窒素ベース：分類と機能 - 生物学 - 2025

窒素性塩基は窒素でheterocyclically豊富な有機化合物です。それらは、核酸や、ヌクレオシド、ジヌクレオチド、細胞内メッセンジャーなどの生物学的に興味深い他の分子の構成要素の一部です。言い換えれば、窒素含有塩基は、核酸（RNAおよびDNA）やその他の分子を構成するユニットの一部です。

窒素含有塩基には、プリンまたはプリン塩基とピリミジンまたはピリミジン塩基の2つの主要なグループがあります。アデニンとグアニンは最初のグループに属し、チミン、シトシン、ウラシルはピリミジン塩基です。これらの塩基は一般的に最初の文字で示されます：A、G、T、C、およびU。

DNAとRNAの異なる窒素塩基。
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DNAの構成要素はA、G、T、Cです。この塩基の順序では、生物の構築と発達に必要なすべての情報がコード化されています。RNAでは、コンポーネントは同じで、TのみがUに置き換えられています。

構造と分類

窒素塩基は、芳香族および複素環タイプの平らな分子であり、一般にプリンまたはピリミジンから誘導されます。

ピリミジン環

ピリミジンの化学構造。

ピリミジン環は、2つの窒素原子を持つ6員の複素環式芳香環です。原子は時計回りに番号が付けられています。

プリンリング

プリンの化学構造。

プリン環は2環系で構成されています。1つは構造的にピリミジン環に似ており、もう1つはイミダゾール環に似ています。これらの9つの原子は単一の環に融合されます。

ピリミジンリングは平坦なシステムですが、プリンはこのパターンから多少ずれています。イミダゾール環とピリミジン環の間にわずかな折り目やしわが報告されています。

窒素含有塩基の特性

芳香性

有機化学では、芳香環は、二重結合からの電子が環状構造内で自由循環する分子として定義されます。リング内の電子の移動度は、分子に安定性を与えます（同じ分子と比較すると）。ただし、電子は二重結合に固定されています。

この環系の芳香性により、ケト-エノール互変異性と呼ばれる現象を体験することができます。

つまり、プリンとピリミジンは互変異性体のペアで存在します。ケト互変異性体は、中性pHではウラシル、チミン、およびグアニンの塩基が主です。対照的に、中性pHでは、シノールのエノール型が優勢です。この側面は、塩基間の水素結合の形成に不可欠です。

紫外線吸収

プリンとピリミジンのもう1つの特性は、紫外光（UV光）を強く吸収する能力です。この吸収パターンは、その複素環の芳香族性の直接的な結果です。

吸収スペクトルは260 nmに近い最大値を持っています。研究者はこの標準を使用して、サンプル中のDNAの量を定量化します。

水溶性

窒素含有塩基の強い芳香性のおかげで、これらの分子は水に実質的に不溶です。

生物学的に興味のある窒素塩基

窒素含有塩基は多数ありますが、生物の細胞環境では自然にいくつかしか見つかりません。

最も一般的なピリミジンは、シトシン、ウラシル、チミン（5-メチルウラシル）です。シトシンとチミンは、DNAの二重らせんに一般的に見られるピリミジンですが、シトシンとウラシルは、RNAで一般的です。ウラシルとチミンの唯一の違いは、炭素5のメチル基であることに注意してください。

同様に、最も一般的なプリンはアデニン（6-アミノプリン）とグアニン（2-アミノ-6-オキシプリン）です。これらの化合物は、DNA分子とRNA分子の両方に豊富に含まれています。

細胞内で自然に見つかるプリンの他の誘導体があり、その中にはキサンチン、ヒポキサンチン、尿酸があります。最初の2つは核酸に含まれていますが、非常にまれで特異的な方法です。対照的に、尿酸はこれらの生体分子の構造成分としては決して見つかりません。

彼らはどのように交尾しますか？

DNAの構造は研究者ワトソンとクリックによって解明されました。彼らの研究のおかげで、DNAは二重らせんであると結論づけることができました。それは、リン酸基が糖残基のヒドロキシル基（-OH）間の橋を形成するホスホジエステル結合によって連結されたヌクレオチドの長い鎖で構成されています。

ここで説明した構造は、はしごのような手すりに似ています。窒素含有塩基は階段と類似しており、水素結合によって二重らせんにグループ化されます。

水素ブリッジでは、2つの電気陰性原子が塩基間でプロトンを共有します。水素結合の形成には、わずかな正電荷を持つ水素原子と小さな負電荷を持つアクセプターの関与が必要です。

ブリッジはHとOの間に形成されます。DNAは複製するために簡単に開く必要があるため、これらの結合は弱く、そうでなければなりません。

シャルガフルール

塩基対は、シャルガフの法則として知られている次のプリン-ピリミジン対形成パターンに従って水素結合を形成します。シトシンとグアニンの対、チミンとアデニンの対。

GCペアは互いに3つの水素キャニスターを形成しますが、ATペアは2つのブリッジによってのみリンクされます。したがって、GC含有量が高いDNAの方が安定していると予測できます。

それぞれのチェーン（または私たちの例では手すり）は反対方向に走っています。1つは5 '→3'でもう1つは3 '→5'です。

特徴

核酸の構成要素

有機物は、核酸と呼ばれる種類の生体分子を提示します。これらは、リン酸ジエステル結合と呼ばれる特殊なタイプの結合で結合されたヌクレオチド-ヌクレオチドの繰り返しで構成される非常に大きなポリマーです。それらはDNAとRNAの2つの基本的なタイプに分類されます。

