高校生物基礎 DNAの構造—ヌクレオチドと塩基の相補性から配列を読む｜武蔵野個別指導塾

糖・リン酸・塩基を含む単位を図で囲み、読む向きを指定した塩基配列の問題に取り組みましょう。

よくあるのは、定期テスト前の高校生が塩基とヌクレオチドを同じものと考え、図の塩基の部分だけに「ヌクレオチド」と書き込む場面です。DNAの図には、横に並ぶ塩基だけでなく、その外側をつくる糖とリン酸も描かれます。どこからどこまでが1単位なのかを確かめてから、向かい側の塩基を読んでいきましょう。

問われる形を先に見る

1つ目は名称と範囲を選ぶ問題です。糖、リン酸、塩基の位置を指した図を見て、ヌクレオチドに含まれるものを答えます。「塩基はヌクレオチドの一部」という関係を図に戻せれば、両者の名前を混同しにくくなります。

2つ目は配列の穴埋めです。片方の鎖に書かれた塩基を1文字ずつ見て、向かい合う塩基を決めます。AとT、GとCの対応を使いますが、答案の並べ方は問題に指定された向きに従います。文字を置き換える操作と、どちらから書くかの判断は別の作業です。

3つ目は図や説明の誤りを直す問題です。例えば、塩基同士の組合せが合っていても、糖やリン酸を取り除いたものをDNAの1本の鎖と説明すれば不十分です。何が対応し、何が鎖の外側を形づくるのかを分けて説明します。

1単位と2本の鎖を区別する

DNAはデオキシリボ核酸の略です。DNAをつくる基本単位はヌクレオチドで、1個のヌクレオチドは糖、リン酸、塩基からなります。DNAの糖はデオキシリボースです。塩基にはアデニン、チミン、グアニン、シトシンの4種類があり、それぞれA、T、G、Cと表します。塩基の名前と記号を対応させると、長い配列も短く記せます。

図1のように、1つの塩基だけでなく、その塩基につながる糖とリン酸を含めた範囲を1単位として見ます。図は結合や形を簡略化した模式図で、分子の実際の形や大きさの比を示したものではありません。

図1の囲みの中には糖、リン酸、塩基がそれぞれ1つずつあります。複数のヌクレオチドがつながると鎖になり、糖とリン酸が交互に並ぶ部分が鎖の骨格をつくります。塩基は糖につながり、向かい側の鎖の塩基と対をつくります。図では見やすく平らに描いていますが、DNAの2本の鎖はねじれた二重らせん構造をとります。

塩基の組合せには決まりがあり、AはTと、GはCと対をつくります。この対応を塩基の相補性といいます。AとGを対にすることや、TとCを対にすることはできません。向かい側がAなら元の側はT、向かい側がCなら元の側はGです。片側からでも反対側からでも同じ対応をたどれます。

2本の鎖は互いに逆向きに並びます。配列を文字列にするときは、図の上下や左右だけで判断せず、どちらの端から読むように指定されているかを見ます。二重らせんを平面にほどいた図は、対応する位置を見やすくするためのものです。図の左右が実際の分子の固定された方向を表すわけではありません。

配列を見るとき、AやGなどの文字は塩基の種類を表し、文字の順番は鎖に沿った塩基の順番を表します。同じ種類の塩基が隣り合うこともあります。AとTが対になるという規則は、同じ鎖の隣同士が必ずAとTになるという意味ではありません。向かい合う2本の鎖の間の対応として使います。

図の1本に含まれる単位を数えるときは、塩基の記号を目印にできます。ただし二本鎖全体の単位数を問われたら、片方の鎖の数だけで答えてはいけません。対応する各位置には両側に1個ずつ単位があります。何本の鎖の、どの部分を数えるのかという条件を先に囲んでおきます。

基本例題：向かい側を同じ順に書く

次は自作の資料です。DNAの二本鎖の一部分を平面に描き、上の鎖を左から右へ A G T C A と並べました。下の鎖の各位置には、真上の塩基と対になる塩基が入ります。下の鎖を左から右へ記号で答え、それぞれの対を示してください。

