リボヌクレオチド

リボヌクレオチドの一般的な構造は、リン酸基、リボース糖基、および核酸塩基から構成され、核酸塩基はアデニン、グアニン、シトシン、またはウラシルのいずれかです。リン酸基がない場合、核酸塩基と糖の複合体はヌクレオシドと呼ばれます。交換可能な窒素含有核酸塩基は、プリンとピリミジンという2つの親化合物から誘導されます。ヌクレオチドは複素環式化合物であり、その環を構成する少なくとも2つの異なる化学元素を含んでいます。

RNAとDNAはどちらも、2つの主要なプリン塩基であるアデニン（A）とグアニン（G）、および2つの主要なピリミジン塩基を含んでいます。DNAとRNAの両方において、ピリミジン塩基の1つはシトシン（C）です。しかし、DNAとRNAは2番目の主要なピリミジン塩基が異なります。DNAにはチミン（T）が含まれていますが、RNAにはウラシル（U）が含まれています。まれに、RNAにチミンが、DNAにウラシルが存在するケースもあります。^{[ 1 ]}

以下に、RNAの構造単位である4つの主要なリボヌクレオチド（リボヌクレオシド5'-一リン酸）を示します。

リボヌクレオチドでは糖成分はリボースであり、デオキシリボヌクレオチドでは糖成分はデオキシリボースである。リボース環の2番目の炭素にあるヒドロキシル基の代わりに、水素原子が置換されている。^{[ 2 ]}

DNAとRNAに含まれる2種類のペントースはどちらもβ-フラノース（閉じた5員環）の形で存在し、核酸のアイデンティティを決定づける。DNAは2'-デオキシリボース核酸を含むことで定義され、RNAはリボース核酸を含むことで定義される。^{[ 1 ]}

場合によっては、DNA と RNA にはいくつかのマイナー塩基が含まれることがあります。DNA では、主要塩基のメチル化型が最も一般的です。ウイルス DNA では、一部の塩基がヒドロキシメチル化またはグルコシル化されている場合があります。RNA では、マイナー塩基または修飾塩基がより頻繁に出現します。例としては、ヒポキサンチン、ジヒドロウラシル、ウラシル、シトシン、グアニンのメチル化型、および修飾ヌクレオシド プソイドウリジンなどがあります。^{[ 3 ]} 5' 炭素以外の位置にリン酸基を持つヌクレオチドも観察されています。例としては、単離可能な中間体であるリボヌクレオシド 2',3'-環状一リン酸、および特定のリボヌクレアーゼによる RNA の加水分解の最終産物であるリボヌクレオシド 3'-一リン酸などがあります。その他のバリエーションには、アデノシン 3',5'-環状一リン酸 (cAMP) およびグアノシン 3',5'-環状一リン酸 (cGMP) があります。^{[ 4 ]}

リボヌクレオチドは、ホスホジエステル結合を介して連結され、RNA鎖を形成します。あるヌクレオチドの5'-リン酸基が次のヌクレオチドの3'-ヒドロキシル基に結合し、リン酸とペントース残基が交互に並んだ骨格を形成します。ポリヌクレオチドの両端にはホスホジエステル結合はありません。^{[ 5 ]}ホスホジエステル結合は、 RNAポリメラーゼという酵素によってリボヌクレオチド間に形成されます。RNA鎖は5'末端から3'末端に向かって合成され、鎖の最後のリボヌクレオチドの3'-ヒドロキシル基が求核剤として働き、入ってくるリボヌクレオチドの5'-三リン酸に親水性攻撃を開始し、副産物としてピロリン酸を放出します。 ^{[ 6 ]}ヌクレオチドの物理的性質により、RNAの骨格は非常に親水性で極性があります。中性pHでは、各リン酸基が負電荷を帯びているため、核酸は高度に帯電しています。^{[ 7 ]}

DNAとRNAはどちらもヌクレオシドリン酸（モノヌクレオチドモノマーとも呼ばれる）から構成されており、ヌクレオシドリン酸はアミノ酸よりも熱力学的に結合しにくい。ホスホジエステル結合は加水分解されるとかなりの量の自由エネルギーを放出する。そのため、核酸は自発的に加水分解されてモノヌクレオチドになる傾向がある。RNAの前駆体はGTP、CTP、UTP、ATPであり、ATPは基転移反応における主要なエネルギー源である。^{[ 8 ]}

科学者たちは、RNAはDNAよりも先に開発されたと考えている。^{[ 9 ]}

リボヌクレオチドからデオキシリボヌクレオチドへの還元は、リボヌクレオチド還元酵素によって触媒される。リボヌクレオチド還元酵素（RNR）は、DNA複製と修復に必要な4つのデオキシリボヌクレオチド（dNTP）の合成の最終段階を担うため、すべての生物にとって必須の酵素である。^{[ 10 ]}この反応には、チオレドキシンとチオレドキシン還元酵素という2つのタンパク質も必要である。リボヌクレオシド二リン酸（NDP）は、チオレドキシンによってデオキシリボヌクレオシド二リン酸（dNTP）に還元される。

一般的な反応は次のとおりです。 リボヌクレオシド二リン酸 + NADPH + H ⁺ →デオキシリボヌクレオシド二リン酸 + NADP ⁺ + H ₂ O ^{[ 11 ]}

