浅谈磷酸二酯键的生成与断裂

解黎明

(安徽省濉溪中学 淮北 235100)

磷酸二酯键是核酸中重要的连接键，通过对其形成和断裂过程的分析，可以进一步认识遗传物质的复制和表达机制以及核酸和糖类的代谢过程。

1 认识磷酸二酯键

磷酸不是羧酸，但有羟基，是一种含氧无机酸。一些糖中也含有多个羟基。这样磷酸就可以和糖中的羟基发生酯化反应，形成酯基。不过，磷酸二酯键并非指两个磷酸酯键，而是一种化学基团，是指两个核苷酸分子核苷酸残基的两个羟基分别与同一磷酸基团形成的共价连接键(图1)，它是连接两个核苷酸的桥梁。

图1 磷酸二酯键

2 磷酸二酯键的生成

要想深入理解磷酸二酯键的生成，就要从能源物质葡萄糖说起。葡萄糖进入细胞后首先在第6位碳原子上进行磷酸化成为6-磷酸葡萄糖[1](图2)。可见，此时磷酸已经和糖发生了一次酯化反应，为磷酸二酯键的生成奠定了基础。

图2 6-磷酸葡萄糖的形成

6-磷酸葡萄糖不经过三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle)阶段，而是通过磷酸戊糖途径(pentose phosphate pathway)生成5-磷酸核糖(核酸中核糖的分解代谢也可以通过此途径进行)。5-磷酸核糖在5-磷酸核糖-1-焦磷酸激酶催化下与ATP反应而生成5-磷酸核糖-1-焦磷酸(PRPP)(图3)，PRPP是嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸从头合成的重要中间产物，也参与嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸的补救合成途径。补救途径所需的碱基和核苷主要来源于细胞内核酸的分解，另外细菌生长介质或动物消化道分解产生的核苷和碱基也可以用于补救途径。

图3 5-磷酸核糖-1-焦磷酸(PRPP)的生成

通过从头合成和补救途径合成的核苷酸不直接参加核酸的合成，而是先转化成相应的核苷三磷酸后再参与DNA或RNA的合成。具体过程：核苷酸首先需要转化为核苷二磷酸，此反应需要相应的核苷酸激酶催化。这些激酶对碱基有专一性，但对其底物所含的核糖或脱氧核糖无特殊要求。核苷二磷酸进一步转化为核苷三磷酸由另一种核苷酸激酶催化，此酶对碱基和戊糖均无特殊要求[2]，ATP为其磷酸供体。

脱氧核糖核酸(DNA)的复制是以4种脱氧核苷三磷酸(dNTP)为原料，以DNA两条链为模板，在多种酶及蛋白因子的作用下催化完成。DNA聚合酶以dNTP为底物，催化脱氧多核苷酸链在3′-OH端与另一个脱氧核苷三磷酸的5′-α-磷酸生成磷酸二酯键，从而延长多核苷酸链[3]。

另外，环状DNA或冈崎片段合成之后都留下了切口，这就需要DNA连接酶催化切口处3′-OH端与5′-磷酸生成磷酸二酯键，形成更大的DNA片段。DNA连接酶不但在DNA复制中起作用，而且在DNA损伤的修复和DNA重组中起催化磷酸二酯键的形成作用。

转录过程与DNA复制过程中磷酸二酯键的生成大体相同。利用的原料则是4种核糖核苷三磷酸(NTP)，以DNA一条链(模板链)为模板，在RNA聚合酶的催化作用下形成磷酸二酯键，合成RNA。逆转录过程同样也需要构建磷酸二酯键来连接dNTP形成DNA。

3 磷酸二酯键的断裂

DNA中的磷酸二酯键极其稳定。欲使DNA中的磷酸二酯键在数分钟之内发生水解，要求催化剂能够高达1017数量级的速率增强因子。磷酸二酯键的高度稳定性被认为是核酸作为遗传物质的重要原因之一。

磷酸二酯键的断裂模式有氧化性断裂和水解性断裂，生物体中发生的是水解性断裂。由于磷酸二酯键具有高度的稳定性，所以没有酶催化的水解断裂过程是极难发生的。在酶的催化作用下，核酸中的磷酸二酯键断裂产生低级多核苷酸和单核苷酸。作用于核酸分子内部磷酸二酯键的酶称为核酸内切酶。其中限制性核酸内切酶主要用于基因工程中，能够特异性识别双链DNA分子中特定的核苷酸序列，并使特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断裂，从而得到两个DNA片段。

另外一些能从DNA和RNA(或低级多核苷酸)链的一端逐个水解单核苷酸的酶，称为核酸外切酶。核苷酸进一步由磷酸单酯酶水解成核苷和磷酸。至此，磷酸二酯键被彻底水解。其后，核苷被核苷磷酸化酶分解为碱基和戊糖-1-磷酸。核糖-1-磷酸可被磷酸核糖变位酶催化为核糖-5-磷酸，进入戊糖支路或合成PRPP。

近年来，磷酸二酯键的配位化学模拟取得了很大进展，用多核金属配合物来模拟核酸酶对磷酸二酯键的水解断裂是一个有前途的研究方向[4]。