DNAとは

DNAとは

DNAとは、すなわちデオキシリボ核酸と呼ばれる分子の集合体です。

デオキシリボ核酸とはデオキシリボースと呼ばれる五炭糖とリン酸、そしてアデニン(A)・チミン(T)・グアニン(G)・シトシン(C)といった塩基の集合体(ヌクレオチド)を1つの単位とします。

よって、厳密にはDNAとはデオキシリボース+リン酸+AorTorGorCという分子の集合体の1つに過ぎないものですが、ゲノムとはで説明させていただいたとおり、A・T・G・Cの塩基の並び順が存在してはじめてヒトの外見上・内面状の個性を引き出すゲノムになるわけですから、デオキシリボ核酸の1単位だけではゲノムの意味を成しません。

従いまして、当サイトではデオキシリボース+リン酸+AorTorGorCという分子の集合体が繋がった、ゲノム上意味のある塩基配列(塩基の並び順)を持つ物質をDNAと称します。
DNAを構成する化学物質を示すイラスト

DNAの構造

染色体とはで簡単に説明をいたしましたが、染色体をほどいていくとひも状の物質が現れます。

このひも状の物質を拡大して見てみると、DNAがヒストンと呼ばれる無数のタンパク質に巻きつくように収容されていて、さらにDNAが巻き付いたヒストン同士が互いに密接して連結されるような形で凝縮されてひも形状を構成しています。
このDNAが巻き付いたヒストンをヌクレオソーム、ヌクレオソームが連結された部位をクロマチンと呼びます。

従って、染色体をほどいて現れたクロマチンから結合したヒストン同士を離し、ヒストンに巻きついたDNAをほどいてあげることで、やっとDNAが姿を現します。
染色体からDNAをほどいたときの様子を示すイラスト

このDNAをさらに拡大して見てみると、DNAは2本の鎖がらせん状に対をなす構造をしていることが確認できます。
2本の鎖はそれぞれデオキシリボース(五炭糖)とリン酸が交互に結合することにより外側の骨組み(以下の画像のピンク色で表示した部分)を形成し、さらにデオキシリボースにはA・T・G・Cいずれかの塩基が結合した状態で構成されています。
そして骨組み部分は、デオキシリボースの5番目の炭素がリン酸を介し、次のデオキシリボースの3番目の炭素につながっていくという5’⇨3’への方向性が存在しています。
また塩基同士には相性があって、AとT、GとCがそれぞれ水素結合をしやすいという性質(相補性)を持っていますので、AにはT、GにはCという塩基がそれぞれ対をなす形で2本の鎖が二重らせん形状を構成しています。
この時対になるDNA鎖の骨組み部分の方向性は、一方が5’⇨3’、他方が3’⇨5’という形で反対方向を向いています。

以下のDNA2本鎖の配列を元に図で説明していきます。
5’- AAACGGTACCTGCCA -3′
3’- TTTGCCATGGACGGT -5′
DNAを拡大した様子を示すイラスト
上図のらせん状のDNAをほどいてまっすぐな状態にすると、2本の鎖それぞれの塩基配列が姿を現すことになります。
一方の鎖に結びついた塩基の並び順がゲノムそのものを示す塩基配列で、他方の鎖に結びついた塩基の並び順がゲノムそのものを示す塩基配列と相補性を持つ塩基配列となります。
このゲノムそのものを示す塩基配列を持ったDNA鎖をセンス鎖、センス鎖と相補性を持つ塩基配列を持ったDNA鎖をアンチセンス鎖と呼びます。
アンチセンス鎖の塩基配列はゲノム情報と関係ないものですので存在意義がないように感じますが、DNAをコピーする過程において大きな役割を果たします。
らせんを解いた状態のDNAの様子を示すイラスト
ヒトのゲノムは約30億個の塩基配列から構成されていますので、アンチセンス鎖の塩基を含めると、DNAは約60億個の塩基からなる、約30億塩基対で構成された物質といえます。

