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ヌクレオチドは、窒素塩基、五炭糖、リン酸からなる有機分子です。核酸ポリマー（デオキシリボ核酸（DNA）とリボ核酸（RNA））のモノマー単位として機能し、どちらも地球上のあらゆる生命体に不可欠な生体分子です。ヌクレオチドは食事から摂取されるほか、肝臓で一般的な栄養素から合成されます。^{[ 1 ]}

ヌクレオチドは、核酸塩基、5炭素糖（リボースまたはデオキシリボース）、そして1～3個のリン酸からなるリン酸基という3つのサブユニット分子から構成されています。DNAにはグアニン、アデニン、シトシン、チミンの4つの核酸塩基が含まれています。RNAでは、チミンの代わりに ウラシルが使用されています。

ヌクレオチドは、基礎的な細胞レベルでの代謝においても中心的な役割を果たしています。ヌクレオチドは、ヌクレオシド三リン酸、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）の形で化学エネルギーを細胞全体に供給し、アミノ酸、タンパク質、細胞膜の合成、細胞および細胞部位の移動（細胞内および細胞間）、細胞分裂など、エネルギーを必要とする多くの細胞機能を支えています。^{[ 2 ]}さらに、ヌクレオチドは細胞シグナル伝達（環状グアノシン一リン酸（cGMP）および環状アデノシン一リン酸（cAMP））にも関与し、酵素反応の重要な補因子（コエンザイムA、FAD、FMN、NAD、NADP ⁺など）にも組み込まれています。

実験生化学では、放射性核種を使用してヌクレオチドを放射標識し、放射性ヌクレオチドを生成することができます。

5-ヌクレオチドはうま味を高めるための食品添加物として、酵母エキスの形で風味増強剤にも使用されています。 ^{[ 3 ]}

ヌクレオシドは、3つの異なる化学サブユニット、すなわち5炭素糖分子、核酸塩基（これら2つを合わせてヌクレオシドと呼ぶ）、そして1つのリン酸基から構成される。これら3つが結合したヌクレオチドは、リン酸基を構成するリン酸の数に応じて、「ヌクレオシド一リン 酸」、「ヌクレオシド二リン酸」、「ヌクレオシド三リン酸」とも呼ばれる。^{[ 4 ]}

核酸では、ヌクレオチドはプリン塩基またはピリミジン塩基（すなわち、核酸塩基分子、窒素塩基としても知られる）のいずれかを含み、糖がリボースの場合はリボヌクレオチド、糖がデオキシリボースの場合はデオキシリボヌクレオチドと呼ばれます。個々のリン酸分子は、2つの隣接するヌクレオチドモノマーの糖環分子を繰り返し結合し、それによって核酸のヌクレオチドモノマーを端から端まで結合して長い鎖を形成します。これらの糖およびリン酸分子の鎖結合により、単鎖または二重らせんの「バックボーン」鎖が形成されます。どの鎖でも、鎖結合の化学的配向（方向性）は、隣接するヌクレオチドの糖分子の5つの炭素部位を指して、 5'末端から3'末端まで（5'プライム末端から3'プライム末端と読みます）続きます。二重らせん構造では、2本の鎖が反対方向に向いており、塩基対形成と塩基対間の相補性が可能になっています。これらはすべて、 DNAにエンコードされた情報の複製や転写に不可欠です。 ^[要出典]

核酸は、核酸のモノマー単位であるヌクレオチドから構成される高分子 です。プリン塩基のアデニンとグアニン、そしてピリミジン塩基のシトシンはDNAとRNAの両方に存在しますが、ピリミジン塩基のチミン（DNA中）とウラシル（RNA中）はどちらか一方のRNAにのみ存在します。アデニンはチミンと2つの水素結合で塩基対を形成し、グアニンはシトシンと3つの水素結合で塩基対を形成します。

核酸ポリマーの構築ブロックであることに加えて、単一ヌクレオチドは、細胞エネルギーの貯蔵と供給、細胞シグナル伝達、タンパク質や他のシグナル分子の活性を調節するために使用されるリン酸基の供給源、および多くの場合酸化還元反応を実行する酵素補因子としての役割を担っています。シグナル環状ヌクレオチドは、同じ糖分子にリン酸基を2回結合させ、糖の5'-および3'-ヒドロキシル基を架橋することによって形成されます。 ^{[ 2 ]} 一部のシグナルヌクレオチドは、標準的な単一リン酸基構成とは異なり、糖の異なる位置に複数のリン酸基が結合しています。^{[ 5 ]}ヌクレオチド補因子には、ニコチンアミドやフラビンなどのグリコシド結合を介して 糖に結合するより広範囲の化学基が含まれ、後者の場合、リボース糖は他のヌクレオチドで見られる環を形成するのではなく線状です。

