核酸的降解与核苷酸的代谢

第十章 核酸的降解与核苷酸的代谢学习要求：通过本章学习，熟悉核酸的降解过程，掌握核酸酶的分类及其作用方式；了解核苷酸分解过程及不同生物嘌呤核苷酸分解代谢的区别；了解核苷酸从头合成途径的过程，掌握合成原料及嘌呤核苷酸与嘧啶核苷酸的合成特点，重点掌握核苷酸合成途径的调节，熟悉补救合成途径的过程和意义；熟悉核苷酸代谢与氨基酸代谢及糖代谢的相互关系；了解核苷酸代谢的有关理论对医药及生产实践的指导意义。

动物、植物和微生物都能合成各种核苷酸，因此核苷酸与氨基酸不同，不属于营养必需物质。

细胞内存在多种游离的核苷酸，它们具有多种重要的生理作用：①作为合成核酸的原料。

②ATP 在生物体内能量的贮存和利用中处于中心地位，是最重要的高能化合物。

此外，GTP 在能量利用方面也有一定作用。

③参与代谢和代谢调节。

某些核苷酸或其衍生物是重要的信息物质，如 cAMP 是多种激素作用的第二信使；cGMP 也与代谢调节有关。

④组成辅酶。

腺苷酸是辅酶Ⅰ、辅酶Ⅱ、辅酶A 和FAD 四种辅酶的组成成分。

⑤活化中间代谢物。

UTP 和CTP 可使代谢物NDP （核苷二磷酸）化，成为活性代谢物直接用作合成原料，如UDP-葡萄糖称为“活性葡萄糖”，是合成糖原、糖蛋白的活性原料；CDP-甘油二酯是合成磷脂的活性原料。

ATP 使蛋氨酸腺苷化生成的S-腺苷蛋氨酸（SAM ）作为甲基的直接供体，是合成肾上腺素、肌酸等物质的活性原料。

第一节 核酸的酶促降解一、核酸的降解生物组织中的核酸往往以核蛋白的形式存在，动物和异养型微生物可分泌消化酶类分解食物或体外的核蛋白和核酸。

核蛋白可分解成核酸与蛋白质，核酸由各种水解酶催化逐步水解，生成核苷酸、核苷、戊糖和碱基等，这些水解产物均可被吸收，但动物体较少利用这些外源性物质作为核酸合成的原料，进入小肠粘膜细胞的核苷酸、核苷绝大部分进一步被分解。

植物一般不能消化体外的有机物。

所有生物细胞都含有核酸代谢的酶类，能分解细胞内的各种核酸促进其更新。

核酸降解产生的1-磷酸核糖可由磷酸核糖变位酶催化转变为5-磷酸核糖进入核苷酸合成代谢或糖代谢，碱基可进入核苷酸补救合成途径或分解排出体外。

细胞内核酸的降解过程如下：核酸核酸酶核苷酸酶核苷 + 磷酸核苷磷酸化酶嘌呤碱和嘧啶碱 + 戊糖-1-磷酸二、核酸酶催化核酸水解的酶称为核酸酶（nuclease ）。

核酸酶催化核酸分子中3´,5´-磷酸二酯键的水解断裂，属于磷酸二酯酶（phosphodiesterase ）。

根据其作用底物可分为脱氧核糖核酸酶（DNase ，deoxyribonuclease ）和核糖核酸酶（RNase ,ribonuclease ）；按其作用位置又可分为核酸外切酶（exonuclease ）和核酸内切酶（endonuclease ）。

(一) 核酸外切酶从核酸链一端逐个水解产生单核苷酸的酶称为核酸外切酶。

核酸外切酶有多种，有的作用于DNA ，有的作用于RNA ，有的对二者都有催化作用。

核酸外切酶有两种作用方式，一种是从核酸链的3´端开始逐个水解生成5´-核苷酸，具有3´→5´外切活性，如蛇毒磷酸二酯酶（VPD ）；另一种则是从核酸链的5´端开始逐个水解生成3´-核苷酸，具有5´→ 3´外切活性，如牛脾磷酸二酯酶（SPD ）。

