核酸 (別名 DNA および RNA) は、ヌクレオチドと呼ばれるモノマー単位から構成されます。 ヌクレオチドは、DNA と RNA の基本的なビルディング ブロックであり、私たちが知っているように生命に不可欠な 2 つの分子です。 DNA と RNA の両方の分子は、すべての生物を一意に識別する遺伝コードとして機能します。 DNA と RNA は、タンパク質の構築と体の細胞組織を導く一連の指示と考えることができます。
DNAおよびRNAの遺伝情報は、ヌクレオチド塩基の配列の形でコード化されています。各ヌクレオチド配列は、何らかの機能を果たす特定のタンパク質を作成するための指示をエンコードします。すべての生物の各細胞には、その生物の遺伝情報をコードする核酸のスープがあります。
ヌクレオチドは、代謝においても重要な役割を果たします。アデノシンやグアノシンなどのヌクレオチドは、ATP や GTP などの分子の本体を形成します。このような分子から得られるエネルギーは、ほぼすべての生物学的プロセスを駆動します。ヌクレオチドは、コエンザイム A、NADH、FADH などの細胞呼吸に関与する重要な酵素と補因子の基盤も形成します。
ヌクレオチド:基本
ヌクレオチドは、3 つの主要な化学サブユニット (窒素塩基、5 炭素糖基、およびリン酸基) を持つ有機高分子です。 3つすべてが結合すると、分子はヌクレオシド一リン酸と呼ばれます .さらにリン酸基を追加すると、ヌクレオシドの二リン酸と三リン酸などができます。
ヌクレオチドには、プリンまたはピリミジンの 2 種類の窒素塩基があります。 RNA では、5 炭素糖グループはリボースと呼ばれ、DNA では 5 炭素糖はデオキシリボースです。ヌクレオチドが結合してポリヌクレオチド鎖を形成します。これらのポリヌクレオチド鎖は、1 つのヌクレオチドの糖が別のヌクレオチドのリン酸基に結合し、水分子が除去される脱水反応によって形成されます。これらの ホスホジエステル結合 DNA および RNA の鎖の糖-リン酸骨格を形成するものです。ポリヌクレオチド鎖の集合体は、核酸、DNA、および RNA と呼ばれます。
ヌクレオチドは、デジタル コンピューターの 2 進数の 1 と 0 に類似した、DNA の情報の基本ビットとして機能するため、非常に重要です。 DNA のヌクレオチド配列が入れ替わったり、欠失したりすると、体は対応するタンパク質を構築できなくなります。これは多くの場合、致命的です。
ヌクレオチドの機能
DNA
DNA (デオキシリボ核酸) は、生物の基本的な遺伝コードを含む分子です。 DNA の分子には、プリン塩基とピリミジン塩基が含まれています。プリン塩基はアデニン とグアニン (A および G) ピリミジン塩基はシトシン とチミン (C と T)。一緒に、これらのヌクレオチド塩基は、DNA の配列の大部分を形成します。 DNA 配列は通常、AACCGT や TGCGTAA のように、塩基の反復鎖として表されます。
DNA分子は二重らせんという形で存在しています。 DNA の二重らせんは、それぞれが塩基の直線配列を含む 2 つのリン酸鎖で構成されています。これらのリン酸鎖は、ねじれたはしごのように互いに巻き付いており、その段はヌクレオチド塩基を接続することによって形成されます。らせんでは、各塩基はそれが結合する相補的なペアを持っています。アデニンとチミン (A-T) とグアニンとシトシン (C-G)。塩基同士は水素結合でつながっています。この相互接続構造は、シャルガフの法則にカプセル化されています。これは、DNA 分子内の特定の塩基の比率が常に成り立つという経験的一般化です。具体的には、アデニンの量はチミン (A-T) の量と一致し、グアニンの量はシトシン (G-C) の量と一致します。
DNA合成
細胞間期と減数分裂の有糸分裂の直前に、DNA は複製され、それ自体の同一のコピーが作成されます。さまざまな酵素や補因子が 2 本鎖に付着し、2 本の鎖を結合している水素結合を引き離して DNA 鎖を「解凍」します。これら 2 つのストランドはそれぞれ、新しいストランドのテンプレートとして機能します。
新しい DNA の合成を助ける主な酵素は DNA ポリメラーゼと呼ばれます . DNA ポリメラーゼは、新しく分割された鎖に付着し、DNA の相補鎖を作成し始めます。 DNA合成は、対応する窒素塩基に基づいて機能します。鋳型鎖の配列がわかれば、相補鎖の組成を予測することができます。塩基は相補的なペア (A-T および G-C) になっているため、テンプレート鎖の配列が AACCGGTT の場合、相補配列は TTGGCCAA であることがわかります。各ヌクレオチド塩基は、DNA 合成中にその相補対と一致する必要があります。
DNA は、体の細胞機構によって実行される命令を含む分子です。ただし、DNA は単独でこれを行うことはできず、別の種類の核酸に依存して、それらの指示を転写して実行する必要があります。
RNA
RNA（リボ核酸）は、コードフォームDNAを取り、それを使用してタンパク質を構築する核酸です.つまり、DNA から遺伝子コードを抽出し、命令を実行する生物学的機械です。 DNA と同様に、RNA の鎖はポリヌクレオチド鎖でできています。 DNA とは異なり、RNA 分子は自分自身にループバックする一本鎖として存在します。 RNA は、DNA とは異なる一連の窒素塩基も使用します。 RNA には、DNA に見られる 3 つの塩基、アデニン、グアニン、およびシトシンが含まれています。ただし、チミンがまったくなく、代わりにウラシルと呼ばれる塩基を使用しています (U) 異なる種類のピリミジン.
