核酸(DNAとRNAの違い)、DNAの構造と役割(タンパク質の合成)

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kakusan@2x
ヌクレオシド}} 五炭糖}}と有機塩基}}が脱水縮合した化合物. \\[.5zh]  \textbf{\textcolor{blue}{ヌクレオチド}} \textbf{\textcolor{orange}{五炭糖}},\ \textbf{\textcolor{cyan}{リン酸}},\ 有機塩基}}が脱水縮合した化合物.\ {\small nucleo(核の)tide(結ばれた).} \\\\ 核酸}} 多数のヌクレオチドが脱水縮合した\textbf{\textcolor{blue}{ポリヌクレオチド}}.\ 細胞の\.{核}にある\.{酸}性物質. \\[.2zh]     \textbf{\textcolor{magenta}{生物の遺伝を支配}}する重要な高分子化合物で,\ DNA(下図)とRNAがある. \\\\ \bm{リン酸\ce{H3PO4}\,の\ce{OH}基と五炭糖の3位や5位の\ce{OH}基の\ce{H}が交互に脱水縮合する.} \\[.4zh] リン酸\ce{H3PO4}\,は,\ 構造式を考えるときや脱水させるときは\ce{PO(OH)3}\,とみなすとわかりやすい. \\[.4zh] こうしてできる分子鎖が\text{DNAやRNA}の主鎖となる. \\[.2zh] また,\ \bm{五炭糖の1位の\ce{OH}基(橙)は,\ 核酸塩基のイミノ基\ce{NH}の\ce{H}との間で脱水縮合する.} \\ 構造 & \textcolor{red}{2本鎖(二重らせん)} & 1本鎖 \\\hline 存在 & 核 & 核と細胞質 \\\hline 役割 & 遺伝子本体.\ 遺伝情報の保持,\ 複製. & タンパク質の合成.\ 遺伝情報の転写,\ 翻訳. 核酸塩基(有機塩基DNAとRNAで共通(アミノ基\ce{- NH2}\,をもつアデニン(\ce{A})グアニン(\ce{G})シトシン(\ce{Cチミン(\ce{T})ウラシル(\ce{U})(デオキシリボ核酸){RNA}(リボ核酸)  \text{DNA}を構成するデオキシリボース(\ce{C5H10O4})は,\ リボース(\ce{C5H10O5})より\ce{O}が1つ少ない. \\[.4zh] 『デオキシ(\text{deoxy)』は『de(脱)\,-\,oxygen(酸素)』}の意味である. \\[1zh] \text{DNAとRNAでは,\ 1種類だけ含まれる核酸塩基が異なる.} \\[.2zh] チミン(\text{\ce{T}})は,\ ウラシル(\text{\ce{U}})の\ce{H}\,1個がメチル基\ce{CH3}\,に置換したメチルウラシルである. \\[.2zh] 核酸塩基の構造式を書ける必要はないが,\ 構造式を見て名称がわかるようにはしておきたい.   2本のポリヌクレオチド鎖が\textbf{\textcolor{red}{塩基間の水素結合}}によって1本の\textbf{\textcolor{blue}{二重らせん構造}}を作る. \\[.2zh]   このとき,\ \textbf{水素結合の対になる核酸塩基は互いに決まっている}(\textbf{\textcolor{blue}{相補性}}). \\[.2zh]   \textbf{\textcolor{magenta}{アデニン(\ce{A})}と\textcolor{cyan}{チミン(\ce{T})}{\small または}\textcolor{red}{ウラシル(\ce{U})}}は,\ \textbf{\textcolor{blue}{2本の水素結合}}を作って結合する. \\[.2zh]   \textbf{\textcolor{ForestGreen}{グアニン(\ce{G})}と\textcolor{Purple}{シトシン(\ce{C})}}は,\ \textbf{\textcolor{blue}{3本の水素結合}}を作って結合する. \\[.2zh]   対になるので,\ \textbf{\textcolor{red}{\ce{A}と\ce{T},\ \ce{G}と\ce{C}は常に同じ物質量ずつ存在する}}(\textbf{\textcolor{blue}{シャルガフの法則}}). \\[.2zh]   DNA\,2本鎖を1本鎖にするとき,\ \textbf{\textcolor{BrickRed}{水素結合3本の\ce{G}と\ce{C}の割合が多いほど高温が要る.