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1、1第十章 核酸代谢要求掌握：遗传信息传递的中心法则，原核细胞 DNA 复制及 RNA 转录的酶、有关概念和基本过程。熟悉：DNA 半保留复制的实验证据；逆转录酶活性和逆转录的应用。了解：核苷酸分解代谢的终产物、生物合成的方式。原核生物与真核生物复制、转录的区别。重点内容：遗传信息传递的中心法则，原核细胞 DNA 半保留复制，RNA 转录。难点内容：DNA 复制的过程，原核生物 RNA 转录的相关概念。第一节 核苷酸的代谢一、嘌呤核苷酸的合成代谢体内嘌呤核苷酸的合成有两条途径。第一，由简单的化合物合成嘌呤环的途径，称从头合成（de novo synthesis）途径。第二，利用体内游离的嘌呤或嘌
2、呤核苷，经过简单的反应过程，合成嘌呤核苷酸，称为补救合成（或重新利用） （salvage pathway）途径。肝细胞及多数细胞以从头合成为主，而脑组织和骨髓则以补救合成为主。（一）嘌呤核苷酸的从头合成(1) 原料核素示踪实验证明嘌呤环是由一些简单化合物合成的，如图 10-1 所示，甘氨酸提供 C-4、C-5 及 N-7；谷氨酰胺提供 N-3、N-9; N 10-甲酰四氢叶酸提供 C-2, N5，N 10-甲炔四氢叶酸提供 C-8;CO2 提供 C-6。磷酸戊糖则来自糖的磷酸戊糖旁路，当活化为 5-磷酸核糖-1-焦磷酸（PRPP ）后, 可以接受碱基成为核苷酸。其活化的反应式如下。（2）过程合
3、成的主要特点是在磷酸核糖的基础上把一些简单的原料逐步接上去而成嘌呤环。而且首先合成的是次黄嘌呤核苷酸(IMP)，由后者再转变为腺嘌呤核苷酸(AMP)和鸟嘌呤核苷酸(GMP)1. IMP 的合成2.AMP 和 GMP 的合成需要说明的是，AMP 和 GMP 是不能直接转换的，但 AMP 可在腺2苷酸脱氨酶催化下脱去氨基，生成 IMP，然后再利用 IMP 合成 GMP。作为核酸合成的底物是核苷三磷酸的形式，通过激酶的作用及 ATP 供能，AMP 和 GMP 可转变成 ATP 及 GTP。（二）嘌呤核苷酸的补救合成虽然从头合成途径是嘌呤核苷酸的主要合成途径，但嘌呤核苷酸从头合成酶系在哺乳动物的某些组
4、织(脑、骨髓)中不存在，细胞只能直接利用细胞内或饮食中核酸分解代谢产生的嘌呤碱或嘌呤核苷重新合成嘌呤核苷酸，称为补救合成。补救合成的过程比从头合成简单得多，消耗ATP 少，且可节省一些氨基酸的消耗。有两种酶参与补救合成，腺嘌呤磷酸核糖转移酶(adenine phosphoribosyl transferase,APRT)和次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖转移酶(hypoxanthine-guanine phosphoribosyl transferase,HGPRT)。补救合成同样由 PRPP 提供磷酸核糖。腺嘌呤核苷通过腺苷激酶（adenosine kinase）的作用可变成 AMP 而重新利用。类似
5、地，其他核苷也可由相应的激酶磷酸化得到相应的核苷酸由于基因缺陷导致 HGPRT 活性严重不足或完全缺乏，是一种 X 染色体连锁的隐性遗传病，称为 Lesch-Nyhan 综合征或称自毁容貌征，患儿在二三岁时即开始出现症状，如尿酸过量生成，智力迟钝，甚至自身毁容，这种患儿很少活到成年。现在科学家正研究将由功能的 HGPRT基因，借助基因工程的方法转移至患者的细胞中，以达到基因治疗的目的。（三）嘌呤核苷酸合成的调节嘌呤核苷酸的合成受反馈抑制（feedback inhibition）调节。抑制物及作用部位1.PRPP 合成酶：PRPP 浓度是从头合成过程的最主要决定因素。PRPP合成的速度又依赖磷酸
