DNA：歴史、機能、構造、コンポーネント - 生物学 - 2025

DNA（デオキシリボ核酸）は、生体分子は、体を生成し、その動作を維持するために必要なすべての情報が含まれています。それは、ヌクレオチドと呼ばれるユニットで構成され、リン酸基、5炭素糖分子、および窒素含有塩基で構成されています。

4つの窒素塩基があります：アデニン（A）、シトシン（C）、グアニン（G）、およびチミン（T）。アデニンは常にチミンと、グアニンはシトシンとペアになります。DNA鎖に含まれるメッセージはメッセンジャーRNAに変換され、これがタンパク質の合成に参加します。

DNAは非常に安定した分子であり、生理学的pHで負に帯電し、真核細胞の核内で効率的にコンパクト化するために陽性タンパク質（ヒストン）と結合します。DNAの長鎖は、関連するさまざまなタンパク質と一緒に染色体を形成します。

歴史

1953年、ロザリンドフランクリンとモーリスウィルキンスによって行われた結晶学の研究のおかげで、アメリカ人のジェームズワトソンとイギリス人のフランシスクリックは、DNAの3次元構造を解明することができました。彼らはまた、他の著者の研究に基づいて結論を下しました。

DNAがX線にさらされると、分子の構造を推測するために使用できる回折パターンが形成されます。2つの逆平行鎖のらせんが右に回転し、両方の鎖が塩基間の水素結合によって結合されます。 。得られたパターンは次のとおりです。

構造は、ブラッグの回折の法則に従って仮定できます。X線ビームの中央にオブジェクトが挿入されると、オブジェクトの電子がビームと相互作用するため、X線ビームは反射されます。

1953年4月25日、ワトソンとクリックの結果は、名高いジャーナルNatureの「核酸の分子構造」と題されたたった2ページの記事に掲載され、生物学の分野に革命をもたらしました。

この発見のおかげで、研究者たちは、出産前に亡くなったフランクリンを除いて、1962年にノーベル医学賞を受賞しました。現在、この発見は、新しい知識を獲得するための科学的手法の成功の大きな力の1つです。

部品

DNA分子はヌクレオチドで構成されており、リン酸基に結合した5炭素糖と窒素含有塩基で構成されたユニットです。DNAに含まれる糖のタイプはデオキシリボースタイプであるため、その名前はデオキシリボ核酸です。

鎖を形成するために、ヌクレオチドは、糖からの3'-ヒドロキシル基（-OH）と次のヌクレオチドの5'-ホスファフォを介して、ホスホジエステル型の結合によって共有結合されます。

ヌクレオチドをヌクレオシドと混同しないでください。後者は、ペントース（糖）と窒素含有塩基のみによって形成されるヌクレオチドの部分を指します。

DNAは、アデニン（A）、シトシン（C）、グアニン（G）、チミン（T）の4種類の窒素含有塩基で構成されています。

窒素塩基は、プリンとピリミジンの2つのカテゴリに分類されます。最初のグループは、6つの別のリングに接続された5つの原子のリングで構成されていますが、ピリミジンは1つのリングのみで構成されています。

上記の塩基のうち、アデニンとグアニンはプリンの誘導体です。対照的に、チミン、シトシン、およびウラシル（RNA分子に存在）はピリミジンのグループに属します。

構造

DNA分子はヌクレオチドの2本の鎖で構成されています。この「鎖」はDNA鎖として知られています。

2つのストランドは、相補的な塩基間の水素結合によってリンクされます。窒素塩基は、糖とリン酸の骨格に共有結合しています。

一方の鎖にある各ヌクレオチドは、もう一方の鎖の別の特定のヌクレオチドと結合して、よく知られている二重らせんを形成できます。効率的な構造を形成するために、Aは常に2つの水素結合によってTと結合し、Gは3つの結合によってCと結合します。

シャルガフの法則

DNA中の窒素含有塩基の比率を調べると、Aの量はTの量と同じで、GとCでも同じであることがわかります。このパターンはシャルガフの法則として知られています。

このペアリングは、構造全体にわたって同様の幅を維持し、糖リン酸バックボーン分子に沿って同様の距離を維持できるため、エネルギー的に有利です。リングのベースがリングの1つと対になることに注意してください。

