核酸の構造

核酸構造とは、 DNAやRNAなどの核酸の構造を指します。化学的に言えば、DNAとRNAは非常によく似ています。核酸構造は、一次構造、二次構造、三次構造、四次構造の4つの異なるレベルに分けられることがよくあります。

一次構造は、ホスホジエステル結合によって連結されたヌクレオチドの直線配列から構成されます。DNAまたはRNAの一次構造は、このヌクレオチドの直線配列によって形成されます。ヌクレオチドは3つの構成要素からなります。

1. 窒素塩基
   1. アデニン
   2. グアニン
   3. シトシン
   4. チミン（DNAにのみ存在する）
   5. ウラシル（RNAにのみ存在する）
2. 5炭糖は、デオキシリボース（DNAに含まれる）とリボース（RNAに含まれる）と呼ばれる。
3. 1つ以上のリン酸基。^{[ 1 ]}

窒素塩基であるアデニンとグアニンはプリン構造であり、その9番目の窒素とデオキシリボースの1'-OH基との間にグリコシド結合を形成する。シトシン、チミン、ウラシルはピリミジンであるため、グリコシド結合はそれらの1番目の窒素とデオキシリボースの1'-OHとの間に形成される。プリン塩基とピリミジン塩基の両方において、リン酸基は、その負に帯電した酸素基の1つと糖の5'-OHとの間のエステル結合を介してデオキシリボース糖と結合を形成する。^{[ 2 ]} DNAとRNAの極性は、骨格中の酸素原子と窒素原子に由来する。核酸は、ヌクレオチドが5'炭素原子と3'炭素原子間のホスホジエステル結合を介して結合するときに形成される。^{[ 3 ]}核酸配列 とは、DNA (GACT) または RNA (GACU) 分子内のヌクレオチドの順序であり、一連の文字によって決定されます。配列は 5' から 3' の順に示され、分子全体の共有結合構造を決定します。配列は、各位置の塩基が相補的であるだけでなく、逆順になっているという意味で、別の配列と相補的である場合があります。AGCT の相補的配列の例は TCGA です。DNA は、センス鎖とアンチセンス鎖の両方を含む二本鎖です。したがって、相補的配列はセンス鎖のものです。^{[ 4 ]}

三次構造とは、幾何学的および立体的な制約を考慮した、三次元空間における原子の位置を指します。これは、線状ポリマーにおいて大規模な折り畳みが起こり、鎖全体が特定の三次元形状に折り畳まれる二次構造よりも高次の構造です。DNAの構造形態が異なる可能性のある領域は4つあります。

1. 利き手 – 右利きか左利きか
2. らせん状の回転の長さ
3. 1回転あたりの塩基対数
4. 主溝と副溝のサイズの違い^{[ 3 ]}

DNAの二重らせんの空間における三次構造には、 B-DNA、A-DNA、Z-DNAが含まれる。 三重鎖DNA構造は、反復性のポリプリン：ポリピリミジンマイクロサテライト配列およびサテライトDNAにおいて実証されている。

B-DNAは生体内で最も一般的なDNAの形態であり、A-DNAよりも細長く、より狭いらせん構造をしている。広い主溝によりタンパク質がアクセスしやすくなっている。一方、副溝は狭い。B-DNAの好ましい立体構造は高濃度の水で発生し、副溝の水和がB-DNAを有利にしていると考えられる。B-DNAの塩基対はらせん軸にほぼ垂直である。らせんがA型になるかB型になるかを決定する糖のパッカーはC2'-エンドで発生する。^{[ 13 ]}

