高校化学 核酸のヌクレオチド—糖と塩基とリン酸の結び付きを構造で整理する｜武蔵野個別指導塾

糖の2′位と3′・5′位を確かめ、ヌクレオシドとヌクレオチドの違いを結合先から整理できます。

よくあるのは、塩基と糖が結び付いた図を見て、高校生がそれをヌクレオチドと呼ぶ場面です。塩基と糖の組は重要ですが、その組にリン酸が結び付いているかどうかで名前が変わります。さらに鎖の図では、リン酸が隣り合う糖の間にあるため、どこまでを一単位と見るか迷いやすくなります。糖の番号と結合先を順に追い、名前と構造を対応させましょう。

問われる形を先に見分ける

最初の型は、成分の組からヌクレオシドとヌクレオチドを区別する問題です。糖に塩基が結合したものがヌクレオシドで、これにリン酸が結合したものがヌクレオチドです。成分が同じ容器にあるだけでは結合した分子になりません。図では線の有無にも注目します。

次は、糖の2′位と塩基の種類から、通常のDNAまたはRNAを判断する問題です。DNAの糖は2′位がHのデオキシリボース、RNAの糖は2′位がOHのリボースです。塩基は共通の3種類に加え、通常DNAではチミン、RNAではウラシルを用います。アデニンなど共通する塩基を見ただけでは、どちらの核酸か決まりません。

最後は、鎖の結合位置を読む問題です。糖の3′位と次の糖の5′位が、リン酸を介してつながります。リン酸は糖の外に飛び出した飾りではなく、鎖の骨格に入っています。鎖が切れたときに数えるのは糖どうしの直接結合ではなく、リン酸を介したつながりです。

糖を中心に結合先を追う

核酸を構成する糖は炭素を5個もち、環には炭素4個と酸素1個が入ります。残る炭素は環の外にあります。糖の炭素番号には塩基の番号と区別するため、1′、2′のようにダッシュを付けます。環の酸素を炭素として数えず、環の外の炭素も5′位として数えます。

塩基は糖の1′位に、塩基側の窒素を介して結合します。この結合をN-グリコシド結合と呼びます。糖の1′位と塩基を一組として見るとヌクレオシドです。リン酸が付いたときには、糖とリン酸の間にリン酸エステル結合があります。単に3種類の名前を覚えるより、糖を中央に置き、塩基とリン酸への線を別々に追うほうが間違いを減らせます。

図1のように、糖と塩基の組にリン酸を加えて考えます。図の四角は成分を表す模式図で、個々の原子、電荷や立体配置を省略しています。線は成分間の結合の存在を示し、結合の本数や原子の配置を詳細に示す構造式ではありません。

リン酸が1個のヌクレオチドもあれば、複数のリン酸をもつヌクレオチドもあります。したがって「リン酸は必ず1個」と定義することはできません。以後の鎖の模式図では、鎖内の糖と糖の間にあるリン酸を1個ずつ描きます。末端にリン酸があるかどうかは別に指定します。

リボースとデオキシリボースの差は、糖の2′位に注目すると明確です。リボースではその炭素にOHが付き、デオキシリボースでは対応する位置がHです。3′位のOHと5′位側のリン酸は鎖の接続を考える手掛かりです。2′位の違いを、鎖をつなぐ位置そのものと混同しないようにしましょう。

通常のDNAの塩基はアデニン、グアニン、シトシン、チミンです。通常のRNAではチミンの代わりにウラシルが入り、残りの3種類は共通です。これらは標準的な構成の整理であり、修飾された塩基を含む核酸まで、塩基名だけで一律に判定するための規則ではありません。設問が通常の構成と指定するか、構造そのものを与えているかを見ます。

鎖の途中のリン酸は、一方の糖の3′位と他方の糖の5′位を酸素を介して結びます。1個のリン酸が2つの糖とエステル結合を作るので、リン酸ジエステル結合と呼びます。糖と塩基を結ぶ線とは役割も結合相手も異なります。図を読むときは、まず糖とリン酸が交互に並ぶ骨格をたどり、各糖に付く塩基を後から確認すると見失いません。

基本例題：名前と核酸を判定する

【問題】次の3つの構造について、ヌクレオシドかヌクレオチドかを答え、通常のDNAとRNAの構成単位に相当するものはどちらかを答えてください。糖と塩基は1′位で結合し、リン酸がある場合は糖の5′位に結合しています。各構造の部品は実際に結合しています。核酸に相当しないものはその理由も記述してください。

