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核苷酸 Nucleotide,一類由嘌呤鹼或嘧啶鹼、核糖或脫氧核糖以及磷酸三種物質組成的化合物。又稱核甙酸。戊糖與有機鹼合成核苷,核苷與磷酸合成核苷酸,4種核苷酸組成核酸。核苷酸主要參與構成核酸,許多單核苷酸也具有多種重要的生物學功能,如與能量代謝有關的三磷酸腺苷(ATP)、脫氫輔酶等。

 

1 nucleotide -核苷酸介紹


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nucleotide

一類由鹼基(主要是嘌呤、嘧啶鹼的衍生物)、戊糖(核糖或脫氧核糖)和磷酸連接而成的化合物。也叫核苷磷酸,是構成核酸的基本單位。1983年有人發現一類不含戊糖而含葡萄糖(一種己糖)的「核苷酸」組成的核酸——葡萄糖核酸(GNA)。核苷酸及其衍生物廣泛地參與生物體內各類生物化學反應,如(ATP)和鳥苷三磷酸(GTP)是生命活動廣泛需要的能源;環腺苷酸(cAMP)、環鳥苷酸(cGMP)和2′,5′-寡聚腺苷酸是代謝調節信號分子;煙醯胺腺嘌呤二核苷酸(NA)、煙醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 (NAD)、黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)和輔酶 A(CoA)是廣泛存在的;UDP-葡萄糖、CDP-膽鹼等參與糖代謝和磷脂代謝。肌苷酸 (5′-IMP)、鳥苷酸(5′-GMP)是味精的助鮮劑。
組成 組成RNA的核苷酸是核糖核苷酸,構成DNA的是脫氧核糖核苷酸,兩者分別由鹼基-核糖-磷酸和鹼基-脫氧核糖-磷酸依次連接而成。
鹼基 核苷酸中的鹼基主要有兩類,即嘌呤鹼和嘧啶鹼。以它們為骨架構成的化合物有腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶和胸腺嘧啶(圖1 [5種主要鹼基的結構式],結構式中環內的碳原子及與其相連的氫原子通常不表示出來)。腺嘌呤、鳥嘌呤和胞嘧啶是 RNA和DNA共有的三種組分,第四種組分在RNA中為尿嘧啶,在DNA中則為胸腺嘧啶。60年代以來還發現有60~70種少量或極少量存在於核酸分子中的其他鹼基,稱為修飾鹼基。例如-甲基腺嘌呤、7-甲基鳥嘌呤、-乙醯胞嘧啶和5,6-二氫尿嘧啶(圖2 [4種修飾鹼基結構式])。有的修飾鹼基結構非常複雜,叫做高度修飾鹼基,如Y鹼和Q鹼(圖3 [Y鹼和Q鹼的結構式])。
核苷 鹼基和核糖或脫氧核糖的第一個碳原子連接而成的糖苷化合物,前者稱核糖核苷,後者稱脫氧核糖核苷。在兩類核苷分子中,由於鹼基組分的差別以及戊糖的不同,各有下列4種核苷:[528-01]嘌呤類核苷和嘧啶類核苷結構式中為區別鹼基上的編號(1,2,…),糖上碳原子編號常以1′,2′,…表示(圖4[幾種核苷的結構式])。
核苷酸 核苷的磷酸酯,磷酸基與糖上的羥基連接。因為核糖有 3個羥基,所以核糖核苷酸如腺嘌呤核苷酸(簡稱腺苷酸┯?種形式(圖5 [3種腺苷酸的結構式])。脫氧核糖有兩個羥基,因而脫氧核糖核苷酸如腺嘌呤脫氧核糖核苷酸(簡稱脫氧腺苷酸)只有兩種 (圖6 [兩種脫氧腺苷酸的結構式])。
核苷多磷酸 含兩個以上磷酸基的核苷酸。只帶一個磷酸基的核苷酸,叫核苷一磷酸,帶兩個磷酸基的核苷酸叫核苷二磷酸,依此類推。如腺嘌呤核苷酸有腺苷一磷酸(即腺苷酸,AMP)、腺苷二磷酸(ADP)、腺苷三磷酸(ATP)和脫氧腺苷一磷酸(即脫氧腺苷酸,dAMP)、脫氧腺苷二磷酸(dADP)、脫氧腺苷三磷酸(dATP)。天然的核苷多磷酸中,磷酸基多是與戊糖的5′-羥基相連(圖7 [幾種腺嘌呤核苷多磷酸的結構式])。4 種核苷三磷酸(ATP、GTP、CTP和UTP)、4 種脫氧核苷三磷酸(dATP、dGTPdCTP和dTTP)分別是RNA和DNA生物合成的原料(見、)。
寡核苷酸與多核苷酸 2 ~20個核苷酸連接而成的化合物叫寡核苷酸。20個以上的核苷酸組成的化合物叫多核苷酸。核酸是一種多核苷酸。