各ヌクレオチドは、リン酸基、糖（DNAではデオキシリボースタイプ、RNAではリボース）、および5つの窒素塩基A、T、G、C、Uの1つで構成されます。リン酸基が存在しない場合、分子はヌクレオシドと呼ばれています。

DNAで

DNAは生物の遺伝物質です（主にRNAを使用する一部のウイルスを除く）。DNAは4塩基コードを使用して、生物に存在するすべてのタンパク質の配列と、それらの発現を調節する要素を持っています。

生物は情報をエンコードするためにDNAを使用するため、DNAの構造は安定している必要があります。ただし、変異と呼ばれる変化しやすい分子です。遺伝物質のこれらの変化は、進化的変化の基本的な物質です。

RNAで

DNAと同様に、RNAはヌクレオチドポリマーですが、塩基TがUに置き換わっています。この分子は単一バンドの形をしており、幅広い生物学的機能を果たします。

細胞には3つの主要なRNAがあります。メッセンジャーRNAは、DNAとタンパク質形成の中間体です。それはDNAの情報をコピーし、それをタンパク質翻訳機構に持っていく責任があります。2番目のタイプであるリボソームRNAは、この複雑な機構の構造部分です。

3番目のタイプ、またはトランスファーRNAは、タンパク質の合成に適切なアミノ酸残基を運ぶ責任があります。

3つの「伝統的な」RNAに加えて、DNAにコードされているすべての遺伝子を細胞内で常に同じ大きさで発現させることができないため、遺伝子発現の調節に関与する小さなRNAがいくつかあります。

生物はそれらの遺伝子を調節する、すなわちそれらが発現されるかどうかを決定するための経路を持たなければならない。同様に、遺伝物質はスペイン語の単語の辞書のみで構成されており、規制メカニズムにより文学作品の形成が可能です。

ヌクレオシド三リン酸のビルディングブロック

窒素塩基はヌクレオシド三リン酸の一部であり、DNAやRNAと同様に生物学的に興味深い分子です。塩基に加えて、ペントースと3つのリン酸基が高エネルギー結合で結合されています。

これらの結合のおかげで、ヌクレオシド三リン酸はエネルギーに富む分子であり、エネルギーの放出を求める代謝経路の主な産物です。最もよく使用されるのはATPです。

ATPまたはアデノシン三リン酸は、ペントース型糖であるリボースの1位にある炭素に結合した窒素含有塩基アデニンで構成されています。この炭水化物の5番目の位置では、3つすべてのリン酸基が結合しています。

一般的に、ATPはセルのエネルギー通貨です。これは、ATPを使用してすばやく再生できるためです。有機物間の多くの一般的な代謝経路は、ATPを使用および生成します。

その「力」は、リン酸基によって形成される高エネルギー結合に基づいています。これらのグループの負の電荷は常に反発しています。共鳴安定化や溶媒和など、ATPの加水分解の素因となる他の原因があります。

オータコイド

ほとんどのヌクレオシドは重要な生物学的活性を欠いていますが、アデノシンは哺乳類では顕著な例外です。これは、「局所ホルモン」に類似したオータコイドとして、また神経調節物質として機能します。

このヌクレオシドは血流内を自由に循環し、局所的に作用し、血管の拡張、平滑筋の収縮、ニューロンの放電、神経伝達物質の放出、脂肪の代謝にさまざまな影響を与えます。また、心拍数の調節にも関連しています。

この分子は睡眠パターンの調節にも関与しています。アデノシン濃度が増加し、疲労を促進します。これが、カフェインが目を覚まし続けるのに役立つ理由です。それは、細胞外アデノシンとのニューロンの相互作用をブロックします。

規制要素の構造ブロック

細胞内の多くの一般的な代謝経路には、ATP、ADP、AMPのレベルに基づいた調節メカニズムがあります。これらの最後の2つの分子はATPと同じ構造を持っていますが、それぞれ1つと2つのリン酸基を失っています。

前のセクションで述べたように、ATPは不安定な分子です。セルはATPを迅速に使用する必要があるため、必要なときにのみATPを生成する必要があります。ATP自体は、代謝経路を調節する要素でもあります。これは、ATPが存在すると、それ以上のATPを生成してはならないことを細胞に示すためです。

対照的に、その加水分解された誘導体（AMP）は、ATPが不足しており、さらに生産する必要があることを細胞に警告します。したがって、AMPは解糖などのエネルギー生産のための代謝経路を活性化します。

同様に、多くのホルモン信号（グリコーゲン代謝に関与するものなど）は、細胞内でcAMP分子（cは環状）または類似のバリアントによって仲介されますが、その構造にはグアニンが含まれます：cGMP。

コエンザイムの構成要素

代謝経路の複数の段階で、酵素は単独では作用できません。彼らは機能を果たすために追加の分子を必要とします。これらの要素は補酵素または補基質と呼ばれ、補酵素は触媒的に活性ではないため、後者の用語がより適切です。

これらの触媒反応では、電子または原子群を別の基質に移動させる必要があります。この現象に関与する補助分子は補酵素です。

窒素塩基はこれらの補因子の構造要素です。最も認識されているのは、ピリミジンヌクレオチド（NAD ⁺、NADP ⁺）、FMN、FAD、およびコエンザイムAです。これらは、解糖、クレブス回路、光合成などの非常に重要な代謝経路に関与しています。

例えば、ピリミジンヌクレオチドは、デヒドロゲナーゼ活性を持つ酵素の非常に重要な補酵素であり、水素化物イオンの輸送に関与しています。

参考文献

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