ヌクレオチドは、 in vitroでもin vivoでも、さまざまな方法で合成できます。^{[引用が必要]}

試験管内においては、保護基はヌクレオチドの実験室生産に用いられることがある。精製されたヌクレオシドは保護基によってホスホラミダイト（ホスホラミダイト）を形成し、これを用いて天然には存在しない類似体を得たり、オリゴヌクレオチドを合成したりすることができる。^[要出典]

生体内では、ヌクレオチドはde novo合成されるか、またはサルベージ経路によってリサイクルされる。^{[ 1 ]} de novo ヌクレオチド合成で使用される成分は、炭水化物およびアミノ酸代謝の生合成前駆体、およびアンモニアおよび二酸化炭素に由来する。最近、細胞の重炭酸塩代謝がmTORC1シグナル伝達によって制御できることも実証された。^{[ 6 ]}肝臓は 4 種類のヌクレオチドすべての de novo 合成の主要器官である。ピリミジンおよびプリンの de novo 合成は 2 つの異なる経路に従う。ピリミジンはまず細胞質内のアスパラギン酸およびカルバモイルリン酸から共通の前駆体環構造オロト酸に合成され、これにリン酸化リボシル単位が共有結合する。一方、プリンは環合成が起こる糖鋳型から最初に合成される。参考までに、プリンヌクレオチドとピリミジンヌクレオチドの合成は、特定の細胞小器官内ではなく、細胞質内の複数の酵素によって行われます。ヌクレオチドは分解され、有用な部分は合成反応に再利用され、新しいヌクレオチドが生成されます。^[要出典]

ピリミジンであるシチジン三リン酸（CTP）とウリジン三リン酸（UTP）の合成は細胞質内で起こり、グルタミンとCO ₂からカルバモイルリン酸が生成されることから始まる。次に、アスパラギン酸カルバモイルトランスフェラーゼがアスパラギン酸とカルバモイルリン酸の縮合反応を触媒し、カルバモイルアスパラギン酸を形成する。カルバモイルアスパラギン酸はジヒドロオロターゼによって4,5-ジヒドロオロト酸へと環化される。後者はジヒドロオロト酸酸化酵素によってオロト酸に変換される。反応式は以下の通りである。

( S )-ジヒドロオロト酸 + O ₂ → オロト酸 + H ₂ O ₂

オロチン酸はリン酸化リボシル基と共有結合している。リボースとピリミジン基の共有結合は、ピロリン酸を含むリボース基のC ₁ ^{[ 7 ]}位と、ピリミジン環のN _{1 位で起こる。}オロチン酸ホスホリボシルトランスフェラーゼ（PRPPトランスフェラーゼ）は、オロチジン5'-一リン酸（OMP） を生成する反応を触媒する。

オロチン酸 + 5-ホスホ-α-D-リボース1-二リン酸 (PRPP) → オロチジン5'-リン酸 + ピロリン酸

オロチジン5'-一リン酸は、オロチジン5'-リン酸脱炭酸酵素によって脱炭酸され、ウリジン一リン酸（UMP）を生成します。PRPPトランスフェラーゼは、リボシル化反応と脱炭酸反応の両方を触媒し、PRPPの存在下でオロチン酸からUMPを生成します。他のピリミジンヌクレオチドはUMPから誘導されます。UMPは2つのキナーゼによってATPとの2つの連続反応を経てウリジン三リン酸（UTP）にリン酸化されます。まず、UDPから二リン酸が生成され、これが次にUTPにリン酸化されます。どちらの反応もATP加水分解によって促進されます。

ATP + UMP → ADP + UDP

UDP + ATP → UTP + ADP

CTPは、 CTP合成酵素の触媒活性によってUTPがアミノ化されて生成されます。グルタミンはNH3供与体であり_、この反応はATP加水分解によっても促進されます。

