9核酸的降解与核苷酸代谢.docx

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9核酸的降解与核苷酸代谢

9核酸的降解与核苷酸代谢

 第十一章核酸的酶促降解和核苷酸代谢

11.1核酸的酶促降解

 11.1.1核酸酶

 11.1.2脱氧核糖核酸酶

 11.1.3限制性内切酶

11.2核苷酸分解代谢

 11.2.1核苷酸的降解

 11.2.2嘌呤的降解

 11.2.3嘧啶的降解

11.3核苷酸的生物合成

 11.3.1核糖核苷酸的合成

 11.3.2脱氧核苷酸合成

第十一章核酸的降解与核苷酸代谢

11.1核酸的酶促降解

核酸的酶促降解生物体内存在着多种降解核酸的酶类，这些酶在核酸彻底降解及周转中起着重要作用。

核酸在各种核酸酶的催化下，逐步降解为多核苷酸、寡核苷酸，和单核苷酸：

单核苷酸的进一步分解需要另外一些酶的催化，最终生成核糖或脱氧核糖以及嘌呤碱和嘧啶碱。

这些碱基的分解则又经过另外的酶进行催化，最终生成代谢终产物而排出体外或进行再利用。

分解核酸的酶类根据其作用于核酸的部位分为内切核酸酶（endonuclease）和外切核酸酶（exonuclease）。

根据对底物的专一性又分为核糖核酸酶（ribonuclease，RNase）、脱氧核糖核酸酶（dexyribonuclease，DNase），两者统称为核酸酶（nuclease），具有位点识别专一性的内切酶又称限制性内切酶。

11.1.1核酸酶

核酸酶既可作用于RNA，也可作用于DNA。

11.1.1.1外切核酸酶

外切核酸酶作用于核酸链的一端，逐个水解下核苷酸。

它们是非特异性的磷酸二酯酶，如蛇毒磷酸二酯酶是从DNA或RNA的游离3′-羟基端开始，逐个水解下5′-核苷酸；牛脾磷酸二酯酶则相反，从游离5′-羟基端开始，逐个水解下3′-核苷酸

11.1.1.2内切核酸酶

内切核酸酶特异地水解多核苷酸内部各键，它们是特异性强的磷酸二酯酶，如牛胰核酸酶作用于嘧啶核苷酸的磷酸二酯键，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。

其专一作用于RNA，对DNA及其它磷酸二酯化合物不作用或作用活性很低。

牛胰RNase具有高度热稳定性。

许多RNAase也都是如此。

牛胰RNase（RNaseⅠ）是最早分离纯化并结晶的第一个RNase，由124个氨基酸组成。

11.1.2脱氧核糖核酸酶

脱氧核糖核酸酶专一水解DNA，作用方式作为内切酶，切断双链，或切断单链，作为外切酶有5′→3′切割或是3′→5′切割。

例如牛胰脱氧核糖核酸酶（DNaseⅠ），可切割双链和单链DNA，产物为5′-磷酸为末端的寡核苷酸，而牛脾脱氧核糖核酶（DNaseⅡ）降解DNA产生3′-磷酸为末端的寡核苷酸。

还没有发现有碱基专一性DNase，但是有序列专一性，这就是限制性内切酶（restrictionendonuclease）。

11.1.3限制性内切酶

WArber，HSmith和DNathans等人在1979年发现在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，其特点是具有极高的专一性，能识别DNA双链上的特定位点，称为限制性内切酶（restriction endonuclease），也称限制酶（restriction enzyme）。

限制酶由于其在基因工程上的重要作用而受到重视。

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。

一种限制酶和其相应的修饰酶对底物DNA的识别和作用的部位是相同的。

修饰酶使该部位上的碱基甲基化，从而使限制酶对这种修饰过的DNA不再起作用。

在细胞中，限制酶的生物学功能在于降解外源侵入的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4～8碱基对范围内。

通常具有回文结构（palindromicstructure）。

切割后形成粘性末端（cohesiveend）或平齐末端（bluntend）。

下面是大肠杆菌的一种限制酶EcoRI对DNA的识别顺序（箭头表示酶的作用点）和酶作用产物的粘性末端。

↓

5′……pGAATTCp……3′ EcoRI        5′……pG               pAATTCp……3′

3′……pCTTAAGp……5′          3′……pCTTAAp               Gp……5′

↑

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。

限制酶的命名较为特殊。

以EcoRI为例，第一个大写字母E为大肠杆菌的属名（Escherichia）的第一个字母，第二、三两个小写字母co为它的种名（coli）的头两个字母。

第四个字母用大写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。

它们的发现大大地促进了基因工程的研究。

目前已发现了数百种可用于DNA研究的限制酶、连接酶和修饰酶等多种酶，总称为分子生物学技术的“工具酶”

