第十一章  核酸的降解和核苷酸代謝
核酸的生物功能 DNA、RNA
核苷酸的生物功能
①合成核酸
②是多種生物合成的活性中間物
  糖原合成，UDP-Glc。磷脂合成，CDP-乙醇胺，CDP-二脂酰甘油。
③生物能量的載體ATP、GTP
④腺苷酸是三種重要輔酶的組分
NAD、FAD、CoA
⑤信號分子cAMP、cGMP
食物中的核酸，經(jīng)腸道酶系降解成各種核苷酸，再在相關(guān)酶作用下，分解產(chǎn)生嘌呤、嘧啶、核糖、脫氧核糖和磷酸，然后被吸收。
吸收到體內(nèi)的嘌呤和嘧啶，大部分被分解，少部分可再利用，合成核苷酸。
人和動物所需的核酸無須直接依賴于食物，只要食物中有足夠的磷酸鹽，、糖和蛋白質(zhì)，核酸就能在體內(nèi)正常合成。
核酸的分解代謝：
第一節(jié)   核酸和核苷酸的分解代謝
一、 核酸的酶促降解
核酸是核苷酸以3’、5’-磷酸二酯鍵連成的高聚物，核酸分解代謝的第一步就是分解為核苷酸，作用于磷酸二酯鍵的酶稱核酸酶（實質(zhì)是磷酸二脂酶)。
根據(jù)對底物的專一性可分為：核糖核酸酶、脫氧核糖核酸酶、非特異性核酸酶。
根據(jù)酶的作用方式分：內(nèi)切酶、外切酶。
1、 核糖核酸酶
只水解RNA磷酸二酯鍵的酶（RNase)，不同的RNase專一性不同。
牛胰核糖核酸酶（RNaseI)，作用位點是嘧啶核苷-3’-磷酸與其它核苷酸間的連接鍵。
核糖核酸酶T1（RNaseT1)，作用位點是3’ -鳥苷酸與其它核苷酸的5’-OH間的鍵。
      圖
2、 脫氧核糖核酸酶
只能水解DNA磷酸二酯鍵的酶。DNase牛胰脫氧核糖核酸酶（DNaseI)可切割雙鏈和單鏈DNA。產(chǎn)物是以5’-磷酸為末端的寡核苷酸。
牛胰脫氧核糖核酸酶（DNaseⅠ)，降解產(chǎn)物為3’-磷酸為末端的寡核苷酸。
限制性核酸內(nèi)切酶：細菌體內(nèi)能識別并水解外源雙源DNA的核酸內(nèi)切酶，產(chǎn)生3ˊ-OH和5ˊ-P。
      圖

PstⅠ切割后，形成3ˊ-OH 單鏈粘性末端。
EcoRⅠ切割后，形成5ˊ-P單鏈粘性末端。
3、 非特異性核酸酶
既可水解RNA，又可水解DNA磷酸二酯鍵的核酸酶。
小球菌核酸酶是內(nèi)切酶，可作用于RNA或變性的DNA，產(chǎn)生3’-核苷酸或寡核苷酸。
蛇毒磷酸二酯酶和牛脾磷酸二脂酶屬于外切酶。
蛇毒磷酸二酯酶能從RNA或DNA鏈的游離的3’-OH逐個水解，生成5’-核苷酸。
牛脾磷酸二脂酶從游離的5’-OH開始逐個水解，生成3’核苷酸。
二、 核苷酸的降解
1、 核苷酸酶 （磷酸單脂酶)
水解核苷酸，產(chǎn)生核苷和磷酸。
非特異性磷酸單酯酶：不論磷酸基在戊糖的2’、3’、5’，都能水解下來。
特異性磷酸單酯酶：  只能水解3’核苷酸或5’核苷酸（3’核苷酸酶、5’核苷酸酶)
2、 核苷酶
兩種：
① 核苷磷酸化酶：廣泛存在，反應(yīng)可逆。