二重らせんモデル

二重らせんは、1回転あたり10.4ヌクレオチドで構成され、中心間距離は3.4ナノメートルであることが推奨されます。圧延プロセスにより、構造に溝が形成され、大きな溝と小さな溝を観察できます。

溝は、塩基対のグリコシド結合がそれらの直径に関して互いに反対ではないために発生します。ピリミジンO-2とプリンN-3は副溝にあり、主溝は反対の領域にあります。

ラダーの類推を使用すると、ラングは互いに相補的なベースペアで構成され、スケルトンは2つのグラブレールに対応します。

DNA分子の両端は同じではないため、「極性」と呼んでいます。その末端の1つである3 'には-OH基があり、5'末端には遊離のリン酸基があります。

2つのストランドは逆平行に配置されます。つまり、次のように、極性に関して反対方向に配置されます。

さらに、一方の鎖の配列はそのパートナーと相補的でなければならず、それがAの位置である場合、逆平行鎖にはTがなければなりません。

組織

各ヒト細胞には、効率的にパッケージングする必要のある約2メートルのDNAがあります。

ストランドは、細胞体積のわずか10％を占める直径6μmの微視的な核に含まれるように圧縮する必要があります。これは、次のレベルの圧縮のおかげで可能です。

ヒストン

真核生物にはヒストンと呼ばれるタンパク質があり、これはDNA分子に結合する能力があり、鎖の圧縮の最初のレベルです。ヒストンは、リン酸塩によって提供されるDNAの負の電荷と相互作用できるように正の電荷を持っています。

ヒストンは真核生物にとって非常に重要なタンパク質であり、進化の過程で実質的に変化していません。変異率が低いことは、その分子に対する選択圧が強いことを示していることを思い出してください。ヒストンの欠損は、DNAの欠損につながる可能性があります。

ヒストンは生化学的に変更することができ、このプロセスは遺伝物質の圧縮のレベルを変更します。

ヒストンが「低アセチル化」されると、クロマチンはより凝縮されます。これは、アセチル化された形態がタンパク質のリジン（正に帯電したアミノ酸）の正電荷を中和するためです。

ヌクレオソームと30 nmファイバー

DNA鎖はヒストンにねじれ、それらはヌクレオソームと呼ばれる真珠のネックレスのビーズに似た構造を形成します。この構造の中心には、H2A、H2B、H3、およびH4の各タイプのヒストンの2つのコピーがあります。異なるヒストンの結合は、「ヒストンオクタマー」と呼ばれます。

オクタマーは約146塩基対に囲まれており、2回未満旋回しています。ヒトの二倍体細胞には、約6.4 x 10 ^9のヌクレオチドが含まれ、3000万のヌクレオソームに組織化されています。

ヌクレオソームへの組織化により、DNAを元の長さの3分の1以上に圧縮できます。

生理的条件下での遺伝物質の抽出プロセスでは、ヌクレオソームが30ナノメートルのファイバーに配置されていることが観察されています。

染色体

染色体は遺伝の機能単位であり、その機能は個人の遺伝子を運ぶことです。遺伝子は、タンパク質（または一連のタンパク質）を合成するための情報を含むDNAのセグメントです。ただし、RNAなどの調節要素をコードする遺伝子もあります。

すべての人間の細胞（配偶子と血球を除く）には、各染色体のコピーが2つあります。1つは父親から、もう1つは母親から受け継がれています。

染色体は、上記のタンパク質複合体に関連するDNAの長い線状の断片から構成される構造です。通常、真核生物では、核に含まれるすべての遺伝物質は一連の染色体に分けられます。

原核生物の組織

原核生物は核を欠く生物です。これらの種では、遺伝物質は低分子量のアルカリ性タンパク質と一緒に高度に巻かれています。このようにして、DNAは圧縮され、細菌の中央領域に配置されます。

一部の著者は、この構造を「細菌染色体」と呼ぶことがよくありますが、真核生物の染色体と同じ特性はありません。

DNA量

すべての生物種に同じ量のDNAが含まれているわけではありません。実際、この値は種によって大きく異なり、DNAの量と生物の複雑さの間には関係がありません。この矛盾は、「C値パラドックス」として知られています。

