DNA右巻きなぜ - デオキシリボース構造と分子進化の理由

DNA右巻きなぜ - 分子構造の立体化学的理由

DNAヌクレオチドのキラル性と右巻き構造の必然性

DNA二重らせんが右巻きである根本的な理由は、構成要素であるヌクレオチドのキラル性にある 。ヌクレオチドはキラル分子であり、右手と左手のように互いが鏡に映したような形で、どのように回転させても重ね合わせることは不可能である 。
参考）DNAはなぜ「右らせん」を描いているのか　私たちの細胞がサウ…

DNAの糖部分であるデオキシリボースは右手型（D型）の立体構造を持つ 。この右手型デオキシリボースが連結してポリヌクレオチド鎖を形成する際、分子の立体的な制約により左巻きらせん構造を取ることが物理的に困難になる 。
参考）DNA分子の二重螺旋が右巻きの理由

特に、デオキシリボースの2'位の炭素から水酸基が除かれた構造（デオキシ化）により、リボースと比較してファンデルワールス接触が最適化され、右巻きらせん構造がより安定化される 。
参考）http://www.crl.nitech.ac.jp/~ida/education/ResearchSeminar/20190215WatsonCrick.pdf

DNA立体化学的安定性とエネルギー的優位性

右巻きDNA構造の安定性は、分子レベルでのエネルギー最小化によって説明される 。B型DNAとして知られる標準的な右巻き二重らせんは、塩基対間の水素結合と芳香族核酸塩基間の塩基スタッキング相互作用により最適な安定性を実現する 。
参考）DNAの主溝と副溝ができる理由と右巻きになっている理由につい…

一方、左巻きのZ型DNAは高濃度の塩存在下など特殊な環境下でのみ形成される 。Z型DNAは右巻きB型DNAと比較して直径が狭く（18Å対20Å）、1回転あたりの塩基対数も異なる（12対10）ことから、生理的条件下では不安定である 。
参考）B型DNAとZ型DNAの違いとは？分かりやすく解説!

ライナス・ポーリングが初期に提唱した三重らせんモデルが後に否定されたように、DNAの安定な構造は立体化学的制約により厳密に規定される 。
参考）二重らせん - Wikipedia

デオキシリボース構造による右巻き固定化

デオキシリボースの分子構造は、DNA右巻きらせんの形成において決定的な役割を果たす 。デオキシリボースの1'位炭素に塩基が結合し、5'位炭素にリン酸が結合してヌクレオチドを形成する際、この糖の立体配置が全体のらせん巻き方向を規定する 。
参考）DNAの基本構造　〜ヌクレオチド〜

右手型（D型）デオキシリボースの立体配置により、隣接するヌクレオチド間のリン酸ジエステル結合が特定の角度（約36°）で配置され、これが10塩基対で1回転する右巻きらせん構造を生み出す 。
参考）DNAの基本構造　〜二重らせん〜

この構造的特徴により、DNAの主溝と副溝が形成され、タンパク質との特異的相互作用が可能になる 。左巻き構造では、このような機能的な分子認識は困難である。

DNA右巻き進化的起源と生命の統一性

地球上の全生物がDNA右巻きらせんを共有する理由は、生命の進化的起源にある 。一分子生命ビッグバン仮説によると、地球最初の自己複製可能な分子が右巻きDNA二重らせんを装備していたため、その後のすべての生命体が同じ性質を継承した 。
この仮説では、最初の生命体に左手型（L型）アミノ酸生成用テンプレートが装填されていたことにより、酵素が必然的に右手型（D型）デオキシリボースのみを合成し、結果としてDNAが右巻きになったと説明される 。
数学的確率論では右巻きと左巻きが50%ずつ存在するはずだが、実際には右巻きのみが観察されることは、共通祖先からの継承を強く示唆している 。

DNA右巻き構造と生物機能の最適化

DNA右巻き構造は、遺伝子発現制御において重要な機能的意義を持つ 。ヌクレオソーム構造におけるDNAの巻き付き方向は、ヒストンタンパク質との相互作用を最適化し、クロマチン構造の動的変化を可能にする 。
参考）遺伝子発現のカギはDNAのねじれ方 －ヌクレオソームの全原子…

右巻きのねじれ力を受けたDNAは柔軟性を増し、ヒストンから離れにくくなることで遺伝子発現が抑制される一方、左巻きのねじれ力では硬くまっすぐになり、ヒストンから離れやすくなって遺伝子発現が促進される 。
このようなねじれ方向と遺伝子発現制御の関係は、DNA右巻き構造が単なる物理化学的安定性だけでなく、生物学的機能の最適化において重要な役割を果たすことを示している 。