この式を説明するために、dATPとdGTPはそれぞれADPとGDPから合成されます。これらはまずRNRによって還元され、次にヌクレオシド二リン酸キナーゼによってリン酸化されてdATPとdGTPになります。リボヌクレオチド還元酵素はアロステリック相互作用によって制御されます。dATPがリボヌクレオチド還元酵素に結合すると、デオキシリボヌクレオチドが豊富にあることを示すため、酵素の全体的な触媒活性が低下します。このフィードバック阻害はATPが結合すると解除されます。^{[ 12 ]}

DNA合成中、DNAポリメラーゼは、デオキシリボヌクレオチドに比べてはるかに高濃度で存在するリボヌクレオチドを選択的に排除する必要があります。生物のゲノムを維持するためにはDNA複製が正確でなければならないため、選択性があることが非常に重要です。YファミリーDNAポリメラーゼの活性部位は、リボヌクレオチドに対する高い選択性を維持する役割を担っていることが示されています。^{[ 13 ]}ほとんどのDNAポリメラーゼは、リボース環の2'-ヒドロキシル基を立体的にブロックできるかさ高い側鎖残基を介して、活性部位からリボヌクレオチドを排除する機能も備えています。しかし、多くの核複製および修復DNAポリメラーゼはリボヌクレオチドをDNAに取り込むため、^{[ 14 ] [ 15 ]}排除機構は完全ではないことが示唆されます。^{[ 16 ]}

リボヌクレオチドは、生物体内でより小さな分子からde novo経路で合成されるか、サルベージ経路でリサイクルされる。de novo経路の場合、プリンとピリミジンの両方が、アミノ酸の前駆体、リボース-5-リン酸、CO ₂、およびNH ₃由来の成分から合成される。^{[ 17 ] [ 12 ]}

プリンヌクレオチドのde novo生合成は、いくつかの酵素反応からなるかなり複雑なプロセスです。5つの環状糖構造を基本として、プリン環は11段階のプロセスを経て、一度に数個の原子ずつ構築され、イノシン酸（IMP）が形成されます。基本的に、IMPは核酸合成に必要なプリンヌクレオチドに変換されます。^{[ 1 ]}

この経路は、リボース-5-リン酸（R5P）がリボースリン酸ジホスホキナーゼ（PRPS1）酵素によってホスホリボシルピロリン酸（PRPP）に変換されることから始まります。次に、グルタミンがPRPPのC-1にアミノ基を供与することで、PRPPは5-ホスホリボシルアミン（5-PRA）に変換されます。縮合反応では、GARシンテターゼ酵素がグリシンとATPとともに、5-PRAのグリシンカルボキシラーゼ基を活性化してグリシンアミドリボヌクレオチド（GAR）を形成します。補酵素N10-ホルミル-THFがGARトランスホルミラーゼ酵素とともに、GARのグリシンのアミノ基に1炭素単位を供与し、続いてFGARアミドトランスフェラーゼ酵素によるグルタミンの付加により、ホルミルグリシンアミジンリボヌクレオチド（FGAM）が形成されます。 FGAMシクラーゼ酵素によるFGAMの脱水により、イミダゾール環が閉じ、5-アミノイミダゾールリボヌクレオチド（AIR）が生成される。N5-CAIRシンテターゼによりAIRにカルボキシル基が付加され、N5-カルボキシアミノイミダゾールリボヌクレオチド（N5-CAIR）が生成される。その後、N5-CAIRムターゼ酵素によりカルボキシアミノイミダゾールリボヌクレオチド（CAIR）に変換される。SAICARシンテターゼ酵素は、アスパラギン酸のアミノ基とともにアミド結合を形成し、N-スクシニル-5-アミノイミダゾール-4-カルボキサミドリボヌクレオチド（SAICAR）を生成する。さらに経路を進むと、SAICARリアーゼによりアスパラギン酸の炭素骨格が除去され、5-アミノイミダゾール-4-カルボキサミドリボヌクレオチド（AICAR）が生成される。酵素AICARトランスホルミラーゼは、N10-ホルミルテトラヒドロ葉酸からの最終的な炭素転移を助け、N-ホルミルアミノイミダゾール-4-カルボキサミドリボヌクレオチド（FAICAR）を形成する。最後に、2番目の環状構造の閉鎖はIMPシンターゼによって行われ、IMPが形成される。IMPの運命はプリンヌクレオチドの形成につながる。^{[ 1 ]}

ピリミジンヌクレオチドの合成は、はるかに単純なプロセスです。ピリミジン環の形成は、アスパラギン酸がカルバモイルリン酸との縮合反応を経てN-カルバモイルアスパラギン酸に変換されることから始まります。次に、ジヒドロオロターゼとジヒドロオロターゼ脱水素酵素がN-カルバモイルアスパラギン酸をオロチン酸に変換します。オロチン酸は、オロチン酸ホスホリボシルトランスフェラーゼによってホスホリボシルピロリン酸（PRPP）と共有結合し、オロチジン一リン酸（OMP）を生成します。OMPは、オロチジル酸脱炭酸酵素による脱炭酸を経て、ウリジル酸（UMP）リボヌクレオチド構造を形成します。UMPは、2つのキナーゼ反応によってウリジン-5'-三リン酸（UTP）に変換されます。UTPからシチジン-5'-三リン酸（CTP）を生成するには、アシルリン酸中間体を介してシチジル酸シンテターゼが関与します。^{[ 1 ]}