• ア：デオキシリボース、アデニン、リン酸1個
• イ：リボース、ウラシル、リン酸1個
• ウ：リボース、グアニン。リン酸は結合していない

図2のように糖を基準にして、部品と結合を一つずつ確認します。箱は成分の模式表示であり、原子の数や配置を表しません。

【解答と解き方】アから順に、糖と塩基とリン酸の有無を判定します。

ア：糖と塩基が結合し、リン酸も結合している
ア：ヌクレオチド
ア：糖はデオキシリボース、塩基はDNAに使われるアデニン
ア：通常のDNAの構成単位に相当する
イ：糖と塩基が結合し、リン酸も結合している
イ：ヌクレオチド
イ：糖はリボース、塩基はRNAに使われるウラシル
イ：通常のRNAの構成単位に相当する
ウ：糖と塩基が結合し、リン酸は結合していない
ウ：ヌクレオシド
ウ：リン酸がないためヌクレオチドではなく、指定した構成単位に相当しない

判定を元の条件に戻すと、アとイには糖・塩基・リン酸がそれぞれあり、ウにはリン酸がありません。アデニンはRNAにも使われるので、アの判定には糖の種類が必要です。ウの糖と塩基はRNAに使われる組合せですが、リン酸がないことを無視してヌクレオチドと呼ぶことはできません。糖と塩基の種類の判定と、名称の判定を別の段階にします。

標準例題：骨格の位置と切断を読む

【問題】通常のRNAの直鎖を模式的に表します。左から糖を順にP、Q、R、Sと呼び、各糖には塩基が1個ずつ付いています。Pの3′位とQの5′位、Qの3′位とRの5′位、Rの3′位とSの5′位は、それぞれリン酸1個を介してつながっています。両末端には別のリン酸はありません。糖の種類、糖間のリン酸の個数、糖と糖をつなぐリン酸ジエステル部分の個数を整数で答えてください。また、QとRの間のリン酸によるつながりを切ると断片は何本になるか、整数で答えてください。切断はその位置だけとし、他の結合は切れないものとします。

【解答と解き方】RNAの糖を先に決め、その後で境目を数えます。

通常のRNAの糖：リボース
糖の並び：P、Q、R、S
糖と糖の間：PとQ、QとR、RとS
糖間のリン酸：3個
糖と糖をつなぐリン酸ジエステル部分：3個
QとRの間を切った後：PとQの断片、RとSの断片
断片：2本

両端には別のリン酸がないという条件から、リン酸の総数もこの場合は3個です。切断後はPとQの間、RとSの間がそれぞれ残ります。2本の断片にある糖は合わせて4個で、元のPからSまでと一致します。切断位置にあったリン酸のどちら側の結合が切れたかは指定されていないので、そのリン酸がどちらの断片に残るかは決めません。

別の見方では、最初に4個の糖が1本につながるには隣接する境目が3か所あります。そこから1か所を切ればつながりは2か所になり、独立した断片は2本です。ただしこの数え方は、枝分かれや環がない直鎖に限ります。また、末端にリン酸がある図では総リン酸数と糖間のリン酸数が一致するとは限りません。

発展示題：情報が足りるかを確かめる

【問題】結合済みの糖と塩基からなる物質Xにはリン酸がありません。別の物質Yは、糖、塩基、リン酸が結合したもので、糖の2′位はHです。Xの糖はリボース、塩基はアデニンです。Yの塩基はシトシンです。それぞれの名称を答え、通常のDNAまたはRNAの構成単位に相当するかを理由とともに述べてください。さらにYについて、塩基名だけから通常のDNAかRNAかを決められるか答えてください。

【解答と解き方】まず名前を決め、次に核酸の構成と照合します。

X：糖と塩基が結合し、リン酸がない
X：ヌクレオシド
X：リボースとアデニンはRNAに使われる組合せ
X：リン酸がないため、ヌクレオチドとしての構成単位には相当しない
Y：糖と塩基とリン酸が結合している
Y：ヌクレオチド
Y：糖の2′位がHなのでデオキシリボース
Y：シトシンは通常のDNAに使われる
Y：通常のDNAの構成単位に相当する
Y：シトシンはRNAにも使われるため、塩基名だけでは決められない

Xにリン酸を付けた別の物質ならRNAのヌクレオチドに相当しますが、問題のXには付いていません。存在しない結合を補って判定しないことが重要です。Yは糖の2′位の情報を使えば判定できます。答えを条件に戻すと、デオキシリボースとシトシンの組は通常のDNAに含まれ、リン酸も指定どおりあります。

情報が足りない場合にも、無理に一方へ決めず、何が不足するかを述べます。たとえばシトシンとリン酸があるという情報だけでは、糖がリボースかデオキシリボースかは決まりません。また、3成分が列挙されていても、互いに結合しているという情報がなければ、混合物と一分子を区別できません。構造の判断に必要な条件を言葉で補えるかが、暗記から一歩進むポイントです。

誤答を直す：部品と結合を分ける

誤答は「糖と塩基があるのでヌクレオチド」です。原因は、ヌクレオシドの構成をヌクレオチドの構成と取り違え、リン酸の存在と結合を確認していないことです。図3のように、糖と塩基の結合を見つけた後、リン酸が糖に結合しているかを別に調べます。リン酸がなければヌクレオシド、結合していればヌクレオチドです。

