Chaper 12 核酸的酶促降解和核苷酸代谢 1 核酸的消化和酶促降解 2 核苷酸的分解代谢 核苷酸的生物合成和调节 核苷酸合成的抗代谢物

1 核酸的消化和酶促降解

核苷酸是DNA和RNA的前体, 是细胞内化学能流通领域中的载体（ATP， GTP）；是NAD、FAD和 CoA等的重要成份；在糖代谢中也有重要作用。

1.1 核酸的消化

生物体内的核酸，多以核蛋白的形式存在。核蛋白在酸性条件下可被分解为核酸和蛋白质。核酸在核酸酶的作用下，水解为寡核苷酸或单核苷酸，单核苷酸可进一步降解为碱基、戊糖和磷酸（图9-1）。生物体也能利用一些简单的前体物质合成嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸。核苷酸不仅是核酸的基本成分，而且也是一类生命活动不可缺少的重要的物质。

1.2 核酸的酶促降解 核酸酶(nuclease) 是水解核苷酸之间磷酸二酯键的酶，在核酸降解和周转中起着重要作用，可分为 1.2 核酸的酶促降解 核酸酶(nuclease) 是水解核苷酸之间磷酸二酯键的酶，在核酸降解和周转中起着重要作用，可分为 按照底物：脱氧核糖核酸酶(dexyribonuclease, DNase) 核糖核酸酶(ribonuclease, RNase) 核酸酶 按照作用方式：核酸外切酶（exonuclease） 核酸内切酶（endonuclease） 核酸分解的第一步是水解核苷酸之间的磷酸二酯键，在高等动植物中都有作用于磷酸二酯键的核酸酶。不同来源的核酸酶，其专一性、作用方式都有所不同。有些核酸酶只能作用于RNA，称为核糖核酸酶（RNase），有些核酸酶只能作用于DNA，称为脱氧核糖核酸酶（DNase），有些核酸酶专一性较低，既能作用于RNA也能作用于DNA，因此统称为核酸酶（nuclease）。根据核酸酶作用的位置不同，又可将核酸酶分为核酸外切酶（exonuclease）和核酸内切酶（endonuclease）。

1.2.1 核酸酶 1.2.1.1 外切核酸酶 作用于核酸链的一端，逐个水解核苷酸，非特异性 DNA外切酶、RNA外切酶 1.2.1 核酸酶 1.2.1.1 外切核酸酶 作用于核酸链的一端，逐个水解核苷酸，非特异性 DNA外切酶、RNA外切酶 3‘→5’外切酶：蛇毒磷酸二酯酶 5‘→3’外切酶：牛脾磷酸二酯酶 有些核酸酶能从DNA或RNA链的一端逐个水解下单核苷酸，所以称为核酸外切酶。只作用于DNA的核酸外切酶称为脱氧核糖核酸外切酶，只作用于RNA的核酸外切酶称为核糖核酸外切酶；也有一些核酸外切酶可以作用于DNA或RNA。核酸外切酶从3′端开始逐个水解核苷酸，称为3′→5′外切酶，例如，蛇毒磷酸二酯酶即是一种3′→5′外切酶，水解产物为5′核苷酸；核酸外切酶从5′端开始逐个水解核苷酸，称为5′→3′外切酶，例如：牛脾磷酸二酯酶即是一种5′→3′外切酶，水解产物为3′核苷酸。

如蛇毒磷酸二酯酶、牛脾磷酸二酯酶作用方式如下： 核酸内切酶催化水解多核苷酸内部的磷酸二酯键。有些核酸内切酶仅水解5′磷酸二酯键，把磷酸基团留在3′位置上，称为5′-内切酶；而有些仅水解3′-磷酸二酯键，把磷酸基团留在5′位置上，称为3′-内切酶（图9-2）。

特异水解多核苷酸内部各键，如牛胰核酸酶作用如下： 1.2.1.2 内切核酸酶 特异水解多核苷酸内部各键，如牛胰核酸酶作用如下： 还有一些核酸内切酶对磷酸酯键一侧的碱基有专一要求，例如胰脏核糖核酸酶（RNaseA）即是一种高度专一性核酸内切酶，它作用于嘧啶核苷酸的C′3上的磷酸根和相邻核苷酸的C′5之间的键，产物为3′嘧啶单核苷酸或以3′嘧啶核苷酸结尾的低聚核苷酸（图9-3）。

