遺伝子を化学的に見ると:「核酸」と「ヌクレオチド」

nucleic-acid-nucleotide-eyecatch 生化学ノート

遺伝子というと、私たちの生命を記録する「情報」というような言い方をされることもあります。その実体は?というと、実際は化学物質なのです。

ということは化学反応をしますし、電子の動きや結合の変換は紙面に描くことができます。
それがタンパク質の情報をコードし、その情報を次代につないでいくのです。

究極的にはその過程で起こる化学反応はすべて紙面で記述することができます。
信じがたい話かもしれませんが、それこそが「生命の神秘」だろうと思います。

まずは、私たちの遺伝子を構成する基本物質として「核酸」と「ヌクレオチド」について紹介していきましょう。

核酸とヌクレオチドとは

核酸はDNAとRNAをまとめた名称と考えればよいでしょう。
その化学構造は「塩基+糖+リン酸基」からなり、このひとまとまりを一つの単位として見たものがヌクレオチドです。

Nucleotide-Basiccstructure

つまり核酸とは「ヌクレオチドが数珠状につながったもの」であり、
ヌクレオチド:塩基+糖+リン酸基=核酸の1つ1つの残基ということになります。

ヌクレオチドの種類

塩基には5種類あり、糖、リン酸基は共通のため通常は塩基でヌクレオチドの種類で区別します。
塩基の骨格により「プリン塩基」と「ピリミジン塩基」に区別されます。

プリン塩基

ビールを飲む人は「プリン体」を気にしますが、そのプリン(Purine)とはこのプリン塩基に関連しています。スイーツのプリン(Pudding)ではないのです。

ピリミジン塩基

UはRNAのみTはDNAのみに存在する塩基です。

DNAとRNAの違い

核酸にはDNAとRNAがあることは先に少し触れました。
2つの違いは糖についているのがヒドロキシ基か水素かのみです。

専門的にいうと、糖部分のペントース環の2’位が

水素(-H):DNA
ヒドロキシ基(-OH):RNA

と言うことになります。

核酸以外のヌクレオチド

ヌクレオチドはほとんどが核酸の構成成分として利用されますが、
一方で、ヌクレオチドそれ自体が機能する場合もあります。
代表例として挙げられるのが、下の構造で表されるアデノシン三リン酸(ATP)です。

ATP3

プリン塩基であるアデニンに3つのリン酸基がついた化合物です。
リン酸基の間のホスホエステル結合は高エネルギー状態にあるため、全身を動かすためのエネルギー源として用いています。

ATPは光合成、糖や脂肪酸などのエネルギー源が分解されるときに合成されます。
つまり、私たちは食事から得ているエネルギーをATPの形で閉じ込めて利用しています。

ATPは「生体内のエネルギー通貨」とも呼ばれていることからも、非常に重要な成分といえます。

糖:核酸中の塩基同士のつなぎ方

核酸中のヌクレオチドにおいて、糖であるリボースは「つなぎ」の役割を果たします。
糖部分であるリボースは塩基が結合しているところを1’として時計回りに番号付けをします。
(塩基の位置番号と区別するためにリボースの位置番号には ‘ [プライム]をつけます)

Nucleotide-numbering62

このうち、5’位(リン酸が結合している)と次のヌクレオチドの3’位が結合します。
→この結合はホスホジエステル結合です。

こうしてつながっていった核酸中のリン酸基は酸性となります。
よって生理的pHでは陰イオンとなり、核酸が負電荷を帯びます。

当然、核酸の端っこはリン酸の結合した5’位と3’位が空のものができますね。
5’位が空いたものを「5’末端」、同様に3’位が空くと「3’末端」といいます。

生物の仕組み上、3’末端にリン酸基をつなげることで核酸は合成されていきます。
5’末端→3’末端の順番で記述するのが慣例となります。

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