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21.9: 核酸
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Chemistry

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Nucleic Acids
 

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.

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Nucleic Acids Polymers Nucleotides Pentose Sugar Nitrogen-containing Base Phosphate Group Deoxyribonucleic Acid DNA Ribonucleic Acid RNA Chemical Structures Pentose Sugar Ribose Deoxyribose Nitrogenous Base Adenine Cytosine Guanine Thymine Uracil Hydrogen Bonds Complementary Base Pairs Polymerization Of Nucleotides Phosphodiester Bond 5' End 3' End Antiparallel Strands

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