260第十一章 核酸的酶促降解和核苷酸代谢第一节 核酸的酶促降解在生物体内，核酸经过一系列酶的作用，最终降解成 CO2、水、氨、磷酸等小分 子的过程称为核酸的降解代谢所有生物的细胞都含有与核酸代谢有关的酶类，它们 可以分解细胞内的各种核酸，促进核酸的分解更新核酸分解代谢的中间产物在某些 情况下可被再度利用例如，在戊糖代谢过程中，含氨碱或核苷可用来“补救”合成 核苷酸等核酸与核苷酸的分解可简单表示如下： ºËËáºËËáø ºËÜÕ ËáºËÜÕ ËáøÁ× ËáºËÜÕºËÌǼî»ùàÑßÊà×à¤1-Á× ËáÎì ÌÇH2OH2OH2OH3PO4ºËÜÕ Ë® ½âøºËÜÕ Á× Ëữø核酸是由许多核苷酸以 3′, 5′-磷酸二酯键连接而成的大分子核酸降解的第一 步是由多种降解核酸的酶协同作用，水解连接核苷酸之间的磷酸二酯键，形成分子量 较小的寡核苷酸和单核苷酸生物体内降解核酸的酶很多，其作用专一性各不相同 作用于核酸磷酸二酯键的酶称为核酸酶(nuclease)水解核糖核酸的酶称为核糖核酸酶 (RNase)：水解脱氧核糖核酸的酶称为脱氧核糖核酸酶(DNase)。
一、核酸外切酶核酸外切酶作用于核酸链的末端，将核苷酸逐个地水解下来只作用于 DNA 的 核酸外切酶称为脱氧核糖核酸外切酶；只作用于 RNA 的称为核糖核酸外切酶；有些核 酸外切酶既可作用于 RNA，又可作用于 DNA，如蛇毒磷酸二酯酶是从多核苷酸链的游 离 3′-羟基端开始，逐个水解下 5′-核苷酸；而牛脾磷酸二酯酶则相反，是从游离的5′-羟基端开始，逐个水解下 3′-核苷酸261二、核酸内切酶能催化核酸分子内部磷酸二酯键水解的酶称为核酸内切酶核酸内切酶的专一性 也不同，有的只作用于 DNA，有的只作用于 RNA，有的可同时作用于 DNA 和 RNA有的核酸内切酶只对碱基是专一的，如牛胰核酸酶只水解嘧啶核苷酸的磷酸二 酯键(图 10-1a 处)，生成嘧啶核苷-3′-磷酸或末端为嘧啶核苷-3′-磷酸的寡核苷酸(图 10-1)有些核酸内切酶要求专一的碱基顺序，如限制性内切酶à×à¤Äñ àÑßÊÏÙàÑßÊà×à¤à×à¤Äñ àÑßÊPPPPPPaaaP图 10-1 牛胰核酸酶的水解位置第二节 核酸的降解一、核苷酸的降解在生物体内，核苷酸在核苷酸酶(nucleosidase)的催化下，水解生成核苷和磷酸：ºËÜÕ Ëá+ H2OºËÜÕ + Á× ËáºËÜÕ Ëáø核苷经核苷酶(nucleosidase)作用分解为含氮碱和戊糖。
分解核苷的酶有两类：一 类是核苷水解酶(nucleoside hydrolase)，另一类是核苷磷酸化酶(nucleoside phosphorylase) 前者使核苷生成含氮碱和戊糖；后者使核苷生成含氮碱和戊糖的磷酸酯：ºËÜÕ +àÑßÊ»òà×़îH2O+ Îì ÌǺËÜÕ Ë® ½âøºËÜÕ +àÑßÊ»òà×़îH3PO4+ Îì ÌÇ-1-Á× ËáºËÜÕ Á× Ëữø核苷酶主要存在于植物和微生物体内，只作用于核糖核苷，对脱氧核糖核苷无作 用，反应是不可逆的 核苷磷酸化酶存在比较广泛，其所催化的反应是可逆的不同来源的酶对底物要 求不一，有的能作用于核苷和脱氧核苷，有的则对戊糖要求严格这类酶还有嘌呤核 苷磷酸解酶与嘧啶核苷磷酸解酶之分262核苷的降解产物嘌呤碱和嘧啶碱还可进一步分解二、嘌呤的降解在生物体内嘌呤可进一步分解嘌呤碱的降解代谢过程如图 10-2 所示NNNHNH2NNHNNHNNHNNHNONH2ONHNHNHNOOÏÙàÑßÊÄñ àÑßÊÏÙàÑßÊÍÑ°±Ã¸H2ONH3Äñ àÑßÊÍÑ°±Ã¸H2ONH3O2 + H2OH2O2´Î »Æ àÑßÊ»Æ àÑßÊ»Æ àÑßÊÑõ »¯Ã¸¢Ù¢Ú¢Û¢Ü¢Ý¢Þ¢ßO2 + H2OH2O2»Æ àÑßÊÑõ »¯Ã¸NHNHNHHNOOOÄò ËáCO2 + H2O22H2O + O2Äò ËáÑõ »¯Ã¸NH2NHNHHNOOÄò ÄÒ ËØONH2NHNHH2NOOOHOH2OÄò ÄÒ ËØ Ã¸Äò ÄÒ ËáCNH2NH2O2+COOHCHOÄò ÄÒ ËáøH2O2H2Oëåø4NH3 + 2CO2¢à图 10-2 嘌呤碱的降解代谢不同生物分解嘌呤碱的最终产物不同。