RNaseTl，专一水解鸟苷酸二酯键，作用如下：

1.2.2 脱氧核糖核酸酶 专一水解DNA，作用方式为内切酶，切断双链或单链，作为外切酶有5→3切割或3→5切割。 1.2.2 脱氧核糖核酸酶 专一水解DNA，作用方式为内切酶，切断双链或单链，作为外切酶有5→3切割或3→5切割。 例如：牛胰脱氧核糖核酸酶(DNaseⅠ)；牛脾脱氧核糖核酶(DNaseⅡ) 。 未发现有碱基专一性DNase，但有序列专一性，即限制性内切酶。

1.2.3 限制性内切酶 1979年，W. Arber, H. Smith和D. Nathans等发现某些细菌细胞内存在一类能识别一定序列并水解外源双链DNA的内切核酸酶。 限制性内切酶是细菌中产生的具有高度专一性的DNA内切酶，能识别双链DNA分子上特定的位点，将两条链切断，形成粘性末端或平末端，又称为限制性内切酶或限制酶，是DNA分子操作中必不可少的工具酶。

细菌除具有限制酶外，还具有一种对自身DNA起修饰作用的甲基化酶，其识别与作用部位相同。甲基化酶使该部位上的碱基甲基化，从而使限制酶不再起作用。 细菌细胞中，限制酶可降解外源侵入的DNA，但不降解经修饰酶甲基化保护的自身DNA。

限制酶具有很强的专一性。它们对底物DNA有特异的识别位点(或称识别序列)。这些位点的长度一般在4~8bp范围内。通常具有回文结构(palindromic structure)。切割后形成粘性末端(cohesive end)或平齐末端(blunt end)。

环状或线状的双链DNA分子经限制酶作用后都形成线状双链DNA，每条单链的一端带有识别顺序中的几个互补碱基，这样的末端称为粘性末端。 例如，大肠杆菌的EcoR I对DNA的作用如下：

限制酶命名，以EcoRI为例，第1个大写字母E为大肠杆菌的属名(Escherichia)的第1个字母，第2、3两个小写字母c为它的种名(coli)的头两个字母。第4个字母用大写R，表示所用大肠杆菌的菌株。最后一个罗马字表示从该细菌中分离出来的这一类酶的编号。

限制酶是DNA的分子剪刀，是DNA体外重组技术和进行大分子DNA分析的重要工具， 它的发现对基因工程研究有极大的促进作用。

限制酶作为工具酶的几个应用 ①限制酶图谱：基因组各DNA分子的若干限制酶切位点标识图。 ②DNA重组子的构建：具相同粘性末端的两个DNA片段之间，可通过粘性末端的互补，在连接酶作用下连接为一个DNA分子。 ③酶切位点的保护：识别位点的碱基甲基化，限制酶不能识别和作用。

2 核苷酸分解代谢

2.1 核苷酸的降解 由核苷酸酶（磷酸单酯酶）催化，产生核苷及Pi。 2.1 核苷酸的降解 由核苷酸酶（磷酸单酯酶）催化，产生核苷及Pi。 非特异性核苷酸酶能作用于一切核苷酸，特异性核苷酸酶只能水解3-核苷酸或5-核苷酸。 核酸经核酸酶降解后产生的核苷酸还可以进一步分解。生物体内广泛存在的核苷酸酶（磷酸单酯酶）可催化核苷酸水解，产生磷酸和核苷。核苷酸酶的种类很多，特异性也各不相同。有些非特异性的核苷酸酶对所有核苷酸都能作用，无论磷酸基在核苷的2′、3′还是5′位置上。有些核苷酸酶具有特异性，如有的只能水解3′-核苷酸，称为3′-核苷酸酶，有的只能水解5′-核苷酸，称为5′-核苷酸酶。

核苷经核苷酶作用分解为嘌呤碱或嘧啶碱和戊糖。 分解核苷的酶有两类 ①核苷磷酸化酶：催化核苷分解成含氮碱基和戊糖的磷酸酯。 核苷酸酶水解产生的核苷可在核苷酶的作用下进一步分解为戊糖和碱基。核苷酶的种类也很多，按底物不同可分为嘌呤核苷酶和嘧啶核苷酶。按催化反应的不同可分为核苷磷酸化酶（nucleoside phosphorylase）和核苷水解酶（nucleoside hydrolase）。核苷磷酸化酶催化核苷分解生成含氮碱基和戊糖的磷酸酯。此酶对两种核苷都能起作用。

