高分子
ポリペプチド高分子の化学構造

高分子とは、「相対的に分子量が大きい分子であり、その構造は本質的に、実質的にまたは概念的に相対的に分子量の小さい分子から派生した単位の多重反復から構成される」ものである。[ 1 ]ポリマーは高分子の物理的な例である。一般的な高分子としては、生体高分子（核酸、タンパク質、炭水化物）、[ 2 ]ポリオレフィン（ポリエチレン）、ポリアミド（ナイロン）などがある。

合成高分子

飲料容器の製造に使用されるポリエチレンテレフタレート（PET）

多くの高分子は合成ポリマー（プラスチック、合成繊維、合成ゴム）です。ポリエチレンは特に大規模に生産されており、エチレンは化学産業の主要製品となっています。[ 3 ]

自然界の高分子

線状バイオポリマー

すべての生物は、その生物学的機能を果たすために、DNA、RNA、タンパク質という3つの必須の生体高分子に依存しています。[ 4 ]これらの分子はそれぞれが細胞内でそれぞれ異なる不可欠な役割を果たしているため、生命維持に必要です。[ 5 ]簡単にまとめると、DNAからRNAが作られ、RNAからタンパク質が作られます。

DNA、RNA、そしてタンパク質はすべて、関連する構成要素（DNAとRNAの場合はヌクレオチド、タンパク質の場合はアミノ酸）の繰り返し構造で構成されています。一般的に、これらはすべて分岐のないポリマーであるため、紐の形で表すことができます。実際、これらはビーズの連なりとして捉えることができ、それぞれのビーズは単一のヌクレオチドまたはアミノ酸モノマーを表し、それらが共有結合によって非常に長い鎖を形成しています。

ほとんどの場合、鎖内のモノマーは他のアミノ酸やヌクレオチドと相互作用する傾向が強い。DNAやRNAでは、ワトソン・クリック型塩基対（G - CおよびA - TまたはA- U）の形をとることがあるが、より複雑な相互作用も起こり得る。

構造上の特徴

DNA RNA タンパク質
遺伝情報をエンコードする はい はい いいえ
生物学的反応を触媒する いいえ はい はい
ビルディングブロック（タイプ） ヌクレオチド ヌクレオチド アミノ酸
ビルディングブロック（数） 4 4 20
立ち往生 ダブル シングル シングル
構造 二重らせん 複雑な 複雑な
劣化に対する安定性 高い 変数 変数
修理システム はい いいえ いいえ

DNAは二重鎖構造であるため、本質的にすべてのヌクレオチドは二重らせん構造の2本の相補鎖上のヌクレオチド間のワトソン・クリック塩基対の形をとる。[ 6 ]

対照的に、RNAとタンパク質はどちらも通常は一本鎖です。そのため、DNA二重らせんの規則的な形状に制約されず、配列に応じて複雑な三次元形状に折り畳まれます。これらの異なる形状は、特異的な結合ポケットの形成や生化学反応の触媒能力 など、RNAとタンパク質に共通する多くの特性に関与しています。

DNAは情報のエンコードに最適化されている

DNAは、あらゆる生物の組み立て、維持、繁殖に必要な完全な一連の指示（ゲノム）をコード化した情報記憶高分子です。 [ 7 ]

DNAとRNAはどちらも遺伝情報をコードする能力を持っています。なぜなら、DNAまたはRNA配列内にコードされた情報を読み取り、特定のタンパク質を生成する生化学的メカニズムが存在するからです。一方、タンパク質分子の配列情報は、細胞が遺伝情報を機能的にコードするためには利用されません。[ 2 ] : 5

DNAには、遺伝情報のエンコードにおいてRNAよりもはるかに優れた3つの主要な特性があります。第一に、DNAは通常二本鎖構造であるため、各細胞には各遺伝子をエンコードする情報が少なくとも2つ存在します。第二に、DNAはRNAよりも分解に対する安定性がはるかに高く、これは主にDNAのヌクレオチドに2'-ヒドロキシル基が存在しないことに起因しています。第三に、DNAの損傷を監視し、必要に応じて配列を修復する、高度に洗練されたDNA監視・修復システムが備わっています。損傷したRNA分子を修復するための類似のシステムは進化していません。その結果、染色体は特定の化学構造に配置された数十億個の原子を含むことができます。

タンパク質は触媒作用に最適化されている

タンパク質は、生命を維持する生化学反応を触媒する役割を担う機能性高分子です。[ 2 ] : 3 タンパク質は、光合成、神経機能、視覚、運動など、生物のあらゆる機能を担っています。[ 8 ]

タンパク質分子は一本鎖であり、20種類以上のアミノ酸からなる構成要素からなるため、多様な三次元形状に折り畳むことができ、あらゆる種類の分子と特異的に相互作用できる結合ポケットを備えています。また、アミノ酸の化学的多様性と局所的な三次元構造によって生じる多様な化学環境により、多くのタンパク質が酵素として作用し、細胞内でさまざまな生化学的変換を触媒します。さらに、タンパク質はさまざまな補因子や補酵素と結合する能力を進化させており、これらのより小さな分子により、ポリペプチド鎖単独に関連する活性を超えた特定の活性がタンパク質に付​​与されます。

