核酸：特性、機能、構造 - 生物学

核酸は、ヌクレオチドと呼ばれる単位またはモノマーにより形成された大きな生体分子です。彼らは遺伝情報の保存と伝達を担当しています。彼らはまた、タンパク質合成の各ステップに参加しています。

構造的に、各ヌクレオチドはリン酸基、5つの炭素糖、複素環式窒素塩基（A、T、C、G、U）で構成されています。生理学的pHでは、核酸は負に帯電しており、水に可溶で、粘稠な溶液を形成し、非常に安定しています。

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核酸には、主にDNAとRNAの2つのタイプがあります。両方の核酸の組成は類似しています。両方で、ホスホジエステル結合によってリンクされた一連のヌクレオチドが見つかります。しかし、DNAにはチミン（T）とRNAウラシル（U）があります。

DNAはより長く、二重らせん構造であり、RNAは一本鎖で構成されています。これらの分子は、ウイルスから大型哺乳類まで、すべての生物に存在します。

歴史的展望

核酸の発見

核酸の発見は、フリードリヒ・ミーシャーがクロマチンを同定した1869年にさかのぼります。ミーシャーは彼の実験でコアからゼラチン状の物質を抽出し、この物質にはリンが豊富であることを発見しました。

当初、不思議な性質の素材は「ヌクレイン」と呼ばれていました。ヌクレインに関するその後の実験は、それがリンだけでなく炭水化物や有機塩基にも富んでいると結論付けました。

Phoebus Leveneは、ヌクレインが線状ポリマーであることを発見しました。核酸の基本的な化学的性質はわかっていましたが、このポリマーと生物の遺伝物質との間に関係があるとは考えられていませんでした。

DNAの機能の発見

1940年代の半ば、生物の情報の送信と保存を担当する分子が、4つの非常に類似したモノマー（ヌクレオチド）で構成される、DNAのような単純な構造の分子に存在していたことは、当時の生物学者には納得できませんでした。各。

タンパク質、20種類のアミノ酸で構成されるポリマーは、当時、最も有望な候補が遺伝の分子であると思われていました。

この見方は、ヌクレインが遺伝に関与していると研究者フレッド・グリフィスが疑った1928年に変わりました。最後に、1944年にオズワルドエイブリーは、DNAに遺伝情報が含まれていたという確固たる証拠で結論を下しました。

したがって、DNAは、4つの構造ブロックのみで構成される退屈で単調な分子から、膨大な数の情報を保存できる分子になり、正確で正確かつ効率的な方法で情報を保存および転送できるようになりました。

DNAの構造を発見

研究者のジェームズワトソンとフランシスクリックがDNAの正しい構造を解明したため、1953年は生物科学にとって革命的な年でした。

X線反射パターンの分析に基づいて、WatsonとCrickの結果は、分子が二重らせんであり、リン酸基が外側のバックボーンを形成し、塩基が内部に突出していることを示唆しています。

はしごの類推が一般的に使用され、手すりはリン酸基に対応し、横木は基部に対応します。

DNAシーケンスの発見

過去20年間で、DNAシーケンスにより、生物学の驚異的な進歩が起こりました。技術の進歩のおかげで、今日私たちはかなり高い精度でDNA配列を知るために必要な技術を持っています-「シーケンス」とは塩基の順序を意味します。

当初、シーケンスの解明はコストのかかるイベントであり、完了するまでに長い時間がかかりました。現在、ゲノム全体の配列を知ることは問題ではありません。

特徴

電荷と溶解度

その名前が示すように、核酸の性質は酸性であり、水への溶解度が高い分子です。つまり、それらは親水性です。生理学的pHでは、リン酸基の存在により、分子は負に帯電します。

この結果として、DNAが関連付けられているタンパク質には、正電荷を持つアミノ酸残基が豊富に含まれています。DNAの正しい関連付けは、細胞へのパッケージングに不可欠です。

粘度

核酸の粘度は、それがダブルバンドかシングルバンドかによって異なります。ダブルバンドDNAは、その構造が剛直で変形に抵抗するため、高粘度の溶液を形成します。さらに、それらは直径に比べて非常に長い分子です。