②核苷水解酶 ，只作用于核糖核苷，催化反应不可逆。 对脱氧核糖核苷不起作用。 核苷水解酶将核苷分解生成含氮碱和戊糖，此酶对脱氧核糖核苷不起作用。 核苷酸分解产生的嘌呤碱和嘧啶碱在生物体中还可以继续进行分解。

2.2 嘌呤核苷酸的降解 嘌呤经脱氨氧化转变为黄嘌呤再进行降解，不同生物分解嘌呤碱的酶系不同，最终产物也不同。 2.2 嘌呤核苷酸的降解 嘌呤经脱氨氧化转变为黄嘌呤再进行降解，不同生物分解嘌呤碱的酶系不同，最终产物也不同。 嘌呤核苷酸可以在核苷酸酶的催化下，脱去磷酸成为嘌呤核苷，嘌呤核苷在嘌呤核苷磷酸化酶(purine nucleoside phosphorylase,PNP)的催化下转变为嘌呤。嘌呤核苷及嘌呤又可经水解，脱氨及氧化作用生成尿酸

生物进化程度愈高，分解嘌吟的能力愈差。 哺乳 人灵长鸟爬 在生物体内，嘌呤可进一步发生降解。首先，嘌呤在脱氨酶的作用下脱去氨基，腺嘌呤脱氨后生成次黄嘌呤（hypoxanthine），然后，在黄嘌呤氧化酶（xanthine oxidase）作用下，将次黄嘌呤氧化成黄嘌呤。黄嘌呤氧化酶是一种黄素蛋白，含FAD、铁和钼；鸟嘌呤脱氨后直接生成黄嘌呤（xanthine）。黄嘌呤进一步氧化为尿酸（uric acid），尿酸在尿酸氧化酶（urate oxidase，一种含铜酶）作用下降解为尿囊素（allantoin）和CO2，尿囊素在尿囊素酶（allantoinase）作用下水解为尿囊酸（allantoic acid），尿囊酸进一步在尿囊酸酶（allantoicase）的作用下降解为尿素和乙醛酸。 哺乳 人灵长鸟爬

多数鱼、两栖 部分硬骨鱼 不同种类生物降解嘌呤碱基的能力不同，因而代谢产物的形式也各不相同。人类、灵长类、鸟类、爬虫类以及大多数昆虫体内缺乏尿酸酶，故嘌呤代谢的最终产物是尿酸；人类及灵长类以外的其它哺乳动物体内存在尿酸氧化酶，可将尿酸氧化为尿囊素，故尿囊素是其体内嘌呤代谢的终产物；在某些硬骨鱼体内存在尿囊素酶，可将尿囊素氧化分解为尿囊酸；在大多数鱼类、两栖类中的尿囊酸酶，可将尿囊酸进一步分解为尿素及乙醛酸；而氨是甲壳类、海洋无脊椎动物等体内嘌呤代谢的终产物，因这些动物体内存在脲酶，可将尿素分解为氨和二氧化碳。 植物、微生物体内嘌呤代谢的途径与动物相似。尿囊素酶、尿囊酸酶和脲酶在植物体内广泛存在，当植物进入衰老期，体内的核酸会发生降解，产生的嘌呤碱进一步分解为尿囊酸，然后从叶子内运输到贮藏器官，而不是排出体外，可见植物有保存和同化氨的能力。微生物一般能将嘌呤类物质分解为氨、二氧化碳及有机酸，如甲酸、乙酸、乳酸等。 甲壳

嘌呤的分解还可在核苷或核苷酸水平上进行 动物组织中腺嘌呤脱氨酶含量极少，而腺苷脱氨酶和腺苷酸脱氨酶活性很高，所以脱氨基主要发生在核苷和核苷酸水平上。 鸟嘌呤脱氨酶分布较广，鸟嘌呤的脱氨基主要在碱基水平。

