Reviewed by the Nucleic acid: Todd Smith, PhD

Nucleotide Definition

名詞、複数形。 nucleotides
(nu-cle-o-tide, ˈnjuːklɪəˌtaɪd)

核酸の基本構成単位で、窒素ベース、糖、リン酸グループからなる有機化合物です。

また、ヌクレオチドは、ヌクレオシド三リン酸の形で化学エネルギーを提供します。 さらに、細胞シグナル伝達に関与し、細胞プロセスにおけるセカンドメッセンジャーを形成します。

語源。 「ヌクレオ（核）＋イド（化学接尾辞）

概要

核酸（DNAやRNAなど）の基本構成単位と考えられているのがヌクレオチドである。 核酸は、生体分子の主要なグループの1つである（他は糖質、タンパク質、アミノ酸）。 核酸は遺伝情報の保存、複製、発現に関与している。

特徴

ヌクレオチドは、窒素塩基、炭素数5の糖、リン酸基の3つのサブユニットからなる有機化合物である。 糖成分にはリボースとデオキシリボースがある。 リボースは、RNAを構成するヌクレオチドの糖成分である。 デオキシリボース糖は、DNAの糖成分である。 リン酸基は、隣り合う2つのヌクレオチド単量体の糖環をそれぞれつないでいる。 リン酸基と糖の部分が核酸の骨格を形成している。 DNAでは、2本の鎖の向きが逆になっている。 これは、核酸塩基の構成要素同士が相補的に塩基対を形成できるようにするためである。 核酸は、長鎖とは別に、環状になったものも存在する。 環状ヌクレオチドは、リン酸基が糖部分、特に構成糖の2つの水酸基に2回結合して形成される。

核酸のサブユニットとしてのヌクレオチドの役割とは別に、エネルギー運搬体としての役割も持っている。 ヌクレオチドは核酸のサブユニットとしての役割のほかに、エネルギー運搬体でもある。

Nucleoside vs. Nucleotides

Nucleotides は、同じく窒素塩基を持つ5炭素の糖である Nucleoside と混同しないでください。 ヌクレオシドにはリン酸基がない。 ヌクレオシドがリン酸基と結合すると、ヌクレオチドができる。 (参考文献1) したがって、ヌクレオチドは、リン酸基が1つだけの場合はヌクレオシド一リン酸、リン酸基が2つの場合はヌクレオシド二リン酸、リン酸基が3つの場合はヌクレオシド三リン酸とも呼ばれる。 五炭糖成分によって、ヌクレオシドはリボヌクレオシドまたはデオキシリボヌクレオシドである場合がある。 リボヌクレオシドとは、リボース（糖成分）を持つヌクレオシドである。 核酸塩基成分に基づいて、リボヌクレオシドは、アデノシン、グアノシン、シチジン、ウリジン、または5-メチルウリジンであってよい。 デオキシリボヌクレオシドとは、デオキシリボースを有するヌクレオシドをいう。 同様に、核酸塩基成分に基づいて、デオキシリボヌクレオシドは、デオキシアデノシン、デオキシグアノシン、デオキシシチジン、デオキシチミジン、またはデオキシウリジンであってもよい。 また、核酸塩基の成分によって、ヌクレオシドは「ダブルリング型」のプリンと「シングルリング型」のピリミジンのいずれかに分類されることがある。

分類

基本的な核酸は窒素塩基の構造からプリンとピリミジンに分類される。 プリン塩基にはアデニン、グアニンなどがあり、ピリミジン塩基にはチミン、シトシン、ウラシルなどがある。 RNAではウラシルがチミンに代わる（チミンはウラシルにメチルを付加して生成される）。 (参考文献2)

核酸を構成する核酸塩基は、DNAとRNA分子を区別するために使われます。 DNAではチミンがアデニンと相補的に対になっているのに対し、RNAではウラシルがアデニンと一致する。 核酸塩基のC-GとA-T（RNAではA-U）の対を塩基性相補と呼んでいる。

