第七章 核酸分解与核苷酸代谢

Chpert 7

Degradation of nuclic acid & metablism of nucleotides

第一节 核酸降解

• 核酸在生物体内可以被降解；• 外源核酸在动物体内的小肠被降解；

– 胰 nuclease

– 肠粘膜释放的 phosphodiesterase

• 降解的产物在小肠内被转化和吸收；• 核酸的降解一般不为生物提供能量；

核酸酶 (Nuclease)

• 核酸酶是作用于核酸中磷酸二酯键的水解酶，包括核糖核酸酶 (RNase) 和脱氧核糖核酸酶(DNase)

– 能水解核酸分子内部磷酸二酯键的酶又称为核酸内切酶 (endonuclease)

– 从核酸的一端逐个水解下核苷酸的酶称为核酸外切酶 (exonuclease) 。

常见的核酸酶专一性

AP 核酸内切酶的作用

AP 核酸内切酶能识别去除了碱基的核酸（无嘌呤酸、无嘧啶酸 ）磷酸二酯键，并切除糖基，使核酸链断开。

限制性核酸内切酶

• 限制性核酸内切酶是一类高度专一性的 DNas

es ，它们是顺序专一性，或结构专一性的核酸内切酶。

• 它们不是与 DNA 降解代谢有关的酶；• 是基因重组用酶，是胞内 DNA 的“卫士”。

它们是分子生物学的工具酶，在分子生物学中占有非常重要的地位。

2.1 核苷酸的分解

• 肠粘膜细胞中有 nucleotidase (phosphomonoesterase) ，水解 Nt 为 Ns 和 Pi 。

• 脾、肝等组织中的 nucleosidase 进一步水解 Ns 为戊糖和碱基。

第二节 核苷酸、核苷与碱基的分解代谢

N － R －P

2.1.1 核苷酸降解为核苷

核苷酸 ＋ H2O 核苷 ＋ Pi磷酸酯酶

或核苷酸酶

N － R －P

•生物体普遍存在的磷酸单酯酶或核苷酸酶可催化 2’-, 3’- 和 5’- 核苷酸的水解，而特异性强的磷酸单酯酶只能水解 3’- 核苷酸或 5’- 核苷酸，对不同的碱基也有选择性。

核苷酸 ＋ H2O 碱基 ＋ 戊糖 -Pi

• 催化该反应的酶称为核苷酸核苷酶；• 主要在微生物（细菌）中存在；

2.1.2 核苷酸中糖苷键的断裂N － R －P

2.1.3 核苷酸的脱氨反应与核苷酸转换

• 带氨基的核苷酸在核苷酸脱氨酶的作用下可脱掉氨基而转变成另一种核苷酸。

• 核苷酸的脱氨反应较为普遍；例： 5’-AMP 5’-IMP + NH3

嘌呤核苷酸循环中

2.2 核苷的分解代谢核苷的代谢去路：

核苷 -N- 转糖苷作用 （主要脱氧核苷 ) 脱氨反应

2.2.1 核苷的水解作用：

核苷 + H2O Pu or Py + pentose

• Ns hydrolase 主要存在于植物和微生物，只对核糖核苷起作用，对脱氧核糖核苷无作用。

Ns hydrolase

Ns phosphorylase

2.2.2 核苷的磷酸解作用：

核苷 + Pi Pu or Py + pentose-1-P• Ns phosphorylase 存在广泛，反应可逆，糖的

构型由 β- 型转变为 α- 型；

2.2.3 核苷的相互转换• 核苷 -N- 转糖苷作用 主要发生在脱氧核苷中• 脱氨反应 带氨基的核苷在核苷脱氨酶的作用下脱掉氨

基而转变成另一种核苷

2.2.4 核苷的排泄 主要为修饰核苷酸，不被分解，也不被利用

嘌呤互换

嘧啶互换

2.3 核苷酸三级水平的降解

脱氨作用主要发生在核苷酸和核苷水平

2.4 碱基的分解代谢

不同生物嘌呤碱的分解能力不同，代谢产物也不同，人和猿类及一些排尿酸的动物（鸟类、某些爬行类和昆虫）嘌呤的代谢产物为尿酸。

O2 + H2O

H2O2

尿酸

鸟嘌呤脱氨主要在碱基水平下进行

2.4.1 嘌呤碱的分解 :

嘌呤核苷酸的分解

黄嘌呤氧化酶(Xanthine Oxidase)

• 催化次黄嘌呤和黄嘌呤氧化产生尿酸。• 该酶为复合黄素酶，由两个相同的亚基组成，

每个亚基含一个 FAD 、一个钼原子［ Mo(I

V) ↔Mo(VI) ］和一个 Fe4S4 中心。

• 反应要求分子氧作为电子受体，还原产物是H2O2 ，进入尿酸的氧来自水。

不同生物中嘌呤核苷酸

的

分解产物不同

尿囊素

尿囊酸

痛风 (Gout)