6、戊糖的存在和 PRPP 合成酶的活性。PRPP 合成酶受嘌呤核苷酸的别构调节。其中，IMP、AMP 和 GMP 可对 PRPP 合成酶反馈抑制以调节 PRPP 的水平。2. 谷氨酰胺磷酸核糖酰胺转移酶：IMP 对催化嘌呤核苷酸合成的定向步骤的酶即谷氨酰胺磷酸核糖酰胺转移酶有反馈抑制，而 AMP 和 GMP对 IMP 的反馈抑制有协同作用；PRPP 增加可促进谷氨酰胺磷酸核糖酰胺转移酶活性，加速 PRA 生成。33.过量 AMP 会抑制 IMP 转变成 AMP，而过量 GMP 会抑制 IMP 转变成GMP，从而使这两种核苷酸合成速度保持平衡。另外，GTP 是 AMP 合成时必需的能源，而 ATP
7、 是 GMP 合成时必需的能源，这种作用使腺嘌呤核苷酸和鸟嘌呤核苷酸的合成的以保持平衡。3嘌呤核苷酸合成的抗代谢物6-巯基嘌呤 (6-mercaptopurine,6MP)，其化学结构与次黄嘌呤相似，只是后者 C-6 的羟基被巯基取代。它在体内可变成 6-MP 核苷酸，可以反馈抑制 PRPP 合成酶和谷氨酰胺磷酸核糖酰胺转移酶的活性，也能抑制 IMP 转变成 AMP 和 GMP，从而可抑制肿瘤生长。二、 嘧啶核苷酸的合成代谢与嘌呤核苷酸一样，体内嘧啶核苷酸的合成亦有两条途径，即从头合成及补救合成。（一）嘧啶核苷酸的从头合成1、原料核素示踪实验证明，合成嘧啶碱的原料如图 10-5。2、过程与嘌呤
8、核苷酸的从头合成不同，嘧啶核苷酸是先合成嘧啶环，然后再与磷酸核糖相连，形成嘧啶核苷酸。全过程见教材，此过程主要在肝细胞的胞液中进行。除了二氢乳清酸脱氢酶位于线粒体内膜上外，其余均位于胞液中。（二）嘧啶核苷酸的补救合成由嘧啶磷酸核糖转移酶(pyrimidine phosphoribosyl transferase)催化尿嘧啶、胸腺嘧啶等，与 PRPP 合成一磷酸尿嘧啶核苷酸（但不能利用胞嘧啶为底物）。另外，嘧啶核苷激酶可使相应嘧啶核苷磷酸化成核苷酸。（三）嘧啶核苷酸合成的调节原核生物和真核生物中，从头合成途径所需的酶不同，因而途径所受的调控也不一样。第一个调节部位在原核生物中，是天冬氨酸氨基甲酰
9、转移酶（asparate carbamoyl transferase, ACTase） ，CTP 是其别构抑制剂，ATP 是别构激活剂。氨甲酰基磷酸合成酶在真核生物及原核生物都是反馈抑制的调控点，受 UTP 的抑制，但可被 PRPP 激活。第二个调节部位是乳清酸脱羧酶处，受 UMP 抑制。4由于 PRPP 合成酶是嘧啶与嘌呤两类核苷酸合成过程中共同需要的酶，它可同时接受嘧啶核苷酸及嘌呤核苷酸的反馈抑制。三、脱氧核糖核苷的生成脱氧核苷酸是由二磷酸核苷还原而成。现知脱氧核苷酸中的脱氧核糖并非先形成后再合成为脱氧核苷酸，而是在二磷酸核苷(NDP，N 代表A、G、U、C、T 等碱基)水平上直接还原，即
10、以氢取代其核糖分子中 C-2 的羟基而成的，催化此反应的酶是核糖核苷酸还原酶(ribonucleotide reductase,RR)RR 是一种别构酶，由 B1 和 B2 两个亚基组成，在 B1 亚基上有两个结合部位，一为底物特异性部位，另一为总活性调节部位。此外，B1 还含有巯基（SH） ，供直接还原核糖之用。现知 RR 从 NADPH 获得电子时，还需要一种硫氧化还原蛋白(thioredoxin,T)作为电子载体及硫氧化还原酶（thioredoxin reductase,TR）及其辅基 FAD 参加。整个过程如图 10-8 所示。RR 的活性受一些别构调节剂的调节。dATP 是所有四种底
11、物还原酶的抑制剂，当 dATP 结合至总活性部位时，该酶活性降低，反映脱氧核苷酸过剩，ATP 能消除此反馈抑制。当 dATP 或 ATP 结合至底物特异性部位时，促进嘧啶核苷酸 UDP 及 CDP 的还原。dTTP 则促进 GDP 的还原，及抑制 UDP和 CDP 的进一步还原。dGTP 促进 ADP 的还原。由此可见 RR 有多种构象状态，各具有不同的催化活性，从而为 DNA 合成提供数量平衡的四种脱氧核苷酸为底物。若产物不平衡会影响 DNA 的合成，严重者可导致疾病（见下） 。四、脱氧胸腺嘧啶核苷酸的合成首先，dUDP 转换为 dUMP，有几条途径，一条是在核苷单磷酸激酶催化下，dUDP
