【生物】DNA の構造と複製を図解で総まとめ—二重らせん・半保存的複製・複製の方向性・岡崎フラグメント｜武蔵野個別指導塾

塩基対の数え方、半保存的複製の世代ごとの追跡、リーディング鎖とラギング鎖の判定を3枚の図と例題で学び、複製の矢印を自分で説明できるか確かめましょう。

よくあるのは、部活帰りの自転車置き場で友人と生物の小テストを振り返り、「DNAは左右で逆向きなのに、どちらの鎖も同じ向きに作るってどういうこと」と話が止まる場面です。半保存的複製という名前は覚えていても、図の矢印が増えると、何がほどけ、何が伸び、何が残るのかを区別しにくくなります。

この混乱は、DNAの形、材料の対応、合成の向きという3つの話を一度に見ようとすると起こります。まず1本の鎖と2本鎖のDNA分子を区別し、そのあとに相補的な塩基対を確かめると、複製の図を順番に読めます。左右の配置を暗記する必要はありません。

ここでは、塩基の個数を求める問題から始め、元の鎖が次の世代にどう残るかを追い、最後に連続的な合成と断続的な合成の違いを考えます。図に書かれた5′と3′を手がかりに、自分で新しい鎖の矢印を書き込めることを目標にしましょう。

この単元で身につけること

• ヌクレオチドの3つの成分を説明します。リン酸・糖・塩基のうち、鎖の骨格を作る部分と遺伝情報の違いを生む部分を分けて捉えます。
• 相補的な塩基対を使って配列や個数を求めます。AとT、GとCの対応が、どの範囲で成り立つかまで判断します。
• 半保存的複製で残る鎖を追跡します。複製前のDNA分子が丸ごと残るのか、もとの1本鎖が残るのかを言い分けます。
• DNAポリメラーゼによる合成の向きを読み取ります。新しい鎖が伸びる向きと、鋳型の鎖をたどる向きを区別します。
• リーディング鎖とラギング鎖の違いを説明します。複製が進む場所の移動と合成の向きから、岡崎フラグメントができる理由を考えます。

生物基礎で学んだ「DNAが遺伝情報を担い、細胞分裂の前に複製される」という内容に、分子の構造と酵素のはたらきを結びつける単元です。用語を説明するだけでなく、図や実験結果からそのしくみを確かめることが求められます。

基本の考え方

ヌクレオチドが並び、2本の鎖が対を作ります

DNAはデオキシリボ核酸の略称で、多数のヌクレオチドがつながった物質です。ヌクレオチドとは、リン酸、糖、塩基が1つずつ組み合わさった単位です。DNAの糖はデオキシリボースで、塩基にはアデニンA、チミンT、グアニンG、シトシンCの4種類があります。以下では塩基をA、T、G、Cの記号で表します。

1本の鎖では、隣り合うヌクレオチドの糖とリン酸が共有結合によってつながり、骨格を作ります。塩基はその骨格から内側へ向いて並びます。DNAの遺伝情報を考えるときに注目するのは、糖やリン酸の種類の順番ではなく、塩基がどのような順番で並んでいるかです。この並びを塩基配列といいます。

ふつうの2本鎖DNAでは、向かい合う塩基どうしが水素結合によって結びつき、AはTと、GはCと対を作ります。この決まった組合せを相補性といい、向かい合った塩基の組を塩基対といいます。AとTの間には2本、GとCの間には3本の水素結合があります。ただし、同じ鎖の中でヌクレオチドどうしをつなぐ結合と、2本の鎖の間の水素結合は別のものです。

図1のように、DNAをいったん平らなはしごとして見ると、左右の骨格と、その間の塩基対を区別できます。実際のDNAでは、このはしご全体がねじれた二重らせん構造をとっています。図の直線は配置を読みやすくするための表現であり、DNAが常に平らな形をしているという意味ではありません。

塩基対の数と塩基の数は区別しましょう。4塩基対のDNAには、片方に4個、もう片方に4個、合計8個の塩基があります。塩基1個にヌクレオチド1個が対応するので、ヌクレオチドも合計8個です。「100塩基対」と「塩基が合計100個」は同じ長さを表しません。

