング 鎖
DNAポリメラーゼ は 5'→3' 方向 に し か 合成 で きない の で、 2 本鎖 の う ち:
- リーディング鎖: 連続的 に 合成
- ラギング鎖: 短 い 断片 (岡崎フラグメント) を 何度 も 作 り、 後 で DNAリガーゼ が つ な ぐ
大事: 岡崎フラグメント は 1968 年 に 岡崎令治・恒子 夫妻 (日本) が 発見、 世界的業績。
5. セントラル ドグマ — 転写 と 翻訳
クリック が 1958 年 に 提唱 し た 「遺伝情報 の 流 れ」 = セントラルドグマ:
DNA → (転写) → RNA → (翻訳) → タンパク質
転写 — DNA から RNA へ
- 核 の 中 で 進行
- DNA の 一部 が ほ ど け、 RNAポリメラーゼ が 鋳型 に 相補的 な mRNA を 合成
- DNA の T ↔ RNA で は U (ウラシル) に 置 き 換 わ る
RNA の 種類
| 種類 | はたらき |
|---|
| mRNA (伝令 RNA) | 遺伝情報 を リボソーム へ 運 ぶ |
| tRNA (転移 RNA) | アミノ 酸 を リボソーム へ 運 ぶ |
| rRNA (リボソーム RNA) | リボソーム を 構成 |
翻訳 — RNA から タンパク質 へ
- 細胞質 の リボソーム で 進行
- mRNA を 3 塩基 ご と (コドン) に 読 み、 対応 す る アミノ 酸 を tRNA が 運 ん で く る
- アミノ 酸 が ペプチド 結合 で つ な が り、 タンパク質 に な る
遺伝暗号表 — コドン
- 4 種 の 塩基 × 3 つ = 64 通 り の コドン が 20 種 の アミノ 酸 を 指定 (重複 あ り = 縮退)
- 開始コドン AUG = メチオニン
- 終止コドン UAA・UAG・UGA = アミノ 酸 を 指定 せ ず 翻訳 を 終 え る
| コドン | アミノ 酸 |
|---|
| AUG | メチオニン (開始) |
| UUU・UUC | フェニルアラニン |
| UAA・UAG・UGA | (終止) |
真核生物 の 特徴 — スプライシング
真核生物 で は、 転写直後 の RNA に 不要部分 (イントロン) が 含 ま れ ま す。 こ れ を 切 り 取 り、 必要部分 (エキソン) を つ な ぐ 過程 が スプライシング。 こ の 後 に mRNA と し て 細胞質 へ 運 ば れ ます。
6. 突然変異 と バイオ テクノロジー
突然変異 の 種類
| 種類 | 内容 | 影響 |
|---|
| [[置換 | ちかん]] | 1 塩基 が 別 の 塩基 に 変 わ る |
| [[挿入 | そうにゅう]] | 塩基 が 足 さ れ る |
| [[欠失 | けつしつ]] | 塩基 が 抜 け る |
| [[染色体 | せんしょくたい]]突然変異 | 染色体 の 一部 が 入 れ 替 わ る・欠 け る |
大事: 突然変異 は 悪 い こ と で は な い。 多様性 を 生 み、 進化 の 原動力 と な る。
遺伝子工学 の 基礎
| 技術 | 概要 | 応用 |
|---|
| [[制限酵素 | せいげんこうそ]] | DNA を 特定 の 配列 で 切 る |
| PCR | DNA を 大量 に 増 や す | 親子[[鑑定 |
| [[電気泳動 | でんきえいどう]] | DNA 断片 を サイズ で 分 け る |
| [[ゲノム編集 | ゲノムへんしゅう]] (CRISPR-Cas9) | DNA の 任意箇所 を 改変 |
7. ふりかえり
この 章 の 安全配慮
- DNA 抽出実験 で 使 う エタノール は 火気厳禁、 換気 を 確保
- 染色液 (酢酸 カーミン 等) は 服 に 注意、 廃液 は 容器 へ
- 個人 の DNA を 抽出 す る 実験 (口内細胞) は 同意 と 個人情報 の 配慮 を 必 ず 行 う
- ゲノム 編集等 の 議論 は 生命倫理 を 大切 に す る
次 の 章: 第 5 章 で は、 多細胞生物 と し て の 動物 の 体液調節 と 恒常性 を 学 び ます。 血液・自律神経・ホルモン が ど の よう に 連携 し て 体内 を 一定 に 保 つ か を 見 て い き ま しょ う。