如图10-1。

B PBPB P B B P P牛脾磷酸二酯酶蛇毒磷酸二酯酶OH B53图10-1 核酸外切酶的水解位置（B 代表碱基）VDP 和SDP 对DNA 和RNA 都有催化作用，分别用VPD 和SPD 水解核酸可得到5´-单核苷酸的混合物和3´-单核苷酸的混合物，用离子交换法可将混合物分离得到各种单核苷酸。

这些单核苷酸在医药和科研上都具有重要应用价值。

（二）核糖核酸内切酶核酸内切酶特异地水解多核苷酸链内部的酯键，对碱基和磷酸二酯键的位置都具有选择性，是专一性很强的磷酸二酯酶。

为方便地说明核酸酶的水解位点，3´,5´-磷酸二酯键中的3´-磷酯键用a 表示，5´-磷酯键用b 表示（图10-2)。

如牛胰核糖核酸酶（RNase Ⅰ）特异地作用于嘧啶核苷酸的磷酸二酯键的 b 位，生成3´-嘧啶核苷酸或未端为3´-嘧啶核苷酸的寡核苷酸；RNaseT 1专一性水解鸟苷酸的磷酸二酯键的b 位，生成3´-GMP 或末端为3´-GMP 的寡核苷酸。

因RNase Ⅰ和RNaseT 1都在b 位切断磷酸二酯键，水解产物均带有3´-磷酸。

牛胰RNase 是最早分离纯化并结晶的RNase ，由124个氨基酸残基组成，分子中的4个二硫键极大地稳定了它的结构，温度达100℃时仍可表现出催化活性。

……P PP yP y RNase ⅠRNase ⅠRNase ⅠRNase T 1G PG RNase T 1图 10-2 RNase 作用的专一性（三）脱氧核糖核酸酶脱氧核糖核酸酶专一性催化单股或双股DNA 链的水解，包括外切酶和内切酶。

外切酶有5´→ 3´外切和3´→5´外切两种作用方式。

内切酶可在链内磷酸二酯键a位或b 位切断DNA ，如牛胰脱氧核糖核酸酶（DNaseI ）可切割双链或单链DNA ，作用于磷酸二酯键的a 位，产物为带有5´磷酸末端的寡核苷酸；而牛脾脱氧核糖核酸酶（DNaseII ）作用于磷酸二酯键的b 位，降解产物是带有3´磷酸末端的寡核苷酸。

有些DNA 内切酶具有序列专一性，这就是限制性内切酶（restriction endonuclease ）。

限制性核酸内切酶1979年在细菌中发现，此类酶能识别并结合外源性DNA 的特异序列，将其切割降解。

与这种限制性核酸内切酶相伴存在的还有一种修饰性甲基化酶（modification methylase ），能使细菌自身DNA 的某些核苷酸甲基化而不被限制酶降解。

这两种酶构成细菌的“限制一修饰”体系，该体系通过限制酶降解外来DNA ，“限制”其功能；而细菌自身DNA 的特异序列因甲基化修饰而受到保护。

核酸限制性内切酶现已发现多种，主要是从细菌和霉菌中分离得到的，也有报道称从支原体和真核细胞中分离到了限制性内切酶。

限制性核酸内切酶特异的识别序列（或称识别位点）通常情况下正读与倒读字母顺序相同，即呈回文结构（palindromic structure ），约含4-8个碱基对（图10-3）。

有些限制性内切酶能将两条链交错切开，切口处形成单链突出的两个未端，两末端单链彼此互补，易于连接，故称为粘性未端（cohesive end ）。

有的限制性内切酶将双链切开后形成平齐未端（blunt end ）。

几种限制性内切酶的识别序列和切割后形成的各种不同末端如下:Hae Ⅲ3'5'3'5'3'5'5'3'5'5'3'3'E co R Pst ⅠCCGGGC3'5'C G 3'5'AATTC G 3'5'G CTTAA 3'5'ACGTC G 5'3'3'CTGCA G5'3'端突出的粘性末端平齐末端5'端突出的粘性末端图 10-3 几种限制性内切酶的识别序列和切割结果限制性内切酶的命名比较特殊，以EcoRI 为例，第一个大写字母E 是大肠杆菌的属名（Escherichia ）；第二、三两个小写字母co 是种名（coli ）的前两个字母；第四个大写字母R 表示菌株；最后的罗马数字是酶的编号，表示从同一菌株中分离出来的限制性内切酶的先后顺序。