逆平行と相補性を分けて読みます

DNAの鎖には向きがあり、両端を5′末端と3′末端で区別します。5′、3′という名称は、糖を構成する炭素原子の位置に由来します。高校の問題では、まず「5′から3′へ向かう向きをもつ鎖」と捉えれば図を読めます。2本の鎖は、互いの5′から3′への向きが逆になるように並んでいます。これを逆平行といいます。

たとえば、上の鎖を左から5′-ATGC-3′と書くと、真下に対応する鎖は左から3′-TACG-5′です。Aの真下にTを書くという相補性の操作と、端の数字を逆にするという逆平行の操作は、どちらも必要です。さらに下の鎖だけを5′から3′の順で答えるよう求められたら、右から読み直して5′-GCAT-3′と答えます。

2本鎖全体を数えると、Aの数とTの数、Gの数とCの数はそれぞれ等しくなります。しかし、片方の鎖だけでは、その等式が成り立つとは限りません。片方がAAAAなら、もう片方がTTTTとなり、全体で初めてAとTが同数になります。「相補性があるから、どこを数えてもAとTは同じ」としないことが大切です。

半保存的複製では、もとの鎖が鋳型になります

複製とは、DNAをもとに同じ塩基配列のDNAを作ることです。複製の際には2本の鎖の間が開き、それぞれの鎖に相補的な新しい鎖が作られます。新しい鎖の配列を決めるもととなる鎖を、鋳型といいます。型に材料を対応させるように、鋳型のAにはT、GにはCが組み合わされるため、配列の情報を受け継げます。

複製の結果できる2つのDNA分子は、どちらも「もとの鎖1本と、新しく作られた鎖1本」を含みます。この方式が半保存的複製です。「半分」というのは、DNAの長さの前半だけが残るという意味ではありません。1分子を構成する2本の鎖のうち1本が保存されることを指します。

ここで、保存される材料と、受け継がれる情報を分けましょう。材料としてはもとの2本の鎖が別々の分子に入りますが、それぞれに相補的な鎖を作ることで、もとの配列の情報が両方の分子に引き継がれます。誤りなく複製された場合、新しくできた2つのDNA分子は互いに同じ塩基配列をもちます。

DNAの新しい鎖を伸ばす酵素がDNAポリメラーゼです。この酵素は、すでにある鎖の3′末端にヌクレオチドを付け加えます。そのため、新しい鎖は必ず5′から3′の向きに伸びます。最初の足場には、プライマーと呼ばれる短い核酸の鎖が必要です。細胞内のDNA複製では短いRNAがプライマーとなり、プライマーゼという酵素がその合成を担います。RNAはリボ核酸という別の核酸で、ここではDNA合成を始める足場として登場します。

例題で解き方を確かめる

例題1　塩基対から塩基の個数を求めます

ある2本鎖DNAは500塩基対からなり、DNA全体の塩基のうちAが30%を占めています。A、T、G、Cの個数をそれぞれ求めましょう。末端の特殊な構造は考えず、すべての塩基が対を作っているとします。

1. まず全体の塩基数を求めます。1塩基対は2個の塩基なので、500 × 2 = 1,000個です。割合がDNA全体について与えられているため、片方の鎖の500個を分母にしてはいけません。
2. Aの個数を計算します。1,000 × 0.30 = 300個です。全体ではAとTが対になって同数存在するので、Tも300個と決まります。
3. 残りをGとCに等しく分けます。1,000 − 300 − 300 = 400個なので、GとCは400 ÷ 2 = 200個ずつです。4種類を足して1,000個に戻ることも確認します。

答え：Aは300個、Tは300個、Gは200個、Cは200個です。

この問題では片方の鎖のAの個数までは決まりません。全体のAが300個でも、2本の鎖への分かれ方にはさまざまな可能性があります。与えられた情報から求められる範囲を意識すると、不要な推測を避けられます。

例題2　相補鎖を指定された向きで書きます

片方の鎖の塩基配列が5′-AGTCCATG-3′です。相補的な鎖を、5′から3′へ読む形で答えましょう。塩基を置き換えるだけで終えず、答案の向きまで整える問題です。