種類

リン酸基を1つだけ持つヌクレオチドの例。

• アデノシン一リン酸（AMP）
• グアノシン一リン酸（GMP）
• シチジン一リン酸（CMP）
• ウリジン一リン酸（UMP）
• 環状アデノシン一リン酸（cAMP）
• 環状グアノシン一リン酸（cGMP）
• 環状シチジン一リン酸（cCYP）
• 環状ウリジン一リン酸（cUMP）
• デオキシアデノシン一リン酸（dAMP）
• デオキシグアノシン一リン酸（deoxy guanosine monophosphate) (dGMP)
• デオキシチチジン一リン酸（dCMP）
• （デオキシ）チミジン一リン酸（dTMP）

二つのリン酸基を有するヌクレオチドである。

• アデノシン二リン酸（ADP）
• グアノシン二リン酸（GDP）
• シチジン二リン酸（CDP）
• ウリジン二リン酸（UDP）
• デオキシアデノシン二リン酸（DAP (dADP)
• デオキシグアノシン二リン酸 (dGDP)
• デオキシシチジン二リン酸 (dCDP)
• (deoxy)thymidine diphosphate (dTDP)

三つのリン酸基を持つ核酸塩のこと。

• アデノシン三リン酸（ATP）
• グアノシン三リン酸（GTP）
• シチジン三リン酸（CTP）

ウリジン三リン酸（UTP）

• デオキシアデノシン三リン酸（dATP）
• デオキシグアノシン三リン酸（dGTP）デオキシシチジン三リン酸（dCTP）
• （デオキシ）チミジン三リン酸（dTTP）

De novo 合成経路

ヌクレオチドはde novo 合成経路またはサルベージ経路によって自然に生成されます。 (文献4) ヒトでは、基本的なヌクレオチドのデノボ合成経路は主に肝臓で行われる。 ピリミジン生合成では、カルバモイルリン酸の生成に始まる一連のステップを経て環が形成される。 (参考文献1）まず、炭酸水素塩、グルタミン、ATP（リン酸化用）、水分子が関与する生化学反応からカルバモイルリン酸が生成される。 この反応を触媒する酵素が、細胞質内に存在するカルバモイルリン酸合成酵素IIである。 次に、カルバモイルリン酸は、アスパラギン酸トランスカルバミラーゼという酵素によってカルバモイルアスパラギン酸に変換される。 次に、分子内縮合により環が閉じ、ジヒドロオロターゼという酵素によりカルバモイルリン酸はジヒドロオロターゼに変換される。 最後に、ジヒドロオロテートはジヒドロオロテートデヒドロゲナーゼ（ミトコンドリア内膜に存在する膜タンパク質）により酸化され、オロチン酸に変換される。 ピリミジン環が形成された後、リボースリン酸である5-phospho-α-D-ribosyl 1-pyrophosphate (PRPP) がオロチン酸と反応してオロチジン-5-モノリン酸 (OMP) を形成する。 OMPはOMPデカルボキシラーゼという酵素によって脱炭酸され、ウリジン一リン酸（UMP）が生成される。 最終的には、キナーゼとATPの脱リン酸化により、ウリジン二リン酸（UDP）とウリジン三リン酸（UTP）が生合成経路の下流で生成されます。 UTPは、CTP合成酵素を介したUTPのアミノ化により、シチジン三リン酸（CTP）に変換されることができる。 (参考文献5)

プリン生合成において、プリンはヌクレオチドのイノシン一リン酸（IMP）に由来する場合がある。 IMPは、次に、主にアミノ酸グリシン、グルタミン、およびアスパラギン酸から形成される既存のリボースリン酸から生成される。 リボース5-リン酸はATPと反応して5-ホスホリボシル-1-ピロリン酸（PRPP）を生成する。 PRPPはプリンとピリミジンの合成に関与し、NADとNADPの生成とサルベージ経路にも関与している。 PRRPは、PRRPのピロリン酸をグルタミンのアミド基で置換した5-ホスホリボシルアミンに変換されると、特にプリン生合成に関与するようになるが、PRRPのピロリン酸をグルタミンのアミド基で置換した場合、プリン生合成に関与するようになる。 (参考文献6) IMPはその後、アデノシン一リン酸（AMP）またはグアノシン一リン酸（GMP）に変換される。

分解

プリン類のグアニンおよびアデニンは以下のように分解されうる。 その後、グアノシンが切断され、遊離のグアニンになる。 (参考文献 7）

• グアニン（グアナース経由） ” キサンチン（キサンチンオキシダーゼ経由） ” 尿酸
• アデノシン “” イソシン（プリンヌクレオシドホスホリラーゼ経由） ” ヒポキサンチン（キサンチンオキシダーゼ経由） ” 尿酸