12、与 ADP 反应生成 dUMP 和 ATP；另一条途径是 dUDP 先形成dUTP，然后水解生成 dUMP 和 PPi。dCMP 经脱氨也可以形成 dUMP。然后，dTMP 是由 dUMP 的 C-5 甲基化而形成的。催化此反应的酶是胸腺嘧啶核苷酸合酶(thymidylate synthase) 。甲基由 N5,N10_甲炔 FH4 提供。反应中形成的 FH2 须经二氢叶酸还原酶的作用变成 FH4，才能重新载带甲基。 DNA 合成的底物为四种 dNTP，一磷酸或二磷酸脱氧核苷可由激酶的催化和 ATP 供能而形成三磷酸脱氧核苷。五、 核苷酸的分解代谢5（一）嘌呤核苷酸的分解代谢AMP 在腺苷酸脱
13、氨酶作用下生成 IMP，再在核苷酸酶作用下水解成次黄苷和磷酸，或者 AMP 在核苷酸酶作用下水解成腺苷，再经腺苷脱氨酶作用生成次黄苷。次黄苷经嘌呤核苷磷酸化酶（purine nucleoside phosphorylase, PNP）生成次黄嘌呤和磷酸核糖。磷酸核糖可转变成磷酸核糖，进入磷酸戊糖途径或再合成 PRPP。次黄嘌呤既可进入补救途径，也可进一步分解，即次黄嘌呤在黄嘌呤氧化酶的催化下氧化成黄嘌呤，在同一酶的催化下进一步氧化成终产物尿酸。而 GMP 分解生成的鸟嘌呤氧化成黄嘌呤，再变成尿酸。腺苷脱氨酶（adenosine deaminase,ADA）基因缺陷是一种常染色体隐性遗传病，由于
14、基因突变造成酶活性下降或消失，常导致AMP， dAMP 和 dATP 蓄积，dATP 是核糖核苷酸还原酶的别构抑制剂，能减少 dGDP, dCDP 和 dTTP 合成，从而 DNA 合成受阻。由于正常情况下淋巴细胞中腺苷酸脱氨酶活性较高，当 ADA 基因缺陷时，可造成严重损害，导致细胞免疫和体液免疫反应均下降，甚至死亡，即严重联合免疫缺陷症（severe combined immunodeficiency, SCID） 。ADA 基因突变引起的 SCID 是第一个进行基因治疗的病种，即在体外将正常的 ADA 基因转导患者的淋巴细胞，再回输体内。PNP 基因缺陷是一种罕见的常染色体隐性遗传病，纯
15、合子 PNP 基因缺陷的患儿表现为 T 细胞免疫缺陷。原因是 PNP 不能发挥正常作用，所以患儿体内鸟苷、脱氧鸟苷、次黄苷及脱氧次黄苷浓度均增加，脱氧鸟苷转化成 dGTP，造成 dGTP 堆积，是核糖核苷酸还原酶的别构抑制剂，导致 dCDP 及 dCTP 下降，最终 DNA 合成不足，影响胸腺细胞增殖，导致 T 细胞免疫缺陷。可见嘌呤核苷酸的分解代谢的终产物为尿酸，后者经肾脏排泄。痛风症（gout）患者由于血中尿酸含量升高，尿酸水溶性较差，形成的晶体沉积于关节、软组织、软骨及肾等处，导致关节炎、尿路结石及肾疾病等，痛风症多见于成年男性。原发性痛风症由于 HGPRT 活性降低，嘌呤碱不能通过补救
16、合成途径合成核苷酸再利用，即分解成尿酸。此外，大量PRPP 促使嘌呤的从头合成加快。继发性痛风症由于肾功能减退，尿酸排出减少。治疗原则：用促进尿酸排泄的药物，或用抑制尿酸形成的药物。例如别嘌呤醇（allopurinol）在体内氧化成别黄嘌呤，后者能与黄嘌呤氧6化酶结合成不可逆的复合物，所以别嘌呤醇是黄嘌呤氧化酶的强烈抑制剂。（二）啶核苷酸的分解代谢嘧啶核苷酸的分解可先脱去磷酸及核糖，余下的嘧啶碱进一步开环分解，最终产物为 NH3、CO 2、丙氨酸及 氨基异丁酸，这些产物均易溶于水，可随尿排出体外。第二节 DNA的生物合成的几个原则遗传信息传递的中心法则：一、半保留复制Watson 和 Crick 于 1953 年提出的 DNA 双螺旋模型，碱基互补配对的原则，为 DNA 分子的复制提供了理论基础，即亲代的 DNA 双链，每股链都可以作为模板，按碱基互补配对原则指导 DNA 新链的合成，这样合成的两个子代 DNA 分子，碱基序列与亲代分子完全一样。但一条链是来自亲代的DNA 链，另一条链
