Molecular Cell Biology · 1
ヌクレオチドの化学構造；核酸（DNAと各種RNA）の一次構造と二次構造
Chemical structure of nucleotides; primary and secondary structure of nucleic acids (DNA and different types of RNA)
🧠 核酸は「塩基→ヌクレオシドnucleosideヌクレオシド（nucleoside）nucleoside（ヌクレオシド）→ヌクレオチド→ポリヌクレオチドpolynucleotideポリヌクレオチド（polynucleotide）polynucleotide（ポリヌクレオチド）」という組み立て式の階層構造hierarchical structure階層構造（hierarchical structure）hierarchical structure（階層構造）を持つ。糖の違い（リボースriboseリボース（ribose）ribose（リボース）、ribose vs デオキシリボースriboseリボース（ribose）ribose（リボース）、deoxyribose）と塩基の違い（ウラシルuracilウラシル（uracil）uracil（ウラシル）、uracil vs チミンthymine, Tチミン（thymine, T）thymine, T（チミン）、thymine）というたった2つのスイッチが、RNAとDNAという全く異なる役割の分子を分けている。
ヌクレオチドの化学構造
ヌクレオシドnucleosideヌクレオシド（nucleoside）nucleoside（ヌクレオシド）＝核酸塩基nucleobase核酸塩基（nucleobase）nucleobase（核酸塩基）＋ペントースpentoseペントース（pentose）pentose（ペントース）（五炭糖pentose五炭糖（pentose）pentose（五炭糖）） ヌクレオチド＝ヌクレオシドnucleosideヌクレオシド（nucleoside）nucleoside（ヌクレオシド）＋リン酸基phosphate groupリン酸基（phosphate group）phosphate group（リン酸基）（最低1個）
核酸塩基
窒素を含む複素芳香族aromatic芳香族（aromatic）aromatic（芳香族）化合物で、置換プリン環purine ring置換プリン環（purine ring）purine ring（置換プリン環）または置換ピリミジン環pyrimidine ring置換ピリミジン環（pyrimidine ring）pyrimidine ring（置換ピリミジン環）からなる。プリン・ピリミジンはいずれも炭素以外にヘテロ原子heteroatomヘテロ原子（heteroatom）heteroatom（ヘテロ原子）（ここでは窒素）を含む複素環である。6員環の番号付けはプリンとピリミジンで逆方向になる——ピリミジンは時計回り、プリンは反時計回り。
| 分類 | 塩基 | 存在する核酸 |
|---|---|---|
| プリン | アデニンadenineアデニン（adenine）adenine（アデニン）、グアニンguanineグアニン（guanine）guanine（グアニン） | DNA・RNA共通 |
| ピリミジン | シトシン | DNA・RNA共通 |
| ピリミジン | チミンthymine, Tチミン（thymine, T）thymine, T（チミン） | DNAのみ |
| ピリミジン | ウラシルuracilウラシル（uracil）uracil（ウラシル） | RNAのみ |
核酸塩基のオキソ-エノール互変異性
互変異性体tautomer互変異性体（tautomer）tautomer（互変異性体）とはプロトン（H）と電子の位置だけが異なる異性体を指す。プリン・ピリミジンのオキソ基oxo groupオキソ基（oxo group）oxo group（オキソ基）・アミノ基amino groupアミノ基（amino group）amino group（アミノ基）はそれぞれオキソ-エノール互変異性oxo-enol tautomerismエノール互変異性（oxo-enol tautomerism）oxo-enol tautomerism（エノール互変異性）・アミノ-イミノ互変異性amine-imine tautomerismイミノ互変異性（amine-imine tautomerism）amine-imine tautomerism（イミノ互変異性）を示す。生理的条件下ではオキソ型＋アミノ型（ラクタム、lactam）が優勢で、エノール型（enol、ラクチム、lactim）は少数派である。
⭐ 互変異性の医学的重要性：DNAの塩基対ミスマッチbase-pair mismatch塩基対ミスマッチ（base-pair mismatch）base-pair mismatch（塩基対ミスマッチ）の一因。 通常は少数派であるはずのエノール型・イミノ型が一時的に生じると、本来の相補塩基（例：G-C）ではなく誤った塩基（例：G-T）と水素結合を形成しうる——これが複製時の点変異の分子的起源の1つとなる。
ヌクレオシドの化学構造
ヌクレオシドnucleosideヌクレオシド（nucleoside）nucleoside（ヌクレオシド）はプリン・ピリミジンの誘導体で、糖がプリン/ピリミジン環の窒素原子に結合したものである（リン酸を含まない）。
- プライム記号（′）：糖の炭素番号（例：2′、3′）と複素環側の番号を区別するために付ける
- N-グリコシド結合glycosidic bondグリコシド結合（glycosidic bond）glycosidic bond（グリコシド結合）：糖と複素環を結ぶ結合。通常ピリミジンのN-1、またはプリンのN-9に結合する
- ペントースpentoseペントース（pentose）pentose（ペントース）：RNAではリボースriboseリボース（ribose）ribose（リボース）、DNAでは2′-デオキシリボースriboseリボース（ribose）ribose（リボース）——2′位のOHがHに置換されている点がDNAとRNAを分ける化学的な違いの1つ
