核苷酸有哪些生物學功能

2021-05-22 22:11:03 字數 5577 閱讀 4026

1樓:聽風

核苷酸類化合物具有重要的生物學功能,它們參與了生物體內幾乎所有的生物化學反應過程。現概括為以下五個方面:

① 核苷酸是合成生物大分子核糖核酸 (rna)及脫氧核糖核酸(dna)的前身物,rna中主要有四種型別的核苷酸:amp、gmp、cmp和ump。合成前身物則是相應的三磷酸核苷 atp、gtp、ctp和utp。

dna中主要有四種型別脫氧核苷酸:damp、dgmp、dcmp和dtmp,合成前身物則是datp、dgtp、dctp和dutp。

② 三磷酸腺苷 (atp)在細胞能量代謝上起著極其重要的作用。物質在氧化時產生的能量一部分貯存在atp分子的高能磷酸鍵中。 atp分子分解放能的反應可以與各種需要能量做功的生物學反應互相配合,發揮各種生理功能,如物質的合成代謝、肌肉的收縮、吸收及分泌、體溫維持以及生物電活動等。

因此可以認為 atp是能量代謝轉化的中心。

③ atp還可將高能磷酸鍵轉移給udp、cdp及gdp生成utp 、ctp及gtp。它們在有些合成代謝中也是能量的直接**。而且在某些合成反應中,有些核苷酸衍生物還是活化的中間代謝物。

例如,utp參與糖原合成作用以供給能量,並且 udp還有攜帶轉運葡萄糖的作用。

④ 腺苷酸還是幾種重要輔酶,如輔酶ⅰ(煙醯胺腺嘌呤二核苷酸,(nad+)、輔酶ⅱ(磷酸煙醯胺腺嘌呤二核苷酸,nadp+)、黃素腺嘌呤二核苷酸(fad)及輔酶a(coa)的組成成分。nad+及 fad是生物氧化體系的重要組成成分,在傳遞氫原子或電子中有著重要作用。coa作為有些酶的輔酶成分,參與糖有氧氧化及脂肪酸氧化作用。

⑤ 環核苷酸對於許多基本的生物學過程有一定的調節作用(見第二信使)。

2樓:果凍我**

核酸是生物體內極其重要的生物大分子,是生命的最基本的物質之一。最早是瑞士的化學家米歇爾於2023年從膿細胞的核中分離出來的,由於它們是酸性的,並且最先是從核中分離的,故稱為核酸。核酸的發現比蛋白質晚得多。

核酸分為脫氧核糖核酸(簡稱dna)和核糖核酸(簡稱rna)兩大類,它們的基本結構單位都是核苷酸(包含脫氧核苷酸)。

1.核酸的基本單位——核苷酸

每一個核苷酸分子由一分子戊糖(核糖或脫氧核糖)、一分子磷酸和一分子含氮鹼基組成。鹼基分為兩類:一類是嘌呤,為雙環分子;另一類是嘧啶,為單環分子。

嘌呤一般均有a、g2種,嘧啶一般有c、t、u3種。這5種鹼基的結構式如下圖所示。

由上述結構式可知:腺嘌呤是嘌呤的6位碳原子上的h被氨基取代。鳥嘌呤是嘌呤的2位碳原子上的h被氨基取代,6位碳原子上的h被酮基取代。

3種嘧啶都是在嘧啶2位碳原子上由酮基取代h,在4位碳原子上由氨基或酮基取代h而成,對於t,嘧啶的5位碳原子上由甲基取代了h。凡含有酮基的嘧啶或嘌呤在溶液中可以發生酮式和烯醇式的互變異構現象。結晶狀態時,為這種異構體的容量混合物。

在生物體內則以酮式佔優勢,這對於核酸分子中氫鍵結構的形成非常重要。例如尿嘧啶的互變異構反應式如下圖。

酮式(2,4–二氧嘧啶) 烯酸式(2,4–二羥嘧啶)

在一些核酸中還存在少量其他修飾鹼基。由於含量很少,故又稱微量鹼基或稀有鹼基。核酸中修飾鹼基多是4種主要鹼基的衍生物。

trna中的修飾鹼基種類較多,如次黃嘌呤、二氫尿嘧啶、5–甲基尿嘧啶、4–硫尿嘧啶等,trna中修飾鹼基含量不一,某些trna中的修飾鹼基可達鹼基總量的10%或更多。

核苷是核糖或脫氧核糖與嘌呤或嘧啶生成的糖苷。戊糖的第1碳原子(c1)通常與嘌呤的第9氮原子或嘧啶的第1氮原子相連。在trna中存在少量5–核糖尿嘧啶,這是一種碳苷,其c1是與尿嘧啶的第5位碳原子相連,因為這種戊糖與鹼基的連線方式特殊(為c—c連線),故稱為假尿苷如下圖。

腺苷(a) 脫氧胸苷(dt) 假尿苷(ψ)