論理的な推論は、生物がより複雑であるほど、より多くのDNAを持っていると直感することです。ただし、これは実際には当てはまりません。

たとえば、肺魚Protopterus aethiopicusのゲノムのサイズは132 pg（ピコグラム= pgでDNAを定量化できます）ですが、人間のゲノムは3.5 pgしかありません。

生物のすべてのDNAがタンパク質をコードしているわけではないことを覚えておく必要があります。これの多くは規制要素やさまざまな種類のRNAに関連しています。

DNAの構造形態

X線回折パターンから推定されるワトソンアンドクリックモデルはB-DNAヘリックスとして知られており、「伝統的な」最もよく知られたモデルです。ただし、A-DNAおよびZ-DNAと呼ばれる他の2つの異なる形式があります。

DNA – A

"A"バリアントは、B-DNAと同じように右に回転しますが、幅が短く、幅が広くなっています。このフォームは、相対湿度が低下すると表示されます。

A-DNAは11塩基対ごとに回転し、主な溝はB-DNAより狭く、深くなっています。マイナーグルーブに関しては、これは表面的で幅広です。

DNA – Z

3番目のバリアントはZ-DNAです。それは、逆平行鎖の二重鎖に組織化されたヘキサヌクレオチドのグループによって形成される最も狭い形です。この形状の最も優れた機能の1つは、左に曲がることですが、他の2つの方法は右に曲がります。

Z-DNAは、ピリミジンとプリンが互いに交互に並んだ短いシーケンスがある場合に表示されます。B-DNAと比較して、大溝は平坦で、小溝は狭くて深いです。

生理学的条件下では、DNA分子はほとんどB型ですが、説明されている2つのバリアントの存在により、遺伝物質の柔軟性とダイナミズムが明らかになります。

特徴

DNA分子には、生物の構築に必要なすべての情報と指示が含まれています。生物の遺伝情報の完全なセットはゲノムと呼ばれます。

メッセージは「生物学的アルファベット」でエンコードされています。前述の4つのベース、A、T、G、Cです。

このメッセージは、さまざまなタイプのタンパク質の形成や、いくつかの規制要素のコードにつながる可能性があります。これらのデータベースがメッセージを配信できるプロセスを以下に説明します。

複製、転写、翻訳

A、T、G、Cの4文字で暗号化されたメッセージは、表現型になります（すべてのDNA配列がタンパク質をコードするわけではありません）。これを達成するために、DNAは細胞分裂の各プロセスで自分自身を複製する必要があります。

DNA複製は半保存的です。1本の鎖が新しい娘分子を形成するためのテンプレートとして機能します。DNAプライマーゼ、DNAヘリカーゼ、DNAリガーゼ、トポイソメラーゼなど、多くの酵素によって触媒される複製。

続いて、メッセージ（基本シーケンス言語で書かれた）は、中間分子であるRNA（リボ核酸）に送信される必要があります。このプロセスは転写と呼ばれます。

転写が行われるためには、RNAポリメラーゼを含むさまざまな酵素が関与する必要があります。

この酵素は、DNAのメッセージをコピーし、メッセンジャーRNA分子に変換する役割を果たします。言い換えれば、転写の目的はメッセンジャーを取得することです。

最後に、リボソームのおかげで、メッセージがメッセンジャーRNA分子に翻訳されます。

これらの構造はメッセンジャーRNAを取り、翻訳機構とともに指定されたタンパク質を形成します。

遺伝暗号

メッセージは「トリプレット」またはアミノ酸を指定する3つの文字のグループ（タンパク質の構成要素）で読み取られます。遺伝暗号はすでに完全に明らかにされているので、トリプレットのメッセージを解読することは可能です。

翻訳は常に、アミノ酸メチオニンから始まります。これは、開始トリプレットAUGによってエンコードされます。"U"はベースのウラシルを表し、RNAの特徴であり、チミンに取って代わります。

たとえば、メッセンジャーRNAのシーケンスがAUG CCU CUU UUU UUAの場合、メチオニン、プロリン、ロイシン、フェニルアラニン、フェニルアラニンのアミノ酸に変換されます。2つのトリプレット（この場合はUUUとUUA）が同じアミノ酸（フェニルアラニン）をコードする場合があることに注意してください。

この性質のため、翻訳の開始を指示するアミノ酸メチオニンを除いて、アミノ酸は複数のトリプレットの配列によってコードされているため、遺伝暗号は縮重していると言われています。