A-DNA は、脱水条件下で観察される DNA 二重らせんの形態です。B-DNA よりも短く、幅が広くなっています。RNA はこの二重らせん構造をとり、RNA-DNA 二重らせんは主に A 型ですが、B 型の RNA-DNA 二重らせんも観察されています。^{[ 14 ]}局所的な一本鎖ジヌクレオチドのコンテキストでは、RNA は DNA と対合することなく B 型をとることもできます。^{[ 15 ]} A-DNA は深く狭い主溝を持つため、タンパク質が容易にアクセスできません。一方、広く浅い副溝はタンパク質がアクセスできますが、主溝よりも情報量が少なくなります。好ましいコンフォメーションは、低水濃度で形成されます。A-DNA の塩基対はらせん軸に対して傾いており、軸からずれています。糖のコンフォメーションは C3'-エンドで発生し、RNA では 2'-OH が C2'-エンドのコンフォメーションを阻害します。^{[ 13 ]}長い間、実験室の人工物としか考えられていなかったA-DNAは、現在ではいくつかの生物学的機能を持つことが知られています。

Z-DNAは比較的まれな左巻き二重らせんです。適切な配列と超らせん張力があれば生体内で形成されますが、その機能は不明です。AやBよりも狭く、より細長いらせん構造をしています。Z-DNAの主溝は実際には溝ではなく、副溝は狭くなっています。最も好ましい構造は、塩濃度が高い場合に形成されます。塩基置換はいくつかありますが、プリンとピリミジンの交互配列が必要です。GのN2アミノ基は5'POと水素結合しており、これがプロトンの交換が遅いこととGプリンが必要な理由を説明しています。Z-DNAの塩基対はらせん軸にほぼ垂直です。Z-DNAは単一の塩基対ではなく、GpCとCpGでPP距離が異なるGpCリピートを含んでいます。GpCスタックでは塩基の重なりが良好ですが、CpGスタックでは重なりが少なくなっています。 Z-DNAのジグザグ骨格は、C糖の立体配座がGグリコシド結合の立体配座を補償することによるものである。Gの立体配座はsyn、C2'-endoであり、Cの立体配座はanti、C3'-endoである。^{[ 13 ]}

自由末端を持つ線状DNA分子は、二重らせんの2本の鎖が互いに何回転するかを変えることで、細胞内の様々な動的プロセスの変化に適応するために回転することができる。一部のDNA分子は環状であり、トポロジー的に制約されている。さらに最近では、環状RNAも多くの生物で発現する自然界に広く存在する核酸の一種として記述されている（CircRNAを参照）。

共有結合で閉じた環状DNA（cccDNAとも呼ばれる）は、鎖が互いに巻き付く回数が変化できないため、トポロジー的に制約されている。このcccDNAは、DNAの三次構造であるスーパーコイル化することができる。スーパーコイル化は、連結数、ねじれ、および巻きつきによって特徴付けられる。環状DNAの連結数（Lk）は、2本の鎖を完全に分離するために、一方の鎖がもう一方の鎖を通過する回数として定義される。環状DNAの連結数は、2本の鎖のうちの1本の共有結合を切断することによってのみ変更できる。常に整数であるcccDNAの連結数は、ねじれ（Tw）と巻きつき（Wr）の2つの要素の合計である。^{[ 16 ]}

${\displaystyle Lk=Tw+Wr}$

ツイストとは、2本のDNA鎖が互いに何度ねじれているかを示す数です。リゼとは、DNAらせんが自身と交差する回数です。細胞内のDNAは負に超らせん状になっており、ほどけやすい性質があります。そのため、負に超らせん状になったDNAでは、弛緩したDNAよりも鎖の分離が容易です。超らせん状DNAには、ソレノイド型とプレクトネミック型の2つの構成要素があります。プレクトネミック型の超らせんは原核生物に見られ、ソレノイド型の超らせんは主に真核生物に見られます。

核酸の四次構造は、タンパク質の四次構造と類似しています。概念の一部は完全に同じではありませんが、四次構造は核酸のより高次の組織化を指します。さらに、核酸と他の分子との相互作用も指します。核酸の高次組織化の最も一般的な形態はクロマチンであり、これは小さなタンパク質であるヒストンとの相互作用につながります。また、四次構造は、リボソームまたはスプライソソーム内の個々のRNAユニット間の相互作用も指します。^{[ 17 ]}