RNAは多機能である

RNAは多機能であり、その主な機能は細胞のDNA内の指示に従ってタンパク質をコード化することです。 [ 2 ]：5 RNAは真核生物におけるタンパク質合成の多くの側面を制御および調節します。

RNAは、タンパク質のアミノ酸配列に翻訳可能な遺伝情報をコードしています。これは、あらゆる細胞内に存在するメッセンジャーRNA分子や、多くのウイルスのRNAゲノムに見られるように明らかです。RNAは一本鎖であること、急速に分解されやすいこと、そして修復システムが欠如していることから、DNAほど遺伝情報の長期保存には適していません。

さらに、RNAは一本鎖ポリマーであり、タンパク質と同様に、非常に多くの三次元構造に折り畳むことができます。これらの構造の中には、他の分子が結合する部位や、結合した分子上で特定の化学反応を触媒する化学的に活性な中心となるものがあります。RNAの構成要素の数が限られていること（4ヌクレオチドに対し、タンパク質は20を超えるアミノ酸）と、化学的多様性の欠如により、ほとんどの生物学的反応において、触媒RNA（リボザイム）はタンパク質よりも触媒として一般的に効果が低いです。

分岐型バイオポリマー

針葉樹リグニンの理想的な構造

リグニンは広く存在する天然高分子で、樹木の質量の約3分の1を占めています。リグニンは架橋によって生成されます。リグニンの関連物質としてポリフェノールがあり、これは複数のフェノールサブユニットが分岐した構造で構成されています。ポリフェノールは構造的役割（例えばリグニン）を果たすだけでなく、シグナル伝達、色素形成、防御に関与する二次代謝物としても機能します。

ラズベリーエラジタンニンは、グルコース単位の核を没食子酸エステルとエラジ酸単位が取り囲んだタンニンである。

炭水化物高分子（多糖類）は、単糖類のポリマーから形成されます。[ 2 ]：11 単糖類は複数の官能基を持つため、線状ポリマー（例：セルロース）や複雑な分岐構造（例：グリコーゲン）を形成できます。多糖類は生体内で様々な役割を果たしており、エネルギー貯蔵庫（例：デンプン）や構造成分（例：節足動物や菌類のキチン）として機能します。多くの炭水化物は、官能基が置換または除去された修飾された単糖単位を含んでいます。

ポリフェニレンデンドリマー高分子の構造例[ 9 ]

参照

参考文献

  1. ^ 「高分子（ポリマー分子）」 IUPACゴールドブック. doi : 10.1351/goldbook.M03667 .
  2. ^ a b c d e Stryer L、Berg JM、Tymoczko JL (2002)。生化学(第 5 版)。サンフランシスコ：WHフリーマン。ISBN 978-0-7167-4955-4. 2010年12月10日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  3. ^ Whiteley, Kenneth S.; Heggs, T. Geoffrey; Koch, Hartmut; Mawer, Ralph L.; I​​mmel, Wolfgang (2000). 「ポリオレフィン」. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry . doi : 10.1002/14356007.a21_487 . ISBN 3-527-30673-0。
  4. ^ Berg, Jeremy Mark; Tymoczko, John L.; Stryer, Lubert (2010).生化学, 第7版. (Biochemistry (Berg)) . WH Freeman & Company . ISBN 978-1-4292-2936-4。第5版はNCBI Bookshelfからオンラインで入手可能です:リンク
  5. ^ウォルター, ピーター; アルバーツ, ブルース; ジョンソン, アレクサンダー S.; ルイス, ジュリアン; ラフ, マーティン C.; ロバーツ, キース (2008). 『細胞の分子生物学』（第5版、拡張版） . ニューヨーク:ガーランド・サイエンス. ISBN 978-0-8153-4111-6。第4版はNCBI Bookshelfからオンラインで入手可能です:リンク
  6. ^ Watson, James D.; Crick, Francis HC 「核酸の分子構造：デオキシリボース核酸の構造」 Nature . doi : 10.1038 /171737a0 . 2025年12月29日閲覧。
  7. ^ゴルニック、ラリー、ホイーリス、マーク (1991-08-14).漫画版遺伝学ガイド. コリンズ・リファレンス. ISBN 978-0-06-273099-2。
  8. ^竹村正治 (2009).分子生物学のマンガガイド。でんぷんプレスを使用しません。ISBN 978-1-59327-202-9。
  9. ^ローランド・E・バウアー;フォルカー・エンケルマン;ウーヴェ・M・ヴィースラー;アレクサンダー・J・ベレスハイム。クラウス・ミューレン (2002)。 「ポリフェニレンデンドリマーの単結晶構造」。化学: ヨーロッパのジャーナル。8 (17): 3858–3864.doi : 10.1002/1521-3765 ( 20020902)8:17<3858::AID-CHEM3858>3.0.CO; 2-5。PMID 12203280。 
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