}} \\[.2zh]   なお,\ 核酸塩基のどの部分で水素結合を作るかは覚えておく必要がある. \\\\ DNAの役割\maru1 自己複製}} \\[1zh]   細胞分裂時,\ 二重らせん構造を作るポリヌクレオチド鎖がほどかれ,\ 2本の1本鎖となる. \\[.2zh]   1本となった各鎖の塩基に対応する塩基をもつ新しいヌクレオチドが結合していく. \\[.2zh]   ペアが決まっているので,\ 同じ塩基配列の二重らせん構造が2組できあがる(複製完了). \\\\ DNAには,\ \textbf{\textcolor{ForestGreen}{4種類の塩基(\ce{A},\ \ce{T},\ \ce{G},\ \ce{C})の\.{配}\.{列}が遺伝情報として組み込まれている.}} \\[.2zh]   この遺伝情報は,\ \textbf{\textcolor{red}{タンパク質のアミノ酸の配列順序}}を指定している. \\[1zh]  [1]\ \ 細胞の核内で,\ \textbf{\textcolor{red}{DNAのもつ遺伝情報(塩基配列)がmRNAに\textbf{\textcolor{blue}{転写}}される.}} \\[.2zh] \phantom{ [1]}\ \ このとき,\ まずDNAの必要な部分のみ二重らせんがほどける. \\[.2zh] \phantom{ [1]}\ \ そのうちの1本を鋳型として相補的な塩基配列をもつmRNAが合成される. \\[.2zh] \phantom{ [1]}\ \ 例として,\ あるDNAの塩基配列が『\textbf{\ce{GAAGGCGCATGT}}』であるとしよう. \\[.2zh] \phantom{ [1]}\ \ DNAの塩基\textbf{\ce{A},\ \ce{T},\ \ce{G},\ \ce{C}}と相補的なRNAの塩基はそれぞれ\textbf{\textcolor{red}{\ce{U}},\ \ce{A},\ \ce{C},\ \ce{G}}である. \\[.2zh] \phantom{ [1]}\ \ よって,\ 塩基配列『\textbf{\ce{CUUCCGCGUACA}}』をもつmRNAが合成される. \\\\ \centerline{\includegraphics[width=14cm]{protein-gousei.eps}} \\\\  [2]\ \ 合成されたmRNAは,\ 核から出て細胞内の\textbf{\textcolor{blue}{リボソーム}}(タンパク質合成場)に移動する. \\[.2zh] \phantom{ [1]}\ \ DNAとRNAは,\ 塩基配列3組(\textbf{コドン}という)で1つのアミノ酸を指定している. \\[.2zh] \phantom{ [1]}\ \ また,\ tRNAは3個の塩基を持っており,\ 特定のアミノ酸と結合している. \\[.2zh] \phantom{ [1]}\ \ \textbf{\textcolor{red}{mRNAと相補的なtRNAが,\ 対応するアミノ酸をリボソームに運んでくる.}} \\[.2zh] \phantom{ [1]}\ \ [1]に続けて,\ mRNAの塩基配列が『\textbf{\ce{CUU}},\ \textbf{\ce{CCG}},\ \textbf{\ce{CGU}},\ \textbf{\ce{ACA}}』であるとしよう. \\[.2zh] \phantom{ [1]}\ \ このmRNAには,\ 4個の相補的なtRNA『\textbf{\ce{GAA}}』『\textbf{\ce{GGC}}』『\textbf{\ce{GCA}}』『\textbf{\ce{UGU}}』が対応する. \\[.2zh] \phantom{ [1]}\ \ \scalebox{0.98}[1]{それぞれ,\ グルタミン酸,\ グリシン,\ アラニン,\ システインと結合しているtRNAである.