人类和其他灵长类动物的嘌呤代谢一般止 于尿酸，灵长类以外的哺乳动物可生成尿囊素，大多数鱼类则生成尿素，一些海洋无263脊椎动物可生成氨；微生物能将嘌呤分解成氨、CO2及一些有机酸，如甲酸、乙酸、 乳酸等；植物的嘌呤代谢与动物相似植物组织中存在着与嘌呤代谢有关的酶及其代 谢产物，如尿囊素和尿囊酸等嘌呤的分解主要是在衰老的叶子及贮藏性的胚乳组织 内在胚和幼苗中不发生嘌呤的分解当叶子进入衰老期，核酸就发生分解，生成的 嘌呤碱也进一步分解成尿囊酸，从叶子中运出并贮藏起来，供翌年生长之用植物与 动物不同，植物有保存并再度利用同化氮的能力 三、嘧啶的降解嘧啶的降解也是先脱氨基由尿嘧啶分解生成的-丙氨酸可用于合成辅酶 A，也 可经转氨反应生成甲酰乙酸，再转化成乙酸进入三羧酸循环或转化为脂肪酸 嘧啶分解过程如图 10-3 所示HCNC NHHCCNH2OH2ONH3ÍÑ°±Ã¸HCNHNHHCCOONAD(P)H + H+NAD(P)+H2CNHC NHH2CCOO¶þÇâÄò à×ठH2OH2NCONHCH2CH2COOH¦Â -ëå»ù±ûËáH2ONH3 + CO2 + H2NCH2CH2COOH¦Â -±û°±ËáH3C NHCNHHCCCOOÐØ ÏÙà×à¤NAD(P)H + H+NAD(P)+H3C NHC NHH2CHCCOO¶þÇâÐØ ÏÙà×à¤H2OH2NCONHCH2CHCOOH¦Â -ëå»ùÒ춡 ËáH2OCH3NH3 + CO2 + H2NCH2CHCOOHCH3¦Â -°±»ùÒ춡 ËáÄò à×रûà×à¤图 10-3 嘧啶碱的降解代谢264第三节 核苷酸的合成代谢核苷酸是合成核酸的组分。
核酸存在于每一个细胞中，是遗传信息的携带者和传 递者关于核酸的生物合成将在以后讨论，本节扼要讨论核苷酸的合成和分解一、核糖核苷酸的生物合成1．嘌呤核苷酸的生物合成 生物体可以利用 CO2、甲酸盐、甘氨酸、天冬氨酸、谷氨酰胺以合成嘌呤据用 同位素的研究，嘌呤的 9 个原子的来源如图 10-4 关于嘌呤的合成过程，目前已比 较清楚整个合成过程如图 10-5 所示 在此不详细叙述这个过程的每一个反应 步骤，只概括地指出其中的一些要点： ①嘌呤核苷酸的合成并不是先形 成游离的嘌呤，然后生成核苷酸，而是 直接形成次黄嘌呤核苷酸(inosinic acid，IMP，也叫肌苷酸)，以后才转变 为其他嘌呤核苷酸②IMP 的合成是从 5-磷酸核糖开 始的由 5-磷酸核糖与 ATP 反应，生 成 5-磷酸核糖-1-焦磷酸(5-phosphoribosyl-1-pyrophosphate，PRPP)(图 10-5 中反应①)③嘌呤的各个原子是在 PRPP 的 C1位置上逐渐加上去的先由谷氨酰胺提供 N 元 素，生成 5-磷酸核糖胺(图 10-5 中反应②)注意在此反应中，核糖的 C1发生构型变化， 由 PRPP 的-构型变为 5-磷酸核糖胺的-构型。
