ヌクレオチド

ヌクレオチドは、窒素塩基、ペントース糖、リン酸からなる有機分子です。核酸ポリマー（デオキシリボ核酸（DNA）とリボ核酸（RNA））のモノマー単位として機能し、どちらも地球上のすべての生命体に不可欠な生体分子です。ヌクレオチドは食事から摂取され、肝臓で一般的な栄養素から合成されることもあります。^[1]

ヌクレオチドは、核酸塩基、5炭素糖（リボースまたはデオキシリボース）、および1～3個のリン酸からなるリン酸基の3つのサブユニット分子で構成されています。 DNA の4つの核酸塩基は、グアニン、アデニン、シトシン、およびチミンです。RNA では、チミンの代わりに ウラシルが使用されます。

ヌクレオチドは、基礎的な細胞レベルでの代謝においても中心的な役割を果たしています。ヌクレオチドは、ヌクレオシド三リン酸、アデノシン三リン酸(ATP)、グアノシン三リン酸(GTP)、シチジン三リン酸(CTP)、およびウリジン三リン酸(UTP) の形で、アミノ酸、タンパク質、細胞膜の合成、細胞および細胞部分の移動 (細胞内および細胞間の両方)、細胞分裂など、エネルギーを必要とする多くの細胞機能のために、細胞全体に化学エネルギーを提供します。 ^[2]さらに、ヌクレオチドは細胞シグナル伝達(環状グアノシン一リン酸または cGMP および環状アデノシン一リン酸または cAMP) に関与し、酵素反応の重要な補因子(例:コエンザイム A、FAD、FMN、NAD、およびNADP ⁺ )に組み込まれます。

実験生化学では、放射性核種を使用してヌクレオチドを放射性標識し、放射性ヌクレオチドを生成することができます。

5-ヌクレオチドは、うま味を高めるための食品添加物として、酵母エキスの形で風味増強剤にも使用されています。 ^[3]

ヌクレオシドは、5炭素糖分子、核酸塩基（この2つを合わせてヌクレオシドと呼ぶ）、および1つのリン酸基という3つの異なる化学サブユニットから構成される。3つすべてが結合したヌクレオチドは、リン酸基を構成するリン酸の数に応じて、「ヌクレオシド一 リン酸」、「ヌクレオシド二リン酸」、または「ヌクレオシド三リン酸」とも呼ばれる。^[4]

核酸では、ヌクレオチドはプリン塩基またはピリミジン塩基（すなわち、核酸塩基分子、窒素塩基としても知られる）のいずれかを含み、糖がリボースの場合はリボヌクレオチド、糖がデオキシリボースの場合はデオキシリボヌクレオチドと呼ばれます。個々のリン酸分子は、2つの隣接するヌクレオチドモノマーの糖環分子を繰り返し結合し、それによって核酸のヌクレオチドモノマーを端から端まで結合して長い鎖を形成します。これらの糖およびリン酸分子の鎖結合は、単鎖または二重らせんの「バックボーン」鎖を形成します。どの鎖でも、鎖結合の化学的配向（方向性）は、隣接するヌクレオチドの糖分子の5つの炭素部位を指して、 5'末端から3'末端（ 5プライム末端から3プライム末端と読みます）に向かっています。二重らせん構造では、2本の鎖が反対方向に向いており、塩基対形成と塩基対間の相補性が可能になっています。これらはすべて、 DNAにエンコードされた情報を複製または転写するために不可欠です。 ^[要出典]

核酸は、核酸のモノマー単位であるヌクレオチド から組み立てられた高分子です。プリン塩基のアデニンとグアニン、およびピリミジン塩基のシトシンはDNA と RNA の両方に存在しますが、ピリミジン塩基のチミン(DNA 内) とウラシル(RNA 内) はどちらか一方にのみ存在します。アデニンはチミンと 2 つの水素結合で塩基対を形成し、グアニンはシトシンと 3 つの水素結合で塩基対を形成します。

