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

🧠 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化合物 heteroaromatic compound 複素芳香族化合物（heteroaromatic compound） heteroaromatic compound（複素芳香族化合物） 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。

💡 「チミンthymine, T チミン（thymine, T）thymine, T（チミン） はDNAだけ／ウラシルuracil ウラシル（uracil）uracil（ウラシル） はRNAだけ」は原則であって絶対ではない。 tRNAはTΨCループにリボチミジン ribothymidine リボチミジン（ribothymidine） ribothymidine（リボチミジン） （5-メチルウリジン）を恒常的に含み、逆にDNA中にもシトシンの脱アミノやdUTPの誤取り込みでウラシル uracil ウラシル（uracil） uracil（ウラシル） が生じる（後者はウラシル uracil ウラシル（uracil） uracil（ウラシル） DNAグリコシラーゼ DNA glycosylase DNAグリコシラーゼ（DNA glycosylase） DNA glycosylase（DNAグリコシラーゼ） が除去する）。表の対応はあくまで「主要構成塩基としての割り当て」と理解しておく。

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 isomer 異性体（isomer） isomer（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オキソ-エノール互変異性（oxo-enol tautomerism）oxo-enol tautomerism（オキソ-エノール互変異性）・アミノ-イミノ互変異性amino-imino tautomerismアミノ-イミノ互変異性（amino-imino tautomerism）amino-imino tautomerism（アミノ-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。ピリミジンは2位のオキソ基 oxo group オキソ基（oxo group） oxo group（オキソ基） が糖と立体的に衝突するため事実上anti型に固定されるのに対し、プリンでは回転障壁が低く、溶液中でsyn型とanti型が動的平衡 dynamic equilibrium 動的平衡（dynamic equilibrium） dynamic equilibrium（動的平衡） にある——プリンヌクレオシド nucleosideヌクレオシド（nucleoside） nucleoside（ヌクレオシド）・5′-ヌクレオチドについて1H/13C NMRで両配座の存在比が定量されている¹。核酸中では全体としてanti型が優勢（エネルギー的に有利）。

⚠️ 「syn型とanti型は相互変換しない」と覚えない。 左巻きZ型DNAではプリン（グアニンguanineグアニン（guanine）guanine（グアニン））がsyn型、ピリミジン（シトシン）がanti型をとることが結晶構造 crystal structure 結晶構造（crystal structure） crystal structure（結晶構造） と核オーバーハウザー効果（NOE）測定の両方で示されており、同じポリマーが低塩濃度では両残基ともanti型（右巻き）になる²。すなわちプリンのsyn⇄antiの切り替えこそがB型→Z型転移の分子的実体である。

ヌクレオチドの化学構造

リン酸：ヌクレオシド nucleoside ヌクレオシド（nucleoside） nucleoside（ヌクレオシド） 三リン酸（例：ATP）のリン酸鎖は、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（糖の5′-OHとα-リン酸）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（α–β間、β–γ間）からなる。

⚠️ これは1個のヌクレオチド内部の話であって、ヌクレオチド同士をつなぐ結合ではない。 鎖の中でヌクレオチド間を連結するのは、下記の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） （エステル結合ester bond エステル結合（ester bond）ester bond（エステル結合） 2つ）である。重合の際にはα-リン酸だけが鎖に残り、β・γ間の酸無水物結合 acid anhydride bond 酸無水物結合（acid anhydride bond） acid anhydride bond（酸無水物結合） の加水分解（ピロリン酸pyrophosphate ピロリン酸（pyrophosphate）pyrophosphate（ピロリン酸） の放出とその分解）が反応を不可逆に駆動する。

⭐ 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。

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

💡 「B型＝10塩基対 base pairing塩基対（base pairing） base pairing（塩基対）/回転」は繊維X線回折の値であることに注意。 生理的な塩条件の溶液中でトポイソマーの電気泳動から直接測ると、らせん反復は10.4±0.1塩基対 base pairing塩基対（base pairing） base pairing（塩基対）/回転で、繊維構造の10.0とは有意に異なる³。教科書が「約10.5」と書くのはこの溶液中の値である。一方Z型の12塩基対 base pairing塩基対（base pairing） base pairing（塩基対）/回転は、d(CpGpCpGpCpG)の原子分解能結晶構造 crystal structure 結晶構造（crystal structure） crystal structure（結晶構造） で確定した値である⁴。

⚠️ 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 promoter region プロモーター領域（promoter region） promoter region（プロモーター領域） で生じやすい。

DNAの可逆的変性

二本鎖DNAdouble-stranded DNA 二本鎖DNA（double-stranded DNA）double-stranded DNA（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DNA single-stranded DNA 一本鎖DNA（single-stranded DNA） single-stranded DNA（一本鎖DNA） （ssDNA、ランダムコイルrandom coil ランダムコイル（random coil）random coil（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 オキソ-エノール互変異性（oxo-enol tautomerism） oxo-enol tautomerism（オキソ-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restoration 復元（restoration）restoration（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。