11.2核苷酸分解代谢

11.2.1核苷酸的降解

核苷酸经核苷酸酶（nucleotidase）催化，水解为核苷及无机磷酸。

非特异性的核苷酸酶，能作用于一切核苷酸。

某些特异性强的核苷酸酶只能水解3′-核苷酸或5′-核苷酸，分别称为3′-核苷酸酶或5′-核苷酸酶。

核苷经核苷酶（nucleosidase）作用分解为嘌呤碱或嘧啶碱和戊糖。

分解核苷的酶有两类。

核苷磷酸化酶（nucleoside phosphorylase）广泛存在于生命机体中，催化反应可逆；而核苷水解酶（nucleoside hydrolase）主要存在于植物、微生物体内，只作用于核糖核苷，催化反应不可逆。

戊糖和戊糖-1-磷酸可进入糖代谢分解或重新利用，嘌呤和嘧啶也可以继续分解。

11.2.2嘌呤的降解

腺嘌呤、鸟嘌呤均经脱氨氧化转变为黄嘌呤再进行降解，不同种类的生物分解嘌呤碱的酶系不一样。

人类、灵长类、鸟类、爬虫类以及大多数昆虫中嘌呤的最终产物为尿酸；除了人类、灵长类以外的哺乳动物、腹足类则为尿囊素；某些硬骨鱼中则尿囊素再继续分解为尿囊酸；大多数鱼类、两栖类中尿囊酸再分解为尿素和乙醛酸；海洋无脊椎动物星虫类、甲壳类则将尿素分解为氨和二氧化碳。

从以上所述可以看出，生物进化程度愈高，则分解嘌呤的能力愈差。

高等生物具有完善的排泄系统，可以直接将代谢废物排出体外（图11-1）。

图11–1 嘌呤的分解代谢

在植物体中也发现了与嘌呤降解有关的酶。

如黄嘌呤氧化酶、尿酸酶、尿囊素酶、尿囊酸酶，还发现了嘌呤的中间产物如尿囊酸等。

而且降解主要在储藏或衰老组织中进行。

降解物主要以尿囊酸的形式运输到幼嫩组织或根部贮存起来。

11.2.3嘧啶的降解

与嘌呤分解类似，嘧啶分解时有氨基的首先水解脱氨基。

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、β-丙氨酸、β-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（图11-2）。

不同种类的生物对嘧啶的分解过程不一样，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。

图11-2嘧啶的分解代谢

11.3核苷酸的生物合成

11.3.1核糖核苷酸的合成

核苷酸是核酸合成的原料，所有的生物通常都能合成各种核苷酸。

常见的合成途径有两条：

一条是利用氨基酸、磷酸戊糖等简单的化合物合成核苷酸，称为从头合成（denovesynthesis）；另一条是利用核酸降解或进食等从外界补充的含氮碱基或核苷合成新的核苷酸，称为救补途径（salvagepathway）。

11.3.1.1嘌呤核苷酸的生物合成

20世纪50年代后期，利用同位素标记，以鸽肝为材料阐明嘌呤核苷酸的生物合成途径，后来在其他动、植物和微生物中也相继找到了类似的酶和合成中间产物，因此，一般认为在所有生物中合成嘌呤的过程基本相同。

最先合成的是次黄嘌呤核苷酸（IMP），再由IMP生成AMP和GMP。

嘌呤环上第一位的N来自天冬氨酸的氨基氮，第3位和第9位的N来自谷氨酰胺的酰胺氮，第2位和第8位的C来自甲酸盐，第6位的C来自二氧化碳，第4位、第5位的碳和第7位的氮来自甘氨酸（图11-3）。