対照的に、低粘度が特徴のシングルバンド核酸溶液もあります。

安定

核酸のもう一つの特徴は、それらの安定性です。当然のことながら、遺伝の保存などの非常に重要な役割を持つ分子は、非常に安定している必要があります。

それに比べて、DNAは水酸基を欠いているため、RNAよりも安定しています。

この化学的特徴が核酸の進化と遺伝物質としてのDNAの選択に重要な役割を果たした可能性があります。

一部の著者によって提案された仮説的な遷移によると、進化の過程でRNAはDNAに置き換えられました。しかし今日では、遺伝物質としてRNAを使用するいくつかのウイルスがあります。

紫外線吸収

核酸の吸収は、それがダブルバンドかシングルバンドかによっても異なります。それらの構造におけるリングの吸収ピークは260ナノメートル（nm）です。

ダブルバンドDNA鎖が分離し始めると、ヌクレオチドを構成するリングが露出しているため、前述の波長での吸収が増加します。

取り込みを測定することにより、サンプルに存在するDNAの量を推定できるため、このパラメーターは実験室の分子生物学者にとって重要です。一般に、DNAの特性に関する知識は、実験室でのDNAの精製と処理に貢献します。

分類（タイプ）

2つの主要な核酸はDNAとRNAです。どちらもすべての生物の構成要素です。DNAはデオキシリボ核酸の略で、RNAはリボ核酸の略です。両方の分子は、遺伝とタンパク質合成において基本的な役割を果たします。

DNAは、生物の発生に必要なすべての情報を格納する分子であり、遺伝子と呼ばれる機能単位にグループ化されています。RNAはこの情報の取得を担当し、タンパク質複合体とともに、ヌクレオチドの鎖からアミノ酸の鎖に情報を変換します。

RNA鎖は数百または数千のヌクレオチド長である可能性がありますが、DNA鎖は数百万のヌクレオチドを超え、染料で染色されている場合は光学顕微鏡の光の下で可視化できます。

両方の分子の基本的な構造の違いについては、次のセクションで詳しく説明します。

RNA

細胞には、さまざまな種類のRNAがあり、これらが一緒になってタンパク質合成を調整します。RNAの3つの主要なタイプは、メッセンジャー、リボソーム、トランスファーです。

メッセンジャーRNA

Messenger RNAは、DNAに存在するメッセージをコピーし、それをリボソームと呼ばれる構造で行われるタンパク質合成に転送する役割を果たします。

リボソームまたはリボソームRNA

リボソームRNAは、リボソームという重要な機構の一部として発見されています。リボソームの60％はリボソームRNAで構成されており、残りはほぼ80種類のタンパク質で占められています。

トランスファーRNA

トランスファーRNAは、アミノ酸（タンパク質のビルディングブロック）をリボソームに輸送して組み込むための一種の分子アダプターです。

小さなRNA

これら3つの基本的なタイプに加えて、タンパク質の合成と遺伝子発現に重要な役割を果たす最近発見された多くの追加のRNAがあります。

snRNAと略される小さな核RNAは、メッセンジャーRNAのスプライシング（イントロンを除去するプロセス）の触媒エンティティとして参加します。

小さい核小体RNAまたはsnoRNAは、リボソームサブユニットの一部を形成するであろうプレリボソームRNA転写物のプロセシングに関与しています。これは核小体で発生します。

短い干渉RNAおよびマイクロRnaは、遺伝子発現の調節が主な役割である小さなRNA配列です。マイクロRnaはDNAからエンコードされますが、タンパク質への翻訳は継続されません。それらは一本鎖であり、メッセージRNAを補完し、タンパク質への翻訳を阻害します。

構造と化学組成

核酸は、ヌクレオチドと呼ばれるモノマー単位で構成される長いポリマー鎖です。それぞれが次の要素で構成されています。

リン酸基

ヌクレオチドには4つのタイプがあり、それらは共通の構造を持っています。ホスホジエステル結合を介してペントースにリンクされたリン酸基。リン酸の存在は、分子に酸の特徴を与えます。リン酸基は細胞のpHで解離するため、負に帯電します。