単一ヌクレオチドは、核酸ポリマーの構築のための構成要素であることに加えて、細胞エネルギーの貯蔵と供給、細胞シグナル伝達、タンパク質や他のシグナル分子の活性を調節するために使用されるリン酸基の供給源、およびしばしば酸化還元反応を実行する酵素補因子としての役割を果たす。シグナル環状ヌクレオチドは、同じ糖分子にリン酸基を2回結合させ、糖の5'-ヒドロキシル基と3'-ヒドロキシル基を架橋することによって形成される。 ^[2] 一部のシグナルヌクレオチドは、糖の異なる位置に結合した複数のリン酸基を持つ点で、標準的な単一リン酸基構成とは異なる。^{[5]ヌクレオチド補因子には、}ニコチンアミドやフラビンなど、グリコシド結合を介し て糖に結合するより広範囲の化学基が含まれ、後者の場合、リボース糖は他のヌクレオチドに見られる環を形成するのではなく線状である。

ヌクレオチドは、 in vitroおよびin vivo の両方でさまざまな方法で合成できます。^{[引用が必要]}

試験管内では、保護基はヌクレオチドの実験室生産中に用いられることがある。精製されたヌクレオシドは保護されてホスホラミダイトを生成し、これを用いて自然界には存在しない類似体を得たり、オリゴヌクレオチドを合成したりすることができる。^[要出典]

生体内では、ヌクレオチドはde novo合成されるか、またはサルベージ経路を通じてリサイクルされる。^[1] de novo ヌクレオチド合成で使用される成分は、炭水化物およびアミノ酸代謝の生合成前駆体、およびアンモニアと二酸化炭素に由来する。最近、細胞の重炭酸塩代謝は mTORC1 シグナル伝達によって制御できることも実証された。^[6]肝臓は、4 種類のヌクレオチドすべての de novo 合成の主要な器官である。ピリミジンとプリンの de novo 合成は、2 つの異なる経路に従う。ピリミジンは、まず細胞質内のアスパラギン酸とカルバモイルリン酸から、共通の前駆体環構造であるオロト酸に合成され、これにリン酸化リボシル単位が共有結合する。一方、プリンは、環合成が起こる糖テンプレートから最初に合成される。参考までに、プリンヌクレオチドとピリミジンヌクレオチドの合成は、特定の細胞小器官内ではなく、細胞質内のいくつかの酵素によって行われます。ヌクレオチドは分解され、有用な部分が合成反応で再利用されて新しいヌクレオチドが作成されます。^{[引用が必要]}

ピリミジン CTP と UTP の合成は細胞質で起こり、グルタミンと CO ₂からカルバモイルリン酸が形成されることから始まります。次に、アスパラギン酸カルバモイルトランスフェラーゼがアスパラギン酸とカルバモイルリン酸の縮合反応を触媒してカルバモイルアスパラギン酸を形成し、これがジヒドロオロターゼによって4,5-ジヒドロオロト酸に環化されます。後者はジヒドロオロト酸酸化酵素によってオロト酸に変換されます。正味の反応は次のようになります。

( S )-ジヒドロオロト酸 + O ₂ → オロト酸 + H ₂ O ₂

オロチン酸はリン酸化リボシル基と共有結合している。リボースとピリミジンの共有結合は、ピロリン酸を含むリボース基のC ₁ ^[7]とピリミジン環のN _{1の位置で起こる。}オロチン酸ホスホリボシルトランスフェラーゼ（PRPPトランスフェラーゼ）は、オロチジン一リン酸（OMP）を生成する反応を触媒する。

オロチン酸 + 5-ホスホ-α-D-リボース 1-二リン酸 (PRPP) → オロチジン 5'-リン酸 + ピロリン酸

オロチジン 5'-一リン酸は、オロチジン 5'-リン酸デカルボキシラーゼによって脱炭酸され、ウリジン一リン酸 (UMP) を形成します。PRPP トランスフェラーゼは、リボシル化と脱炭酸の両方の反応を触媒し、PRPP の存在下でオロチン酸から UMP を形成します。他のピリミジンヌクレオチドは UMP から派生します。UMP は、ATP との 2 つの連続反応を経て、2 つのキナーゼによってウリジン三リン酸 (UTP) にリン酸化されます。まず、UDP から二リン酸が生成され、次に UTP にリン酸化されます。両方のステップは、ATP 加水分解によって促進されます。

ATP + UMP → ADP + UDP

UDP + ATP → UTP + ADP

CTP はその後、 CTP 合成酵素の触媒活性によって UTP がアミノ化されて形成されます。グルタミンは NH ₃供与体であり、反応は ATP 加水分解によっても促進されます。

