DNAとRNAは核酸であり、基本的には五糖類を含む窒素塩基がリン酸基を介して結合したものです。
核酸の構成要素はヌクレオチドと呼ばれる。
核酸は、生物の発生、機能、生殖に必要な情報を記憶し、細胞の遺伝物質としての役割を担っている。
ほとんどの生物はDNAを遺伝物質としているが、レトロウイルスのようにRNAを遺伝物質としているものは少ない。
DNAはRNAと比較すると、それぞれに共通するリン酸糖と塩基の違いにより、安定です。
五炭糖に1つ、2つ、3つのリン酸基が結合し、それぞれモノ、ジ、トリリン酸塩を生成することができる。
DNAが使う五炭糖はデオキシリボースで、RNAが使う五炭糖はリボースです。
DNAに含まれる窒素塩基は、アデニン、グアニン、シトシン、チミンです。
RNAでは、チミンはウラシルに置き換わっている。
この記事では
1. What are Phosphates
2. What are Sugars
3. What are Bases
4. Comparison of Phosphates Sugars and Bases of DNA and RNA
– Similarities
-Differences
リン酸塩とは
DNAとRNAは、それぞれデオキシリボヌクレオチドとリボヌクレオチドというヌクレオチドの繰り返し単位から構成されている。
ヌクレオチドは、五炭糖に窒素塩基と1個、2個または3個のリン酸基が結合したものです。
DNAとRNAのヌクレオチドはどちらも五炭糖の5′炭素に1つ、2つまたは3つのリン酸基を結合することができる。
リン酸基が結合したヌクレオシドは、それぞれモノ、ジ、トリリン酸と呼ばれる。
リン酸化反応は、ATP:D-リボース5-リン酸転移酵素と呼ばれる一群の酵素によって触媒される。
デオキシリボヌクレオシドはデオキシリボキナーゼという酵素によって、RNAヌクレオシドはリボキナーゼという酵素によってリン酸化される。
糖-リン酸骨格を作る際のホスホジエステル結合の形成は、ヌクレオチドトリホスフェートの高エネルギーリン酸結合を切断することでエネルギーを得ている。
各ヌクレオチド、ヌクレオシド一リン酸、ヌクレオシド二リン酸、ヌクレオシド三リン酸の生成過程を図1に示す。
図1：3種類のヌクレオチド
糖質とは
DNAもRNAも五糖類を含んでいる。
デオキシリボヌクレオチドはデオキシリボースを、リボヌクレオチドはリボースを五炭糖として含んでいる。
リボースは五員環を持つ五炭糖であり、その構造にはアルデヒド基が含まれている。
リボースは五員環構造を持つ五炭糖で、開鎖状態ではアルデヒド官能基を持つ。
したがって、リボースはアルドペントースと呼ばれている。
リボースには2つのエナンチオマーが存在する。
D-リボースとL-リボースです。
天然に存在するのはD-リボースであり、L-リボースは天然には存在しない。
D-リボースはD-アラビノースのエピマーであり、2′.炭素の立体化学の違いにより異なる。
この2’水酸基はRNAのスプライシングに重要です。
DNAに含まれる五炭糖はデオキシリボースです。
デオキシリボースはリボースという糖が変化したものです。
デオキシリボースはリボース5-リン酸からリボヌクレオチド還元酵素の働きで生成されます。
リボースの2番目の炭素原子からデオキシリボースを形成する際に、酸素原子が失われる。
したがって、デオキシリボースは、より正確には2-デオキシリボースと呼ばれる。
この2-デオキシリボースには2種類のエナンチオマーが存在する。
D-2-デオキシリボースとL-2-デオキシリボースです。
DNAの骨格形成に関与するのはD-2-デオキシリボースのみです。
デオキシリボースには2’水酸基がないため、DNAは二重らせん構造に折りたたむことができ、分子の機械的柔軟性を高めることができる。
また、DNAは小さな核に収まるようにしっかりと巻き付けることができる。
リボースとデオキシリボースの違いは、リボースに存在する2’水酸基にある。
デオキシリボースをリボースと比較すると、図2のようになります。
：図2 デオキシリボース
ベースとは
DNAもRNAも五炭糖の1’炭素に、デオキシリボースの水酸基に代わって窒素塩基が結合している。
DNAにもRNAにも5種類の窒素塩基が存在する。