1. 与えられた鎖の下に、塩基を1個ずつ対応させます。AにT、GにC、TにA、CにGを置くと、左からTCAGGTACとなります。真向かいの塩基対を保つため、まず順番を動かさずに対応を作ります。
2. 下の鎖の両端を書きます。上の左端が5′なので、下の左端は3′です。対応関係を表す段階では3′-TCAGGTAC-5′となり、このままでは問題の指定と逆向きです。
3. 下の鎖を右端の5′から読み直します。並びを逆からたどるとCATGGACTとなります。これは新たに塩基を置き換えた結果ではなく、同じ相補鎖を逆側から読んだ結果です。

答え：相補鎖を5′から3′へ書くと、5′-CATGGACT-3′です。

配列問題では、最初に両端の向きを書くと誤答の場所を見つけやすくなります。答えだけを見て塩基が違うと思っても、実際には読む向きだけが逆という場合があります。対応づけと読み直しを別々の作業にしましょう。

例題3　標識した鎖を2回の複製で追います

重い窒素¹⁵Nを含む培地で育て、DNAの両方の鎖が十分に¹⁵Nで標識された細菌を考えます。軽い窒素¹⁴Nを含む培地に移し、以後の新しい鎖には¹⁴Nだけが使われるとします。すべての対象DNAが同じ回数だけ複製を終えたとき、1回後と2回後のDNA分子の種類と割合を求めましょう。標識とは、物質の行方を区別して追えるようにすることです。

図2のように、最初にあった鎖を紺、移したあとの培地で作られた鎖を赤で表すと、1分子から始めた場合の行方が見えます。図中の赤い鎖には、1回目に作られたものと2回目に作られたものの両方が含まれます。

1. 最初の2本の重い鎖を分けて考えます。複製でそれぞれが鋳型となり、軽い鎖が1本ずつ組み合わさるため、1回後は重い鎖と軽い鎖を含む中間型が2分子できます。重い鎖どうしの分子は残りません。
2. 1回後の各分子をもう一度2本の鎖に分けます。重い鎖を鋳型にすれば再び中間型になり、軽い鎖を鋳型にすれば軽い鎖2本の軽型になります。2回後は中間型2分子、軽型2分子の合計4分子です。
3. 分子数を全体で割って割合を求めます。2回後は中間型も軽型も2 ÷ 4 = 0.50なので50%ずつです。最初の重い鎖が新しく増えないことが、割合の変化を決めています。

答え：1回後は中間型100%、2回後は中間型50%・軽型50%で、重型はどちらも0%です。

この考え方は、メセルソンとスタールの実験の読み取りにつながります。教科書では、重い窒素と軽い窒素でDNAを標識し、密度勾配遠心法でDNAの密度の違いを調べた実験として説明されます。密度勾配遠心法では、密度が連続的に変化する液中で遠心し、DNAが自分の密度に対応する位置に集まることを利用します。DNAが集まった帯をバンドと呼びます。

重い窒素は放射性の目印という意味ではありません。¹⁵Nと¹⁴Nは、同じ元素で質量の異なる同位体であり、ここではDNAの密度を区別するために使います。通常の試験管の模式図なら、軽型の帯は上側、中間型はその下、重型はさらに下側に描かれます。帯の位置は密度、帯に含まれるDNAの量はその型の多さに関係するので、この2つを混同しないようにしましょう。

もとの2本鎖をそのまま残して新しい2本鎖を別に作る「保存的複製」なら、1回後から重型と軽型の2種類が予想されます。一方、もとの鎖の部分と新しい部分が各鎖に入り交じる「分散的複製」なら、1回後に中間の帯が現れることだけでは半保存的複製と区別できません。教科書で扱う分散的複製の予想では、2回後も1本の帯が軽型側へ移ります。2回後に中間型と軽型の2本の帯が現れることまで合わせて、半保存的複製を支持する根拠を読み取ります。

