Deoxyribonucleic acid（DNA）は、ほぼすべての生物において遺伝情報の担い手となる分子です。 DNAは細胞の核の中にあり、ヒストンと呼ばれるいくつかのタンパク質の助けを借りて、染色体というコンパクトな形にパッケージされています。 また、ミトコンドリアと呼ばれる細胞構造体にも存在する。 しかし、原核生物の場合、DNAは核や膜に包まれておらず、細胞質内に存在しています。 原核生物のDNAは一般に円形でスーパーコイル状であり、ヒストンは存在しない。 DNAは、遺伝情報をヌクレオチドの配列として、タンパク質を作るための遺伝子と呼ばれる特別な領域に格納している。 遺伝情報がタンパク質に変換される過程は2段階あり、DNAのヌクレオチド配列は転写という過程によってリボ核酸またはRNAという分子に変換される。 RNAは翻訳という別のプロセスでタンパク質を作るために使われる。 ヒトゲノムは、23本の染色体上に約3-109個の塩基と約2万個の遺伝子が存在します。

DNAは、1869年にドイツの生化学者Frederich Miescherによって初めて発見されました。 Erwin Chargaff、James Watson、Francis Crick、Maurice Wilkins、Rosalind Franklin の研究により、DNA の構造は 1953 年に発見されました。 DNAの構造は、2本の相補的なポリヌクレオチドが反対方向に走り、その間を水素結合でつないでいます。 この構造は、細胞分裂の際にDNAが自己複製するのを助け、また転写の際に1本の鎖が鋳型として機能するのを助ける。

• 1 DNA分子の特徴
  • 1.1 二重らせん
  • 1.1 二重らせん
  • 1.2 補欠塩基
  • 1.3 DNAの変性と再変性
  • 1.4 溝
• 2 生物機能
  • 2.1 複製
  • 2.2 転写と翻訳

3 DNAの形

• 4 DNA構造の歴史
• 5 DNAモデル

DNA分子の特徴

二重螺旋

二つのポリヌクレオチドの鎖、.からなる。 DNAの5’側にはプリンまたはピリミジンがβ-グリコシド結合で結合している。 リボースは、DNAがどのような形態で存在するかを決定する主な要因である。 この図はBのDNAですが、2’炭素は5員環の他のメンバーの平面から外れています。 塩基の種類は、2つの二重環状プリン塩基と2つの一重環状ピリミジン塩基と.の4種類です。 一部の窒素原子と酸素原子上の水素原子は互変異性シフトを起こすことができます。 互変異性体の形成に関与する窒素原子はアミノ基またはイミノ基として現れ、酸素原子はケト型またはエノール型となる。 単離したチミンを使って、アミノ基とケト基を説明します。 アミノ基とケト基は、DNAの生物学的機能にとって非常に重要で、デオキシリボースとの水素結合の特異性をもたらし、その結果、塩基対の相補性につながります。 イミノ窒素は水素結合において供与原子としてのみ機能するが、アミノ窒素は受容原子としても機能することができる。 DNA鎖の各ヌクレオチドは、.NMRを介して他のヌクレオチドと結合している。 DNAには4つのヌクレオチドが存在します。 A C G T

Purines Pyrimidines

Complementary Bases

DNAの2本の鎖は、特定の塩基間の水素結合で結合している。 アデニンはチミンと、グアニンはシトシンと塩基対を形成しています。 この特定の塩基間の塩基対はワトソン・クリック塩基対と呼ばれる。 塩基間の水素結合の特異性により、2つの鎖のヌクレオチドの配列が相補的になる。 したがって、1本のDNAでは、アデニンの含有量はチミンの含有量と等しく、グアニンの含有量はシトシンの含有量と等しくなっている。 一般に、DNAの塩基配列は、チミンが多いほど安定で、塩基の積み重ねによって安定化します。 これをDNAの変性という。 DNAを溶かしたり変性させるためには、加熱による熱エネルギーを利用することができる。 GCを多く含む分子は、ATを多く含む分子に比べて安定であるため、より高い温度で変性する。 融解温度は、DNA鎖の半分が二重らせん状態になり、半分がランダムコイル状態になる温度と定義される。 変性したDNA一本鎖は再び二本鎖になる性質がある。 このため、糖-リン酸塩基の間隔が不揃いになり、幅と深さの異なる2つの溝、「ザ」と「ザ」が生じます。 小溝は表面にあり、大溝はその反対側にある。 大溝の床または表面は、小溝で満たされています。 大溝のサイズが大きいと、DNAに特異的なタンパク質が結合することが可能になります。 複製は、二重らせんの巻き戻しと、そこから始まるプライマーの合成によって進行する。

転写と翻訳

遺伝子をタンパク質に発現させるプロセスは、転写と翻訳という2つの段階を経て行われます。 転写の段階では、DNA分子の鎖がメッセンジャーRNAと呼ばれるRNA分子を合成するための鋳型として機能する。 このメッセンジャーRNAは、次にリボソーム上でタンパク質に翻訳されます。

DNAの形

異なるDNAの形の比較は、DNAの形を参照してください。

DNA構造の歴史

以下の要約は許可を得てAtlas of Macromoleculesからコピーした：

遺伝子は1944年にDNAに存在することが示され（Averyら）、これは1952年のHersheyとChaseの実験後に広く受け入れられるようになりました。 DNAの二重らせん構造は、1953年にJames WatsonとFrancis Crickによって予測された（1962年ノーベル賞受賞）。 この予測は、ロザリンド・フランクリンによるX線回折実験に基づいており、ワトソンとモーリス・ウィルキンスには十分な謝意が示されていた。 予測されたBフォーム二重らせんが原子分解能の結晶構造で確認されたのは1973年になってからで、最初はRNAのジヌクレオチドを用いたものだった（Rosenberg et al.） 二重らせんの1回転以上を含む最初の結晶構造は、1980年まで解明されませんでした（1bna、1981年、12塩基対）。 予測から経験的な確認までの四半世紀以上の遅れには、高分子用のX線結晶学の発達と、結晶化のために短く定義されたDNA配列を作成する必要性がありました。 この簡単な説明は、Berman、Gelbin、Westbrookによるレビューに基づいており、参考文献はこちらでご覧いただけます。

DNAのモデル

本論文のシーンで使用したDNAのモデルは理論上のモデル（Image:B-DNA.pdb）で、Protein Data Bankでは公開されていない。 このPDBファイルは特定のPDBフォーマット規則に従っていません：

• 塩基は標準的なDA、DC、DG、DTではなく、ADE、CYT、GUA、THYと指定されています
• 鎖に名前が付けられていません。

1本の鎖には1-12番の残基があり、CGCG AATT CGCGの順になっています。

理論的なモデルは一般的に理想的なDNAの構造を表していますが、実際のDNAはねじれや曲がりなど様々な不規則性を持っています（Lacリプレッサーに結合した例を見てください）。 DNAの経験的モデルは数多くあり、最初のものは1970年代から80年代にかけて利用可能になりました（上記参照）。 2012年5月現在、Protein Data BankにはDNAを含む4,000近くのエントリーがあります。 1,300件以上がDNAのみを含み、2,000件以上がタンパク質-DNA複合体を含んでいます。 100 以上のエントリがタンパク質、DNA、RNA を含み、100 以上のエントリが DNA/RNA 複合体を含みます。

DNA のインタラクティブな視覚化については、9 言語で利用可能なチュートリアルである DNA.MolviZ.Org を参照してください。