もう一つの誤答は「リン酸は塩基どうしを結ぶ」です。塩基は糖の1′位に付き、鎖の骨格ではリン酸が糖の3′位と別の糖の5′位をつなぎます。模式図で塩基が近くに描かれていても、線の両端を確認すれば結合相手を読み違えません。

「2′位がOHならDNA」という誤答もあります。位置の番号を覚えるだけでは不十分です。RNAのリボースに2′位のOHがあり、DNAのデオキシリボースでは対応する位置がHです。塩基にチミンやウラシルが書かれていない場合でも、糖の構造を与えられれば区別できる場合があります。

練習問題

以下は自作の条件です。各部品は記載されたとおり結合しているものとし、通常のDNAとRNAを扱います。名称はヌクレオシドまたはヌクレオチドで答え、理由を付けてください。

1. デオキシリボースとチミンが1′位で結合し、リン酸は付いていません。名称と、リン酸を付ける前にヌクレオチドと呼べるか答えてください。
2. リボース、シトシン、リン酸1個が結合しています。名称と、通常のDNAとRNAのどちらの構成単位に相当するか答えてください。
3. あるヌクレオチドの塩基がグアニンであることだけが示されています。通常のDNAとRNAのどちらに相当するか決められるか、不足する情報を含めて答えてください。
4. 直鎖の糖が左からL、M、N、O、Vの順に並び、隣り合う糖はそれぞれリン酸1個を介してつながっています。両末端には別のリン酸がありません。糖間のリン酸の数と、MとNの間を1か所切った後の断片の本数を整数で答えてください。ほかの箇所は切れないものとします。
5. 糖の1′位に塩基が付いた2つの糖があり、一方の3′位と他方の5′位がリン酸を介してつながっています。このリン酸が関わる結合を何と呼ぶか、糖・リン酸のどの位置がつながるかを含めて答えてください。

練習の解答と解き方

1. ヌクレオシドです。糖と塩基は結合していますが、リン酸が付いていないのでヌクレオチドとは呼べません。糖と塩基の組自体は通常のDNAに対応します。元の条件に戻すと、リン酸がないという点を答案に反映しています。

2. ヌクレオチドで、通常のRNAの構成単位に相当します。3成分が結合しているため名称が決まり、糖がリボースであることとシトシンがRNAの塩基であることから対応先が決まります。シトシンはDNAにもあるので、塩基名だけを根拠にしてはいけません。

3. 決められません。グアニンは通常のDNAとRNAの両方に含まれます。糖の2′位がHかOHかなど、糖の種類を判断する情報が必要です。2′位がHならデオキシリボース、OHならリボースとして、与えられた他の条件と照合します。

4. リン酸は4個、断片は2本です。糖の間はLとM、MとN、NとO、OとVの4か所です。切断後はLとMの断片と、N、O、Vの断片に分かれます。糖は2個と3個に分かれ、合わせて元の5個です。末端に別のリン酸がないという条件も、総数を4個とする根拠です。

5. リン酸ジエステル結合です。1個のリン酸が、一方の糖の3′位と他方の糖の5′位を酸素を介してつなぎます。糖と塩基の間のN-グリコシド結合とは別です。元の図に戻り、リン酸の両側をたどると、それぞれ別の糖に達することを確認できます。

観察を設計するときの注意

構造を実験結果から推定する場合、目的は何が分離されたか、どの結合が切れたかを区別することです。たとえば分解前後の試料を比較するなら、処理した試料と処理しない対照を用意し、試料量や測定条件をそろえます。変えるのは分解処理の有無、測るのは各成分に対応する信号です。実験は学校の指導の下で行います。

信号が小さいときは、対象がない場合のほか、分解が不完全な場合や回収が十分でない場合も考えられます。回収不足は生成物を実際より少なく見せる方向に働きますが、混入があれば逆に大きく見えることもあります。対照の信号や回収の確認なしに、信号の有無から結合位置まで断定することはできません。測定結果の解釈と、構造式からの論理的な判定は区別します。

覚えておくこと

• 糖と塩基が結合したものはヌクレオシドです。
• さらにリン酸が結合したものはヌクレオチドです。
• 通常のDNAはデオキシリボース、RNAはリボースを含みます。
• 鎖ではリン酸が糖の3′位と隣の糖の5′位を結びます。

つまずいた位置を探す

名称を間違えたら、まず3種類の成分に印を付け、糖と塩基の線と糖とリン酸の線を別々にたどってください。DNAとRNAを取り違えたら、塩基名だけで判定していないか、糖の2′位まで戻って確認します。鎖の個数を間違えたら、糖の数ではなく隣接する糖の間を数え、末端のリン酸の条件を見直します。

個別指導で確かめるなら、糖を1個描いて1′、2′、3′、5′の位置と結合相手を言葉で説明し、その後に隣の糖を足してリン酸を介する接続を示す方法があります。成分の名前と線の意味が対応すれば、初めて見る模式図でも構造を追えます。