例題4　複製の向きから連続的に作られる鎖を選びます

DNAがほどけて複製の進む分岐部分を複製フォークといいます。複製フォークが右へ進み、上側の鋳型が左から3′→5′、下側の鋳型が左から5′→3′になっているとします。上側と下側のどちらで、新しい鎖が複製フォークの進行と同じ向きに連続して伸びるでしょうか。

1. 両方の新しい鎖に「合成は5′→3′」という条件を置きます。DNAポリメラーゼが付け足す場所は3′末端なので、上下の見た目によってこの条件を変えてはいけません。
2. 鋳型と新しい鎖を逆平行に対応させます。上側の新しい鎖は左から5′→3′となり右向きに伸びます。下側の新しい鎖は左から3′→5′なので、伸びる向きは左です。
3. 複製フォークの右向きの移動と比べます。上側はほどけて現れる鋳型に沿って右へ連続して伸びられます。下側は、右側に新しく現れる鋳型上で合成を繰り返し開始し、短い鎖を左へ伸ばす必要があります。

答え：上側でリーディング鎖が連続的に合成され、下側ではラギング鎖が断続的に合成されます。

連続的に合成される新生鎖がリーディング鎖、短い断片として合成され、あとでつながる新生鎖がラギング鎖です。短いDNA断片を岡崎フラグメントと呼びます。「上がリーディング」と覚えるのでなく、与えられた向きから判定してください。図を反転させれば上下や左右の対応も変わります。

つまずきやすいところと直し方

「半保存的だから、情報も半分になります」

誤った書き方は「複製すると、それぞれのDNAの遺伝情報は半分になる」です。どこが違うかというと、もとの材料である鎖の行方と、塩基配列の情報の行方を同じものとして扱っています。鋳型1本の配列があれば、相補性によって相手側の配列も決まります。

正しい書き方は「もとの鎖1本を鋳型に新しい鎖ができ、複製後の各DNAはもとのDNAと同じ配列の情報をもつ」です。半保存的複製の説明では、「何が半分残るのか」を鎖という言葉で表します。DNA分子の数が増えても、最初にあった鎖そのものが増えるわけではない点も確かめましょう。

「ラギング鎖は3′から5′へ合成されます」

誤った書き方は「リーディング鎖は5′→3′、ラギング鎖は3′→5′に合成される」です。どこが違うかというと、複製フォークに対する進行方向の違いを、鎖の化学的な合成方向の違いに置き換えています。DNAポリメラーゼの付け足す端は、どちらも3′末端です。

図3のように、上側の新生鎖は右へ、下側の各断片は左へ伸びますが、赤い矢印の先端はいずれも3′側です。紺の線が鋳型で、右端のまだ開いていない部分では2本の鋳型が対になっています。図は1つの複製フォークの模式図であり、分子の長さの比を表すものではありません。

正しい書き方は「どちらも5′→3′に合成され、ラギング鎖では複製フォークの進行と逆向きに短い鎖の合成が繰り返される」です。新しく開いた部分でプライマーが作られ、そこからDNAが伸びるため、断片が生じます。短い断片が互いに無関係な配列になるのではなく、どの断片も同じ鋳型上の対応する部分に従って作られます。

「ポリメラーゼがすべての工程を行います」

誤った書き方は「DNAポリメラーゼが二重らせんをほどき、何もないところからDNAを作り、断片をつなぐ」です。どこが違うかというと、DNA複製に関わる複数の酵素の役割を1つにまとめています。2本鎖をほどく役割はDNAヘリカーゼが担い、合成開始にはプライマーが必要です。

正しい書き方は「ほどけた鋳型にプライマーができ、DNAポリメラーゼがその3′末端からDNAを伸ばし、最終的にDNAリガーゼが切れ目をつなぐ」です。プライマーのRNA部分は取り除かれてDNAに置き換えられ、隣り合うDNAの切れ目がつながります。DNAリガーゼは塩基を新しく選んで並べる酵素ではなく、糖とリン酸からなる骨格の切れ目を結ぶ酵素として区別します。

リーディング鎖にも合成開始のプライマーは必要です。ラギング鎖だけにプライマーがあると覚えると、ポリメラーゼが開始点なしで合成できるという誤解が残ります。両者の違いは、この複製フォークで合成開始を繰り返す必要があるかどうかです。