syn型・anti型配座
複素環N-グリコシドはsyn型・anti型の配座異性体conformer配座異性体（conformer）conformer（配座異性体）として存在する。複素環による立体障害steric hindrance立体障害（steric hindrance）steric hindrance（立体障害）のため、β-N-グリコシド結合glycosidic bondグリコシド結合（glycosidic bond）glycosidic bond（グリコシド結合）まわりの回転の自由度degrees of freedom自由度（degrees of freedom）degrees of freedom（自由度）がなく、syn型・anti型は相互変換不可能——anti型が優勢（エネルギー的に有利）。
ヌクレオチドの化学構造
リン酸：ヌクレオチド間の結合はエステル結合ester bondエステル結合（ester bond）ester bond（エステル結合）1つと酸無水物結合acid anhydride bond酸無水物結合（acid anhydride bond）acid anhydride bond（酸無水物結合）2つからなる。
⭐ 酸無水物結合acid anhydride bond酸無水物結合（acid anhydride bond）acid anhydride bond（酸無水物結合）は高エネルギーを蓄える「マクロエルギー結合macroergic bondマクロエルギー結合（macroergic bond）macroergic bond（マクロエルギー結合）」である。この結合の加水分解は他の反応と共役しうる——ATPが生体エネルギー通貨ATP is the energy currencyエネルギー通貨（ATP is the energy currency）ATP is the energy currency（エネルギー通貨）として機能する化学的根拠そのものである。
核酸の一次構造
核酸は情報の貯蔵・伝達に特化したポリヌクレオチドpolynucleotideポリヌクレオチド（polynucleotide）polynucleotide（ポリヌクレオチド）であり、複数のヌクレオチド単位がホスホジエステル結合phosphodiester bondホスホジエステル結合（phosphodiester bond）phosphodiester bond（ホスホジエステル結合）で連結されてできている。
| DNA（デオキシリボ核酸、deoxyribonucleic acid） | RNA（リボ核酸、ribonucleic acid） | |
|---|---|---|
| 糖 | デオキシリボースriboseリボース（ribose）ribose（リボース） | リボースriboseリボース（ribose）ribose（リボース） |
| 特有塩基 | チミンthymine, Tチミン（thymine, T）thymine, T（チミン） | ウラシルuracilウラシル（uracil）uracil（ウラシル） |
| 鎖 | 二本鎖 | 一本鎖 |
5′→3′方向： あるヌクレオチドの5′-リン酸基phosphate groupリン酸基（phosphate group）phosphate group（リン酸基）が、隣接する第2ヌクレオチドのペントースpentoseペントース（pentose）pentose（ペントース）の3′-OHとエステル結合ester bondエステル結合（ester bond）ester bond（エステル結合）（＝ホスホジエステル結合phosphodiester bondホスホジエステル結合（phosphodiester bond）phosphodiester bond（ホスホジエステル結合））を形成する。この3′,5′-ホスホジエステル結合phosphodiester bondホスホジエステル結合（phosphodiester bond）phosphodiester bond（ホスホジエステル結合）の繰り返しがDNA・RNAの骨格を作る。
核酸の二次（立体）構造
塩基対合
- A-T塩基対base pairing塩基対（base pairing）base pairing（塩基対）：水素結合2本
- G-C塩基対base pairing塩基対（base pairing）base pairing（塩基対）：水素結合3本（より強い相互作用）
2本のポリヌクレオチドpolynucleotideポリヌクレオチド（polynucleotide）polynucleotide（ポリヌクレオチド）鎖は互いに逆平行anti-parallel逆平行（anti-parallel）anti-parallel（逆平行）に走る。塩基対base pairing塩基対（base pairing）base pairing（塩基対）は糖-リン酸骨格に対しほぼ垂直（実際には6度の傾き、base inclination）で並び、プリン-ピリミジンの組み合わせがらせんの直径（2 nm）を一定に保つ。隣接する塩基対base pairing塩基対（base pairing）base pairing（塩基対）は互いに36度ずつ回転しているため、2本鎖はねじれ合い、よく知られる右巻き二重らせんdouble helix二重らせん（double helix）double helix（二重らせん）（right-handed double helix）を形成する。
二重らせんの立体構造バリエーション
| A型 | B型（生理的条件） | Z型 | |
|---|---|---|---|
| 巻き方向 | 右巻き | 右巻き | 左巻き |
| 直径 | 2.6 nm | 2.0 nm | 1.8 nm |
| 塩基対base pairing塩基対（base pairing）base pairing（塩基対）/回転 | 11 | 10 | 12 |
