ワトソンとクリックによるDNAの二重らせん

生化学ノート
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今回はおなじみのDNAの二重らせんである。ワトソン・クリック構造ともよばれ、DNAの構造の根幹とも言える。

核酸の基本的な構造について簡単に記す。詳細は以下のリンクを参考にされたい。

  • 核酸はヌクレオチド中のリボースの3’位とホスホジエステル結合を介してつながっている。
  • 端は5’位と3’位が空いた状態となるので、それぞれ5’末端、3’末端とよぶ。
  • 生物は5’末端→3’末端の順番で核酸を合成していく。
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DNA2本鎖の間のつながり

DNAは基本的に二本鎖の状態を取っている。さて、ではそれぞれの鎖はつながっていくのだろうか。それは塩基間に水素結合を形成することでつながっている。

「塩基同士」といっても、4種類の組み合わせどれでも良いわけではなく、きちんと相手が決まっている。化学構造で見て、水素結合を取りやすい組み合わせがある。これは実際に見てみたほうがわかりやすいと思われるので、以下に示す。

点線は水素結合を示している。このように「G・・・C」、「A・・・T」のペアを作る。ですので、たとえば片方の鎖がアデニンであれば、もう一方の鎖の対応する塩基はチミンと一意的に決まる。これを経験的に導いた科学者の名から「シャルガフの法則」とよぶ。

上の図を見てわかるように、「G・・・C」は水素結合が3本で、「A・・・T」は水素結合が2本となる。これが何を表すかというと、「G・・・C」が多ければ多いほど、DNA二本鎖は強固に結びついていると考えることができる。

PCRを使う方は、二本鎖がほどけにくくなるため、GC%を高くしないように気にするが、そこにはこの水素結合の数が関わっています。

DNAの二重らせんの発見

DNAがらせん状分子であるという決め手はDNA繊維のX線回折写真である。クリックはX線結晶学に精通していたことから、以下のように読んだ。

  • DNAはらせん状分子である。
  • 平らな芳香族塩基が繊維方向に重なり合っている。

その後の研究で補足された点はあるものの、大まかにはこの発見がベースとなっている。現在では以下のようなことがわかっている。

  • DNAの二本鎖は逆平行で右巻き
  • 塩基はらせんの中心部にあり、糖・リン酸基は周辺に来ることでリン酸基の電荷の反発を防ぐ。
  • らせんの表面には幅の違う2つの溝があり、大きい方から主溝、副溝という。

DNAが二重らせんを持つメリット

DNAが二重らせんを形成する一方で、RNAは一本鎖を取る事が多い。ではこれがどういうメリットがあるのだろうか?

RNAと比べるとDNAは遺伝情報の保存の側面が大きく、「長期間」「同じ情報を安定的に」保持し続ける必要がある。DNAの構造自体、RNAよりも分解しにくくはなっているものの、生物の進化によってDNAが長くなってくるとそれだけ切断のリスクというのも上がってくる。そこで、二重らせんを取ることによって、以下の2つのメリットが生まれるものと考えられる。

  1. DNAの物理的強度の上昇
    2本鎖を作ることによって、立体的ならせん構造ができ、物理的な強度が上昇します。
  2. 万一破損した際のバックアップ
    たとえば、一方の鎖に変異が加わってしまった場合でも、もう一方が正常であれば、正常な方の鎖を鋳型とすることで修復することができます。塩基の組み合わせが決まっていることを利用しています。

最後に

シャルガフの法則で一方の鎖の配列が決まれば、もう一方の鎖の配列が決まることが明らかとなり、セントラルドグマの理解にも大きく貢献したと言われている。複製はもとより転写、翻訳もこの相補性を利用している側面がある。

もう一つの核酸であるRNAについて見たページもあるので、興味があればご覧いただきたい。

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公開日:2017年10月21日