文字起こし
RNA の主な機能は、DNA の情報を抽出し、その情報をタンパク質の構築に使用することです。このプロセスは転写と呼ばれ、遺伝子発現の最初のステップです。転写中、RNA ポリメラーゼと呼ばれる酵素 DNA鎖に付着して鎖をほどき、一本鎖が転写されるように露出します。次に、RNAポリメラーゼは、相補的なヌクレオチド配列を持つRNA鎖の構築を開始します。相補鎖の構築は、RNA ポリメラーゼが T 塩基の代わりに U 塩基を使用することを除いて、DNA 複製中の DNA ポリメラーゼの作用に似ています。したがって、DNA 鎖のある場所に A がある場合、相補的な RNA 鎖はその場所に T ではなく U を持ちます。
RNA 鎖が関連するヌクレオチド配列を転写すると、DNA 分子から切り離されます。細菌では、新しく合成された RNA はメッセンジャー RNA (mRNA) として機能しますが、真核生物では、最初に RNA 鎖を修飾する必要があります。真核生物の mRNA 前駆体は末端がキャップされ、スプライシングを受けます。ここで、mRNA 前駆体鎖の配列が切り取られ (イントロン)、残りの配列が元に戻されます (エクソン)。現在、真核生物の DNA に一見不活性なイントロン配列が存在する正確な性質と理由はよくわかっていません。イントロン配列は、複数のタンパク質をコードする単一の配列で何らかの役割を果たしている可能性があると考えられています.
翻訳
完成した各 mRNA 鎖には、何らかのタンパク質高分子を構築するための指示が含まれています。 翻訳と呼ばれる遺伝子発現の第 2 段階 、mRNAに転写された情報が抽出され、コードされたタンパク質が実際に構築されます。基本的に、mRNA の塩基配列は、細胞がタンパク質の基本構成要素であるアミノ酸配列を作成するよう指示します。
転写後、mRNA 鎖は、タンパク質の産生が行われる細胞小器官であるリボソームに結合します。トランスファー RNA (tRNA) と呼ばれる別のタイプの核酸は、鎖に沿った特定の位置で mRNA に結合します。 tRNA 鎖は、その塩基対に従って結合し、その特定の RNA 配列によって指定されたアミノ酸をもたらします。たとえば、RNA のヌクレオチド配列「AUG」はアミノ酸メチオニンをコードします。
リボソームは、tRNA によるアミノ酸鎖の構築のための物理的な足場として、またアミノ酸を結合する反応を触媒する酵素として機能します。このプロセスは RNA 鎖まで続き、成長するポリペプチド鎖を構築します。翻訳が完了した後、構築されたポリペプチド鎖は、本格的なタンパク質として機能する準備が整う前に、さらにいくつかの変更が必要です.ほとんどのタンパク質は、その機能を可能にする特定の形状に折り畳まれます。一部のタンパク質は、機能を開始する前に、まず体内の別の場所に移動する必要があります.
細胞代謝
遺伝学における遍在性に加えて、ヌクレオチドは細胞呼吸の重要な分子としても機能します。 DNA の各ヌクレオチド塩基 (A、C、G、および T) は、細胞呼吸中に生成されるエネルギー運搬分子の骨格として機能します。最も多いのはATP（アデノシン三リン酸）です。 ATP は細胞呼吸の主な生成物であり、細胞の基本的なエネルギー通貨です。 C、G、および T 塩基は、類似の三リン酸分子 CTP、GTP、および TTP を形成することができます。これらの分子はそれぞれ高いエネルギー密度を持っているため、体の各部分にエネルギーを供給する働きをします.
同じヌクレオチドは、呼吸の過程でも重要な補因子および酵素として存在します。クレブス回路に必要なアセチル基を供与する分子であるコエンザイム A はアデニンで形成され、電子伝達鎖の大部分を形成する 2 つの酵素である NADH と FADH はヌクレオチド部分構造を含んでいます。