プリン分解により、。 尿酸が生成されます。 ヒトの場合、尿酸は肝臓などの組織から血流に放出され、それを経由して腎臓に到達します。

異化作用で生じたプリン体は、以下のように救済され、再利用されることがある。 (参考文献)

• アデニンはアデニンホスホリボシルトランスフェラーゼ（APRT）という酵素によってアデニル酸に変換され、
• グアニンおよびヒポキサンチンはヒポキサンチン-グアニンホスホリボシル転移酵素（HGPRT）によってサルベージされる。） グアニル酸またはIMP

を形成することにより、分解されたピリミジンはサルベージ経路によってリサイクルされることができる。 (参考文献1）核酸塩基はRNAやDNAの分解後に再利用するために回収される。 ピリミジンのサルベージ経路は以下の通り：

• シトシンは脱アミノ化によりウラシルに変換される。 ウリジンホスホリラーゼにより、ウラシルはリボース-1-リン酸と反応してウリジンに変換される。 ヌクレオシドキナーゼという酵素を経て、ウリジンはウリジン一リン酸（UMP）に変換される。
• チミンはデオキシリボース-1-リン酸と反応し、チミジンホスホリラーゼという酵素によりチミジンに変換される。 その後、チミジンはヌクレオシドキナーゼという酵素によってチミジン一リン酸に変換される。 特にチミジンキナーゼは、チミジンをリン酸化してチミジン一リン酸にすることを触媒する、ピリミジン救済経路の酵素である。 (参考文献8)

生物機能

核酸の前駆体としての役割の他に、ヌクレオチドは細胞のシグナル伝達や代謝において重要な補因子として機能している。 これらの補酵素には、CoA、フラビンアデニンジヌクレオチド（FAD）、フラビンモノヌクレオチド、アデノシン三リン酸（ATP）、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（NADP）などが含まれます。 特にヌクレオシド三リン酸は、エネルギーを必要とする多くの細胞活動、例えばアミノ酸合成、タンパク質合成、細胞分裂、細胞内および細胞間の運動などで使用される化学エネルギーのパケットを運ぶものである。

• Nucleic acid
• Deoxyribonucleic acid
• Ribonucleic acid
• Nucleoside

1. PURINES AND PYRIMIDINESも参照されたし。 (2020). ユタカ.エデュ. https://library.med.utah.edu/NetBiochem/pupyr/pp.htm
2. Bera, P. P., Nuevo, M., Materese, C. K., Sandford, S. A., & Lee, T. J. (2016). 天体物理学的条件下でのチミン生成のメカニズムと生命の起源への示唆。 The Journal of Chemical Physics, 144(14), 144308. https://doi.org/10.1063/1.4945745
3. ヌクレオチド. (2020). Rpi.Edu. https://homepages.rpi.edu/~bellos/nucleotides.htm
4. ヌクレオチド・サルベージ-概要｜ScienceDirect Topics. (2018). サイエンスダイレクトドットコム. https://www.sciencedirect.com/topics/biochemistry-genetics-and-molecular-biology/nucleotide-salvage
5. Charma, K. & Somani, D. (2015). ピリミジン生合成. Slideshare.netのサイトから取得：www.slideshare.net/kskuldeep1995/pyrimidine-biosynthesis-46874172
6. Berg, J. M., Tymoczko, J. L., & Lubert Stryer. (2016). ヌクレオチド生合成の重要なステップはフィードバック阻害によって制御される。 Nih.Gov; W H Freeman. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22428/
7. 第21章 アミノ酸，ヌクレオチド，および関連分子の生合成. (2020). バイオインフォ.Org.Cn. http://www.bioinfo.org.cn/book/biochemistry/chapt21/bio8.htm
8. He, Q., Mao, Y., & Wu, J. (2002). 乳癌患者におけるCytosolic Thymidine Kinaseの免疫組織化学的発現。 Handbook of Immunohistochemistry and in Situ Hybridization of Human Carcinomas, 463-469. https://doi.org/10.1016/s1874-5784(04)80056-4

推奨。

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