DNAと遺伝子とは

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遺伝子とは
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DNAと遺伝子とは

DNAとは別名デオキシリボ核酸と呼ばれ、真核生物においては核の中に存在します。原核生物では性染色体とプラスミドがこれに該当、ウイルスではコアの中に存在します。（細胞小器官）

核酸にはDNA以外にもRNAってのもあります。これはデオキシがつかないただのリボ核酸ですね。それぞれの生物におけるDNAの存在場所がわかったところで、もう一度DNAとは何か考えてみる。

糖	塩基	ヌクレオシド	ヌクレオチド（1リン酸）	リンの数
デオキシリボース (DNA)	アデニン	Dアデノシン	Dアデニル酸	dAMP	dADP	dATP
	グアニン	Dグアノシン	Dグアニル酸	dGMP	dGDP	dGTP
	シトシン	Dシチジン	Dシチジル酸	dCMP	dCDP	dCTP
	チミン	チミジン	チミジル酸	dTMP	dTDP	dTTP
リボース (RNA)	アデニン	アデノシン	アデニル酸	AMP	ADP	ATP
	グアニン	グアノシン	グアニル酸	GMP	GDP	GTP
	シトシン	シチジン	シチジル酸	CMP	CDP	CTP
	ウラシル	ウリジン	ウリジル酸	UMP	UDP	UTP

上の表を見ていただきたい。

糖には、リボースとデオキシリボースがあり、塩基にはアデニン、グアニン、シトシン、ウラシル、チミンの5種類があります。

ヌクレオシドは【糖＋塩基】で、ヌクレオチドは【糖＋塩基＋リン酸】です（ヌクレオシドの5'位にリン酸基が結合）。

ヌクレオシドには、アデノシン、グアノシン、シチジン、ウラシル、チミジンがあり、ヌクレオチドには、AMP、GMP、CMP、UMP、TMP、ADP、ATP・・・らがあります。

ヌクレオチドという呼び名ではリン酸基の数を示すことができないので、リン酸基の数を示したい場合は、ヌクレオシド二リン酸やヌクレオシド三リン酸のように呼びます。

ヌクレオシド一リン酸には別名があり、呼び名は上の表参照（例：アデノシン一リン酸はアデニル酸（AMP）のこと。チミジン一リン酸はチミジル酸（dTMP）のこと）。cAMPは環状AMPのことでアデニル酸シクラーゼでATPから合成される。

糖がリボースからデオキシリボースに変わると、デオキシヌクレオシドやデオキシヌクレオチドと呼ばれ、接頭語にデオキシをつけて、略称にはdをつけて表します（例：dATP,dGTP,dCTP,dTTP,dUTP）。これらを総称してdNTPと呼びます。

RNAはヌクレオチドが連結した化合物で、DNAはデオキシヌクレオチドが連結して2本平行ならせん構造をとった化合物です。RNAの場合、塩基のチミンがウラシルに変わった点に注意です。

染色体とおなじじゃんと思うでしょうが、染色体は【DNA＋ヒストン】であることをお忘れなく。

まとめると、ATPはヌクレオチドでありヌクレオシド三リン酸で糖がリボースで、dATPはデオキシヌクレオチドでありデオキシヌクレオシド三リン酸で糖がデオキシリボースという感じです。

リボースの構造はデオキシリボースのOH、HがOH、OHに変わっただけです。リボースはペントースリン酸経路から供給され、デオキシリボースはリボースの還元により得られます。

DNAの構造（二重螺旋構造）

さて、そんなDNAを図にしてみたのが下です。

糖とリン酸からなるバックボーンから４種類の塩基が手を出すように突き出していますね。DNAの塩基はA(アデニン)、G(グアニン)、C(シトシン)、T(チミン)の４種類があり、二重らせん構造の中でAとT、GとCがそれぞれ向かい合い、AとTは２本、GとCは３本の水素結合で結合しています。この水素結合を切るのはDNAヘリカーゼと言います。

このDNAの螺旋構造をもっとミクロな視点から見てみると、まず塩基の化学構造はこんな感じです。

ここでよく見ると骨格のつくりが大きく２種類に分けられるはずです。アデニンとグアニンはプリン骨格を持ち、シトシンとチミンはピリミジン骨格を持ち、その骨格ごとに作られる経路が大幅に異なります。

ついで、この塩基がリン酸と糖（デオキシリボース）とくっついたヌクレオチドはこんな感じです。

そして、このヌクレオチドが互いに結合して上のような２重螺旋構造をとったものをDNAと呼ぶわけです。点線でくくった部分が螺旋ということになります。図でいう左上のリン酸基が5'末端、左下デオキシリボースのOHが3'末端です。

DNAはOHがある3'末端側に伸長していくのですが、dNTPだけでは上のような構造(デオキシリボースのOHと燐酸が結合)がずーっと続いているだけで永遠に長くなってしまい染色体として完成されません。

しかし、dNTPとともにごく少量だけ存在している、デオキシリボースのOHがHに変わったものであるddNTP(ddATP,ddGTP,ddCTP,ddTTP)が結合すると、OHがないためにここで伸長がとまります。

