21.9: 核酸

核酸は、生命を維持するために最も重要な高分子です。核酸は、細胞の遺伝子の設計図を持ち、細胞が機能するための指示を出す。

DNAとRNA

核酸には大きく分けて、デオキシリボ核酸（DNA）とリボ核酸（RNA）の2種類があります。DNAは、単細胞のバクテリアから多細胞の哺乳類に至るまで、すべての生物の遺伝物質です。真核生物の核や、オルガネラ、葉緑体、ミトコンドリアなどにも存在します。なお、原核生物では、DNAは膜に包まれていません。

細胞の全遺伝情報がゲノムであり、ゲノムを研究するのがゲノミクスです。原核生物にはないが、真核生物の細胞では、DNAがヒストンタンパク質と複合体を形成してクロマチンとなり、真核生物の染色体を構成しています。染色体には、数万個の遺伝子が含まれています。多くの遺伝子は、タンパク質を作るための情報を持っています。その他の遺伝子は、RNAを作るための情報伝達を担っています。DNAは、遺伝子をオンにしたりオフにしたりすることで、すべての細胞活動をコントロールしています。

もう一方の核酸であるRNAは、主にタンパク質の合成に関わっています。DNA分子は核から出ることはなく、中間体を使って細胞内の他の部分と情報伝達します。この中間体がメッセンジャーRNA(mRNA)です。—他にも、rRNA、tRNA、microRNAなどのRNA—が、タンパク質の合成やその制御に関わっています。

DNAとRNAは、ヌクレオチドと呼ばれる単量体で構成されています。ヌクレオチドを構成するのは、窒素塩基、五炭糖、リン酸基の3要素です。ヌクレオチドの窒素塩基は糖分子に結合しており、その糖分子には1つ以上のリン酸基が結合しています。ヌクレオチドの重要な構成要素である窒素塩基は、炭素と窒素を含む有機分子です。塩基は、水素と結合可能なアミノ基を含んでいるため、環境中の水素イオン濃度を低下させて塩基性にします。DNAの各ヌクレオチドには、アデニン（A）、グアニン（G）、シトシン（C）、チミン（T）の4種類の窒素塩基が存在します。アデニンとグアニンはプリン体に分類されます。プリンの主要構造は2つの炭素-窒素環です。シトシン、チミン、ウラシルはピリミジンに分類され、その基本構造は1つの炭素-窒素環です。これらの基本的な炭素-窒素環には、それぞれ異なる官能基が結合しています。DNAはA、T、G、Cの4種類、RNAはA、U、G、Cの4種類です。

DNAの五炭糖はデオキシリボースであり、RNAの五炭糖はリボースです。この糖の違いは、リボースの2番目の炭素に水酸基があることと、デオキシリボースの2番目の炭素に水素があることです。リン酸残基は、一方の糖の5′炭素の水酸基と、次のヌクレオチドの糖の3′炭素の水酸基に結合し、5′–3′ホスホジエステル結合を形成します。

DNA二重らせん構造

DNAは二重らせん構造を形成しています。らせんの外側には糖とリン酸があり、DNAの骨格を形成しています。内側には窒素塩基が階段状に積み重なっています。塩基のペアは水素結合を介して互いに結合しています。二重らせんのすべての塩基対は、次の塩基対から0.34nmほど離れています。二重らせんの2本の鎖は逆方向に伸びており、一方の鎖の炭素5個の端と、もう一方の鎖の炭素3個の端が向き合っていることになります。AはTと、GはCと、それぞれ特定の種類の塩基のみが対を形成します。これが相補的塩基則であり、DNAは互いに相補的です。

RNA

リボ核酸（RNA）は、DNAの指示のもと、主にタンパク質の合成過程に関与します。RNAは通常一本鎖で、リボヌクレオチドがホスホジエステル結合で結ばれています。

RNAには大きく分けて、メッセンジャーRNA（mRNA）、リボソームRNA（rRNA）、トランスファーRNA（tRNA）、マイクロRNA（miRNA）の4種類があります。1つ目のmRNAは、細胞内のすべての活動を制御するDNAからの情報伝達を担う。細胞が特定のタンパク質を必要とする場合、その遺伝子がオンになり、核内でメッセンジャーRNAが合成されます。このRNAの塩基配列は、コピーされたDNAのコード化された塩基配列と相補的です。細胞質では、mRNAはリボソームやその他の細胞機構と相互作用します。

mRNAは、コドンと呼ばれる3つの塩基のセットで読み取られ、それぞれのコドンは1つのアミノ酸をコードしています。リボソームRNA（rRNA）は、mRNAが結合するリボソームの主要な構成要素です。rRNAは、mRNAとリボソームの適切な位置関係を確保します。また、リボソームのrRNAには酵素活性（ペプチジルトランスフェラーゼ）があり、配列した2つのアミノ酸間のペプチド結合形成を触媒します。トランスファーRNA(tRNA)は、4種類のRNAの中でも最も小さいものの一つで、通常70–90のヌクレオチド長を持ちます。tRNAとmRNAの間の塩基対は、正しいアミノ酸がポリペプチド鎖に挿入されるよう働きます。マイクロRNAは最小のRNA分子であり、その役割は、特定のmRNAメッセージの発現を妨げることによって遺伝子発現を調節することです。

RNAは一本鎖であるにもかかわらず、ほとんどの種類のRNAでは、相補的な配列間で広範な分子内塩基対が形成されます。そして、その機能に不可欠な三次元構造が形成されます。

上記の文章は以下から引用しました。Openstax, Biology 2e, Chapter 3.5: Nucleic Acids.