脱氧核苷酸 :脱氧核糖核酸的基本单位

更新时间:2023-08-05 16:10

脱氧核酸(英语:deoxyribonucleotide),全称脱氧核糖核苷酸,是脱氧核糖核酸(DNA)的小分子单体,是构成生物体遗传物质DNA的物质基础。

每个脱氧核糖核苷酸包括三个部分:一个碱基、一个脱氧核糖和一个磷酸基团。脱氧核苷酸的碱基由6-氨基嘌呤(adenine,缩写为A)、胸腺嘧啶(thymine,缩写为T)、鸟嘌呤(guanine,缩写为G)和胞嘧啶(cytosine,缩写为C)组成,脱氧核糖核苷酸的体内合成包括从头合成途径和补救合成途径,其中从头合成途径以核糖核苷酸为原料,而补救合成途径以核苷和碱基为原料进行重新组装。脱氧核苷酸是生物体传递遗传信息的重要分子。

脱氧核苷酸广泛用于生物医药领域的实验室研究,其中多聚脱氧核糖核苷酸(PDRN)为重要衍生物

发展历史

20世纪中期,英国化学家 Alexander Todd 成功将核苷酸分离并研究了核苷酸的化学组成结构,成功合成了多种核苷酸。而西班牙美国生物化学家 Severo Ochoa 研究了核苷酸的合成机制,并成功制备出了核苷酸合成酶,为生物合成核苷酸的研究奠定了基础。

命名规则

核苷酸的命名通常由其碱基核糖和磷酸组成部分的名称组合而成。

脱氧核糖是由四种碱基(6-氨基嘌呤胸腺嘧啶、鸟嘌呤和胞嘧啶)、脱氧核糖和磷酸组成的。因此,其命名方式为:碱基名称+脱氧核糖+磷酸,例如腺苷酸腺苷 monophosphate,AMP)、鸟苷酸(Inosine monophosphate,IMP)等。

分类

根据连接的磷酸基团的数目多少,核苷酸可分为核苷一磷酸(nucleoside 5'-monophosphate, NMP) 、核苷二磷酸 (nucleoside 5'-diphosphate, NDP) 核苷三磷酸 (nucleoside 5'-triphosphate , NTP) 。

根据碱基类型的不同,可进一步分为:单磷酸脱氧腺嘌呤核苷(dAMP)、脱氧腺苷二磷酸(dADP)、脱氧腺苷三磷酸(dATP)、脱氧鸟苷单磷酸(dGMP)、脱氧鸟苷二磷酸(dGDP)、脱氧鸟苷三磷酸(dGTP)、脱氧胞苷一磷酸(dCMP)、脱氧胞苷二磷酸 (dCDP)、脱氧胞苷三磷酸(dCTP)、(脱氧)胸苷一磷酸(dTMP)、(脱氧)胸苷二磷酸(dTDP)、(脱氧)三磷酸胸苷(dTTP)等。

基本结构

脱氧核苷酸的基本结构包括三个部分:一个五碳糖分子、一个碱基和一个磷酸基团。含氮碱基与脱氧核糖的1'号位结合,磷酸基团与脱氧核糖的5'号位碳原子结合,脱氧核糖的2'号位碳原子链接的是H原子而不是-OH 。

五碳糖分子是核苷酸中的一个重要组成部分,脱氧核糖核酸是脱氧核苷酸中的五碳糖,脱氧前缀表示它缺乏与核糖(核糖核酸或RNA中的糖)的2-碳原子相连的氧原子,而2-羟基的缺失进一步增加了它对水解的抵抗力,具有更强的化学稳定性,使DNA分子更加稳定,适合存储遗传信息。

含氮碱基是核苷酸中的第二个重要组成部分,DNA中有四种不同类型的碱基:6-氨基嘌呤(Adenine,A)、鸟嘌呤(Guanine,G)、胸腺嘧啶(Thymine,T)和胞嘧啶(Cytosine,C)。这些碱基可以形成互补联会,从而在脱氧核糖核酸中进行遗传信息的传递。具体而言,腺嘌呤和胸腺通过双氢键配对,鸟嘌呤和胞嘧啶通过三氢键配对。