UTP + グルタミン + ATP + H ₂ O → CTP + ADP +_リン

シチジン一リン酸（CMP）はシチジン三リン酸（CTP）から2つのリン酸が失われて生成されます。^{[ 8 ] [ 9 ]}

プリンヌクレオチドの構築に使用される原子は、さまざまな源から来ます。

これらの前駆体がプリン環に組み込まれるプリンヌクレオチドのde novo合成は、 10段階の経路を経て分岐中間体IMP（塩基ヒポキサンチンのヌクレオチド）へと進行する。その後、 AMPとGMPは、この中間体からそれぞれ別の2段階経路を経て合成される。したがって、プリン部分は遊離塩基としてではなく、リボヌクレオチドの一部として最初に形成される。

IMPの合成には6つの酵素が関与しています。そのうち3つは多機能です。

• GART（反応2、3、5）
• PAICS（反応6および7）
• ATIC（反応9および10）

この経路はPRPPの形成から始まります。PRPS1は、主にペントースリン酸経路によって生成されるR5PをATPと反応させてPRPPへと活性化する酵素です。この反応は、ピロホスホリル基がATPからR5Pの_C1に直接転移し、生成物がC1に関してα配置をとるという点で特異です。この反応は、 Trp、His、およびピリミジンヌクレオチドの合成経路とも共通しています。この反応は代謝の主要な分岐点にあり、多くのエネルギーを必要とするため、高度に制御されています。

プリンヌクレオチド生合成に特有の最初の反応では、PPATがPRPPのピロリン酸基（PP _i）を、グルタミン（N）、グリシン（N&C）、アスパラギン酸（N）、葉酸（C ₁）、またはCO _{2から供与されるアミド窒素で置換する反応を触媒します。これはプリン合成における重要なステップです。この反応はリボースC 1}を中心とした立体配置の反転を伴い、 β - 5-ホスホリボシルアミン（5-PRA）を形成し、将来のヌクレオチドのアノマー型を確立します。

次に、ATP加水分解によってグリシンが組み込まれ、カルボキシル基が先に導入されたNH _{2とアミン結合を形成する。次に、葉酸補酵素N 10} -ホルミル-THF由来の1炭素単位が置換グリシンのアミノ基に付加され、イミダゾール環が閉環する。次に、2つ目のNH _{2基がグルタミンからグリシン単位の最初の炭素に転移される。同時に、グリシン単位の2つ目の炭素のカルボキシル化も付加される。この新しい炭素は、今度はアスパラギン酸残基から転移された3つ目のNH 2}基の付加によって修飾される。最後に、ホルミル-THF由来の2つ目の1炭素単位が窒素基に付加され、環が共有結合して閉環し、一般的なプリン前駆体であるイノシン一リン酸（IMP）が形成される。

イノシン一リン酸は2段階でアデノシン一リン酸に変換されます。まず、GTP加水分解が促進され、アデニロコハク酸合成酵素によってアスパラギン酸がIMPに付加されます。これにより、カルボニル酸素が窒素に置換され、中間体であるアデニロコハク酸が生成されます。次に、フマル酸が切断され、アデノシン一リン酸が生成されます。この段階はアデニロコハク酸リアーゼによって触媒されます。

_{イノシン一リン酸は、IMPの酸化によってグアノシン一リン酸に変換され、キサンチル酸を形成し、続いてC2}位にアミノ基が挿入される。NAD ⁺は酸化反応における電子受容体である。グルタミンからのアミド基の転移は、ATP加水分解によって促進される。

_{ヒトにおいて、ピリミジン環（C、T、U）は完全にCO 2}とNH ₃に分解されます（尿素排泄）。しかし、プリン環（G、A）は分解されません。代わりに、代謝的に不活性な尿酸に分解され、体外に排出されます。尿酸は、GMPが塩基のグアニンとリボースに分解される際に生成されます。グアニンは脱アミノ化されてキサンチンとなり、さらに酸化されて尿酸になります。この最後の反応は不可逆です。同様に、AMPが脱アミノ化されてIMPとなり、そこからリボースが除去されてヒポキサンチンが生成されることで尿酸が生成されます。ヒポキサンチンは酸化されてキサンチンとなり、最終的に尿酸になります。尿酸の排泄の代わりに、グアニンとIMPは、PRPPとアスパラギン酸（NH ₃供与体）の存在下で、リサイクルや核酸合成に利用されます。^[要出典]