図2のように、まず上の文字と、その真下の空欄の位置を対応させます。横にずらして別の位置の文字と対にしないことが出発点です。

左端のAの相手はTです。2番目のGの相手はC、3番目のTの相手はAです。4番目のCの相手はG、右端のAの相手はTになります。したがって、下の鎖を左から右へ並べた答えは T C A G T です。

対応を順に書くと、AとT、GとC、TとA、CとG、AとTです。答えを元の図へ戻すと、各列がAとTまたはGとCの対になり、空欄も5か所すべて埋まります。上下を取り違えても相補性自体は同じですが、答える側と読み始める端を問題の指定に戻してから清書します。

もし T C A G T を右から左へ書くよう求められたなら、左から右に作った並びを右端から読み直します。この場合の答えは T G A C T です。配列によっては両端からの並びが同じになり、向きの誤りが隠れるため、指定された端に印を付ける習慣を持ちましょう。1文字ずつ対応を決めることと、文字列を出力する順序を決めることを分けると、向きの失敗を見つけやすくなります。

応用例題：逆の端から読む

次も自作の資料です。二本鎖の一部分で、上の鎖を左から右に C A T G G A とします。下の鎖は各位置で上の鎖と相補的です。下の鎖を右から左に読んだ塩基配列を記号で答えてください。さらに、上の鎖の左端と対になる塩基が、答えの何番目にあるかを整数で答えてください。

まず、上の鎖の左から順に相手を置きます。Cの向かいはG、Aの向かいはT、Tの向かいはAです。続くG、G、Aの向かいはそれぞれC、C、Tです。下の鎖を図の左から右へ読むと G T A C C T になります。ここで作った並びは途中結果であり、問題が指定した答えの向きではありません。

下の鎖の右端から左へ読むと T C C A T G です。上の鎖の左端Cと対になるGは、下の鎖の左端にあります。下を右から読む答案では最後なので、6番目です。答えを図へ戻して右端から左端へ追うと、下はT、C、C、A、T、Gとなり、上のA、G、G、T、A、Cとそれぞれ対になります。

分かれ目は「向かいを決める」ことと「右から読む」ことです。最初から上の文字を逆にたどって対応させても同じ答えに到達しますが、その場合も下のどの位置を記しているかを見失わないようにします。上を左から読んで相手を書いたまま提出すると、対の規則は合っていても指定された順序を満たしません。

図が途中で切れている場合も、示された部分の範囲で位置を対応させます。図の外に続く配列は、与えられた情報だけから決められません。空欄が図の中の向かい側なのか、描かれていない先の配列なのかを見分けましょう。前者は相補性で決められますが、後者には追加の情報が必要です。

逆向きの指定がある問題では、左右の印を紙に書き添えることが役立ちます。例えば「下の右端から」と書かれていれば、右端に始点を付けてから文字を拾います。向かいの塩基の選択に迷った場合は対の組に戻り、順番に迷った場合は始点の印に戻ると、異なる原因を切り分けられます。

間違いの位置を図で直す

「Aの相手はGだから、AとGが対になる」という誤答は、4文字を2組に分ける必要は覚えていても、組合せを取り違えた状態です。図3のように、AとT、GとCをそれぞれ対として書き直し、元の位置に戻して確認します。線は塩基同士の対応を表す模式的な線です。

図3の左右の組を比べると、Aの相手はTで、Gの相手はCです。文字を単独で暗記した後に、図の各列に戻して相手を言えるか試します。組の名前を言えるだけでは、反対側から問われたときに手が止まる場合があります。

別の誤答は「ヌクレオチドは塩基である」という説明です。原因は、配列を記すときに塩基の記号だけを使うため、糖とリン酸の存在を忘れることです。「ヌクレオチドは糖、リン酸、塩基からなる」と言い換え、図の1単位を囲みます。塩基配列の文字数と、その部分の片方の鎖に含まれるヌクレオチドの数は対応しますが、文字1つが単位全体を描いているわけではありません。

