脱氧核苷酸

脱氧核糖核酸的基本单位

脱氧核苷[gān]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。决定生物的多样性的就是脱氧核苷酸中四种碱基腺嘌呤(adenine,缩写为A)、胸腺嘧啶(thymine,缩写为T)、胞嘧啶(cytosine,缩写为C)和鸟嘌呤(guanine,缩写为G)排列顺序的不同。四种碱基沿着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 裔 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 碳 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 和 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。脱氧核苷酸为白细胞、血小板、T淋巴细胞及NK细胞的增殖提供脱氧核苷酸原料,刺激上述细胞的增殖及分化成熟,促进骨髓释放白细胞,提高白细胞水平,减少重度骨髓抑制发生率,提高免疫功能,减少感染的发生。

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。

参考资料

  1. Polydeoxyribonucleotide: A Promising Biological Platform to Accelerate Impaired Skin Wound Healing ncbi 2023-08-06
  2. Lord Todd nobelprize.org 2023-04-11
  3. Severo Ochoa - Explore Biographical nobelprize.org 2023-04-11
  4. deoxyribonucleotide biologyonline 2023-08-06
  5. Polydeoxyribonucleotide-delivering therapeutic hydrogel for diabetic wound healing Nature 2023-08-06
  6. Polideoxyribonucleotide (PDRN) eurekaselect 2023-08-06
  7. 2023-08-11