② 核苷水解酶：主要存在于植物、微生物中，只水解核糖核苷，不可逆

三、 嘌呤堿的分解
P301  圖18-2嘌呤堿的分解
首先在各種脫氨酶的作用下水解脫氨，脫氨反應(yīng)可發(fā)生在嘌呤堿、核苷及核苷酸水平上。

P 299  反應(yīng)式

不同種類的生物分解嘌呤堿的能力不同，因此，終產(chǎn)物也不同。
排尿酸動物：靈長類、鳥類、昆蟲、排尿酸爬蟲類
排尿囊素動物：哺乳動物（靈長類除外)、腹足類
排尿囊酸動物：硬骨魚類
排尿素動物：大多數(shù)魚類、兩棲類
某些低等動物能將尿素進一步分解成NH3和CO2排出。
植物分解嘌呤的途徑與動物相似，產(chǎn)生各種中間產(chǎn)物（尿囊素、尿囊酸、尿素、NH3)。
微生物分解嘌呤類物質(zhì)，生成NH3、CO2及有機酸（甲酸、乙酸、乳酸、等)。
四、 嘧啶堿的分解
P302  圖18-3  嘧啶堿的分解

人和某些動物體內(nèi)脫氨基過程有的發(fā)生在核苷或核苷酸上。脫下的NH3可進一步轉(zhuǎn)化成尿素排出。

第二節(jié)   嘌呤核苷酸的合成
一、 從頭合成
由5’-磷酸核糖-1’-焦磷酸（5’-PRPP)開始，先合成次黃嘌呤核苷酸，然后由次黃嘌呤核苷酸（IMP)轉(zhuǎn)化為腺嘌呤核苷酸和鳥嘌呤核苷酸。
嘌呤環(huán)合成的前體：CO2 、甲酸鹽、Gln、Asp、Gly

P303  圖18-4 嘌呤環(huán)的元素來源及摻入順序
A.  Gln提供-NH2：N 9
B.  Gly：C4、C5、N7
C.  5.10-甲川FHFA：C8
D.  Gln提供-NH2：N3
閉環(huán)
E   CO2：C 6
F.  Asp提供-NH2：N 1
G  10-甲酰THFA：C 2

1、 次黃嘌呤核苷酸的合成（IMP)     P306圖18-5

（1)、 磷酸核糖焦磷酸轉(zhuǎn)酰胺酶（轉(zhuǎn)氨)
5-磷酸核糖焦磷酸  +  Gln  → 5-磷酸核糖胺  +  Glu  +  ppi
使原來α-構(gòu)型的核糖轉(zhuǎn)化成β構(gòu)型
（2)、 甘氨酰胺核苷酸合成酶
5-磷酸核糖胺+Gly+ATP  →  甘氨酰胺核苷酸+ADP+Pi
（3)、 甘氨酰胺核苷酸轉(zhuǎn)甲�；�
甘氨酰胺核苷酸  +  N 5 N 10-甲川FH4  +  H2O  → 甲酰甘氨酰胺核苷酸  +  FH4
甲川基可由甲酸或氨基酸供給。
（4)、 甲酰甘氨脒核苷酸合成酶
甲酰甘氨酰胺核苷酸 + Gln + ATP + H2O → 甲酰甘氨脒核苷酸 + Glu + ADP + pi
此步反應(yīng)受重氮絲氨酸和6-重氮-5-氧-正亮氨酸不可逆抑制，這兩種抗菌素與Gln有類似結(jié)構(gòu)。
P 304 結(jié)構(gòu)式：重氮絲氨酸、6-重氮-5-氧-正亮氨酸
（5)、 氨基咪唑核苷酸合成酶
甲酰甘氨脒核苷酸  +  ATP → 5-氨基咪唑核苷酸  +  ADP  +  Pi
   

