DNA(デオキシリボ核酸)-生命の普遍的な青写真

DNA

DNAの紹介

デオキシリボ核酸は、多くのヌクレオチドの鎖から構成されるポリヌクレオチドである核酸です。 染色体にある生体分子は、すべての生物と多くのウイルス(DNAウイルス、パラレトロウイルス)、つまり遺伝子の物質的基盤における遺伝情報のキャリアです。

通常の状態では、DNAは二重らせんの形で構築されます。 その構成要素は4つの異なるヌクレオチドであり、それぞれがリン酸残基、糖デオキシリボース、および4つの有機塩基(アデニン、チミン、グアニン、シトシン、しばしばA、T、G、Cと略される)の1つで構成されています。

DNAの遺伝子には、リボ核酸の生成に関する情報が含まれています。 タンパク質をコードする遺伝子では、これは重要なRNAグループであるmRNAです。 次に、生物の生物学的発達と細胞内の代謝に必要なタンパク質の構築に関する情報が含まれています。 ここでの塩基の配列は、それぞれのタンパク質のアミノ酸の配列を決定します。遺伝暗号は、それぞれ3つの隣接する塩基を持つ特定のアミノ酸をエンコードします。

植物、動物、真菌も含む真核生物の細胞では、細胞核(ラテン核、したがって核DNAまたはnDNA)のDNAの大部分が染色体として組織化されています。 小さな部分は、細胞の「発電所」であるミトコンドリアにあり、したがってミトコンドリアDNA(mtDNA)と呼ばれます。 植物や藻類は、光合成細胞小器官、葉緑体、色素体(cpDNA)にもDNAを持っています。 バクテリアや古細菌(細胞核を持たない原核生物)では、DNAは細胞質にあります。 一部のウイルス、いわゆるRNAウイルスは、遺伝子情報をDNAではなくRNAに保存します。

DNAの構造。
DNAの構造。 DNAの3D構造は、ねじれたはしごの構造です。
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Christina Swords、Ph.D。が編集

DNAの構造と構成

ビルディングブロック

デオキシリボ核酸は、デオキシリボヌクレオチドまたは略してヌクレオチドと呼ばれる多くの構成要素で構成される長鎖分子(ポリマー)です。 各ヌクレオチドには、リン酸またはリン酸、糖デオキシリボース、および複素環式核酸塩基または塩基の3つの成分があります。 デオキシリボースとリン酸のサブユニットは、各ヌクレオチドで同じです。 それらは分子のバックボーンを形成します。 塩基と糖(リン酸塩を含まない)の単位はヌクレオシドと呼ばれます。

リン酸残基は、負電荷のために親水性です。それらは水溶液中のDNAに全体的に負の電荷を与えます。 水に溶解したこの負に帯電したDNAはそれ以上プロトンを放出できないため、厳密に言えば、酸ではありません(もはや)。 デオキシリボ核酸という用語は、プロトンがリン酸残基に結合している非荷電状態を指す。

塩基は、プリン、すなわちアデニン(A)またはグアニン(G)、またはピリミジン、すなわちチミン(T)またはシトシン(C)であり得る。 4つの異なるヌクレオチドは塩基のみが異なるため、対応するヌクレオチドには略語A、G、T、およびCも使用されます。

デオキシリボースの5つの炭素原子には、1 ‘から5’までの番号が付けられています。 ベースはこの糖の1 ‘末端に結合しています。 リン酸残基は5 ‘末端に結合しています。 厳密に言えば、デオキシリボースは2-デオキシリボースです。この名前は、リボース分子と比較して、2 ‘位にアルコール性ヒドロキシ基(OH基)がない(つまり、水素原子に置き換えられている)という事実に由来しています。

3 ‘位には、いわゆるホスホジエステル結合を介してデオキシリボースを次のヌクレオチドの糖の5’炭素原子に結合するOH基があります。 したがって、それぞれのいわゆる一本鎖には、5 ‘および3’の2つの異なる末端があります。 生きている世界でDNA鎖を合成するDNAポリメラーゼは、3 ‘末端のOH基にのみ新しいヌクレオチドを結合できますが、5’末端では結合できません。 したがって、一本鎖は常に5 ‘から3’に成長します。 ヌクレオシド三リン酸(3つのリン酸残基を持つ)が新しいビルディングブロックとして供給され、そこから2つのリン酸がピロリン酸の形で分離されます。 新たに追加された各ヌクレオチドの残りのリン酸残基は、水を分離することにより、鎖に存在する最後のヌクレオチドの3 ‘末端のOH基に接続されます。 鎖の塩基の配列は、遺伝情報をエンコードします。