核苷酸是由核苷中糖的某一羥基與磷酸脫水縮合而成的磷酸酯。核苷酸的核糖有3個自由的羥基,可與磷酸酯化分別生成2』–、3』–和5』–核苷酸。脫氧核苷酸的脫氧核糖只有2個自由羥基,只能生成3』–和5』–脫氧核苷酸。

生物體內遊離存在的核苷酸都是5』–核苷酸。以rna的腺苷酸為例:當磷酸與核糖5位碳原子上羥基縮合時為5』–腺苷酸,用5』–amp表示;當磷酸基連線在核糖3位或2位碳原子上時,分別為3』–amp和2』–amp。

5』–腺苷酸和3』–脫氧胞苷酸的結構式如下圖所示。

核苷酸結構也可以用下面簡式(如下圖)表示。b表示嘌呤或嘧啶鹼基,直線表示戊糖,p表示磷酸基。

2』–核苷酸 3』–核苷酸 5』–核苷酸

3』–或5』–核苷酸簡式也可分別用np和pn表示(n代表核苷)。即當p在n右側時為3』–核苷核,p在n左側的為5』–核苷酸,如3』–核苷酸和5』–核苷酸可分別用ap和pa表示。

在生物體內,核苷酸除了作為核酸的基本組成單位外,還有一些核苷酸類物質自由存在於細胞內,具有各種重要的生理功能。

(1)含高能磷酸基的atp類化合物:5』–腺苷酸進一步磷酸化,可以形成腺苷二磷酸和腺苷三磷酸,分別為adp和atp表示。adp是在amp接上一分子磷酸而成,atp是由amp接上一分子焦磷酸(ppi)而成,它們的結構式如下圖所示。

腺苷二磷酸(adp) 腺苷三磷酸(atp)

這類化合物中磷酸之間是以酸酐形式結合成鍵,磷酸酐鍵具有很高的水解自由能,習慣上稱為高能鍵,通常用「~」表示。atp分子中有2個磷酸酐鍵,adp中只含1個磷酸酐鍵。

在生活細胞中,atp和adp通常以mg2+或mn2+鹽的複合物形式存在。特別是atp分子上的焦磷酸基對二價陽離子有高親和力;加上細胞內常常有相當高濃度的mg2+,使atp對mg2+的親和力遠大於adp。在體內,凡是有atp參與的酶反應中,大多數的atp是以mg2+—atp複合物的活性形式起作用的。

當atp被水解時,有兩種結果:一是水解形成adp和無機磷酸;另一種是水解生成amp和焦磷酸。atp是大多數生物細胞中能量的直接供體,atp-adp迴圈是生物體系中能量交換的基本方式。

在生物細胞內除了atp和adp外,還有其他的5』–核苷二磷酸和三磷酸,如gdp、cdp、udp和gtp、ctp、utp;5』–脫氧核苷二磷酸和三磷酸,如dadp、dgdp、 dtdp、dcdp和datp、dctp、dgtp、dttp,它們都是通過atp的磷酸基轉移轉化來的,因此atp是各種高能磷酸基的主要**。除atp外,由其他有機鹼構成的核苷酸也有重要的生物學功能,如鳥苷三磷酸(gtp)是蛋白質合成過程中所需要的,鳥苷三磷酸(utp)參與糖原的合成,胞苷三磷酸(ctp)是脂肪和磷脂的合成所必需的。還有4種脫氧核糖核苷的三磷酸酯。

即datp、dctp、dgtp、dttp則是dna合成所必需的原材料。

(2)環狀核苷酸;核苷酸可在環化酶的催化下生成環式的一磷酸核苷。其中以3』,5』–環狀腺苷酸(以camp)研究最多,它是由腺苷酸上磷酸與核糖3』,5』碳原子酯化而形成的,它的結構式如下圖所示。

正常細胞中camp的濃度很低。在細胞膜上的腺苷酸環化酶和mg2+存在下,可催化細胞中atp分子脫去一個焦磷酸而環化成camp,使camp的濃度升高,但camp又可被細胞內特異性的磷酸二酯酶水解成5』–amp,故camp的濃度受這兩種酶活力的控制,使其維持一定的濃度。該過程可簡單表示如下:

atpcamp+焦磷酸5』–amp

現認為camp是生物體內的基本調節物質。它傳遞細胞外的訊號,起著某些激素的「第二信使」作用。不少激素的作用是通過camp進行的,當激素與膜上受體結合後,活化了腺苷酸環化酶,使細胞內的camp含量增加。

再通過camp去啟用特異性的蛋白激酶,由激酶再進一步起作用。近年來發現3』、5』–環鳥苷酸(cgmp)也有調節作用,但其作用與camp正好相拮抗。它們共同調節著細胞的生長和發育等過程。

此外,在大腸桿菌中camp也參與dna轉錄的調控作用。

2.核酸的化學結構(或一級結構)

核酸分子是由核苷酸單體通過3』,5』–磷酸二酯鍵聚合而成的多核苷酸長鏈。核苷酸單體之間是通過脫水縮合而成為聚合物的,這點與蛋白質的肽鏈形成很相似。在脫水縮合過程中,一個核苷酸中的磷酸給出一個氫原子;另一個相鄰核苷酸中的戊糖給出一個羥基,產生一分子水,每個單體便以磷酸二酯鍵的形式連線起來。