また、両方の鎖を左から読む指定なのに、片方を右から並べてしまう誤りもあります。相補的な組を作った後、同じ列に戻したとき対が成立するか確かめます。成立していても指定と逆向きに書いていれば、読み始める端を直してから答えます。

数を数える問題で、片方の鎖の文字数をそのまま二本鎖全体の塩基数にする誤りもあります。例えば片側に4位置を描いた部分なら、向かい側にも4位置あり、全体では8個の塩基です。これは図に描かれた部分についての数え方です。鎖全体の長さが示されていないとき、その先の数まで決めることはできません。

数を答えた後は、元の図に印を付けて数え直します。片側の4個と向かい側の4個が、それぞれ1回ずつ数えられているかを見るためです。対の数は4組ですが、塩基の個数は8個なので、問題が求める単位も読み取ります。

手を動かす問題

以下は自作の資料です。いずれも二本鎖の一部分を平面に示したものとし、各位置で上下の塩基は相補的です。記号の間に空白を入れて答えてください。

1. 上の鎖を左から右へ T G C A C と並べます。下の鎖を左から右へ記号で書き、上の鎖のヌクレオチド1個を構成する3種類を名称で答えてください。
2. 上の鎖を左から右へ G A A T C C T と並べます。下の鎖を右から左へ記号で書いてください。また、上の鎖の右端と対になる塩基が答えの何番目か、整数で答えてください。
3. ある生徒は「DNAの1本の鎖では、塩基だけがつながって骨格をつくる。AはCと対になる」と書きました。誤りを2か所指摘し、それぞれ正しい文に直してください。
4. 左から右へ読んだ上の鎖が A C G T T G で、下の鎖が T G C A A C と書かれた資料があります。対応する位置の対を左から調べ、誤りがあれば左から何番目かを整数で答えてください。誤りがなければ「誤りなし」と記してください。

答えと確かめ方

1. 下の鎖は A C G T G、3種類は糖、リン酸、塩基です。T、G、C、A、Cの相手を左から順に置きます。元の上の鎖に戻して各列を見ると、TとA、GとC、CとG、AとT、CとGです。5列に対応があり、各ヌクレオチドには3種類の構成要素があります。

2. 下を図の左から右に置くと C T T A G G A です。これを右から読むので答えは A G G A T T C、位置は1番目です。答えを右から左へ並ぶ下の鎖として戻すと、右端のAは上の右端Tと対になります。そこから左へ、GとC、GとC、AとT、TとA、TとA、CとGが続きます。7文字で元の7位置に戻せます。

3. 「塩基だけがつながって骨格をつくる」を「糖とリン酸が交互に並んで鎖の骨格をつくる」に直します。「AはCと対になる」は「AはTと対になる」です。塩基は糖につながって向かい側の塩基と対をつくるため、骨格と対の役割を分けて確認します。元の文に戻すと、骨格の材料とAの相手の両方が修正されています。

4. 答えは「誤りなし」です。各列は左からAとT、CとG、GとC、TとA、TとA、GとCです。6列を最後まで照合すると、いずれも相補的な対です。誤りがあると決めて1か所を探すのではなく、全列の確認結果から答えます。

持ち帰る要点

• ヌクレオチドは糖、リン酸、塩基からなります。
• 糖とリン酸が鎖の骨格をつくり、2本の鎖は二重らせんをつくります。
• 塩基はAとT、GとCが対になります。
• 対応する位置を決めてから、指定された端から配列を読みます。

どこで止まったかを見分ける

単位を囲む課題で塩基だけを囲むなら、名称の暗記より先に糖とリン酸とのつながりを図で確認します。対の組は言えるのに配列が合わないなら、各列を結ぶ段階と、答えを指定の向きに読む段階を別々にたどります。順序を逆にした際、文字がどの位置から来たか指で追えるかが手掛かりです。

個別指導で確かめるなら、生徒に1つのヌクレオチドの範囲を示してもらい、次に隣の単位とのつながりを説明してもらいます。配列では解答を元の図に戻し、対の規則と読み始める端の両方を口に出して点検します。塩基の対応と鎖をつくる単位を区別すると、DNAの図は位置ごとに読めます。