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生命の起源に関する理論には、生命誕生前の妥当な条件下で生命の主要な構成要素の形成を可能にする化学経路の知識が必要である。RNA ワールド仮説は、原始スープに自由に浮遊するリボヌクレオチド、つまり連続して結合してRNAを形成する基本分子が存在したとしている。 RNA のような複雑な分子は、反応性が物理化学的プロセスによって支配される小分子から発生したに違いない。 RNA はプリンヌクレオチドとピリミジンヌクレオチドで構成されており、どちらも信頼性の高い情報伝達、つまりダーウィンの進化に不可欠である。 Becker らは、ピリミジンヌクレオシドが小分子とリボースから湿潤-乾燥サイクルのみによってどのように合成されるかを示した。 ^{[ 10 ]}プリンヌクレオシドも同様の経路で合成できる。 5'-モノリン酸およびジリン酸もリン酸含有鉱物から選択的に生成され、プリン塩基とピリミジン塩基の両方を持つポリリボヌクレオチド の同時形成を可能にする。このように、プリンとピリミジンRNA構成要素への反応ネットワークは、単純な大気や火山の分子から構築することができます。^{[ 10 ]}

人工塩基対（UBP）は、自然界には存在しない、実験室で作られたDNAの設計されたサブユニット（または核酸塩基）である。 ^{[ 11 ]}例としては、d5SICSやdNaMが挙げられる。疎水性核酸塩基を持つこれらの人工ヌクレオチドは、 DNA中で（d5SICS-dNaM）複合体または塩基対を形成する2つの融合芳香族環を特徴とする。 ^{[ 12 ] [ 13 ]}大腸菌は、 UBPを含むプラスミドを複数世代にわたって複製するように誘導されている。^{[ 14 ]}これは、生物が拡張された遺伝コードを次の世代に受け継ぐ最初の既知の例である。^{[ 12 ] [ 15 ]}

合成ヌクレオチドの用途は多岐にわたり、病気の診断、治療、精密医療などが含まれます。

1. 抗ウイルス薬または抗レトロウイルス薬：いくつかのヌクレオチド誘導体は、肝炎やHIV感染症の治療に使用されています。^{[ 16 ] [ 17 ]}直接ヌクレオシドアナログ逆転写酵素阻害剤（NRTI）の例としては、テノホビルジソプロキシル、テノホビルアラフェナミド、ソホスブビルなどがあります。一方、メリシタビン、ラミブジン、エンテカビル、テルビブジンなどの薬剤は、活性化するためにまずリン酸化による代謝を受けなければなりません。
2. アンチセンスオリゴヌクレオチド（ASO）：合成オリゴヌクレオチドは、特定のRNA転写産物に結合し、最終的にタンパク質発現を調節できるため、希少遺伝性疾患の治療に用いられてきました。脊髄性筋萎縮症、筋萎縮性側索硬化症、ホモ接合性家族性高コレステロール血症、および原発性高シュウ酸尿症1型は、いずれもASOをベースとした治療の適応となります。^{[ 18 ]}オリゴヌクレオチドの応用は、精密医療および治療困難な疾患の管理における新たなフロンティアです。
3. 合成ガイド RNA (gRNA) : 合成ヌクレオチドは、 CRISPR-Cas9などの遺伝子編集技術が適切に機能するために不可欠なgRNA を設計するために使用できます。

ヌクレオチド（略称「nt」）は一本鎖核酸の一般的な長さの単位であり、塩基対が二本鎖核酸の長さの単位であるのと同様である。^{[ 19 ]}

IUPACはヌクレオチドの記号を指定しています。^{[ 20 ]} 5つの塩基（A、G、C、T/U）に加えて、特にPCRプライマーの設計には縮重塩基がよく用いられます。これらのヌクレオチドコードはここに記載されています。プライマー配列の中には、非標準ヌクレオチドであるイノシンを表す文字「I」を含むものもあります。イノシンはtRNAに存在し、アデニン、シトシン、またはチミンと対を形成します。しかし、この文字は縮重を表さないため、以下の表には記載されていません。イノシンは縮重「H」と同様の機能を果たすことができますが、必要な対合の可能性をすべて網羅するヌクレオチドの混合物ではなく、実際のヌクレオチドです。