ヌクレオチドの重要な構成要素である窒素塩基は有機分子で、炭素と窒素を含むのでこの名がある。 塩基であるのは、余分な水素を結合する可能性のあるアミノ基を含んでいるからで、その結果、周囲の水素イオン濃度を低下させ、より塩基性にしている。 DNAの各ヌクレオチドは、アデニン（A）、グアニン（G）、シトシン（C）、チミン（T）の4種類の窒素塩基のうちの1つを含んでいます。 RNAのヌクレオチドも、アデニン、グアニン、シトシン、そしてチミンではなくウラシル（U）の4つの塩基のうちの1つを含んでいます。 プリンの一次構造は、2つの炭素-窒素環である。 シトシン、チミン、ウラシルはピリミジンに分類され、一次構造として炭素窒素環を1つ持っている（図1）。 これらの基本的な炭素-窒素環には、それぞれ異なる官能基が結合している。 DNAはA、T、G、Cを含み、RNAはA、U、G、Cを含みます。
DNAの五糖はデオキシリボース、RNAはリボースです（図1）。 両糖の違いは、リボースの2番目の炭素に水酸基があるか、デオキシリボースの2番目の炭素に水素があるかである。 糖分子の炭素原子には、1′、2′、3′、4′、5′と番号が振られている（1′は「一素」と読む）。 リン酸残基は、ある糖の5′炭素の水酸基と次のヌクレオチドの糖の3′炭素の水酸基に結合し、5′-3′ホスホジエステル結合を形成している。 ホスホジエステル結合は、高分子のモノマーをつなぐ他の結合のように単純な脱水反応によって形成されるのではなく、2つのリン酸基の除去を伴って形成される。 ポリヌクレオチドには、このようなホスホジエステル結合が何千個もある。
DNA ダブルヘリックス構造
図2.DNAダブルヘリックス構造
図2. DNAは反平行二重らせんである。 外側にリン酸骨格（曲線の部分）、内側に塩基がある。 各塩基は対向する鎖の塩基と相互作用している。 (credit: Jerome Walker/Dennis Myts)
DNA は二重らせん構造をしている（図2）。 糖とリン酸はらせんの外側にあり、DNAのバックボーンを形成している。 内部には窒素塩基が階段の段のように対になって積み重なっており、対は水素結合で互いに結合している。 二重らせんのすべての塩基対は、次の塩基対から0.34 nm離れている。
らせんの2本の鎖は反対方向に走っており、一方の鎖の5分炭素端はその一致する鎖の3分炭素端と向き合うことになる。 (これは反平行配向と呼ばれ、DNA 複製や多くの核酸相互作用において重要です。 たとえば、あるプリンはあるピリミジンとしか対になれない。 つまり、図3に示すように、AはTと対になり、GはCと対になることができるのです。 これは塩基の相補則と呼ばれるものです。 つまり、DNA鎖は互いに相補的であるということです。 一方の鎖の塩基配列がAATTGGCCであれば、相補鎖はTTAACCGGという塩基配列を持つことになる。 DNAの複製時には、それぞれの鎖がコピーされ、1本の親DNA鎖と新たに合成された鎖を含む娘DNA二重らせんになります。
練習問題
図3. 二本鎖DNA分子では、2本の鎖は互いに逆平行に走り、一方の鎖は5′から3′、もう一方の鎖は3′から5′で走ります。 リン酸骨格は外側にあり、塩基は真ん中にある。 アデニンはチミンと、グアニンはシトシンと水素結合（または塩基対）を形成しています。
RNA
リボ核酸、またはRNAは、主にDNAの指示の下でタンパク質合成の過程に関与しています。 RNAは通常一本鎖で、リボヌクレオチドがホスホジエステル結合でつながったものである。 RNA鎖のリボヌクレオチドには、リボース（五炭糖）、4つの窒素塩基（A、U、G、C）のうちの1つ、およびリン酸基が含まれています
RNAには、メッセンジャーRNA（mRNA）、リボソームRNA（rRNA）、転移RNA（tRNA）、マイクロRNA（miRNA）という大きく4種類のRNAが存在します。 1つ目のmRNAは、細胞内のすべての細胞活動を制御しているDNAからのメッセージを伝達する。 細胞があるタンパク質の合成を必要とする場合、その生成物の遺伝子が「オン」になり、核の中でメッセンジャーRNAが合成される。 RNAの塩基配列は、コピー元であるDNAのコード配列と相補的である。 ただし、RNAにはTという塩基がなく、代わりにUが存在する。 DNA鎖の塩基配列がAATTGCGCであれば、相補的なRNAの塩基配列はUUAACGCGとなる。 細胞質では、mRNAはリボソームや他の細胞内装置と相互作用する（図4）
図4. リボソームには、大サブユニットと小サブユニットの2つの部分がある。 mRNAはこの2つのサブユニットの間に位置する。 tRNA 分子は mRNA 上のコドンを認識し、相補的な塩基対形成によって結合し、成長するペプチド鎖に正しいアミノ酸を付加する。 各コドンは1つのアミノ酸をコードする。 このようにして、mRNAが読み取られ、タンパク質の産物が作られる。 リボソームRNA（rRNA）は、mRNAが結合するリボソームの主要な構成要素である。 リボソームのrRNAは酵素活性（ペプチジルトランスフェラーゼ）も持ち、並んだ2つのアミノ酸の間でペプチド結合を形成する触媒となる。 転移RNA（tRNA）は、4種類のRNAの中で最も小さいものの一つで、通常70～90ヌクレオチドの長さである。 タンパク質合成部位に正しいアミノ酸を運ぶ。 マイクロRNAは最も小さなRNA分子で、その役割は、特定のmRNAメッセージの発現を妨害することにより、遺伝子発現を調節することである
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