DNAが複製される仕組み

染色体とはで説明させていただいたとおり、ヒトの体はたった1つの卵細胞から始まり、細胞分裂を繰り返すことでヒトを形成し大きく成長していきます。また成人した後も新陳代謝による細胞分裂が絶えず繰り返されています。

ヒトを構成する約37.2兆個もの細胞にはそれぞれひとつひとつにゲノムが含まれていることから、細胞分裂の過程においてゲノムの量が2倍になり、2倍になったゲノムが均等に分裂後の細胞に振り分けられなければいけません。

従って、ゲノムを物質化したものがDNAですので、細胞分裂時においてDNAが2倍になって均等に振り分けられなければ、一方の細胞にDNAが存在しなかったり、あるいは分裂した両方の細胞に含まれるDNAの量が半分になってしまうことになります。

従って、細胞分裂時にDNAは2倍の量になって均等に振り分けられているわけですが、この時に大きな意味を持ってくるのがDNAの2本鎖からなる構成と、それぞれの鎖に結びついた塩基同士の相補性です。

染色体とはで説明したとおり、細胞分裂のS期(準備期)においてゲノムの量が2倍に増幅するわけですが、このとき物質的には以下のような手順でDNAが2倍の量に増えていきます。
本来DNAは相当長い塩基配列を持つものですが、そのまま簡略化して図示させていただきます。

①まず、DNAはらせん状の2本の鎖をほどきながら2本の鎖の間で対になっている塩基の結合を解除していきます。
 DNAがらせんを解きながら塩基の結合を解除していく様子を示すイラスト
②塩基同士の結合が解除されますので、解除された2本の鎖それぞれの塩基には新たな塩基が結合する余白が生まれます。
塩基の結合を解除したDNAに新たなDNAが結合する余白が生まれた状態を示すイラスト
③フリーになった2本のDNA鎖に対して、相補性のある塩基を持った新たなDNA鎖が結合し、元々あったDNA鎖の一方と新たに生成したDNA鎖の2本で二重らせん形状を構築していきます。
このとき新たなDNA鎖は5’⇨3’の方向に構築されていきます。
下図の状況で説明すると以下のような順番で新たなDNA鎖が構築されていきます。
5’- AAACGGTACCTGCCA -3′
3’-              ←CGGT -5′

3’- TTTGCCATGGACGGT -5′
5’-                →GCCA -3′

つまり、5’⇨3’のDNA鎖に対応する新たなDNA鎖は連続的に構築されていき、3’⇨5’のDNA鎖に対応する新たなDNA鎖は断片的に構築されていくことになります。
塩基の結合を解除したDNA鎖に新たなDNA鎖が構築されていく様子を示したイラスト
④上記の作業が終わると、元々あったDNA鎖と新たなDNA鎖の2本鎖で構築されたDNAが2本作成されますので、元々あったDNAと同じ塩基配列をもったDNAが1本から2本に増えることになります。
元々あったDNAと同じ塩基配列を持つDNAが2本に増えた様子を示すイラスト
上記のとおり、DNAが2本の相補性を持つ塩基配列を持った鎖から構成されていることによって、それぞれの鎖が鋳型の働きをして他方の鎖を新たに構築することができるため、新たな2本のDNAを生み出すことができ、安定的な細胞分裂を可能としています。

DNAでゲノム情報を読み取る仕組み

ヒトのカラダは臓器・脳・骨・筋肉・皮膚など様々な組織によって形成されていますが、これらの組織を形成し、組織本来の役割を果たすために働くのがタンパク質です。

タンパク質はアミノ酸から構成される化学物質であり、ヌクレオチドから構成されるDNAだけではタンパク質を合成することができません。

ここでタンパク質を合成するためにRNA(リボ核酸)と呼ばれる化学物質が登場します。詳細は遺伝子とはで説明いたしますので割愛いたしますが、RNAの働きによりDNAの塩基配列が読み取られ、読み取られた塩基配列を元に複数のアミノ酸が結合してタンパク質が生成されます。

DNAの全塩基配列のうち、上記のタンパク質を合成するために必要な塩基配列を備えたDNA領域のことを遺伝子と呼びます。

>>遺伝子とは

 

>>染色体とは

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