嘌呤碱分解代谢产生过多的尿酸，由于其溶解性很差，易形成尿酸钠结晶，沉积于关节部位 , 引起疼痛或灼痛—痛风。如果发生HGPRT 的缺陷，不能以补救途径合成嘌呤核苷酸，吸收或合成的嘌呤碱不完全降解，导致大量尿酸积累，也引起肾结石和痛风。

HGPRT ：次黄嘌呤鸟嘌呤转磷酸核糖酶

2.4.2 嘧啶碱基的分解

• 不同生物对嘧啶碱的分解过程不一样；• 一般情况下含氨基的嘧啶要先水解脱去

氨基，脱氨基也可以在核苷或核苷酸水平上进行。

U

CMP

CR UR

UMP

C

dTMP

dTR

T

氧化分解还原分解

2.4.2 嘧啶碱基的分解

只在微生物中发现

2.4.2.1 嘧啶碱基分解的还原途径

2.4.2.2 嘧啶碱基分解的氧化途径

第三节 核苷酸的生物合成 Biosynthesis of nucleotides

3.1 核苷酸合成的基本途径可以通过两条完全不同的途径进行 :

• 由非核苷和碱基的前体小分子化合物从头合成—— De novo Synthesis ；

• 由现成的 Pu, Py, Pentose 及 Pi 在酶的作用下直接合成核苷酸——“补救合成途径 Salvage Pathway ” 。

3.2 嘌呤核苷酸的从头生物合成

嘌呤环元素的来源 :

1

嘌呤核苷酸的全程

合成总图

磷酸核糖基焦磷酸

（PR

PP

）

嘌呤核苷酸的全程

合成（反应1

）构象由 α– 构型转变为 β – 构型

PRPP 转酰胺酶

嘌呤核苷酸的全程

合成（反应2

）

甘氨酰胺核苷酸合成酶

嘌呤核苷酸的全程

合成（反应3

）

甘氨酰胺核苷酸转氨甲酰酶

嘌呤核苷酸的全程

合成（反应4

）

甲酰甘氨脒核苷酸合成酶

嘌呤核苷酸的全程

合成（反应5

）

氨基咪唑核苷酸合成酶

嘌呤核苷酸的全程合成（反应6 ）

氨基咪唑核苷酸羧化酶

嘌呤核苷酸的全程合成（反应7 ）

嘌呤核苷酸的全程

合成（反应8

）

氨基咪唑琥珀基氨甲酰核苷酸合成酶

嘌呤核苷酸的全程合成（反应9 ）

腺苷酸琥珀酸裂解酶

嘌呤核苷酸的全程合成 ( 反应 10)