UTP + グルタミン + ATP + H ₂ O → CTP + ADP + P _i

シチジン一リン酸（CMP）はシチジン三リン酸（CTP）から2つのリン酸が失われて生成されます。^{[8] [9]}

プリンヌクレオチドの構築に使用される原子は、さまざまな源から来ています。

これらの前駆体がプリン環に組み込まれるプリンヌクレオチドのde novo 合成は、 10 段階の経路で進行し、分岐点中間体IMP (塩基ヒポキサンチンのヌクレオチド) になります。その後、 AMPとGMP が別の 2 段階の経路でこの中間体から合成されます。したがって、プリン部分は最初は遊離塩基としてではなく、リボヌクレオチドの一部として形成されます。

IMP 合成には 6 つの酵素が関与します。そのうち 3 つは多機能です。

• GART（反応2、3、5）
• PAICS（反応6および7）
• ATIC（反応9、10）

この経路はPRPPの形成から始まります。PRPS1は、主にペントースリン酸経路によって形成されるR5P をATPと反応させて PRPP に活性化する酵素です。この反応は、ピロホスホリル基が ATP から R5P の C ₁に直接転移され、生成物がC1 についてα配置をとるという点で珍しいものです。この反応は、 Trp、His、およびピリミジンヌクレオチドの合成経路とも共有されています。この反応は、主要な代謝の交差点にあり、多くのエネルギーを必要とするため、高度に制御されています。

プリンヌクレオチド生合成に特有の最初の反応では、PPAT がPRPP のピロリン酸基(PP _i ) をグルタミン(N)、グリシン(N&C)、アスパラギン酸(N)、葉酸(C ₁ )、または CO _{2から供与されたアミド窒素で置換する反応を触媒します。これがプリン合成の重要なステップです。反応はリボース C 1}の配置反転を伴って起こり、β - 5-ホスホリボシルアミン(5-PRA) を形成して将来のヌクレオチドのアノマー型を確立します。

次に、ATP 加水分解によってグリシンが組み込まれ、カルボキシル基が先に導入された NH _{2とアミン結合を形成します。次に、葉酸補酵素 N 10} -ホルミル-THFからの 1 炭素単位が置換グリシンのアミノ基に付加され、続いてイミダゾール環が閉じられます。次に、2 番目の NH ₂基がグルタミンからグリシン単位の最初の炭素に転移されます。グリシン単位の 2 番目の炭素のカルボキシル化が同時に追加されます。この新しい炭素は、今度はアスパラギン酸残基から転移された 3 番目の NH ₂単位の追加によって変更されます。最後に、ホルミル-THF からの 2 番目の 1 炭素単位が窒素基に付加され、環が共有結合して閉じられ、一般的なプリン前駆体であるイノシン一リン酸 (IMP) が形成されます。

イノシン一リン酸は 2 段階でアデノシン一リン酸に変換されます。まず、GTP 加水分解によってアデニロコハク酸合成酵素がアスパラギン酸を IMP に付加し、カルボニル酸素を窒素に置き換えて中間体のアデニロコハク酸を形成します。次にフマル酸が切断されてアデノシン一リン酸が形成されます。この段階はアデニロコハク酸リアーゼによって触媒されます。

イノシン一リン酸は、IMP の酸化によってグアノシン一リン酸に変換され、キサンチレートを形成し、続いて C ₂にアミノ基が挿入されます。NAD ⁺は、酸化反応における電子受容体です。グルタミンからのアミド基の移動は、ATP 加水分解によって促進されます。

_{ヒトでは、ピリミジン環（C、T、U）は完全に CO 2}と NH ₃に分解される（尿素排泄）。とはいえ、プリン環（G、A）は分解されない。代わりに、代謝的に不活性な尿酸に分解され、体外に排出される。尿酸は、GMP が塩基のグアニンとリボースに分解されるときに形成される。グアニンは脱アミノ化されてキサンチンになり、次に尿酸に酸化される。この最後の反応は不可逆的である。同様に、AMP が脱アミノ化されて IMP になり、そこからリボース単位が除去されてヒポキサンチンが形成されると、尿酸が形成される。ヒポキサンチンはキサンチンに酸化され、最終的に尿酸になる。尿酸の分泌の代わりに、グアニンと IMP は、PRPP とアスパラギン酸（NH ₃供与体）の存在下でのリサイクル目的および核酸合成に使用できる。^[要出典]