ヌクレオチド代謝（de novo合成＝生合成）については、以下の図を参考にしてください。

プリン合成

プリン骨格を持つ塩基（アデニン、グアニン）、キサンチン、尿酸の代謝経路。

プリン合成は、ペントースリン酸経路由来のリボース-5-リン酸に、ATPのピロリン酸基が転移して、PRPP（ホスホリボシルピロリン酸）を合成することからスタートする。
PRPPはいくつかのアミノ酸（グルタミン、グリシン、アスパラギン酸）、CO2、10-ホルミルテトラヒドロ葉酸（10-ホルミルTHF）と多数のATPとGTPの作用により、IMP（イノシトール-1-リン酸）に変換される。
この過程で使われる10-ホルミルTHFはホルミル基CHOを転移してテトラヒドロ葉酸（THF）になる。THFはC1単位の転移反応（メチル基やホルミル基の転移）の補酵素として重要だが、実際に転移しているのは10-ホルミルTHFである。
プリン代謝で使用される10-ホルミルTHFもピリミジン代謝で使用される5,10-メチレンTHFもTHFから合成できるので、THFが重要。
（ヌクレオシド代謝より引用）
THFは、ヒトでは葉酸（人は食事で摂取、細菌は生合成）を原料に、ジヒドロ葉酸レダクターゼの作用（NADPHが補酵素）で還元されて生じるジヒドロ葉酸をさらにジヒドロ葉酸レダクターゼで還元して生じる。
細菌ではヒトにはないジヒドロプテロイン酸シンターゼ活性があるのでグアノシンから合成される2-アミノ-4-ヒドロキシ-6-ピロホスホリルメチルプテリジン（プテリジンの一つ）とp-アミノ安息香酸からTHFを生合成できる。（選択毒性）
葉酸はTHFを起点として様々な葉酸化合物が合成できるので、葉酸から合成しなくても、生体内で保存されている5-メチルTHFをビタミンB12とメチオニンシンターゼの作用で変換しても合成できる（この際ホモシステインがメチオニンに変換される。→メチオニンはSAMへ→クレアチニンの合成やグルコーゲン分解を促進する）。
IMPからは、AMP、GMP、尿酸が作られる。
AMP（アデノシン-1-リン酸）は、アスパラギン酸とATPの作用で合成される。AMPはヌクレオチダーゼによってリン酸基が加水分解されてアデノシンになる。アデノシンはPNP（プリンヌクレオシドホスホリラーゼ）で脱リボシル化されてアラニンになる。
GMP（グアノシン-1-リン酸）は、NAD+とグルタミン、ATPの作用で合成される。GMPもヌクレオチダーゼによってグアノシンとなり、PNPによってグアニンになる。グアニンはGDA（グアニンデアミナーゼ）で脱アミノ化されてキサンチンになる。
尿酸は、IMPの5'リン酸が5'ヌクレオチダーゼによって加水分解され合成されるイノシンが、PNPによってヒポキサンチンになり、ヒポキサンチンがキサンチンオキシダーゼで酸化されてキサンチンに、キサンチンがさらにキサンチンオキシダーゼで酸化されると尿酸に代謝される。この反応は主に肝臓で行われる。
イノシンはIMPから直接合成されるのとは別経路で、アデノシンのADA（アデノシンデアミナーゼ）による加水分解によっても生成します。（アデノシン＋H2O→イノシン＋リン酸）
プリン骨格を一から作るエネルギーを節約するために、遊離塩基を再利用する経路のことをサルベージ経路という。具体的にはPRPPに、HGPRTやAPRTといった酵素の作用で遊離の塩基（グアニン・ヒポキサンチン・アデニン）を転移させてヌクレオチド（GMP、IMP、AMP）を再合成するということ。
AMPとGMPがリン酸化されてできるリボヌクレオシド二リン酸（ADPとGDP）は、リボヌクレオチドレダクターゼ（RNR）の作用で還元されてデオキシリボヌクレオシド二リン酸（dADPとdGDP）になる。この反応は還元型チオレドキシンが触媒する。還元型チオレドキシンは酸化型チオレドキシンがNADPHを補酵素としてチオレドキシンレダクターゼの作用を受けて生成し、還元反応後は再び酸化型に戻る。
デオキシリボヌクレオシド三リン酸（dATPやdGTP）はデオキシリボヌクレオシド二リン酸のリン酸化で作られる。ATPやGTPから作られるわけではない点が重要である。

ピリミジン合成

ピリミジン骨格を持つ塩基（シトシン、チミン、ウラシル）の代謝経路。

ピリミジン合成はグルタミンとアスパラギン酸、炭酸イオンから、ピリミジン骨格を持つオロト酸を合成することからスタートする。
オロト酸はプリン合成でも使われるリボース-5-リン酸由来のPRPP（ホスホリボシルピロリン酸）からホスホリボシル基を転移されたあと、脱炭酸反応を受けてUMP（ウリジン-1-リン酸）を生じる。
UMPはATPによるリン酸化を受けて、UDP→UTPになり、UTPはグルタミンと反応してアミノ基がピリミジン環に結合し、CTP（シチジル-3-リン酸）が生じる。
CTPが脱リン酸化されてCDPを生じたあと、プリン合成で述べたリボヌクレオシド二リン酸（ADPやGDP）の還元と同じ機構でデオキシリボヌクレオシド二リン酸（dCDP）となる。
UDPについても同様にしてdUDPが作られた後、ホスファターゼで脱リン酸化されてdUMPになり、チミジル酸シンターゼの存在下、5,10メチレンTHFによるメチル基CH3の転移反応受けて、dTMPが作られる。この反応はウリジル酸からチミジル酸を作る反応として非常に重要。
メチル基を転移した5,10メチレンTHFはジヒドロ葉酸（DHF）になり、ジヒドロ葉酸レダクターゼとNADPHによりTHFを再生し、セリンヒドロキシメチルトランスフェラーゼの作用でセリンをグリシンに変換する時にTHFに転移し、THFを5,10メチレンTHFに変換する。
ピリミジン代謝でもサルベージ経路が存在する。一つ目はチミジンからチミジンキナーゼの作用でチミジル酸（dTMP）を再生する経路、もう一つはウラシルからUPRTによりウラジル酸（UMP）を再生する経路である。