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3 核苷酸的生物合成和调节4 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

蛋 白 质

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( RNA DNA)核 酸 及

食 物 核 蛋 白

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 ）

1.2 核酸的酶促降解

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

1.2.1 核酸酶

如蛇毒磷酸二酯酶、牛脾磷酸二酯酶作用方式如下：

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：

RNaseTl ，专一水解鸟苷酸二酯键，作用如下：

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 (DNase )Ⅰ ；牛脾脱氧核糖核酶

(DNase ) Ⅱ 。

未发现有碱基专一性 DNase ，但有序列专一性，即限制性

内切酶。

1.2.2 脱氧核糖核酸酶

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。

1.2.3 限制性内切酶

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

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。

2.1 核苷酸的降解

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。

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。

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

生物进化程度愈

高，分解嘌吟

的能力愈差。

人灵长鸟爬哺乳

部分硬骨鱼

多数鱼、两栖

甲壳

嘌呤的分解还可在核苷或核苷酸水平上进行

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。

2.3 嘧啶核苷酸的分解

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

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。

3.1 核糖核苷酸的合成

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 。

3.1.1 嘌呤核苷酸的生物合成

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C8原子

获得嘌呤的 N3原子

嘌呤咪唑环的形成

获得嘌呤C6原子

去除延胡索酸

获得 C2

生成腺苷酸代琥珀酸

环化生成IMP

7 ）、 8 ）获得 N1原子

氧化生成黄嘌呤核苷酸

谷氨酰胺提供酰胺基取代XMP 中C2 上的氧生成GMP

脱去延胡索酸生成AMP

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。

3.1.2 嘧啶核苷酸的生物合成

同位素标记实验证明：嘧啶环上的 N3 来自 NH3 ， C2 来源于

CO2 ，其余 4 个原子来源于天冬氨酸。

合成甲酰天冬氨酸

脱羧生成UMP

闭环生成二氢乳清酸

二氢乳清酸的氧化

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。

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。

3.2 脱氧核苷酸合成

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