（1)~（5)第一階段，合成第一個環(huán)（6)、 氨基咪唑核苷酸羧化酶
5-氨基咪唑核苷酸+CO2  → 5-氨基咪唑-4羧酸核苷酸
（7)、 氨基咪唑琥珀基氨甲酰核苷酸合成酶
5-氨基咪唑-4-羧酸核苷酸+Asp+ATP → 5-氨基咪唑4-（N-琥珀基)氨甲酰核苷酸
（8)、 腺苷酸琥珀酸裂解酶
5-氨基咪唑-4-（N-琥珀基)氨甲酰核苷酸 → 5-氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸+延胡索酸
（9)、 氨基咪唑氨甲酰核苷酸轉(zhuǎn)甲�；�
5-氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸+N10-甲酰FH4 → 5-甲酰胺基咪唑-4-氨甲酰核苷酸+FH4
（10)、 次黃嘌呤核苷酸環(huán)水解酶
5-甲酰胺基咪唑-4-氨甲酰核苷酸 → 次黃嘌呤核苷酸+H2O
總反應(yīng)式：
5-磷酸核糖 + CO2 + 甲川THFA + 甲酰THFA + 2Gln + Gly + Asp + 5ATP →
IMP + 2THFA + 2Glu + 延胡索酸 + 4ADP + 1AMP + 4Pi + PPi
2、 腺嘌呤核苷酸的合成（AMP)   P306圖18-5
從頭合成：CO2 、2個甲酸鹽、2個Gln、1個Gly、（1+1)個Asp、（6+1)個ATP，產(chǎn)生2個Glu、（1+1)個延胡索酸。
 
Asp的結(jié)構(gòu)類似物羽田殺菌素，可強烈抑制腺苷酸琥珀酸合成酶的活性，阻止AMP生成。
羽田殺菌素： N-羥基-N-甲酰-Gly  （P307)
3、 鳥嘌呤核苷酸的合成   （P307結(jié)構(gòu)式)

4、 AMP、GMP生物合成的調(diào)節(jié)  P309圖18-6
5-磷酸核糖焦磷酸轉(zhuǎn)酰胺酶是關(guān)鍵酶，可被終產(chǎn)物AMP、GMP反饋抑制。
AMP過量可反饋抑制自身的合成。
GMP過量可反饋抑制自身的合成。
5、 藥物對嘌呤核苷酸合成的影響
篩選抗腫瘤藥物，腫瘤細胞核酸合成速度快，藥物能抑制。
①羽田殺菌素
與Asp競爭腺苷酸琥珀酸合成酶，阻止次黃嘌呤核苷酸轉(zhuǎn)化成AMP。
②重氮乙酰絲氨酸、6-重氮-5-氧正亮氨酸，是Gln的結(jié)構(gòu)類似物，抑制Gln參與的反應(yīng)。
③氨基蝶呤、氨甲蝶呤
結(jié)構(gòu)P314

葉酸的結(jié)構(gòu)類似物，能與二氫葉酸還原酶發(fā)生不可逆結(jié)合，阻止FH4的生成，從而抑制FH4參與的各種一碳單位轉(zhuǎn)移反應(yīng)。
二、 補救途徑
利用已有的堿基和核苷合成核苷酸
1、 磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶途徑（重要途徑)
嘌呤堿和5-PRPP在特異的磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶的作用下生成嘌呤核苷酸
2、 核苷激酶途徑（但在生物體內(nèi)只發(fā)現(xiàn)有腺苷激酶)
腺嘌呤在核苷磷酸化酶作用下轉(zhuǎn)化為腺嘌呤核苷，后者在核苷磷酸激酶的作用下與ATP反應(yīng)，生成腺嘌呤核苷酸。
嘌呤核苷酸的從頭合成與補救途徑之間存在平衡。Lesch-Nyan綜合癥就是由于次黃嘌呤：鳥嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶缺陷，AMP合成增加，大量積累尿酸，腎結(jié)石和痛風(fēng)。

第三節(jié)  嘧啶核苷酸的合成
一、 從頭合成
與嘌呤核苷酸合成不同，在合成嘧啶核苷酸時，首先合成嘧啶環(huán)，再與磷酸核糖結(jié)合，生成尿嘧啶核苷酸，最后由尿嘧啶核苷酸轉(zhuǎn)化為胞嘧啶核苷酸和胸腺嘧啶脫氧核苷酸。
合成前體：氨甲酰磷酸、Asp  （P309圖18-7嘧啶環(huán)的元素來源)
1、 尿嘧啶核苷酸的合成   P310  圖18-8
氨甲酰磷酸的合成