图11-3嘌呤环的元素来源

1.IMP的生物合成

次黄嘌呤核苷酸合成过程比较复杂，从5-磷酸核糖开始到IMP生成为止，共11个反应步骤，合成要点如下：

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。

②5-磷酸核糖-1-焦磷酸（5-phosphoribosyl-1-pyrophosphate，PRPP）是核苷酸中核糖磷酸部分的供体。

③嘌呤的各个原子是在PRPP的C-1位置上逐渐加上去的。

其关键步骤是从PRPP和谷氨酰胺形成5-磷酸核糖胺。

在这个反应里，C-1从α-构型转变为β-构型。

由此形成的C—N糖苷键具天然核苷酸所特有的β-构型。

这个反应由焦磷酸的水解向前驱动。

④在5-磷酸核糖胺的氨基位置，由甘氨酸和甲川四氢叶酸先后提供C和N原子形成甲酰甘氨酰胺，至此嘌呤环骨架的4、5、7、8、9位顺序已形成。

⑤由谷酰胺的酰胺基提供第3位N原子，形成甲酰甘氨脒核苷酸，接着脱水闭环成5-氨基咪唑核苷酸，反应所需能量来自ATP。

⑥再后，由CO2、天冬氨酸、甲酰四氢叶酸先后提供六元环上的其他原子，最后形成次黄嘌呤核苷酸。

（图11-4）

11–4 次黄嘌呤核苷酸（IMP）的从头合成

2.GMP和AMP的合成

IMP由天冬氨酸提供氨基转移到C-6位上生成AMP，此过程需经过两步反应，由GTP提供能量。

另外IMP经过脱氢酶催化的脱氢反应，由NAD+接受脱下的氢，IMP生成黄嘌呤核苷酸（XMP），再由谷氨酰胺提供酰胺上的氨，ATP供能，XMP转变成GMP（图11-5）。

图11–5腺嘌呤核苷酸和鸟嘌呤核苷酸的生成

嘌呤核苷酸生物合成过程的阐明对于临床医学及生产实践具有重要的意义。

在了解核苷酸合成途径的基础上，人们可以设计有效的核苷衍生物作为治癌药物，可以指导有关核苷酸生产的菌种选育等。

癌细胞内核酸的合成作用要比正常细胞旺盛得多，如果适当地抑制核苷酸的合成，就有可能抑制癌细胞的增生。

如甲基氨基蝶呤和四氢叶酸的结构很相像，对嘌呤核苷酸合成过程中第（4）、（10）两反应中的酶起竞争性抑制作用，使反应速度减慢或停止。

目前在临床上已用来治疗各种急性白血病、绒毛膜上皮细胞癌、恶性葡萄胎等。

肌苷酸（即次黄嘌呤核苷酸）是一种高效的助鲜剂。

11.3.1.2嘧啶核苷酸的生物合成

1.尿嘧啶核苷酸的生物合成

由于嘧啶环较嘌呤简单，其合成途径20世纪40年代即已阐明。

其特点是先合成游离嘧啶环，再由PRPP提供磷酸核糖生成嘧啶核苷酸。

用同位素标记实验证明：

嘧啶环上的N-3来自NH3，C-2来源于CO2，其余四个原子来源于天冬氨酸（图11-6）。

动物中，合成场所是肝脏。

从氨甲酰磷酸合成开始，到尿嘧啶核苷酸生成为止共需6个步骤（图11-7）。

儿童有一种生长异常的遗传性疾病一巨红细胞贫血症，患者排泄大量的乳清酸，这是由于患者体内乳清酸核苷5′-磷酸脱羧酶和乳清酸磷酸核糖转移酶的活力较低。

当用尿嘧啶核苷等嘧啶核苷来供给这些儿童食用时，贫血症可得到改善，并且乳清酸的排出减少。

可能是尿嘧啶核苷经磷酸化变成UMP，然后UMP可能变为其他嘧啶核苷酸使核酸和蛋白质的合成重新恢复正常。

此外增加细胞内嘧啶核苷的浓度可抑制氨甲酰磷酸合成酶使乳清酸生成减少。

图11–6 嘧啶环上各原子的来源

图11–7 尿嘧啶核苷酸的从头合成

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。

而动物组织中由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

在DNA中存在着另一种嘧啶核苷酸—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（图11-8）。

图11-8胸腺嘧啶的生物合成

11.3.1.3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，这样可以使核酸降解产物或外源补充的碱基得到直接利用。

1.嘌呤核苷酸合成的补救途径

在机体内，除了上述从头合成途径外，嘌呤核苷酸的合成还有补救途径。

补救途径就是利用从核酸分解产生的或新合成的现有的嘌呤碱同1–磷酸核糖和ATP反应或直接同PRPP反应，直接生成嘌呤核苷酸的过程。

前者需要核苷磷酸化酶（ribonucleosidephosphatase）和腺苷激酶（adenosinekinase）的催化，后者则需要磷酸核糖转移酶（phosphoribosyltransferase）的催化：