練習問題

練習1

ある2本鎖DNAは800塩基対で、DNA全体にGが480個含まれています。C、A、Tの個数と、全塩基に占めるGの割合を求めましょう。すべての塩基が対を作っているとします。

練習2

片方の鎖が5′-AACGTA-3′です。相補鎖を5′から3′の順で書きましょう。また、この2本鎖全体にあるAとTの塩基対の数を求めましょう。

練習3

例題3と同じ条件で、最初の重型DNA1分子に由来するすべてのDNAが3回の複製を終えました。DNAの総分子数、中間型の分子数、中間型の割合を求めましょう。DNAの分解や標識の再利用は考えません。

練習4

複製フォークが左へ進み、上側の鋳型は左から3′→5′、下側の鋳型は左から5′→3′です。リーディング鎖はどちら側にできるでしょうか。また、もう一方でできる短いDNA断片と、その切れ目を最終的につなぐ酵素の名称を答えましょう。

答えと解説

練習1の答えは、Cが480個、AとTがそれぞれ320個、Gの割合は30%です。全塩基数は800 × 2 = 1,600個です。GとCの合計960個を引くと640個が残り、これをAとTに等しく分けます。割合は480 ÷ 1,600 × 100 = 30%です。800を分母にして60%としないようにしましょう。

練習2の答えは、5′-TACGTT-3′、AとTの塩基対は4組です。真下に対応させた段階では3′-TTGCAT-5′となり、それを右から読み直します。与えられた鎖のAが3個、Tが1個なので、AとTの塩基対は合計4組です。両方の鎖のAとTを合計すると8個ですが、塩基対の数はその半分になります。

練習3の答えは、総分子数8分子、中間型2分子、中間型の割合25%です。総分子数は1→2→4→8と増えますが、最初の重い鎖は2本のままです。1回目以降は、それぞれが軽い鎖と対になるので中間型は2分子に保たれ、2 ÷ 8 × 100 = 25%となります。残る6分子は軽型です。

練習4の答えは、下側がリーディング鎖、断片は岡崎フラグメント、酵素はDNAリガーゼです。下側の鋳型を左へたどる向きが3′→5′なので、新生鎖は左へ5′→3′に伸びます。例題4と鋳型の上下は同じですが、複製フォークの進行が逆のため、連続的に合成される側も逆になります。

次の単元へのつながりと家庭での確かめ方

DNAの配列を鋳型にするという考え方は、次に学ぶ転写でも使います。ただし複製ではDNAを作り、転写ではDNAの一部の情報をRNAに写し取ります。また、細胞周期でDNA量が増える時期を考える際にも、複製と細胞分裂を区別する必要があります。DNAを複製した直後に、細胞の数まで増えるわけではありません。

家庭では、まず紙に短い配列を5′と3′つきで書き、真下に相補鎖を書いてみましょう。そのあと相補鎖だけを5′から読んで答えを言えば、5分ほどで相補性と逆平行の両方を点検できます。答え合わせでは、塩基の対応が正しいかと、端の向きが正しいかを別々に見ます。

もう1つは、色の違う線を使って半保存的複製を2回分描く方法です。最初の2本の線だけに印を付け、次の図へ1本ずつ移してから新しい線を添えます。中間型の割合が変わる理由を、計算式なしでも説明してみてください。

個別指導では、矢印の読み違いがあれば、1本の鎖の両端と「付け足すのは3′側」という条件まで戻って確かめます。個数の誤りなら、塩基1個と塩基対1組を描き分けるところから確認します。

まとめ

複製の問題で答えが止まったときは、用語を増やす前に、今追っているものが塩基の個数なのか、もとの鎖なのか、新しい鎖の伸びる先端なのかを決めましょう。見る対象が決まると、相補性、半保存的複製、5′→3′という条件のどれを使うべきか選べます。

向きを変えた図でも、自分で両端を書き、合成の矢印を説明できれば、図の見た目に頼らない理解に近づいています。岡崎フラグメントは、逆平行な鋳型と5′→3′にしか伸ばせない合成のしくみが出会うことで生まれる断片です。