通常、生物でDNAやRNAの性質を学びます。ただ天然高分子化合物や生化学を学ぶときについても、DNAやRNAの性質を理解しなければいけません。

化学では核酸（DNAやRNA）の化学的性質を学習しましょう。DNAやRNAの構成や結合の種類、核酸の構造を理解するのです。

DNAやRNAは独自の構造をもちます。また、DNAやRNAを構成するヌクレオチドは水素結合によって結合しています。ヌクレオチドは特定のペアを作ることが知られており、これには化学的性質が大きく関与しているのです。

それでは高校化学など、核酸化学の基本で理解するべき内容には何があるのでしょうか。ここでは、核酸化学の基本的な内容を解説していきます。

ヌクレオチド（単量体）の重合体が核酸：ヌクレオチドの構造

まず、核酸とは何かを理解しましょう。核酸とは、DNA（デオキシリボ核酸）とRNA（リボ核酸）を指します。核酸には2種類あるのです。

また核酸は重合体（ポリマー）であり、単量体（モノマー）をヌクレオチドといいます。つまりヌクレオチドがいくつも連なることによってDNAまたはRNAとなります。

それでは、ヌクレオチドはどのような構造になっているのでしょうか。ヌクレオチドは必ず以下の3つの部分から構成されます。

  • 塩基
  • 糖（ペントース：五員環）
  • リン酸

天然高分子化合物を学ぶとき、糖の性質を習います。糖には六員環であるヘキソースと五員環であるペントースがあります。核酸の構成成分で利用される糖はペントースです。またペントースに結合している塩基によって、ヌクレオチドの種類が異なります。

なお、それぞれのヌクレオチドはリン酸を介して結合しています。例えば、以下はDNAの構造です。

有機化合物の中でも、ヌクレオチドには塩基、糖、リン酸が含まれていることを覚えましょう。

DNA・RNAの構造の違いと塩基の種類

それでは、DNAとRNAの違いとしては何があるのでしょうか。機能的な違いではなく、化学的な違いを確認していきましょう。

DNA（デオキシリボ核酸）とRNA（リボ核酸）の名前を確認すると、DNAでは「デオキシ：de（脱）-oxy（酸素）」が加わっています。つまりDNAでは、構造式から一つの酸素O（Oxygen）がなくなります。DNAとRNAの構造を比較すると以下のようになります。

RNAではペントース（五員環）に2つの-OHが存在します。それに対して、DNAではペントースに1つの-OHが存在します。RNAに対して、DNAは酸素原子の数が少ないのです。

・塩基の種類：アデニン（A）、グアニン（G）、シトシン（C）、チミン（T）、ウラシル（U）

次に塩基の種類を覚えましょう。生物を学ぶとき、すべての人が塩基の名前を覚える必要があります。これは天然高分子化学や生化学、有機化学でも同様であり、DNAやRNAの構成成分である塩基の種類を覚えましょう。

DNAでは、以下の4種類の塩基が存在します。

  • アデニン（A）
  • グアニン（G）
  • シトシン（C）
  • チミン（T）

一方でRNAでは、以下の4種類の塩基が利用されます。

  • アデニン（A）
  • グアニン（G）
  • シトシン（C）
  • ウラシル（U）

DNAとRNAの構成塩基を比較すると、違いはチミン（T）とウラシル（U）です。DNAではチミン（T）を利用し、RNAではウラシル（U）を利用します。

チミンとウラシルの違いとしては、メチル基が存在するかどうかです。チミンではメチル基が存在し、ウラシルではメチル基がありません。

水素結合により、アデニンとチミン（ウラシル）、グアニンとシトシンが結合する

RNAは一本鎖です。一方でDNAは二本鎖です。DNAでは2つの鎖が二重らせんになっています。

DNAでは、2つの鎖がどのように結合しているのでしょうか。DNAでは塩基を介して、2本の鎖（ポリヌクレオチド鎖）が水素結合で結合しています。ヌクレオチドは水素結合するペアが決まっており、塩基対は以下のようになっています。

  • アデニン-チミン（またはウラシル）：水素結合2本
  • グアニン-シトシン：水素結合3本

例えばDNAでは、アデニン（A）と水素結合する塩基は必ずチミン（T）です。また、グアニン（G）と水素結合する塩基は必ずシトシン（C）です。水素結合するペアが決まっているのです。

