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1)DNAとRNAの構造と性質

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1.DNAとRNAの構造

○DNAとRNAの基本単位「ヌクレオチド」

 DNA(デオキシリボ核酸)とRNA(リボ核酸)は、ともに核酸と呼ばれ、塩基およびリン酸からなる「ヌクレオチド」が連なった構造をしています。下図は、DNAとRNAのヌクレオチドの構造になります。

※塩基における炭素原子の番号と区別するため、糖には番号に「’」(プライム)をつけます。

 DNAの塩基には、A(アデニン)G(グアニン)C(シトシン)T(チミン)が用いられますが、RNAの塩基には、Tの代わりにU(ウラシル)が用いられます。

 A(アデニン)とG(グアニン)はプリン塩基と呼ばれ、C(シトシン)とT(チミン)はピリミジン塩基と呼ばれています。プリン塩基とピリミジン塩基は、それぞれプリン環とピリミジン環をもつことに由来しています。

※塩基は、AとT(水素結合2個)、GとC(水素結合3個)の間で相補的に結合する性質があります。

 DNAとRNAの糖には、どちらも五単糖が用いられますが、DNAにはデオキシリボース、RNAにはリボースが用いられます。デオキシリボースは、2’位の炭素が-OH基(ヒドロキシ基)から酸素が抜けた(2’位の炭素が-Hである)という意味から、デオキシ(deoxy)という名がついています。

 ヌクレオチドが結合する際には、一方のヌクレオチドの糖の3’位の炭素と、もう片方のヌクレオチドの5’位の炭素に結合したリン酸基との間で「ホスホジエステル結合」によって連結しています。

 ヌクレオチド鎖には、「5’→3’の方向性」がありますが、ヌクレオチド鎖の片方の端には、5’炭素に結合したリン酸基がフリーの状態であるヌクレオチドが存在し、これは5’末端と呼ばれています。一方、ヌクレオチド鎖の反対側の端には、3’炭素の-OH基(ヒドロキシ基)がフリーの状態であるヌクレオチドが存在し、これは3’末端と呼ばれています。

○DNAとRNAの配列の表記法

 ここまでで、DNAとRNAはともにヌクレオチドを基本構造とすることが分かりましたが、DNAやRNAの配列を表記する際に、ヌクレオチドを並べて書くことは非常に面倒なことです。

 DNAとRNAは、ともに4種類のヌクレオチドから構成されていますが、糖およびリン酸は全て等しく、この4種類の違いは、塩基の違い(DNAであればA,G,C,Tの4種類)として表すことができます。例えば、あるDNAの配列を表記するときには、塩基配列の情報として下図のように表すことができます。

※「5’-」や「3’-」を省略して書かれている場合には、左側が5’末端、右側が3’末端を意味しています。

○DNAとRNAの構造

DNAの二重らせん構造

 DNAは右巻き二重らせん構造(これを特にB型DNAといいます)をとっており、主溝副溝と呼ばれる幅の異なる2種類の溝が存在します。

 らせん構造は、1巻あたり約10塩基対(bp;base pair)で、主に以下のような相互作用によって安定した二重らせん構造を保っています。

  1. スタッキング相互作用・・・主にファンデルワールス力による安定化
  2. 水素結合・・・塩基間の水素結合による安定化
  3. 疎水性効果・・・プリン環とピリミジン環の疎水性による二重らせんの内側での疎水性相互作用
  4. 電荷-電荷相互作用・・・負電荷をもつリン酸基を打ち消すためにMg2+などの陽イオンなどを保持

RNAの構造

 RNAはDNAとは異なり、基本的には一本鎖構造をとります。また、RNAはリボースの-OH基のために、アルカリ性の条件下では分解されてしまいます。これは、アルカリ分解と呼ばれています。(変性ではないので注意)

 生体内のRNAは、ステム・ループ構造などの特有の二次構造をとり、さらに高次な三次構造をとることにより、RNAはタンパク質やその他の核酸などと相互作用していることが知られています。

2.DNAとRNAの性質

 DNAは、簡単にいうと生命を維持するための「設計図」になります。DNAそのものは、遺伝情報を保持している設計図であり、DNAに含まれている情報は、タンパク質として初めて機能を発揮します。しかしながら、実際の生体内では、DNAは一旦、RNAへと情報が読み取られ(これを転写といいます)、RNAの情報を元にして、タンパク質が合成(これを翻訳といいます)されています。

 近年、RNAには、DNAとは比べ物にならないほどの多様な化学修飾がされていることが知られてきました。DNAへの修飾のみならず、RNA、タンパク質において化学修飾等を多様に用いることにより、生物はその多様性や環境への適応を巧みに制御しているのでしょう。

DNAとRNAの構造と性質についてはこれで以上です。
次は「2)「ゲノム」「染色体」「核酸」「DNA」「遺伝子」の定義と違い」について学んでいきましょう。

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