淺談磷酸二酯鍵的生成與斷裂

解黎明

(安徽省濉溪中學 淮北 235100)

磷酸二酯鍵是核酸中重要的連接鍵，通過對其形成和斷裂過程的分析，可以進一步認識遺傳物質的復制和表達機制以及核酸和糖類的代謝過程。

1 認識磷酸二酯鍵

磷酸不是羧酸，但有羥基，是一種含氧無機酸。一些糖中也含有多個羥基。這樣磷酸就可以和糖中的羥基發生酯化反應，形成酯基。不過，磷酸二酯鍵并非指兩個磷酸酯鍵，而是一種化學基團，是指兩個核苷酸分子核苷酸殘基的兩個羥基分別與同一磷酸基團形成的共價連接鍵(圖1)，它是連接兩個核苷酸的橋梁。

圖1 磷酸二酯鍵

2 磷酸二酯鍵的生成

要想深入理解磷酸二酯鍵的生成，就要從能源物質葡萄糖說起。葡萄糖進入細胞后首先在第6位碳原子上進行磷酸化成為6-磷酸葡萄糖[1](圖2)。可見，此時磷酸已經和糖發生了一次酯化反應，為磷酸二酯鍵的生成奠定了基礎。

圖2 6-磷酸葡萄糖的形成

6-磷酸葡萄糖不經過三羧酸循環(tricarboxylic acid cycle)階段，而是通過磷酸戊糖途徑(pentose phosphate pathway)生成5-磷酸核糖(核酸中核糖的分解代謝也可以通過此途徑進行)。5-磷酸核糖在5-磷酸核糖-1-焦磷酸激酶催化下與ATP反應而生成5-磷酸核糖-1-焦磷酸(PRPP)(圖3)，PRPP是嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸從頭合成的重要中間產物，也參與嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸的補救合成途徑。補救途徑所需的堿基和核苷主要來源于細胞內核酸的分解，另外細菌生長介質或動物消化道分解產生的核苷和堿基也可以用于補救途徑。

圖3 5-磷酸核糖-1-焦磷酸(PRPP)的生成

通過從頭合成和補救途徑合成的核苷酸不直接參加核酸的合成，而是先轉化成相應的核苷三磷酸后再參與DNA或RNA的合成。具體過程：核苷酸首先需要轉化為核苷二磷酸，此反應需要相應的核苷酸激酶催化。這些激酶對堿基有專一性，但對其底物所含的核糖或脫氧核糖無特殊要求。核苷二磷酸進一步轉化為核苷三磷酸由另一種核苷酸激酶催化，此酶對堿基和戊糖均無特殊要求[2]，ATP為其磷酸供體。

脫氧核糖核酸(DNA)的復制是以4種脫氧核苷三磷酸(dNTP)為原料，以DNA兩條鏈為模板，在多種酶及蛋白因子的作用下催化完成。DNA聚合酶以dNTP為底物，催化脫氧多核苷酸鏈在3′-OH端與另一個脫氧核苷三磷酸的5′-α-磷酸生成磷酸二酯鍵，從而延長多核苷酸鏈[3]。

另外，環狀DNA或岡崎片段合成之后都留下了切口，這就需要DNA連接酶催化切口處3′-OH端與5′-磷酸生成磷酸二酯鍵，形成更大的DNA片段。DNA連接酶不但在DNA復制中起作用，而且在DNA損傷的修復和DNA重組中起催化磷酸二酯鍵的形成作用。

轉錄過程與DNA復制過程中磷酸二酯鍵的生成大體相同。利用的原料則是4種核糖核苷三磷酸(NTP)，以DNA一條鏈(模板鏈)為模板，在RNA聚合酶的催化作用下形成磷酸二酯鍵，合成RNA。逆轉錄過程同樣也需要構建磷酸二酯鍵來連接dNTP形成DNA。

3 磷酸二酯鍵的斷裂

DNA中的磷酸二酯鍵極其穩定。欲使DNA中的磷酸二酯鍵在數分鐘之內發生水解，要求催化劑能夠高達1017數量級的速率增強因子。磷酸二酯鍵的高度穩定性被認為是核酸作為遺傳物質的重要原因之一。

磷酸二酯鍵的斷裂模式有氧化性斷裂和水解性斷裂，生物體中發生的是水解性斷裂。由于磷酸二酯鍵具有高度的穩定性，所以沒有酶催化的水解斷裂過程是極難發生的。在酶的催化作用下，核酸中的磷酸二酯鍵斷裂產生低級多核苷酸和單核苷酸。作用于核酸分子內部磷酸二酯鍵的酶稱為核酸內切酶。其中限制性核酸內切酶主要用于基因工程中，能夠特異性識別雙鏈DNA分子中特定的核苷酸序列，并使特定部位的兩個核苷酸之間的磷酸二酯鍵斷裂，從而得到兩個DNA片段。

另外一些能從DNA和RNA(或低級多核苷酸)鏈的一端逐個水解單核苷酸的酶，稱為核酸外切酶。核苷酸進一步由磷酸單酯酶水解成核苷和磷酸。至此，磷酸二酯鍵被徹底水解。其后，核苷被核苷磷酸化酶分解為堿基和戊糖-1-磷酸。核糖-1-磷酸可被磷酸核糖變位酶催化為核糖-5-磷酸，進入戊糖支路或合成PRPP。

近年來，磷酸二酯鍵的配位化學模擬取得了很大進展，用多核金屬配合物來模擬核酸酶對磷酸二酯鍵的水解斷裂是一個有前途的研究方向[4]。