2.3 嘧啶核苷酸的分解 嘧啶核苷酸的分解主要在肝内进行，有氨基首先脱氨基。 2.3 嘧啶核苷酸的分解 嘧啶核苷酸的分解主要在肝内进行，有氨基首先脱氨基。 胞嘧啶首先水解脱氨基，转化为尿嘧啶，尿嘧啶和胸腺嘧啶经还原打破环内双键后，水解开环成链状化合物，再水解成CO2、NH3、-丙氨酸、-氨基异丁酸，后者脱氨基后进入有机酸代谢或直接排出体外。

嘧啶碱可以在生物体内进一步被降解。嘧啶碱的分解过程比较复杂，包括水解脱氨基作用、氨化、还原、水解和脱羧基作用等。不同种类生物分解嘧啶的过程不同，在大多数生物体内嘧啶的降解过程如图9-6 所示。 胞嘧啶先经水解脱氨转变为尿嘧啶。尿嘧啶或胸腺嘧啶降解的第一步是加氢还原反应，生成的产物是二氢尿嘧啶或二氢胸腺嘧啶，然后经连续两次水解作用，前者产生CO2、NH3和β-丙氨酸，后者产生CO2、NH3和β-氨基异丁酸。β-丙氨酸和β-氨基异丁酸脱去氨基转变为相应的酮酸，并入三羧酸循环进一步代谢。β-丙氨酸亦可用于泛酸和辅酶A的合成。

不同种类的生物对嘧啶的分解过程不同，在某些生物体内，脱氨基作用也可在核苷酸、核苷或碱基水平上进行。

3 核苷酸的生物合成 生物体内的核苷酸，可以直接利用细胞中自由存在的碱基和核苷合成，也可以利用氨基酸和某些小分子物质为原料，经一系列酶促反应从头合成核苷酸。在不同的组织中，两条途径的重要性不同。

3.1 核糖核苷酸的合成 合成途径有从头合成和救补途径： 3.1 核糖核苷酸的合成 合成途径有从头合成和救补途径： 从头合成(de nove synthesis)：利用氨基酸、磷酸戊糖、CO2、NH3等简单的化合物合成核苷酸。 救补途径(salvage pathway)：利用核酸降解或从外界补充的含氮碱基或核苷合成新的核苷酸。 嘌呤核苷酸的合成有两类基本途径，一类是从氨基酸、磷酸核糖、CO2和NH3这些化合物合成核苷酸。由于此途径不经过碱基、核苷的中间阶段，所以又称为“从头合成”途径。另一类途径是由核酸分解产生的嘌呤碱基和核苷转变成核苷酸，此途径又称为“补救”途径。从头合成是生物体合成嘌呤核苷酸的主要途径。

3.1.1 嘌呤核苷酸的生物合成 20世纪50年代，利用同位素标记，以鸽肝为材料证实合成嘌呤的前身物为：氨基酸(甘氨酸、天门冬氨酸、和谷氨酰胺)、CO2和一碳单位(N10-甲酰FH4，N5,N10-甲炔FH4)，是在磷酸核糖的基础上逐步合成嘌呤核苷酸。其生物合成途径：先合成次黄嘌呤核苷酸(IMP)，再由IMP分别生成AMP和GMP。 嘌呤核苷酸的合成有两类基本途径，一类是从氨基酸、磷酸核糖、CO2和NH3这些化合物合成核苷酸。由于此途径不经过碱基、核苷的中间阶段，所以又称为“从头合成”途径。另一类途径是由核酸分解产生的嘌呤碱基和核苷转变成核苷酸，此途径又称为“补救”途径。从头合成是生物体合成嘌呤核苷酸的主要途径。

嘌呤环上不同部位的N和C分别如下：

获得嘌呤的N9原子 获得嘌呤C4、C5和N7原子 获得嘌呤的N3原子 获得嘌呤C8原子 嘌呤咪唑环的形成 获得嘌呤C6原子

7）、8）获得N1原子 去除延胡索酸 氧化生成黄嘌呤核苷酸 获得C2 环化生成IMP 谷氨酰胺提供酰胺基取代XMP中C2上的氧生成GMP 生成腺苷酸代琥珀酸

脱去延胡索酸生成AMP

3.1.2 嘧啶核苷酸的生物合成 ①尿嘧啶核苷酸的生物合成 嘧啶核苷酸是由天门冬酰胺、 PRPP和氨基甲酰磷酸等形成的。 3.1.2 嘧啶核苷酸的生物合成 ①尿嘧啶核苷酸的生物合成 嘧啶核苷酸是由天门冬酰胺、 PRPP和氨基甲酰磷酸等形成的。 嘧啶从头合成途径，首先合成嘧啶环，再与核糖-5-磷酸结合为乳清酸，然后生成尿嘧啶核苷酸。