} \\[1zh]  [3]\ \ リボソームで\textbf{\textcolor{red}{rRNAの働きでアミノ酸がペプチド結合し,\ タンパク質ができる}}(\textbf{\textcolor{blue}{翻訳}}). \\[.2zh] \phantom{ [1]}\ \ 結局,\ DNA『\textbf{\ce{GAAGGCGCATGT}}』から次のタンパク質が合成される. \\[.5zh] \centerline{\textbf{\fbox{グルタミン酸}—\fbox{グリシン}—\fbox{アラニン}—\fbox{システイン}}} \\\\\\ \textbf{mRNA}は,\ \textbf{メッセンジャーRNA}や\textbf{伝令RNA}ともいう. \\[.2zh] \textbf{tRNA}は,\ \textbf{トランスファーRNA}や\textbf{運搬RNA}ともいう. \\[.2zh] \textbf{rRNA}は,\ \textbf{リボソームRNA}ともいう. \\[1zh] 核酸塩基4種(\ce{A},\ \ce{T},\ \ce{G},\ \ce{C})の3つの配列は4^3=64通りある. \\[.2zh] タンパク質を構成するアミノ酸は20種なので,\ その指定に塩基は4種で十分に事足りる. ヒトは37兆個の細胞から成り立ち,\ 1つの体細胞には60億塩基対のDNAが存在する. \\[.2zh] \hspace{.5zw}ヒトのDNAの4つの塩基中のグアニンの割合を20\%とする. 鎖状に縮合した状態に \\[.2zh] \hspace{.5zw}おける,\ アデニン, グアニン, シトシン, チミンを塩基としたヌクレオチド単位のそれ \\[.2zh] \hspace{.5zw}ぞれの式量を313,\ 329,\ 289,\ 304,\ アボガドロ定数を$N_{\text A}=6.0\times10^{23}$/molとする. \\[1zh] \hspace{.5zw}(1)\ \ DNAの二重らせんは,\ 長さ3.4\,nmで1回転し,\ その中に塩基対を約10個を含む. \\[.2zh] \hspace{.5zw}\phantom{(1)}\ \ 二重らせんの長さは何mか. \\[1zh] \hspace{.5zw}(2)\ \ ヌクレオチド単位1個の平均式量を有効数字3桁で求めよ. \\[1zh] \hspace{.5zw}(3)\ \ 1つの体細胞が有するDNAの質量とヒト1人が有するDNAの総質量を有効数字 \\[.2zh] \hspace{.5zw}\phantom{(1)}\ \ 2桁で求めよ. \\ アデニン(\ce{A})とチミン(\ce{T}),\ グアニン(\ce{G})とシトシン(\ce{C})はそれぞれ同じ割合}含まれる.} \\[.2zh] \phantom{ (1)}\ \ \textcolor{magenta}{グアニン(\ce{G})の割合が20\%}であるから,\ \textcolor{cyan}{シトシン(\ce{C})の割合も20\%}である. \\[.2zh] \phantom{ (1)}\ \ 残りは60\%であるから,\ \textcolor{forestgreen}{アデニン(\ce{A})の割合30\%},\ \textcolor{orange}{チミン(\ce{T})の割合30\%}である. \\[1zh]  (3)\ \ 1つの細胞内のDNAの質量は \\[.5zh] \text{m}\,(ミリ):10^{-3} \mu\,(マイクロ):10^{-6} \text{n}\,(ナノ):10^{-9}   億:10^8 兆:10^{12} \\[1zh] (1)\ \ ヒトの細胞は0.02\,\text{mm},\ 細胞核はわずか5\,~\,10\,\mu\text{m}ほどである. \\[.2zh] \phantom{(1)}\ \ その小さな細胞核の中に2\,\text{m}以上もの長さの\text{DNA}が折りたたまれた状態で収納されている. \\[.2zh] \phantom{(1)}\ \ また,\ ヒト1人の\text{DNA}の全長は 2.04\,\text m\times37兆\kinzi76兆\,\text m \\[.2zh] \phantom{(1)}\ \ 76兆\,\text m=760億\text{km}は,\ 太陽と地球の距離1.5億\text{km}の約500倍である. \\[1zh] (3)\ \ 1つの塩基対の中では,\ 2つのヌクレオチドが対をなしている. \\[.2zh] \phantom{(1)}\ \ よって,\ 60億塩基対の\text{DNA}の中に120億個のヌクレオチドが含まれる. \\[.2zh] \phantom{(1)}\ \ アボガドロ数で割るとヌクレオチドの物質量(\text{mol})が求まる.