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細胞内では

真正細菌において核DNAは通常環状DNAとしてむき出しの状態で存在していて、細胞質で核様体を形成します。また、プラスミドと呼ばれる核外の環状DNAが存在することもあります。
真核生物においては細胞核内に線状DNAとして存在し、ヒストンと結合して染色体を形成しています。動物細胞は直径が1000分の5ミリメートル程しかありませんが、その中のDNAをつなげてまっすぐに伸ばすと2メートルにも達するため、普段は非常に高度に折りたたまれています。染色体はヒストンによってDNAを収納するための箱といえます。DNA合成酵素は、DNA合成の際にプライマーと呼ばれる短鎖RNAを必要とし、プライマーは後に除去されてしまうため、線状DNAはDNA合成の度に短くなってしまうことになりますが、これを防ぐために末端修復酵素が働いて短くなった分を補うようになっています。

古細菌は真正細菌と同じように環状DNAとして細胞質に存在しますが、真核生物と同じようにヒストン様タンパクと結合してクロマチン様構造をとります。またオルガネラでもミトコンドリアや葉緑体は独自のDNAを持ちます。このことがオルガネラの由来に関する膜進化説に対する細胞内共生説の証拠であるとされています。細菌や酵母などではDNAは環状のプラスミドとして存在します。

DNAとRNAの違いとは

DNAとRNAはともにヌクレオチドの重合体である核酸ですが、両者の生体内の役割は明確に異なります。

DNAは主に核の中で情報の蓄積・保存
RNAはその情報の一時的な処理を担い、DNAと比べて、必要に応じて合成・分解される頻度は顕著である

DNAとRNAの化学構造の違いにおいて第一に意味することは「RNAはDNAに比べて不安定」であるということで、両者の安定の度合いの違いがDNAは静的でRNAは動的な印象を与えています。

【DNAとRNAの化学構造の相違について】
DNAとRNAの化学構造の違いの第一は、構成糖がRNAはリボースで、リボースから2′位の水酸基で酸素が一つ少ない2′-デオキシリボースであることです。これにより、構成糖の立体配座が異なります。DNAではリボースがC2′-エンド形構造を取ることが多いのですが、RNAでは2′位のヒドロキシ基の存在により立体障害が生じ、リボースがC3′-エンド型構造を取り。そのためDNAはB型らせん構造を取りやすく、RNAはA型らせん構造を取りやすくなるという違いが生じるのです。この結果RNAのらせん構造は主溝が深く狭く、副溝が浅く広くなります。

1本鎖RNAでは2′位のヒドロキシ基が比較的柔軟な構造を取り反応性もあるため、DNAと比較すると不安定となります。水酸基の酸素には孤立電子対が2つあるため負の電荷を帯びており、DNAと比べて不安定です。この特性から、翻訳の役割を終えたmRNAを直ちに分解することが可能となります。安定RNAでは1本鎖に水素結合を形成し、らせん構造となるなど、多様な二次構造、三次構造を取り、安定性を増しています。

糖に結合している塩基にも違いがあります。DNAはA、C、G、Tですが、RNAはTがUに替わっています。ただし、DNA上にもUが稀に生じることがあり、塩基にTではなくUを用いるDNAを持つ生物も存在します。圧倒的大多数の生物でDNAの構成塩基にUではなくTが用いられるのは、同じピリミジン塩基であるCは自然の状態でも脱アミノ化することでUに置き換わることがあるからで、U-DNAは頻繁に塩基配列が変化し、またそれを防ぐためには、損傷してUに変化したCと元々がUであるのと識別する必要があるという問題がある。TはUの2′にメチル基がついている構造をしている。メチル基は水素結合に係わるものの他の原子には殆ど反応しない。また、Uに比較してCからは容易に生じず、Cの損傷によって生じたUを容易に検出できる。 以上より、DNAではUではなくTが用いられていますが、ウラシルはチミンよりエネルギー的に有利であるため、RNAではウラシルが用いられています。