生命の起源に関する理論には、生命誕生前の妥当な条件下で生命の重要な構成要素の形成を可能にする化学経路の知識が必要である。RNAワールド仮説は、原始スープに自由に浮遊するリボヌクレオチドが存在し、これが連続して結合してRNAを形成する基本分子であるというものである。RNAのような複雑な分子は、反応性が物理化学的プロセスによって支配される小分子から発生したに違いない。RNAはプリンヌクレオチドとピリミジンヌクレオチドで構成されており、どちらも信頼性の高い情報伝達、ひいてはダーウィンの進化に必要である。Beckerらは、湿潤-乾燥サイクルのみによって駆動されるピリミジンヌクレオシドが小分子とリボースからどのように合成されるかを示した。 ^{[10]プリンヌクレオシドも同様の経路で合成できる。5'-モノリン酸およびジリン酸もリン酸含有鉱物から選択的に形成され、プリン塩基とピリミジン塩基の両方を含む}ポリリボヌクレオチド の同時形成を可能にする。このように、プリンとピリミジンRNA構成要素への反応ネットワークは、単純な大気や火山の分子から構築することができます。^[10]

非天然塩基対（UBP）は、実験室で作られ、自然界には存在しない、設計されたDNAのサブユニット（または核酸塩基）です。 ^[11]例としては、d5SICSやdNaMなどがあります。疎水性核酸塩基を持つこれらの人工ヌクレオチドは、DNA内で（d5SICS-dNaM）複合体または塩基対を形成する2つの融合芳香族環を特徴としています。 ^{[12] [13]}大腸菌は、 UBPを含むプラスミドを複数世代にわたって複製するように誘導されています。^[14]これは、生物が拡張された遺伝コードを次の世代に受け継ぐ最初の既知の例です。^{[12] [15]}

合成ヌクレオチドの用途は多岐にわたり、病気の診断、治療、精密医療などが含まれます。

1. 抗ウイルス剤または抗レトロウイルス剤：いくつかのヌクレオチド誘導体は、肝炎やHIV感染の治療に使用されています。^{[16] [17]}直接ヌクレオシド類似体逆転写酵素阻害剤（NRTI）の例には、テノホビルジソプロキシル、テノホビルアラフェナミド、ソホスブビルなどがあります。一方、メリシタビン、ラミブジン、エンテカビル、テルビブジンなどの薬剤は、活性化するためにまずリン酸化による代謝を受ける必要があります。
2. アンチセンスオリゴヌクレオチド（ASO）：合成オリゴヌクレオチドは、特定のRNA転写産物に結合し、最終的にタンパク質発現を調節できるため、希少遺伝性疾患の治療に使用されています。脊髄性筋萎縮症、筋萎縮性側索硬化症、ホモ接合性家族性高コレステロール血症、および原発性高シュウ酸尿症1型はすべて、ASOベースの治療に適しています。^[18]オリゴヌクレオチドの応用は、精密医療および治療不可能な状態の管理における新たなフロンティアです。
3. 合成ガイドRNA（gRNA） ：合成ヌクレオチドは、CRISPR-Cas9などの遺伝子編集技術が適切に機能するために不可欠なgRNAを設計するために使用できます。

ヌクレオチド（略称「nt」）は一本鎖核酸の一般的な長さの単位であり、塩基対が二本鎖核酸の長さの単位であるのと同様である。^[19]

IUPACはヌクレオチドの記号を指定しています。^[20] 5つの塩基（A、G、C、T / U）とは別に、特にPCRプライマーの設計には、しばしば縮重塩基が使用されます。これらのヌクレオチドコードはここにリストされています。一部のプライマー配列には、非標準ヌクレオチドイノシンをコードする文字「I」も含まれる場合があります。イノシンはtRNAに存在し、アデニン、シトシン、またはチミンと対になります。ただし、この文字は縮重を表していないため、次の表には表示されていません。イノシンは縮重「D」と同様の機能を果たすことができますが、必要な可能性のある各対をカバーするヌクレオチドの混合物の表現ではなく、実際のヌクレオチドです。