二重らせん

DNAは通常、B-DNAと呼ばれるコンフォメーションのらせん二重らせんとして発生します。 上記の一本鎖のうちの2つは、反対方向に互いに結合しています。二重らせんの各端で、2つの一本鎖の一方は3 ‘末端を持ち、もう一方は5’末端を持ちます。 並置されているため、2つの特定の塩基は、二重らせんの中央で常に互いに反対側にあり、「対になっています」。 二重らせんは主に、同じ鎖の連続する塩基間の相互作用を積み重ねることによって安定化されます(そして、しばしば主張されるように、鎖間の水素結合によっては安定化されません)。

アデニンとチミンは常に対になって2つの水素結合を形成するか、シトシンとグアニンが3つの水素結合で接続されます。 分子位置1 = 1と6 = 6の間にブリッジが形成され、グアニン-シトシンペアリングの場合はさらに2 = 2の間に形成されます。 同じ塩基が常にペアになっているため、一方の鎖の塩基の配列を使用して、もう一方の鎖の塩基の配列を導き出すことができます。配列は相補的です。 水素結合は、ペアリングの特異性にほぼ独占的に関与しますが、二重らせんの安定性には関与しません。

プリンは常にピリミジンと結合しているため、鎖間の距離はどこでも同じであり、規則的な構造が形成されます。 らせん全体の直径は約2nmで、各糖分子とともにさらに0.34nm巻きます。

糖分子の平面は互いに36°の角度にあるため、10塩基(360°)と3.4nmの後に完全な回転が達成されます。 DNA分子は非常に大きくなる可能性があります。 たとえば、最大のヒト染色体には2億4700万塩基対が含まれています。

2つの個別のストランドを撚り合わせると、横方向のギャップが残るため、ここのベースは直接表面にあります。 二重らせんに巻き付くこれらの溝は2つあります(記事の冒頭にあるイラストとアニメーションを参照してください)。 「大きな溝」の幅は2.2nmで、「小さな溝」の幅はわずか1.2nmです。

したがって、大きな溝のベースはよりアクセスしやすくなります。 したがって、転写因子などの配列特異的な方法でDNAに結合するタンパク質は、通常、大きな溝に結合します。

DAPIなどの一部のDNA色素も、溝に結合します。

2つの一本鎖間の累積結合エネルギーはそれらを一緒に保持します。 ここには共有結合は存在しません。つまり、DNA二重らせんは1つの分子ではなく、2つの分子で構成されています。 これにより、生物学的プロセスで2つのストランドを一時的に分離できます。

今説明したB-DNAに加えて、A-DNAと左利きのいわゆるZ-DNAもあります。これは、1979年にMITのAlexanderRichと彼の同僚によって最初に研究されました。 これは、特にGCリッチなセクションで発生します。 Z-DNAをB-DNAとの化合物に直接示し、Z-DNAの生物学的活性の証拠を提供する結晶構造が報告されたのは2005年のことでした。 次の表と隣接する図は、直接比較した3つの形式の違いを示しています。

ベーススタッキングは、本のように互いに正確に平行ではありませんが、らせんを一方向または他の方向に傾けるくさびを形成します。 最大のくさびは、もう一方の鎖のチミジンと対になったアデノシンによって形成されます。 その結果、一連のATペアがらせんに弧を描きます。 そのような系列が短い間隔で互いに続くとき、DNA分子は安定している湾曲したまたは曲がった構造をとる。 回折はタンパク質によっても誘発される可能性があるため、これは配列誘発回折とも呼ばれます(いわゆるタンパク質誘発回折)。 配列誘導回折は、ゲノムの重要な場所でよく見られます。

クロマチンと染色体

有糸分裂細胞核分裂の後期中期のヒト染色体:各染色体は、後期で分離され、2つの細胞核に分割される2つの染色分体を示します。

真核細胞では、DNAは染色体と呼ばれるクロマチン糸の形で組織化されており、細胞核に位置しています。 単一の染色体には、後期からS期の始まりまでの長い連続したDNA二本鎖(染色分体)が含まれています。 S期の終わりに、染色体は2つの同一のDNA鎖(2つの染色分体)で構成されます。

このようなDNAスレッドは数センチメートルの長さになる可能性がありますが、細胞核は直径が数マイクロメートルしかないため、DNAをさらに圧縮または「パック」する必要があります。 真核生物では、これはいわゆるクロマチンタンパク質で行われ、その基本的なヒストンは特に注目に値します。 それらはヌクレオソームを形成し、その周りにDNAが最低のパッケージングレベルで包まれます。 核分裂(有糸分裂)の間に、各染色体はその最大のコンパクトな形に凝縮されます。 これにより、中期の光学顕微鏡下でそれらを特によく識別することができます。

