第十一章核酸的酶促降解和核苷酸代谢.docx

1、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

2、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

3、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(nu

4、cleoside hydrolase)，另一类是核苷磷酸化酶(nucleoside phosphorylase)。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

5、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

6、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

7、个反应步骤，只概括地指出其中的一些要点：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(inosinic acid，IMP，也叫肌苷酸)，以后才转变为其他嘌呤核苷酸。IMP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)。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)。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。以后

8、，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)。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)。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，对上述过程的反应和起竞争性抑制作用，因而有治疗癌病(如白血病)的效用。由IM

9、P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：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)，然后与磷酸核糖结合，生成尿苷酸(UMP)(图10-8中反应)。图10-8 尿苷酸的生物合成途径由氨甲酰磷酸与天冬氨酸反应，再脱氢，便生成乳清酸(orotic acid)(图10-8中反应)。乳清酸与5

10、-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)。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

11、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245 000，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12 000，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(thioredoxin reductase)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68 000。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(Lactobacillus spp。)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+H2OdUMP+Pi 由胞嘧啶脱氧核苷酸(dCMP)脱氨也可生成dUMP： dCMP+H2OdUMP+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