氨基咪唑氨甲酰核苷酸转甲酰基酶

嘌呤核苷酸的全程合成（反应 11 ）

嘌呤核苷酸的合成一直是在核苷酸的水平上进行的，不是分解的逆过程。

反应需要 5( 或 6)ATP

次黄嘌呤核苷酸合酶

由 IMP 合成 AMP 和 GMP

嘌呤核苷酸合成的调节

ATP

GTP

嘧啶环元素的来源：3.3 嘧啶核苷酸的生物合成

From aspartate

氨甲酰磷酸的合成

氨甲酰磷酸合成氨甲酰 Asp

乳清酸的合成

二氢乳清 酸脱氢酶的辅酶在不同的生物中是不同的，有的是 NAD ＋，有的是 FMN, FAD ，或同时含有黄素辅酶和 NAD ＋。

乳清 酸合成 UMP

由 UMP 合成 UTP 和 CTP

由 UMP 合成 UTP 和 CTP

在 E. coli 中也可以以 HN3 为氮源

嘧啶核苷酸合成的调节

UTP

ATP

CT

P

和AT

P

对天门

冬氨酸羧转氨甲酰酶

的变构调节

3.4 核苷酸合成的补救途径 Salvage Synthesis of Nts

利用食物吸收或自身核酸降解产生的碱基和核苷通过磷酸核糖基转移酶（ APRT) 或核苷激酶实现核苷酸的合成。这一途径称之为补救合成途径，或回收利用途径。

人体细胞大多为全程合成，但在某些特殊类型的细胞中如在脑细胞中主要通过补救途径合成。

3.4.1 嘌呤核苷酸的补救合成途径 1 ： 碱基→核苷酸（主要途径）

自毁容貌综合症机理Lesch-Nyhan Syndrome

HGPRT 缺陷的男性儿童表现为一种自毁容貌综合症，为先天性遗传疾病（缺乏 HGPRT) ，行为对立，侵略性强，自咬手指、脚趾、嘴唇等，智力低下。

HGPRT ：次黄嘌呤鸟嘌呤转磷酸核糖酶

嘌呤核苷酸的补救合成

Adenine + R-α-1-P ———— AR + Pi

Adenosine + ATP ———— AMP + ADP

途径 2 ：碱基→核苷→核苷酸：

核苷磷酸化酶

核苷激酶糖构型转为 β-型

3.4.2 嘧啶核苷酸的补救合成

Uracil + R-α-1-P ——— Uridine + Pi

Uridine + ATP ——— UMP + ADP

Uracil + PRPP ————— UMP + PPi

Cytosine 不能与 PRPP 作用。

尿嘧啶磷酸化酶

尿苷激酶

UMP 磷酸核糖基转移酶

PRPP

AMPIMP

GMP

OMP

UMP

XMPSAMP

AdenineHypoxanthine Gln

GluPRA

Guanine

xanthine

Orotidelate

Uracil

PRPP 与核苷酸的合成

3.5 脱氧核糖核苷酸的合成• 以核糖核苷酸为原料，通过 Nt-reductase将

核糖分子还原为脱氧核糖。• 多数生物中核糖核苷酸必须先行转化为二磷

酸核苷酸 (NDP) 水平，再还原为脱氧核苷二磷酸水平。

• 少数生物在三磷酸核苷酸的水平上还原为脱氧核苷酸。

• 脱氧核苷酸的合成除需还原酶外，还需另两种氧还蛋白参与，即硫氧还蛋白 (thi

oredoxin) 和谷氧还蛋白 (glutaredoxin) 。

3.5 脱氧核糖核苷酸的合成

3.5.1 核苷二磷酸水平的还原

ATP, Mg2+

形成的产物 dNDP 在激酶的作用下形成相应的 dNTP 。

核糖核苷酸还原酶催化

核糖核苷酸还原为脱氧

核糖核苷酸

H2O

3.5.2 核苷三磷酸水平的还原•核苷三磷酸水平的还原主要在乳酸菌、根瘤菌梭、梭状芽孢杆菌、眼虫等生物里存在；

•还原途径需要辅酶 B12 ；

•氢的传递方式与 NDP 还原是相似的

3.5.3 dTMP 的生物合成

N5,N10-methylene THFA

THFA

3.5.4 脱氧核苷酸的补救合成• 脱氧核苷酸的补救合成只有一条途径：碱基→

脱氧核苷→脱氧核苷酸• 以 dTMP 合成为例：

Thymine + deoxyribose-1-P—————— dT

dT + ATP ————— dTMP + ADP

Thymidylate phosphorylase

dT kinase

3.5.4 脱氧核苷酸合成的调节

第四节 辅酶核苷酸的合成

常见的辅酶核苷酸：• 烟酰胺核苷酸

• 黄素核苷酸• 辅酶 A

• 辅酶 B12

辅酶Ⅰ（ NAD+ ）辅酶Ⅱ （ NADP+ ）

FMN

FAD

NAD 的合成

NAD 的合成过程

ATP ADP

黄素激酶

FAD焦磷酸化酶

ATP

PPi

FAD 的合成

第五节 核苷酸合成的抑制作用

• 核苷酸合成的抑制剂主要是人工合成的化学药物；• 这些抑制剂作用于核苷酸合成途径的不同位点；• 所有抑制剂对细胞都有毒性；• 主要用于癌症与细菌感染的治疗药物

抑制剂类型 抑制剂 抑制反应

氨基酸类似物抑制剂

重氮丝氨酸 抑制 Gln参与的反应，抑制嘌呤环的合成6- 重氮 -5- 氧 -正亮氨

酸

羽田杀菌素 强烈抑制腺苷琥珀酸合成酶

一碳单位载体类似物

磺胺类药物氨甲酰蝶呤

三甲氧苄二氨嘧啶

抑制叶酸合成抑制二氢叶酸还

原酶

抑制剂类型 抑制剂 抑制反应

氨基酸类似物抑制剂

重氮丝氨酸 抑制 Gln参与的反应，抑制嘌呤环的合成6- 重氮 -5- 氧 -正亮氨

酸

羽田杀菌素 强烈抑制腺苷琥珀酸合成酶

一碳单位载体类似物

磺胺类药物氨甲酰蝶呤

三甲氧苄二氨嘧啶

抑制叶酸合成抑制二氢叶酸还

原酶

碱基类似物抑制剂

5-氟尿嘧啶5-氟 - 脱氧尿嘧

啶

抑制胸苷酸的合成

6-巯基嘌呤6-甲硫嘌呤

抑制嘌呤核苷酸合成

6-氮尿苷转变成的 5’- 核苷酸抑制 OMP脱羧酶，从而阻断 UMP 的合成

核糖核苷酸还原酶抑制剂 羟基脲

重氮丝氨酸等 Gln 类似物

主要抑制嘌呤环的合成，也抑制嘧啶环的合成

氨甲蝶呤