由許多個核苷酸縮合而形成多核苷酸鏈。如果用脾磷酸二酯酶來水解多核苷酸鏈,得到的是3』–核苷酸,而用蛇毒磷酸二酯酶來水解得到的卻是5』–核苷酸。這證明多核苷酸鏈是有方向的,一端叫3』–未端,一端叫5』–末端。

所謂3』–末端是指多核苷酸鏈的戊糖上具有3』–磷酸基(或羥基)的末端,而具有5』–磷酸基(或羥基)的末端則稱為5』末–端。多核苷酸鏈兩端的核苷酸為末端核苷酸,末端磷酸基與核苷相連的鍵稱為磷酸單酯鍵。書寫多核苷酸鏈時,通常將5』端寫在左邊,3』端寫在右邊。

但在書寫一條互補的雙鏈dna時,由於二條鏈是反向平行的,因此每條鏈的末端必須註明5』或3』。通常寡核苷酸鏈可用右面的簡式表示(如右圖所示)。

述簡式還可簡化為papcpgpuoh,若進一步簡化,還可將核苷酸鏈中的p省略,或在核苷酸之前加小點,則變為pacguoh或pa·c·g·uoh。

3.核酸的性質

(1)一般性質

核酸和核苷酸既有磷酸基,又有鹼性基團,為兩性電解質,因磷酸的酸性強,通常表現為酸性。核酸可被酸、鹼或酶水解成為各種組分,其水解程度因水解條件而異。rna在室溫條件下被稀鹼水解成核苷酸而dna對鹼較穩定,常利用該性質測定rna的鹼基組成或除去溶液中的rna雜質。

dna為白色纖維狀固體,rna為白色粉末;都微溶於水,不溶於一般有機溶劑。常用乙醇從溶液中沉澱核酸。

(2)核酸的紫外吸收性質

核酸中的嘌呤鹼和嘧啶鹼均具有共軛雙鍵,使鹼基、核苷、核苷酸和核酸在240~290nm的紫外波段有一個強烈的吸收峰,最大吸收值在260nm附近。不同的核苷酸有不同的吸收特性。由於蛋白質在這一光區僅有很弱的吸收,蛋白質的最大吸收值在280nm處,利用這一特性可以鑑別核酸純度及其製劑中的蛋白質雜質。

(3)核酸的變性和復性

①核酸的變性:是指核酸雙螺旋區的氫鍵斷裂,鹼基有規律的堆積被破壞,雙螺旋鬆散,發生從螺旋到單鍵線團的轉變,並分離成兩條纏繞的無定形的多核苷酸單鍵的過程。變性主要是由二級結構的改變引起的,因不涉及共價鍵的斷裂,故一級結構並不發生破壞。

多核苷酸骨架上共價鍵(3』,5』—磷酸二酯健)的斷裂稱為核酸的降解,降解引起核酸分子量降低。引起核酸變性的因素很多,如加熱引起熱變性,ph值過低(如ph<4=的酸變性和ph值過高(ph>11.5)的鹼變性,純水條件下引起的變性以及各種變性試劑,如甲醇、乙醇、尿素等都能使核酸變性。

此外,dna的變性還與其分子本身的穩定性有關,由於c—c中有三對氫健而a-t對只有兩對氫鍵,故c+g百分含量高的dna分子就較穩定,當dna分子中a+t百分含量高時就容易變性。環狀 dna分子比線形dna要穩定,因此線狀dna較環狀dna容易變性。

核酸變性後,一系列物理和化學性質也隨之發生改變,如260nm區紫外吸收值升高,粘度下降,浮力密度升高,同時改變二級結構,有的可以失去部分或全部生物活性。dna的加熱變性一般在較窄的溫度範圍內發生,很像固體結晶物質在其熔點突然熔化的情況,因此通常把熱變性溫度稱為「熔點」或解鍵溫度,用tm表示。對dna而言,通常把dna的雙螺旋結構失去一半時的溫度(或變性量達最大值的一半時的溫度)稱為該dna的熔點或解鏈溫度。

在此溫度可由紫外吸收(或其他特性)最大變化的半數值得到。dna的tm值一般在70℃~85℃。rna變性時發生與dna變性時類似的變化,但其變化程度不及dna大,因為rna分子中只有部分螺旋區。

②核酸的復性:變性dna在適當條件下,又可使兩條彼此分開的鏈重新締合成為雙螺旋結構,這個過程稱為復性。dna復性後,許多物理、化學性質又得到恢復,生物活性也可以得到部分恢復。

dna的片段越大,復性越慢;dna的濃度越高,復性越快。

dna或rna變性或降解時,其紫外吸收值增加,這種現象叫做增色效應,與增色效應相反的現象稱為減色效應,變性核酸復性時則發生減色效應。它們是由堆積鹼基的電子間相互作用的變化引起的。

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