Eco R Ⅰ属名种名菌株编号限制性内切酶具有重要的生物学意义。

它可以降解异源DNA，防范外来DNA对遗传信息的干扰，保证自身遗传物质的稳定性。

在分子生物学技术中可作为切割DNA分子的手术刀，用以制作DNA限制酶谱，分离限制片段，是进行DNA结构分析和体外重组的重要工具。

第二节核苷酸的分解代谢一、核苷酸的降解在组织细胞内，核苷酸在核苷酸酶（nucleotidase）或磷酸单酯酶（phosphomonoesterase）催化下生成核苷和无机磷酸，核苷再经核苷酶（nucleosidase）催化分解为碱基和戊糖。

分解核苷的酶有两类：一类是核苷磷酸化酶（nucleoside phosphorylase），广泛存在于生物体内，催化的反应可逆；另一类是核苷水解酶（nucleoside hydrolase），存在于植物和微生物体内，具有—定的特异性，只作用于核糖核苷，对脱氧核糖核苷无作用，催化的反应不可逆。

反应如下：核苷水解酶戊糖-1-磷酸 + 碱基核糖 + 碱基核苷 + 磷酸核苷 + H2O嘌呤碱和嘧啶碱可用于核苷酸的补救合成，也可进—步分解。

二、嘌呤碱的分解嘌呤碱分解的基本过程（图10-4）是脱氨和氧化，可概括如下：腺嘌呤脱氨生成次黄嘌呤，后者在黄嘌呤氧化酶(xanthine oxidase) 下氧化成黄嘌呤，最后氧化成尿酸。

鸟嘌呤脱氨转变为黄嘌呤后也生成尿酸。

动物体内嘌呤碱的分解主要在肝、肾和小肠中进行，黄嘌呤氧化酶在这些脏器中活性较强。

黄嘌呤氧化酶是需氧脱氢酶，专一性不强，它可将次黄嘌呤氧化为黄嘌呤，又可将黄嘌呤氧化为尿酸，还能以喋呤和乙醛等作为底物。

不同种类的生物对嘌呤碱的分解能力不同，终产物也不同：在灵长类、鸟类、爬虫类和昆虫中，分解终产物为尿酸（uric acid）；灵长类以外的哺乳动物为尿囊素；某些硬骨鱼分解终产物为尿囊酸；大多数鱼类和两栖类可将尿囊酸分解为尿素和乙醛酸；某些海生无脊椎动物如星虫类、甲壳类可把尿素再分解为氨和CO2。

在微生物中分解终产物为氨、二氧化碳以及一些有机酸，如甲酸、乙酸、乳酸等。

从以上所述可知，生物进化程度越高，嘌呤分解能力越差。

高等生物有完善的排泄系统将代谢废物排出体外。

植物体内存在尿囊素酶、尿囊酸酶、脲酶，能把嘌呤碱分解为氨和CO2。

植物体内嘌呤碱的分解主要在贮藏和衰老组织中进行，植物具有同化氨的能力，分解产物主要以尿囊酸的形式运至幼嫩组织或根部贮存。

人类和家禽中有一种称为痛风的疾病与嘌呤代谢有关。

因尿酸溶解度很低，血尿酸升高可使尿酸盐结晶沉积在关节、软组织及肾等部位，导致关节炎、尿路结石和肾脏疾病，这就是痛风症。

原发性痛风症可能是嘌呤核苷酸代谢酶的先天性缺陷所致。

继发性痛风见于多种疾病，各种肾脏疾病引起肾功能减退，尿酸排泄减少；红细胞增多症、慢性白细胞病、淋巴瘤因细胞中的核酸大量分解，使尿酸生成增多。