2 nucleotide -生物合成

生物體內核苷酸的合成,有從無到有和「補救」兩條不同的途徑,但通常以前者為主。從無到有合成途徑不是直接由完整的鹼基(嘌呤或嘧啶)、核糖、磷酸三者相連而成,而是在磷酸核糖的基礎上逐步加上一些來自代謝的小分子化合物,然後將環閉合形成核苷酸前體,進一步加工成核苷酸。在這個合成途徑中,嘌呤環和嘧啶環上各個元素的來源,是通過用各種同位素標記的化合物飼餵鴿子,然後分析其排泄物尿酸分子內標記元素的分佈情況來確定的(圖8 [嘌呤環(上圖)和嘧啶環(下圖)上各元素的來源])。
嘌呤核苷酸從無到有合成是通過一系列反應從核糖-5-磷酸腺苷三磷酸、谷氨醯胺、甘氨酸、天冬氨酸、二氧化碳和一碳化合物首先合成5′-肌苷酸(IMP),然後再進一步轉化為5′-腺苷酸或5′-鳥苷酸(圖9 [嘌呤核苷酸生物合成示意圖])。
嘧啶核苷酸從無到有的合成包括從二氧化碳、谷氨醯胺和天冬氨酸取得相應於嘧啶環上的各個元素,合成類似於尿嘧啶的乳清酸,然後加上磷酸核糖合成乳苷酸,最後脫羧生成5′-尿苷酸;胞嘧啶核苷酸是在尿嘧啶核苷三磷酸上加上從氨或谷氨醯胺分子內取得的氨基生成胞苷三磷酸,再脫去磷酸基而形成的(圖10 [嘧啶核苷酸生物合成示意圖])。
補救途徑則是直接用現成的嘌呤或嘧啶與核糖、磷酸連接成核苷酸。在有些組織中,當從無到有途徑受阻時,即可通過此補救途徑合成核苷酸。
脫氧核糖核苷酸由核糖核苷一磷酸磷酸化得到核苷二磷酸,然後還原產生。DNA分子中的脫氧胸苷酸則是由脫氧尿苷酸甲基化得到。由上面得到的核糖核苷酸和脫氧核糖核苷酸經過一系列磷酸化反應生成 RNA生物合成(轉錄)的活性前體——ATP、GTP、CTP和UTP以及 DNA生物合成(DNA複製)的活性前體——dATP、dGTP、dCTP 和dTTP。
重要的核苷酸衍生物 腺苷酸衍生物 ADP和ATP是體內參與氧化磷酸化的高能化合物,ATP也是細胞內最豐富的遊離核苷酸(如哺乳動物細胞中ATP濃度接近1毫克分子),水解1克分子ATP約釋放7000卡能量。
腺苷-3′,5′-磷酸即環腺苷酸(cAMP,圖11[cAMP的結構式])主要存在於動物細胞中,生物體內的激素通過引起細胞內cAMP的含量發生變化,從而調節糖原、脂肪代謝、蛋白質和核酸的生物合成,所以cAMP被稱為第二信使。
2′,5′-寡聚腺苷酸,通常由3個腺苷酸通過2′,5-磷酸二酯鍵聯接而成,即pppA(2)p(5)A(2)P(5)A,是干擾素髮揮作用的一個媒介,具有抗病毒、抑制DNA合成和細胞生長、調節免疫反應等生物功能。
幾個重要的輔酶都是腺苷酸衍生物。ATP 就是其中最重要的一個。此外,NA、NAD和FAD,可通過氫原子的得失參與許多氧化還原反應。輔酶 A行使活化脂肪酸功能,與脂肪酸、萜類和類固醇生物合成有關 (圖12[幾種腺苷酸類輔酶的結構式])。
腺苷-3′-磷酸-5′-磷醯硫酸(paps,圖13 [PAPS的結構式])是硫酸根的活化形式,蛋白聚糖的糖組分中硫酸根的來源。甲硫氨酸被腺苷活化得到S-腺苷甲硫氨酸(SAM,圖14 [SAM的結構式]),它在生物體內廣泛用作甲基供體。
鳥苷酸衍生物 在某些需能反應中,如蛋白質生物合成的起始和延伸,不能使用ADP和ATP,而要GDP和GTP參與反應。鳥苷-3′,5′-磷酸(cGMP,圖15 [cGMP的結構式])也是一個細胞信號分子,在某些情況下,cGMP與cAMP是一對相互制約的化合物,兩者一起調節細胞內許多重要反應。鳥苷-3′-二磷酸-5′-二磷酸 (ppGpp)和鳥苷-3′-二磷酸-5′-三磷酸(pppGpp)則與基因表達的調控有關(圖16 [ppGpp和pppGpp的結構式])。
胞苷酸衍生物 CDP和CTP也是一類高能化合物。與磷脂類代謝有關的胞苷酸衍生物有CDP-膽鹼、CDP-乙醇胺、CDP-二甘油酯等(見)。
尿苷酸衍生物 在糖代謝中起著重要作用,UDP是單糖的活化載體,參與糖與雙糖多糖的生物合成,如UDP-半乳糖是乳糖的前體,UDP-葡萄糖是糖原的前體,UDP-N-乙醯葡糖胺與糖蛋白生物合成有關。UDP和 UTP也是一類高能磷酸化合物。

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