プロセスは、特定の停止または停止トリプレット（UAA、UAG、UGA）で停止します。それらはそれぞれ黄土色、琥珀色、オパールの名前で知られています。リボソームがそれらを検出すると、もはや鎖にアミノ酸を追加できなくなります。

化学的および物理的特性

核酸は本来酸性であり、水に溶けます（親水性）。ペントースのリン酸基と水酸基との間の水との水素結合の形成が起こり得る。生理的pHでは負に帯電します。

DNA溶液は、非常に硬い二重らせんの変形抵抗能力により、非常に粘性があります。核酸が一本鎖の場合、粘度は低下します。

それらは非常に安定した分子です。論理的には、この特性は遺伝情報を運ぶ構造に不可欠でなければなりません。RNAと比較して、DNAは水酸基を欠いているため、はるかに安定しています。

DNAは熱変性する可能性があります。つまり、分子が高温に曝されると鎖が分離します。

適用する必要のある熱量は、分子のG – Cパーセンテージに依存します。これらの塩基は3つの水素結合によってリンクされているため、分離に対する抵抗が増加します。

光の吸収に関しては、260 nmにピークがあり、核酸が一本鎖の場合、ヌクレオチドリングが露出しており、これらが吸収に関与するため、ピークが増加します。

進化

ラスカノらによると。1988 DNAは、RNAからの移行段階で出現し、人生の歴史の中で最も重要なイベントの1つです。

著者は3つの段階を提案します。最初の期間は核酸に類似した分子があり、後にゲノムはRNAで構成され、最後の段階として二重バンドDNAゲノムが現れました。

いくつかの証拠は、RNAに基づく一次世界の理論をサポートしています。まず、タンパク質の合成はDNAがなくても起こりますが、RNAがない場合は起こりません。さらに、触媒特性を持つRNA分子が発見されました。

デオキシリボヌクレオチド（DNAに存在）の合成に関しては、それらは常にリボヌクレオチド（RNAに存在）の還元から生じます。

DNA分子の進化的革新には、DNA前駆体を合成し、RNAの逆転写に関与する酵素の存在が必要だったに違いありません。

現在の酵素を研究することにより、これらのタンパク質は数回進化しており、RNAからDNAへの移行は、遺伝子の伝達と損失のプロセス、非オーソロガス置換など、以前考えられていたよりも複雑であると結論付けることができます。

DNAシーケンス

DNAシーケンスは、それを構成する4つの塩基の観点から、DNA鎖の配列を解明することで構成されます。

このシーケンスの知識は生物科学において最も重要です。形態学的に非常に類似した2つの種を区別したり、病気、病状、寄生虫を検出したりするために使用できます。

サンガーシーケンスは1900年代に開発され、シーケンスを明らかにするための伝統的な手法です。その年齢にもかかわらず、それは有効な方法であり、研究者によって広く使用されています。

サンガー法

この方法では、細胞内でDNAを複製する信頼性の高い酵素であるDNAポリメラーゼを使用し、既存のDNA鎖をガイドとして使用して新しいDNA鎖を合成します。酵素は、合成を開始するためにプライマーを必要とします。プライマーは、シーケンスされる分子に相補的なDNAの小さな分子です。

反応では、酵素によって新しいDNA鎖に組み込まれるヌクレオチドが追加されます。

「伝統的な」ヌクレオチドに加えて、この方法は、各塩基に対する一連のジデオキシヌクレオチドを含む。これらは、標準的なヌクレオチドとは2つの特性が異なります。構造上、DNAポリメラーゼが娘鎖にヌクレオチドを追加することができず、塩基ごとに異なる蛍光マーカーを持っています。

その結果、ジデオキシヌクレオチドがランダムに組み込まれ、異なる段階で複製プロセスが停止したため、さまざまな長さのさまざまなDNA分子ができました。

この様々な分子は、それらの長さに従って分離することができ、ヌクレオチドの同一性は、蛍光標識からの光の放出によって読み取られる。

次世代シーケンシング

近年開発されたシーケンス技術により、数百万のサンプルを同時に大量分析できます。

最も優れた方法には、パイロシーケンス、合成によるシーケンス、ライゲーションによるシーケンス、およびイオントレントによる次世代シーケンスがあります。

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