嘌呤磷酸核糖转移酶在人类嘌呤核苷酸代谢中非常重要。

在人类中发生了LeschNyhan综合征，这是一种与X染色体连锁的隐性伴性遗传代谢病，主要见之于男性，患者行为反常、智力迟钝、痉挛性大脑麻痹且自我毁伤。

患者先天性缺乏次黄嘌呤—鸟嘌呤磷酸核糖转移酶（HGPRT）。

在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，患者嘌呤核苷酸合成通常为正常值的200倍。

嘌呤代谢严重紊乱，尿酸为正常值的6倍，血中尿酸水平升高。

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，但对自残症状无效。

现在还不知道缺少补救途径为什么会造成如此严重的神经病症状。

2.嘧啶核苷酸合成的补救途径 

除上述从头合成途径外，嘧啶核苷酸的合成也可以由外源性或由核酸降解生成的嘧啶碱与5–磷酸核糖焦磷酸或1–磷酸核糖反应直接合成，即补救途径。

其中，尿嘧啶核苷酸可以有以下两种合成途径：

（1）尿嘧啶与5–磷酸核糖焦磷酸经尿嘧啶核苷酸磷酸核糖转移酶（UMPphosphoribosetransferase）的催化而生成：

（2）尿嘧啶与1–磷酸核糖经尿苷磷酸化酶（uridinephosphorylase）的催化生成尿嘧啶核苷，后者在尿苷激酶（uridinekinase）的催化下，从ATP获得磷酸基团而生成尿嘧啶核苷酸：

胞嘧啶不能直接从PRPP获得磷酸核糖，但胞嘧啶核苷可以通过尿苷激酶生成胞嘧啶核苷酸：

11.3.1.4核苷二磷酸、核苷三磷酸的合成

在生物体内，核苷酸往往以核苷二磷酸、核苷三磷酸的形式参与合成反应。

这些（d）NDP和（d）NTP的生成是在（d）NMP水平上，由ATP提供磷酸根，由相应专一的激酶所催化合成。

如腺苷酸激酶，鸟苷酸激酶、嘧啶核苷酸激酶所催化的核苷二磷酸生成的反应：

（d）AMP+（d）ATP→（d）ADP+（d）ADP

（d）GMP+（d）ATP→（d）GDP+（d）ADP

（d）CMP+（d）ATP→（d）CDP+（d）ADP

（d）UMP+（d）ATP→（d）UDP+（d）ADP

核苷二磷酸激酶（nucleosidediphosphoatekinase）使核苷二磷酸和核苷三磷酸相互转变，该酶的特异性很低，所有核苷二磷酸和核苷三磷酸都可以作为磷酸根的受体和供体。

（d）N1DP+（d）N2TP→（d）N1TP+（d）N2DP

11.3.2 脱氧核苷酸合成

2′-脱氧核糖核苷酸是脱氧核糖核酸（DNA）合成的前体物质。

它们都是由相应的核苷酸通过以氢代替2′-OH基团还原得来。

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。

催化这种核糖环的还原作用的有两种类型核糖核苷还原酶，在自然界广泛分布并存在于哺乳动物细胞中的一类酶含有非正铁血红素，它由一种以上的多肽链组成，对核苷二磷酸的还原作用有专一性。

第二类酶似乎局限在某些微生物中，只含有一种多肽链，需要钴胺素（维生素B12）作为专门的辅酶，不含非正铁血红素。

是在核苷二磷酸还是三磷酸水平上的还原则取决于酶的来源。

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（thioredoxin）、硫氧还蛋白还原酶（thforedoxinreductase）以及蛋白质B1和B2。

硫氧还蛋白是小分子（相对分子质量13000）的电子传递蛋白，分子中有两个半胱氨酸残基，在氧化型硫氧还蛋白中半胱氨酸之间形成二硫键，这个二硫键可在硫氧还蛋白还原酶的催化下，由还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸供给氢而被还原为两个巯基（—SH），它们是核糖核苷酸还原反应中还原性底物。

硫氧还蛋白还原酶是一种含FAD的黄素酶。

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。

B1和B2只有合在一起并且有镁离子存在时才形成有催化活性的复合物。

核糖核苷酸还原过程如下：

在大肠杆菌中，发现催化核糖核苷酸还原反应的还有另一套电子传递系统。

在这一系统中，电子的主要来源仍然是NADPH，但是由谷胱甘肽还原酶催化将电子传递至谷胱甘肽，还原型的谷胱甘肽依次再去还原一个称为谷氧还蛋白的小蛋白质，而还原型谷氧还蛋白则在核糖核苷酸还原反应中起还原性底物的作用。

这两种体系在正常细胞中的相对重要性还有待进一步研究（图11-13）。

原文网址:

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//210.27.80.89/2005/bioch/newsite/file/wlkc/11.htm

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