| 糖のコンフォメーションconformationコンフォメーション（conformation）conformation（コンフォメーション） | C-3′エンド | C-2′エンド | C-2′エンド（ピリミジン）／C-3′エンド（プリン） |
| グリコシド結合glycosidic bondグリコシド結合（glycosidic bond）glycosidic bond（グリコシド結合）配座 | anti | anti | anti（ピリミジン）／syn（プリン） |
| 誘導条件 | 脱水、高塩濃度 | — | GC豊富な領域（プロモーター領域） |
| 備考 | — | — | 免疫原性immunogenicity免疫原性（immunogenicity）immunogenicity（免疫原性） |
⚠️ Z型DNAは免疫原性immunogenicity免疫原性（immunogenicity）immunogenicity（免疫原性）を持つ——通常と異なる左巻き構造が自然免疫系に異物として認識されうる。GCに富むプロモーター領域で生じやすい。
DNAの可逆的変性
| 方向 | 名称 | in vitro条件 | *生体内in vivo生体内（in vivo）in vivo（生体内）*条件 |
|---|---|---|---|
| dsDNA→ssDNA | 変性＝melting、unwinding | 高pH、高温、8 M尿素 | ヘリカーゼhelicaseヘリカーゼ（helicase）helicase（ヘリカーゼ） |
| ssDNA→dsDNA | 復元renaturation復元（renaturation）renaturation（復元）＝hybridization、reannealing | 中性pH、冷却 | — |
二本鎖DNA（dsDNA）は加熱・アルカリ処理などで鎖が分離し一本鎖DNAsingle-stranded DNA一本鎖DNA（single-stranded DNA）single-stranded DNA（一本鎖DNA）（ssDNA、ランダムコイル状）になるが、条件を戻すと相補的な塩基対合base pairing塩基対合（base pairing）base pairing（塩基対合）により再び二本鎖へ戻る——この可逆性がPCR（17-function-and-application-of-pcr-and-real-time-pcr参照）やサザンSouthern (blot)サザン（Southern (blot)）Southern (blot)（サザン）/ノーザンブロットNorthern blotノーザンブロット（Northern blot）Northern blot（ノーザンブロット）など多くの分子生物学的手法molecular diagnostic method分子生物学的手法（molecular diagnostic method）molecular diagnostic method（分子生物学的手法）の基盤となる。
まとめ
- ヌクレオシドnucleosideヌクレオシド（nucleoside）nucleoside（ヌクレオシド）（塩基＋糖）にリン酸が付加するとヌクレオチドとなり、糖の種類（リボースriboseリボース（ribose）ribose（リボース）/デオキシリボースriboseリボース（ribose）ribose（リボース））と特有塩基（ウラシルuracilウラシル（uracil）uracil（ウラシル）/チミンthymine, Tチミン（thymine, T）thymine, T（チミン））がRNAとDNAを分ける。
- 核酸塩基nucleobase核酸塩基（nucleobase）nucleobase（核酸塩基）はオキソ-エノール互変異性oxo-enol tautomerismエノール互変異性（oxo-enol tautomerism）oxo-enol tautomerism（エノール互変異性）を示し、生理的にはオキソ+アミノ型が優勢だが、少数派のエノール/イミノ型が一時的に生じると塩基対ミスマッチbase-pair mismatch塩基対ミスマッチ（base-pair mismatch）base-pair mismatch（塩基対ミスマッチ）（点変異の起源）を招きうる。
- 一次構造primary structure一次構造（primary structure）primary structure（一次構造）は3′,5′-ホスホジエステル結合phosphodiester bondホスホジエステル結合（phosphodiester bond）phosphodiester bond（ホスホジエステル結合）による5′→3′方向のポリヌクレオチドpolynucleotideポリヌクレオチド（polynucleotide）polynucleotide（ポリヌクレオチド）鎖であり、二次構造secondary structure二次構造（secondary structure）secondary structure（二次構造）はA-T（2本）・G-C（3本）の水素結合による逆平行anti-parallel逆平行（anti-parallel）anti-parallel（逆平行）の右巻き二重らせんdouble helix二重らせん（double helix）double helix（二重らせん）（生理的にはB型）である。
- 二重らせんdouble helix二重らせん（double helix）double helix（二重らせん）にはA・B・Z型のコンフォメーションconformationコンフォメーション（conformation）conformation（コンフォメーション）多型があり、Z型（左巻き、GC豊富領域）は免疫原性immunogenicity免疫原性（immunogenicity）immunogenicity（免疫原性）を持つ点が特に重要。
- DNAの変性・復元renaturation復元（renaturation）renaturation（復元）は可逆的であり、この性質がPCRをはじめとする分子生物学的解析手法の基盤となっている。