2-1. DNAの構造

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1) 遺伝子の実体はDNA

遺伝

子孫に形質が伝わること

遺伝子によって引き起こされる

遺伝子

核の染色体にあり、生殖細胞では染色体が半分になる

メンデル遺伝学が確立した20世紀の初頭まで、遺伝子は概念だったが、実体は染色体の主成分であるDNA(デオキシリボ核酸: deoxyribonucleic acid)

染色体にはDNAとタンパク質(protein)が含まれるが、当初はタンパク質が遺伝物質と想像されていた

1920年代後半から1950年頃にかけ、グリフィス(フレデリック・グリフィス)、さらにはアベリー(オズワルド・エイブリー)による肺炎球菌の形質転換実験、その後のハーシー(アルフレッド・ハーシー)とチェイス(マーサ・チェイス)による標識されたファージの増殖実験(子ファージには親ファージのDNAは入るが、タンパク質は入らない)などによって、DNAが遺伝子の実体であることが明らかにされた

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その後、鎌状赤血球貧血の原因遺伝子であるβグロビンをコードするDNAの塩基配列が変化している(突然変異している)ことが明らかになり、遺伝物質がDNAであることが完全に証明された

2) DNAはヌクレオチドが連結した分子

ヌクレオチド

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DNAは殻にある酸性物質「核酸」として見つかったが、ヌクレオチドと呼ばれるものが多数結合した鎖状の分子

炭素を5個持つ糖であるデオキシリボースの1位の位置に塩基が結合したものをヌクレオシドという

なお、塩基の結合した糖の位置は、1'~5'などと'(プライム)をつける

ヌクレオシドは結合する塩基に関連した固有の名称を持つ(e.g. アデニン+デオキシリボース→デオキシアデノシン)

ヌクレオシドの糖の5'位にリン酸基が結合したヌクレオチドという

糖がリボースとデオキシリボースのヌクレオチドは、それぞれリボヌクレオチド、デオキシリボヌクレオチドと一般的に呼ばれる場合がある

リン酸基の-OH部分のHは水素イオンとなって離れやすいが、これが、核酸が酸の性質を示す理由

ヌクレオチド単独で見た場合、リン酸基は5'の位置に3個まで結合でき、デオキシグアノシン一リン酸(dGMP)、デオキシアデノシン二リン酸(dADP)、デオキシシチジン三リン酸(dCTP)などとよぶ

ヌクレオチド中の3このリン酸期の位置は、糖に近い位方からα、β、γと記される

memo: モノ、ジ、トリ

連結して結合している原子(団)の個数が1個、2個、3個の場合、接頭語としてモノ(mono)、ジ(di)、トリ(tri)をつけ、略語としてM,D,Tを用いる

memo: 酸と塩基

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酸

水中で水素が水素イオン(水素原子から電子が一つとれたもの)になって離れるもの

塩基

逆に水素イオンを補足するもの

酸性

水中の水素イオン濃度が$ 1\times10^{-7}\ \mathrm{mol/L}(中性. pH=7)を超えた状態(pHは7未満)

塩基性(アルカリ性)

それ未満(pHは7を超える)

水溶液が酸性、塩基性を示す物質もそれぞれ酸性物質(あるいは酸)、塩基性物質(あるいは塩基)という

DNA鎖の形成

2個のヌクレオシド一リン酸の間では、糖の3'位の-OHと、5'位のリン酸基との間で脱水された形で結合するリン酸ジエステル結合(ホスホジエステル結合ともいう)を形成することができる

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このようにして3'-OHに別のヌクレオチドの5'-リン酸基が結合し、それが次々延びることができる

こうしてできた鎖状の分子がDNA

DNAは糖の5'末端と3'末端という異なる末端をもつ方向性分子であるが、5'→3'という方向はDNA合成の方向性の原則でもあり、DNA分子の方向性は遺伝子工学では特に注意を払う必要がある

なおヌクレオチドが2個以上から数十個までの短いDNA鎖をオリゴヌクレオチド(oligo: 少数)という

3) 細胞のDNAは二本鎖として存在する

塩基対による二本鎖形成

DNAが一本鎖で安定に存在する状況はある種のウイルスにおいてのみみられ、通常2本一組で存在する

2本の鎖は塩基同士の水素結合という弱い結合力によって並列状態で結合するが、この時一方の鎖が5'→3'の方向に向かっているとすると、相手の鎖は3'→5'の方向で結合する

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塩基対(base pair. bpと略す)

アデニン(A)はチミン(T)、シトシン(C)にはグアニン(G)が結合するという法則性がある

注: AとGはプリン塩基、CとTはピリミジン塩基といい、分子骨格が似ている

相補性

塩基対の一方が決まれば他方も決まるという性質

このことから二本鎖DNAには塩基配列情報が二重に含まれていることがわかる

DNA複製、転写、一本鎖核酸同士が連結して二本鎖になる反応も、すべて相補性に基づいて起こる

A-T塩基対は水素結合が2個なのに対し、G-C塩基対は3個のため、後者の塩基対の萌芽安定である

天然のDNAのGC含量(全塩基中のG+Cの割合)は一般的に50%前後だが、局所、あるいは生物種によって大きく偏る場合がある

memo: 分子や原子の結合

結合には強い結合と弱い結合がある

強い結合

共有結合

原子原子が共通の電子対(共有電子対)を介して強く引き合う

化学結合というと通常共有結合を指す

弱い結合(熱や化学物質によって簡単に壊れる)

DNAの二本鎖構造発見の前にシャルガフ(エルヴィン・シャルガフ)が提唱した法則

生物によりDNAの塩基組成はA=T、G=C、A+G=C+Tが成り立つが、G, A, T, Cの延期祖性は異なるというもの

塩基対の規則性を暗示しており、DNA二重らせん構造発見のヒントになった

二重らせん構造

二本鎖DNAは全体がねじれているが二重らせん構造という

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ワトソン(ジェームズ・ワトソン)とクリック(フランシス・クリック)によって提唱され、その後証明された

二重らせんは約10塩基対で右巻きに1回転し、らせんの直系は2 nmである

この形をB型DNAという(ワトソン-クリック型らせんともいう)

他に水分のない所でできるA型DNA、左巻きらせんのZ型DNA(細胞内でも局所的に存在する)などがある

組み立てられたDNAの分子模型を眺めると、広い溝と狭い溝が見えるが、DNAに結合するタンパク質の奥は広い溝にはさまるように結合する

Column ヒトのDNAの長さ

ヒトゲノムを構成するDNAは約30億塩基対($ 3\times10^9)

1塩基対分のDNAの長さは$ 0.34\ \mathrm{nm}($ 3.4\times10^{-10}\ \mathrm m)

DNAの長さは$ (3\times10^9)\times(3.4\times10^{-10}\ \mathrm m)=1.02\ \mathrm m

ヒトは二倍体で2セットのゲノムを持っているので、細胞あたりのDNAの長さは染色体を全部伸ばした場合、約$ 2\ \mathrm m

これほど長いDNAが微小な核内に納まるのは、DNAがクロマチンという構造をとっているから