磷酸基团是核苷酸的第三个重要组成部分,它与五碳糖分子上的羟基(-OH)或脱氧糖的氢原子(-H)连接,形成磷酸BOBBIN。每个核苷酸分子中有一个或多个磷酸基团,磷酸基团的存在使得核苷酸能够连接成链状结构。每个磷酸二键带一个负电荷。这种负电荷排斥亲核物质,如氢氧根;因此,磷酸二酯键比其他酯更不容易受到水解攻击,例如羧酸酯。这种抗性对于维持存储在核中的信息的完整性至关重要。

合成

生物体内合成

脱氧核苷酸的合成包括从头合成途径和补救合成途径。在从头组装途径中,脱氧核糖核苷酸是通过相应核糖核苷酸还原,以H取代其核糖分子中C2上的羟基而生成,而非从脱氧核糖从头合成。此还原作用是在二磷酸核苷酸(NDP)水平上进行的。(此处N代表A、G、U、C等碱基)。催化脱氧核糖核苷酸生成的酶是核糖核苷酸还原酶(ribonudeotide 还原酶,RR)。

相反,补救途径涉及通过核酸降解产生的核苷和核碱基的再利用。核碱基通过与5 -磷酸核糖基- 1焦磷酸(PRPP)的反应被修复,该反应由磷酸核糖基转移酶催化,而核苷则通过核苷激酶被修复。

人工合成

目前,生产脱氧核苷酸常用鲐鱼鱼精提取脱氧核糖核酸,再运用酶解法降解脱氧核糖核酸得到四种核苷酸(dAMP、dGMP、dCMP和dTMP)的混合物,然后经阴离子交换树脂分离纯化可以得到四种核苷酸的纯品。

分布情况

脱氧核苷酸存在于细胞核线粒体中。存在于细胞核中的脱氧核苷酸可作为构成基因序列的单体分子。此外,脱氧核苷酸的代谢产物还可以存在于内环境中,参与生理功能的调节和代谢产物的排泄等过程。

研究表明,真核生物必须保持两个功能不同的脱氧核苷酸分布区域——一个区域用于脱氧核糖核酸的核复制和修复,位于细胞核,主要在有丝分裂的S阶段,另一个用于线粒体DNA(mtDNA)复制,分布于线粒体,可以存在于整个细胞周期

功能

脱氧核苷酸的功能是作为DNA的合成原料传递遗传信息。脱氧核苷酸是DNA的基本组成单位,是构成生物体遗传物质DNA的物质基础 。决定生物的多样性的就是脱氧核苷酸中四种碱基,它沿着DNA长链排列在内侧,其排列顺序储存着遗传信息。脱氧核苷酸通过碱基联会的方式传递生物体的遗传信息,对生物体的生长、发育至关重要。

应用

在医药上的应用

多聚脱氧核糖核苷酸是重要的脱氧核苷酸衍生物,是一种脱氧核糖核苷酸的混合物(Polydeoxyribonudeotide),即PDRN,由三文鱼精液脱氧核糖核酸纯化提取而来,具有促进组织再生和有效缓解炎症的功能,在人体皮肤、韧带和腱膜的再生修复方面效果显著。PDRN已被证明在治疗浓度下可提高原代培养物中许多细胞(如成纤维细胞软骨细胞、前脂肪细胞和成骨细胞)的生长速率,改善血管生成,促进成骨细胞活性,增加胶原蛋白的合成,进而促进组织的再生修复。其促进血管生成的能力还可用于外周动脉闭塞性疾病的治疗。

近期研究表明,PDRN可与水凝胶交联合成治疗性水凝胶,促进糖尿病患者的损伤愈合。

PDRN目前已上市,生物相容性和人体耐受性良好,并且在几项临床试验中显示出较高的安全性。例如,kim等人运用随机对照临床试验证实术后早期注射PDRN是一种有效且安全的治疗方法,可促进伤口愈合预防增生性疤痕。

实验室应用

脱氧核苷酸在实验室中广泛应用于生物学研究。例如,PCR(聚合酶链式反应)是一种在分子生物学中常用的技术,可以扩增特定脱氧核糖核酸序列。在PCR反应中,需要使用DNA聚合酶和一系列的核苷酸作为反应原料,核苷酸的序列将用于确定扩增的特定DNA序列。核苷酸还可应用于转染等基因工程技术。

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