④以后，由甘氨酸和甲酰四氢叶酸先后提供 C 和 N 原子，并闭合成咪唑环(图 10- 5 中反应③④) ⑤再后，由 CO2、天冬氨酸、甲酰四氢叶酸先后提供其他原子，最后形成次黄嘌 呤核苷酸(图 10-5 中反应⑤⑥⑦) 上述一系列反应的总反应式如下：2NH3+2 甲酸+CO2+甘氨酸+天冬氨酸+5-磷酸核糖IMP+延胡索酸+9H2O 嘌呤核苷酸的生物合成过程是在多种酶的催化下进行的，这个过程的阐明有重要 意义由于在癌细胞内，核酸的合成比正常细胞进行得强烈，如果能抑制核苷酸的合 成，即可抑制癌细胞的生长例如，氨基喋呤(aminopterin)与四氢叶酸结构相似，对上图 10-4 嘌呤环组成分的来源CNCCC NNNC12 3456789CO2À´×ÔÀ´×Ô Ìì ¶¬°±ËáÀ´×Ô ¹È°±õ£°· µÄ õ£°· µªÀ´×Ô ¼× ËáÀ´×Ô ¸Ê°±ËáÀ´×Ô ¼× Ëá265述过程的反应④和⑦起竞争性抑制作用，因而有治疗癌病(如白血病)的效用 由 IMP 可进一步转变为腺苷酸(AMP)和鸟苷酸(GMP)（见图 10-6）CH2OHHH OHOHHHOOP5-Á× ËáºËÌÇCH2OHH OHOHHHOOPPPCH2HNH2H OHOHHHOOP5-Á× ËáºËÌÇ-1-½¹Á× Ëá5-Á× ËáºËÌÇ°·ATPAMPMg2+¢Ù¢Ý¢ßCH2HNHH OHOHHHOOP¸Ê°±õ£°· ºËÜÕ ËáCOCH2NH2ATPMg2+HCNCNCHºËÌÇH2NP5-°±»ùßäßòºËÜÕ Ëá¼× õ£ËÄ ÇâÒ¶ËáËÄ ÇâÒ¶Ëá¹È°±õ£°·¹È°±Ëá2ATP2ADP + 2PiMg2+K+CNCNCHºËÌÇH2NP5-°±»ùßäßò-4-ôÈËáºËÜÕ ËáHOOC CO2CNCNCHºËÌÇH2NP5-°±»ùßäßò-4-¼× õ£°· ºËÜÕ ËáCOH2NATPCNCNCHºËÌÇNP´Î »Æ àÑßʺËÜÕ Ëá(IMP)COHNHC¼× õ£ËÄ ÇâÒ¶ËáËÄ ÇâÒ¶ËáH2O¢ÛADP + Pi¸Ê°±Ëá¢Ü¢Ú¹È°±õ£°·¹È°±Ëá¢ÞÌì ¶¬°±ËáÑÓ ºúË÷ËáADP+Pi图 10-5 次黄嘌呤核苷酸的合成途径266CNCNCHºËÌÇNP´Î »Æ àÑßʺËÜÕ Ëá (IMP)COHNHCCNCNCHºËÌÇNP´Î »Æ àÑßʺËÜÕ Ëá (IMP)COHNHCCNCNCHºËÌÇNPÏÙÜÕ Ëá(AMP)CNH2NHCÌì ¶¬°±ËáÑÓ ºúË÷ËáGTPGDP+PiMg2+CNCNCHºËÌÇNH PCOHNC O»Æ àÑßʺËÜÕ Ëá(XMP)CNCNCHºËÌÇNPCOHNC H2NÄñ àÑßʺËÜÕ Ëá(GMP)NAD+NADH+H+H2O¹È°±õ£°·¹È°±ËáATPAMP+PPiMg2+图 10-6 由 IMP 转变为腺苷酸和鸟苷酸2．嘧啶核苷酸的生物合成 嘧啶环的各个原子是从 CO2、NH3、天冬氨酸来的 （图 10-7）：CCNC CN123456À´×Ô Ìì ¶¬°±ËáÀ´×Ô NH3À´×ÔCO2°±¼× õ£Á× Ëá图 10-7 嘧啶环组成分的来源嘧啶核苷酸的合成途径见图 10-8。
这个过程的要点是： ①嘧啶核苷酸的合成过程与嘌呤核苷酸的合成过程不同，它是先形成嘧啶环(图 10-8 中反应①②)，然后与磷酸核糖结合，生成尿苷酸(UMP)(图 10-8 中反应③④)267OCOPNH2COOHCH2CHNH2COOH°±¼× õ£Á× ËáÌì ¶¬°±Ëá+HOOC CH2CHCOOH N HCNH2OPi¢Ù¢Ú¢Û¢ÜOCOOH OHNCHC NHCCNAD+NADH+H+H2OÈéÇåËá°±¼× õ£Ìì ¶¬°±ËáPRPPPPiMg2+OCOOH OHNCHC NCCºËÌÇPÈéÇåËáºËÜÕ -5'-Á× ËáOOHNCHC NCCºËÌÇPÄò ÜÕ -5'-Á× Ëá £¨ÄòÜÕ ËᣬUMP£©CO2H图 10-8 尿苷酸的生物合成途径②由氨甲酰磷酸与天冬氨酸反应，再脱氢，便生成乳清酸(orotic acid)(图 10-8 中反 应①②) ③乳清酸与 5-磷酸核糖-1-。