この負電荷は、電荷が正である分子と核酸の会合を可能にします。

少量のヌクレオシドが細胞内および細胞外液中に見られます。これらは、ヌクレオチドのすべてのコンポーネントで構成される分子ですが、リン酸基を欠いています。

この命名法によれば、ヌクレオチドは、5 '炭素に位置するヒドロキシルでエステル化された1つ、2つ、または3つのリン酸基を有するヌクレオシドである。3つのリン酸を持つヌクレオシドは、細胞内の他の機能も果たしますが、核酸の合成に関与しています。

ペントース

ペントースは、5つの炭素原子で構成される単量体の炭水化物です。DNAでは、ペントースはデオキシリボースで、炭素2 'の水酸基が失われているのが特徴です。RNAでは、ペントースはリボースです。

窒素ベース

ペントースは有機塩基に結合します。ヌクレオチドの同一性は、塩基の同一性によって提供される。イニシャルで省略された5つのタイプがあります。アデニン（A）、グアニン（G）、シトシン（C）、チミン（T）、およびウラシル（U）です。

文献では、これらの5文字がヌクレオチド全体を表すために使用されていることがよくあります。ただし、厳密に言えば、これらはヌクレオチドの一部にすぎません。

最初の3つ、A、G、Cは、DNAとRNAの両方に共通です。一方、TはDNAに固有であり、ウラシルはRNA分子に限定されています。

構造的に、塩基は複素環式化合物であり、その環は炭素と窒素の分子で構成されています。AとGは、一対の縮合環で形成され、プリンのグループに属します。残りの塩基はピリミジンに属しており、それらの構造は単一の環で構成されています。

どちらのタイプの核酸でも、追加のメチル基などの一連の修飾塩基が見つかることはよくあります。

このイベントが発生すると、塩基がメチル化されていると言います。原核生物では、メチル化されたアデニンが通常見られ、原核生物と真核生物の両方で、シトシンに追加のメチル基がある場合があります。

重合はどのように行われますか？

前述のように、核酸はモノマー-ヌクレオチドで構成される長鎖です。チェーンを形成するために、これらは特定の方法でリンクされています。

ヌクレオチドが重合すると、ヌクレオチドの1つの糖の3 '炭素にあるヒドロキシル基（-OH）が、別のヌクレオチド分子のリン酸基とエステル結合を形成します。この結合の形成中に、水分子の除去が発生します。

この種の反応は「縮合反応」と呼ばれ、タンパク質のペプチド結合が2つのアミノ酸残基の間に形成される場合に起こる反応と非常によく似ています。ヌクレオチドの各ペア間の結合は、ホスホジエステル結合と呼ばれます。

ポリペプチドと同様に、核酸鎖の末端には2つの化学的方向があります。1つは5 '末端であり、末端糖の5'炭素に遊離ヒドロキシル基またはリン酸基を含み、3 '末端には´炭素3´の遊離ヒドロキシル基を見つけます。

各DNAブロックがレゴセットで、一方の端が挿入され、もう一方のブロックの挿入が発生する可能性のある空き穴があると想像してください。リン酸塩の付いた5 'の端が挿入される端であり、3'は自由な穴に類似しています。

その他のヌクレオチド

細胞では、上記のものとは異なる構造を持つ別の種類のヌクレオチドが見つかります。これらは核酸の一部ではありませんが、非常に重要な生物学的役割を果たします。

最も関連性の高いものには、FMN、コエンザイムA、アデニンジヌクレオチド、ニコチンアミンなどと呼ばれるリボフラビンモノヌクレオチドがあります。

RNAの構造

核酸ポリマーの線形構造は、これらの分子の一次構造に対応しています。ポリヌクレオチドは、非共有結合力によって安定化された3次元アレイを形成する能力も持っています-タンパク質に見られるフォールディングと同様です。

DNAとRNAの主要な構成は非常に似ていますが（上記の違いを除いて）、構造の構成は著しく異なります。RNAは通常、単一のヌクレオチド鎖として見られますが、異なる配置を取ることもあります。

たとえば、トランスファーRNAは、100ヌクレオチド未満の小さな分子です。その典型的な二次構造は、3本の腕を持つクローバーの形をしています。つまり、RNA分子は内部で相補的な塩基を見つけ、それ自体で折りたたむことができます。