そのためDNAに存在するアデニン（A）とチミン（T）の割合は同じです。また、DNAに存在するグアニン（G）とシトシン（C）の割合も一定です。

なお、どの部分で水素結合するのか覚える必要はありません。水素結合はHとO、またはHとNで形成されます。そのためアデニンとグアニンでは、H-OとH-Nの2ヵ所を水素結合で結べばいいです。グアニンとシトシンについても、H-OとH-Nの3ヵ所を水素結合で結べばいいです。

塩基組成の割合と二重らせんの長さを計算する

ここまでの知識を利用して、塩基組成の割合と二重らせんの長さを計算してみましょう。例えば、以下の問題の答えは何でしょうか。

  • DNAの組成を調べると、アデニンが30mol%含まれているとわかりました。シトシンのモル分率はいくらでしょうか。

アデニン（A）のモル分率が30mol%の場合、チミン（T）のモル分率も30mol%です。そのため、残りの塩基であるグアニン（G）とシトシン（C）のモル分率は合計で40mol%になります。なおグアニン（G）とシトシン（C）のモル分率は同じなので、シトシン（C）のモル分率は20mol%です。

次に、二重らせんの長さを計算してみましょう。以下の問題の答えは何でしょうか。

  • DNAのらせんが4.0nmで一回転し、この中に塩基対を5個含むとします。このDNAに塩基対が300万含まれるとき、二重らせんの長さはいくらでしょうか。

4.0nmで塩基対を5個含むため、1つの塩基対は0.8nmであるとわかります。

\(4÷5=0.8\)

0.8nmの塩基対が300万含まれるため、かけ算によってDNAの長さを計算できます。

\(0.8×3.0×10^6=2.4×10^6\)

こうして、答えは2.4×106nm（2.4mm）とわかります。

複製とタンパク質の合成がDNAの役割

なおDNAが二重らせん構造になっている理由としては、細胞分裂によってDNAを分割する必要があるからです。DNAは2本のポリペプチド鎖であり、水素結合を切断して2本の鎖に分かれた後、対応する塩基対を複製することによって2つのDNAを作るのです。

1つのDNAを利用して、2本のDNAを作る操作を複製といいます。

また私たちの体はタンパク質を合成することによって機能します。細胞は多くのタンパク質によって構成されているのです。

DNAには、私たちの体を作る設計図が記されています。そこで必要なときにDNAの情報が読み取られ、タンパク質の合成が行われます。タンパク質合成の設計書として、DNAの役割は重要です。

タンパク質合成では遺伝情報がmRNAへ転写され、翻訳される

なおDNAは設計書であり、自由に持ち運ぶことができません。そこで、DNAの情報をノートに書き取り、自由に持ち運べるようにします。そこで利用されるのがRNAです。

DNAの情報をもとにRNAが合成されます。つまり、設計書（DNA）に書かれている情報をもとにして、ノート（RNA）に情報を書き写すのです。このとき、DNAをもとに合成されるRNAをmRNA（メッセンジャーRNA）といいます。

DNAの情報をもとにmRNAを合成する過程を転写といいます。またmRNAは細胞内にあるリボソームへ移動し、mRNAの情報をもとにしてタンパク質が作られます。この過程を翻訳といいます。

なおDNAやRNAの働きについては、高校で生物を学んだり、大学で生化学を習ったりする場合、より深く内容を学ぶことになります。

核酸の化学的性質を理解する

DNAやRNAの働きを学ぶとなると、生物の分野のように思えてしまいます。ただ高校化学など、化学の基礎を学ぶときであっても核酸を習います。核酸は天然高分子化合物であり、有機化合物の一つです。また生化学で核酸化学は重要な内容です。

ヌクレオチドは塩基・糖・リン酸から構成されており、水素結合によって塩基対を作ります。DNAが二本鎖で結合しているのは、水素結合による寄与が大きいです。

また塩基対の性質や二重らせんの構造を学べば、塩基組成の割合や二重らせんの長さを計算することもできます。

核酸化学では、生物で学ぶ知識に加えて、化学的性質を理解しなければいけません。そこで天然高分子化学で核酸を学ぶとき、ヌクレオチドの種類や生体での反応についても覚えましょう。