【DNAとRNAの物理化学的性質の相違について】
DNAとRNAはともに紫外線である波長260nm付近に吸収極大を持ち、230nm付近に吸収極小を持ちます。この吸光度はタンパク質の280nmよりもずっと大きいのですが、これはDNAとRNAの塩基はプリンまたはピリミジンに由来するためです。ただし、二重らせん構造のDNAの場合、溶液を加熱するとその吸光度は増します。これは、DNAは規則正しい2重らせん構造ゆえ、全体の吸光度は個々の塩基の吸光度の総和より小さいのですが、熱によって水素結合が切れ、核酸の変性により2重らせん構造が解け、個々の塩基が自由になり、独自に光を吸収するためです。

二重らせんとは

二重螺旋(にじゅうらせん)は、DNAが生細胞中でとっている立体構造のこと。2本のDNA鎖が互いに絡み合うような形で存在するこの構造は、遺伝子の物理的実体がDNAであることを決定付けた最後の証拠となりました。

DNAの構造は、分子模型を構築する手法を用いて1953年にジェームズ・ワトソンとフランシス・クリックによって提唱されました。このDNA分子模型の構築は、モーリス・ウィルキンスとロザリンド・フランクリンによってすすめられていたX線結晶構造解析の画像及び、解析情報やエルヴィン・シャルガフによって示されていたDNA塩基存在比の法則などのDNAに関する既知情報をすべて満足させるように配慮しながら行われました。当時、既にDNAが遺伝物質の正体であることは実験的に示されていましたが、複雑な遺伝情報を単純な物質であるDNA が担っているという考えには批判も多く、複雑なタンパク質こそが遺伝物質であるという意見も強かくあったそうです。DNAの構造が決定されたことで、遺伝がDNAの複製によって起こることや塩基配列が遺伝情報であることが見事に説明できるようになり、またその後の分子生物学の発展にも大きな影響を与えるパラダイムシフトとなりました。

【二重らせんの構造】
二重らせんはDNAに関する多くの研究の中からたどり着いた最も理想的なモデルですが、その構造には7つの重要な特徴が強調されます。

[1.]二重らせんは2本のポリヌクレオチドから形成される。
[2.]プリンおよびピリミジン環は二重らせんの内部に配向している。
[3.]相補的な関係にある塩基は水素結合によって結ばれている。
[4.]らせん1回転あたり10.4塩基対存在する。
[5.]二重らせんの2本のポリヌクレオチドはそれぞれ方向が逆である(逆平行である)。
[6.]二重らせんには主溝と副溝の2種類の溝がある。 [7.]二重らせんは右巻き(右手)である(右方向へまわりながら下る螺旋階段をイメージ)。

以上が二重らせんの特徴です。

DNAは主に水分の含有率によってサイズの異なる二重らせんを示すこともあります。DNAの周囲に存在する水分子を減らすことによってプリン、ピリミジン塩基の位置が多少変化することにより立体構造が変わってくると考えられています。 現在、A-、B-、C-、D-、E-、Z-の6つが見つかっていますが、水分の量を調節すればこの先更に見つかると考えられます。中でも重要なのが生体内で取るべき形状で、それらはA-、B-、Z-です。 主な特徴は、
A-:右巻き、1回転あたり塩基数11、塩基対間距離2.6Å、らせんの直径23Å、湿度75%時にとる立体構造
B-:右巻き、1回転あたり塩基数10、塩基対間距離3.4Å、らせんの直径20Å、湿度92%時にとる立体構造、生体内では最も一般的な構造
Z-:左巻き、1回転あたり塩基数12、塩基対間距離3.7Å、らせんの直径18Å、グアニンとシトシンの繰り返し配列の時にとる立体構造
一般的な二重らせんはB型ですが、A型は二本鎖RNAでとることがるそうです。Z型はZ-DNA領域と呼ばれる配列が染色体内で見つかり、生体内でこのような構造を取っている可能性が示唆されています。