リボソームRNAは、複雑な3次元構造を取り、二次および三次構造を示す大きな分子です。

DNAの構造

二重らせん

線形RNAとは異なり、DNA配列は2つの絡み合ったストランドから構成されます。この構造上の違いは、その特定の機能を実行するために重要です。RNAは、その糖が示す追加のOHグループによって立体障害が課されるため、このタイプのヘリックスを形成することができません。

基礎相補性

基地の間には相補性があります。つまり、そのサイズ、形状、および化学組成の結果として、プリンは水素結合を介してピリミジンと対になる必要があります。このため、天然のDNAでは、Aはほとんど常にTと対になり、GはCと対になって、パートナーと水素結合を形成します。

GとCの間の塩基対は3つの水素結合によってリンクされていますが、AとTのペアはより弱く、2つの水素結合のみがそれらを結合しています。

DNA鎖は分離することができ（これはセル内と実験室の両方で発生します）、必要な熱は分子内のGCの量に依存します。それが大きいほど、分離に必要なエネルギーが多くなります。

ストランドの向き

DNAのもう1つの特徴は、向きが逆であることです。鎖は5'-3 '方向に走りますが、パートナーは3'-5'方向に走ります。

自然な構造と実験室

自然界で通常見られる構造またはコンフォメーションはDNA Bと呼ばれます。これは、3.4の距離で分離された、各ターンに10.4ヌクレオチドを持つことを特徴としています。DNA Bは右に曲がります。

この曲がりくねったパターンにより、2つの溝が現れます。1つは大きく、もう1つは小さくなります。

実験室（合成）で形成された核酸では、他のコンフォメーションが見られますが、これも非常に特定の条件下で現れます。これらはDNA AとDNA Zです。

バリアントAも右に曲がりますが、自然のものよりも短く、やや広めです。湿度が下がると、分子はこの形になります。11塩基対ごとに回転します。

最後のバリアントはZで、幅が狭く、左に曲がっています。それは、逆平行鎖の二重鎖にグループ化されるヘキサヌクレオチドのグループによって形成されます。

特徴

DNA：遺伝分子

DNAは情報を保存できる分子です。私たちが地球上で知っている生活は、そのような情報を保存および翻訳する能力に依存しています。

細胞にとって、DNAは一種のライブラリーであり、生物の製造、開発、維持に必要なすべての指示が見つかります。

DNA分子では、遺伝子と呼ばれる個別の機能エンティティの組織を見つけます。それらのいくつかはタンパク質に持ち越されますが、その他は規制機能を果たします。

前のセクションで説明するDNAの構造は、その機能を実行するための鍵です。らせんは、簡単に分離および結合できる必要があります。これは、複製および転写イベントの重要な特性です。

DNAは原核生物の細胞質の特定の部位にありますが、真核生物では核内にあります。

RNA：多機能分子

タンパク質合成における役割

RNAは、タンパク質合成のさまざまな段階や遺伝子発現の調節で見つかる核酸です。

タンパク質合成は、DNAの暗号化されたメッセージがメッセンジャーRNA分子に転写されることから始まります。次に、メッセンジャーはイントロンと呼ばれる、翻訳されない部分を削除する必要があります。

RNAメッセージをアミノ酸残基に翻訳するには、2つの追加のコンポーネントが必要です。リボソームの一部であるリボソームRNAと、アミノ酸を運び、ペプチド鎖に正しいアミノ酸を挿入する役割を持つトランスファーRNAです。研修中。

言い換えれば、RNAの主要なタイプはそれぞれ、このプロセスで重要な役割を果たします。DNAからメッセンジャーRNA、そして最後にタンパク質へのこの一節は、生物学者が「生物学の中心的な教義」と呼んでいるものです。

ただし、科学は教義に基づくことはできないため、レトロウイルスなど、この前提が満たされない場合があります。

規制における役割

上記の低分子RNAは間接的に合成に関与し、メッセンジャーRNAの合成を調整し、発現の調節に関与します。

たとえば、細胞内には、小さなRNAによって調節されるさまざまなメッセンジャーRNAがあり、これはこれに相補的な配列を持っています。small RNAがメッセージに付着すると、メッセンジャーが切断され、翻訳が妨げられます。このように規制されているプロセスは複数あります。

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核酸：特性、機能、構造 - 生物学 - 2025