同位素标记实验证明：嘧啶环上的N3来自NH3，C2来源于CO2，其余4个原子来源于天冬氨酸。

闭环生成二氢乳清酸 合成甲酰天冬氨酸 二氢乳清酸的氧化 脱羧生成UMP 获得磷酸核糖

②胞嘧啶核苷酸的合成 尿嘧啶核苷酸转变为胞嘧啶核苷酸是在核苷三磷酸的水平上进行的。 在细菌中UTP直接与NH3作用产生CTP。动物组织中由Gln提供NH3，反应要有ATP供能，由CTP合成酶催化反应。

③胸腺嘧啶核苷酸的合成 胸腺嘧啶脱氧核苷酸(dTMP)，它由dUMP在dTMP合成酶的催化下甲基化生成。由叶酸衍生物作为一碳单位的供体和还原剂。

3.1.3 核苷酸合成的补救途径 哺乳动物和微生物中存在许多催化嘌呤碱基和嘧啶碱基合成单核苷酸的酶，可直接利用核酸降解产物或外源补充的碱基。 ①嘌呤碱的直接利用 嘌呤直接转化成核苷酸主要有两种反应：

嘌呤磷酸核糖转移酶在人类嘌呤核苷酸代谢中非常重要。 正常的情况下嘌呤核苷酸的从头合成和补救途径之间存在平衡，缺少补救途径会引起嘌呤核苷酸合成的增加，嘌呤代谢严重紊乱，尿酸为正常值的6倍。过多的尿酸导致肾结石和痛风。这些症状可通过别嘌呤醇对嘌呤氧化酶的抑制而得到缓解。

②嘧啶碱的直接利用 在尿嘧啶磷酸核糖转移酶的催化下，尿嘧啶转变成尿苷酸。

在UMP的生物合成途径中，有乳清酸磷酸核糖转移酶催化乳清酸生成乳苷酸的反应。

③核苷的直接利用 生物体内的核苷可直接转变成核苷酸加以利用。 碱基也可以通过核苷磷酸化酶生成核苷，再转变成核苷酸。

生物体内存在各种核苷激酶、如腺苷激酶、肌苷激酶、假尿苷激酶、尿苷-胞苷激酶，催化各种核苷生成核苷酸。

3.1.4 核苷二磷酸、核苷三磷酸的合成 生物体内，核苷酸常以核苷二磷酸(d)NDP 、核苷三磷酸(d)NTP的形式参与合成反应。

核苷二磷酸激酶使核苷二磷酸和核苷三磷酸相互转变。

3.2 脱氧核苷酸合成 2-脱氧核糖核苷酸是由相应的核苷酸通过以氢代替2-OH基团还原得来，核糖核苷酸还原酶 3.2 脱氧核苷酸合成 2-脱氧核糖核苷酸是由相应的核苷酸通过以氢代替2-OH基团还原得来，核糖核苷酸还原酶 在某些微生物、动植物中通常是在核苷二磷酸水平上发生还原反应，而在另一些微生物如乳酸杆菌、枯草杆菌等以核苷三磷酸为还原底物。

催化核糖环的还原作用的有两种类型核糖核苷还原酶： 存在于哺乳动物细胞中的一类酶含有非正铁血红素；第二类酶在某些微生物中，只含有一种多肽链，需要钴胺素(维生素B12)作为辅酶，不含非正铁血红素。来自大肠杆菌的第一种类型的酶系包括四种蛋白质：硫氧还蛋白、硫氧还蛋白还原酶以及蛋白质B1和B2。

蛋白质B1和B2是核糖核酸还原酶的不同亚基，B1上有底物结合部位和变构部位，B2上有催化部位。

在大肠杆菌中，发现催化核糖核苷酸还原反应的另一套电子传递系统。

3.3 核苷酸合成的调节

3.3.1 嘌呤核苷酸生物合成的调控

3.3.1 嘧啶核苷酸生物合成的调控