細胞内のDNAの位置。

細菌およびウイルスのDNA

原核細胞では、これまでに報告されたケースの二本鎖DNAの大部分は、それぞれ開始と終了のある線形ストランドとしてではなく、環状分子として存在します-各分子(つまり、各DNAストランド)は、その3で円を閉じます’と5’は終了します。 これらの2つの環状の閉じたDNA分子は、配列の長さに応じて、細菌の染色体またはプラスミドと呼ばれます。 バクテリアでは、それらは細胞核にも存在しませんが、血漿中に自由に存在します。 原核生物のDNAは、環状の電話コードに似た酵素(トポイソメラーゼやジャイレースなど)の助けを借りて、単純な「スーパーコイル」に巻き上げられます。 らせんを回転させることで、遺伝情報に必要なスペースが削減されます。 バクテリアでは、トポイソメラーゼは、DNAを絶えず切断して再結合することにより、ねじれた二本鎖が目的の場所で確実にレスリングされるようにします(DNA転写とDNA複製の前提条件)。 ウイルスには、種類に応じて、遺伝情報としてDNAまたはRNAが含まれています。 DNAウイルスとRNAウイルスの両方で、核酸はタンパク質エンベロープによって保護されています。

DNA二重らせん構造の化学的および物理的特性

中性pHでは、DNAは負に帯電した分子であり、負の電荷は鎖のバックボーンのリン酸基にあります。 リン酸塩の3つの酸性OH基のうち2つは、それぞれの隣接するデオキシリボースでエステル化されていますが、3つ目はまだ存在しており、中性pHでプロトンを放出し、負電荷を引き起こします。 この特性は、アガロースゲル電気泳動で使用され、長さに応じて異なるDNA鎖を分離します。 DNAの自由エネルギーや融点などのいくつかの物理的特性は、GC含量に直接関係しています。つまり、それらは配列に依存しています。

DNAスタックの相互作用

二重らせんの安定性には、2つの主な要因があります。相補的な塩基間の塩基対形成と連続する塩基間のスタッキング相互作用です。

最初の仮定に反して、塩基は周囲の水と同様に良好な水素結合を形成できるため、水素結合によるエネルギーの増加はごくわずかです。 GC塩基対の水素結合は、二重らせんの安定性に最小限しか寄与しませんが、AT塩基対の水素結合は不安定化効果さえあります。 一方、スタック相互作用は、連続する塩基対間の二重らせんにのみ影響します。複素環式塩基の芳香環系間で、双極子誘起双極子相互作用が形成され、エネルギー的に有利です。 したがって、最初の塩基対の形成は、エネルギーの利得と損失が低いために非常に不利ですが、塩基対のスタッキングはエネルギー利得の下で行われるため、らせんの伸長(延長)はエネルギー的に有利です。

ただし、スタッキング相互作用はシーケンスに依存し、スタックされたGC-GCにはエネルギー的に最も有利であり、スタックされたAT-ATにはあまり有利ではありません。 スタッキング相互作用の違いは、主に、GCリッチなDNAセクションがATリッチなセクションよりも熱力学的に安定している理由を説明していますが、水素結合は小さな役割を果たしています。

DNAの融点

DNAの融点は、2つの一本鎖間の結合力が克服され、それらが互いに分離する温度です。 これは変性とも呼ばれます。

DNAが協同的遷移(狭い温度範囲で起こる)で変性している限り、融点は二本鎖の半分が一本鎖に変性する温度です。 この定義から、「転移温度の中点」Tmという正しい用語が導き出されます。

融点は、らせんのそれぞれの塩基配列に依存します。 らせんにGC塩基対が多い場合、AT塩基対よりもエントロピー的に有利であるため、増加します。 これは、2つのペアによって形成される水素結合の数が異なるためではなく、スタッキング相互作用が異なるためです。 2つの塩基対の1つがAT塩基対である場合、2つの塩基対のスタッキングエネルギーははるかに小さくなります。 一方、GCスタックはエネルギー的に有利であり、二重らせんをより強く安定させます。 すべての塩基対の総数に対するGC塩基対の比率は、GC含量によって与えられます。

一本鎖DNAは二本鎖DNAよりも約40%強い紫外線を吸収するため、転移温度は光度計で簡単に測定できます。

溶液の温度がTmを下回ると、一本鎖が互いに再結合する可能性があります。 このプロセスは、再生またはハイブリダイゼーションと呼ばれます。 脱成熟と再生の相互作用は、多くのバイオテクノロジープロセス、たとえば、ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)、サザンブロット、insituハイブリダイゼーションで活用されています。

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