第十一章核酸的酶促降解和核苷酸代谢.docx

第十一章核酸的酶促降解和核苷酸代谢.docx

《第十一章核酸的酶促降解和核苷酸代谢.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第十一章核酸的酶促降解和核苷酸代谢.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第十一章核酸的酶促降解和核苷酸代谢

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：

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。

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。

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：

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（nucleosidehydrolase），另一类是核苷磷酸化酶（nucleosidephosphorylase）。

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：

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。

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。

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。

图10-3嘧啶碱的降解代谢

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（inosinicacid，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）。

图10-5次黄嘌呤核苷酸的合成途径

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）：

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）。

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（oroticacid）（图10-8中反应①②）。

③乳清酸与5-磷酸核糖-1-焦磷酸结合，经脱羧后便生成尿苷酸（图10-8中反应③④）。

由尿苷酸可转变为胞苷酸，这是在尿苷三磷酸（UTP）的水平上进行的。

尿苷酸先磷酸化为尿苷三磷酸（UTP）：

在细菌内可由氨直接与UTP反应生成CTP；但在动物内，则用谷氨酰胺代替氨，因为动物体内的尿素循环将氨转变为尿素而排出体外。

二、脱氧核糖核苷酸的合成

１．核糖核苷酸的还原脱氧核糖核苷酸是由相应的核糖核苷酸还原生成的。

还原是在核苷二磷酸的水平上进行的，即还原的底物为ADP、GDP、CDP、UDP，它们是由相应的核苷—磷酸在激酶催化下生成的。

上式中的N代表不同的核糖核苷。

核糖核苷二磷酸的还原过程如图10-9。

图10-9脱氧核苷酸的形成

　　核糖核苷二磷酸还原酶含二个亚基B1和B2，相对分子质量为245000，催化在核糖的2′位碳上的—OH基被H原子取代，生成相应的脱氧核糖。

作为还原剂的是一种小分子蛋白硫氧还蛋白（thioredoxin），相对分子质量为12000，含二个—SH基，氧化后生成二硫桥。

它又可在硫氧还蛋白还原酶（thioredoxinreductase）催化下被NADPH还原。

此还原酶为一黄素蛋白，含2FAD，相对分子质量为68000。

在动物内也发现类似的还原系统，但在其他生物内的还原系统略有不同。

例如，在乳杆菌（Lactobacillusspp。

）和裸藻（Euglena）内的还原系统用核苷三磷酸作为被还原底物，需要钴酰胺辅酶（维生素B12），二氢硫辛酸可作为还原剂。

在DNA分子中还有一种脱氧核苷酸，即胸腺嘧啶脱氧核苷酸（dTMP），它是由尿嘧啶脱氧核苷酸（dUMP）经甲基化生成的。

dUDP先经水解生成dUMP：

dUDP+H2O

dUMP+Pi

由胞嘧啶脱氧核苷酸（dCMP）脱氨也可生成dUMP：

dCMP+H2O

dUMP+NH3

然后，dUMP在胸腺嘧啶核苷酸合酶催化下，以N5，10亚甲四氢叶酸为一碳供体，生成dTMP：

各种核苷酸合成的相互关系如图10-10所示。

图10-10核苷酸生物合成与核酸生物合成的关系