アデニン（A）、グアニン（G）、シトシン（C）、チミン（T）、ウラシル（U）です。
アデニンとグアニンはプリン体であり、ピリミジン環とイミダゾール環が融合した2つの環構造で存在する。
シトシン、チミン、ウラシルはピリミジン環であり、6員環のピリミジン環構造を1つ持つ。
DNAは、アデニン、グアニン、シトシン、チミンをヌクレオチドに含んでいます。
RNAにはチミンの代わりにウラシルが含まれる。
アデニンはチミンと2つの水素結合を、グアニンはシトシンと3つの水素結合を形成しています。
DNAにおける相補的な塩基対は、ワトソン・クリックDNA塩基対モデルと呼ばれている。
これは、2本の相補的なDNA鎖を結合させ、水素結合を形成させる。
したがって、DNAの最終的な構造は二本鎖で反平行です。
RNAでは、チミンに代わってウラシルがアデニンと2つの水素結合を形成している。
同一分子内で相補的な塩基対を形成することで、ヘアピンループと呼ばれる二本鎖RNA構造が形成される。
図3に二本鎖DNAを示す。
図3: DNA
チミンとウラシルの違いは、チミンの5’炭素原子に存在するメチル基の違いです。
ウラシルは、アデニンだけでなく他の塩基とも塩基対を形成することができ、シトシンの脱アミノ化でウラシルを生成することができる。
したがって、RNAはチミンの代わりにウラシルが存在するため、DNAに比べて安定性に欠ける。
図4にウラシルとチミンを示す。
図4: ウラシルとチミン
DNAとRNAのリン酸・糖・塩基の比較
DNAとRNAのリン酸糖と塩基の類似性
リン酸塩
- DNAもRNAも五炭糖の5′炭素に1、2、3個のリン酸基が結合している。
ペントース糖
- DNAもRNAもヌクレオチドに五炭糖が含まれており、窒素塩基と1個、2個、3個のリン酸基が結合している。
窒素系塩基
- DNAとRNAには、アデニン、グアニン、シトシンの3種類の窒素塩基が存在します。
DNAとRNAのリン酸塩糖と塩基の違いについて
ペントース・シュガー
DNAのこと。
DNAに含まれる五炭糖はデオキシリボースです。
RNA。
RNAに含まれる五炭糖はリボースです。
砂糖のコンフォメーション
DNA D-2-デオキシリボースはDNAの糖-リン酸骨格に含まれる。
RNA RNAの糖リン酸骨格にはD-リボースが存在する。
DNA/RNAにおける五炭糖の重要性
DNAの場合 2-デオキシリボースにより、DNAの二重らせんが形成される。
RNA リボースは2’水酸基があるため、RNAの二重らせんを形成させない。
チミン／ウラシル
DNAのことです。
チミンは、DNAに含まれる。
RNA ウラシル（Uracil）はRNAに含まれる。
チミン／ウラシルの意義
DNAのことです。
DNAはチミンが存在するため、RNAよりも安定です。
RNA。
RNAはチミンの代わりにウラシルが存在するため、安定性に欠ける。
リン酸化
DNAは デオキシリボヌクレオシドはデオキシリボキナーゼによってリン酸化される。
RNA リボヌクレオシドはリボキナーゼによってリン酸化される。
リン酸化が生み出すもの
DNAを生成する。
デオキシリボヌクレオシドがリン酸化され、デオキシリボヌクレオチドが生成される。
RNA。
リボヌクレオシドがリン酸化され、リボヌクレオチドが生成される。
結論
DNAもRNAも五炭糖からなり、1’炭素に窒素塩基が、5’炭素に1つ以上のリン酸基が結合している。
両核酸種の糖-リン酸骨格は、リン酸基を介してヌクレオチドが重合することで形成されている。
DNAの糖-リン酸骨格に含まれる五炭糖は、D-2-デオキシリボースです。
D-リボースはRNAに含まれる。
DNAに含まれる窒素塩基は、アデニン、グアニン、シトシン、チミンです。
RNAでは、チミンに代わってウラシルが見つかっている。
五炭糖には、1つ、2つ、3つのリン酸基が結合しているのがわかる。
ヌクレオシドにリン酸基が1つ付いている場合は、ヌクレオチド一リン酸と呼ばれ、リン酸基が2つ付いている場合は、ヌクレオチド一リン酸と呼ばれる。
ヌクレオシドに2つのリン酸基が結合している場合は、ヌクレオチド二リン酸と呼ばれます。
ヌクレオシドに3つのリン酸基が結合しているものをヌクレオチド三リン酸という。