（1) 天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶

（2) 二氫乳清酸酶

（3) 二氫乳清酸脫氫酶（輔基：FAD、FMN)

（4) 乳清苷酸焦磷酸化酶

（5) 乳清苷酸脫羧酶

2、 胞嘧啶核苷酸的合成
尿嘧啶核苷三磷酸可直接與NH3（細菌)或Gln（植物)反應(yīng)，生成胞嘧啶核苷三磷酸。

3、 嘧啶核苷酸生物合成的調(diào)節(jié)（大腸桿菌)
P 311 圖18-9大腸桿菌嘧啶核苷酸生物合成的調(diào)節(jié)

氨甲酰磷酸合成酶：  受UMP反饋抑制
天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶：受CTP反饋抑制
CTP合成酶：        受CTP反饋抑制
4、 藥物對嘧啶核苷酸合成的影響
有多種嘧啶類似物可抑制嘧啶核苷酸的合成。
5-氟尿嘧啶抑制胸腺嘧啶脫氧核苷酸的合成。
5-氟尿嘧啶在人體內(nèi)轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的核苷酸，再轉(zhuǎn)變成脫氧核苷酸，可抑制脫氧胸腺嘧啶核酸合成酶，干擾尿嘧啶脫氧核苷酸經(jīng)甲基化生成脫氧胸苷的過程，DNA合成受阻。
二、 補救途徑
（1) 嘧啶核苷激酶途徑（重要途徑)
嘧啶堿與1-磷酸核糖生成嘧啶核苷，然后由尿苷激酶催化尿苷和胞苷形成UMP和CMP。

（2) 磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶途徑（胞嘧啶不行)

第四節(jié)   脫氧核苷酸的合成
脫氧核糖核苷酸是由相應(yīng)的核糖核苷酸衍生而來的。
（1)腺嘌呤、鳥嘌呤和胞嘧啶核糖核苷酸經(jīng)還原，將核糖第二位碳原子的氧脫去，即成為相應(yīng)的脫氧核糖核苷酸。
（2)胸腺嘧啶脫氧核糖核苷酸：先由尿嘧啶核糖核苷酸還原形成尿嘧啶脫氧核糖核苷酸，然后尿嘧啶再經(jīng)甲基化轉(zhuǎn)變成胸腺嘧啶。
一、 核糖核苷酸的還原
ADP、GDP、CDP、UDP均可分別被還原成相應(yīng)的脫氧核糖核苷酸：dADP、dGDP、dCDP、dUDP等，其中dUDP甲基化，生成dTDP。
還原反應(yīng)一般在核苷二磷酸（NDP)水平上進行，ATP、dATP、dTTP、dGTP是還原酶的變構(gòu)效應(yīng)物，個別微生物（賴氏乳菌桿菌)在核苷三磷酸水平上還原（NTP)。
1、 核苷酸還原酶系  P312 圖示
由硫氧還蛋白、硫氧還蛋白還原酶和核苷酸還原酶（B1、B2)三部分組成。
B1、B2亞基結(jié)合后，才具有催化活性。
B1上的巰基和B2上的酪氨酸殘基是活性中心的催化基因。
另外核苷酸還原酶所需的還原當(dāng)量還可來自谷胱甘肽。
圖

①硫氧還蛋白  -SH
②硫氧還蛋白還原酶、輔酶FAD
③谷胱甘肽氧還蛋白（酶)
④谷胱甘肽還原酶  -SH
⑤核苷酸還原酶（RR)-SH
2、 核苷酸還原酶結(jié)構(gòu)模型及催化機理
（1)、 結(jié)構(gòu)模型
  圖

B1亞基上有兩個調(diào)節(jié)部位，一個影響整個酶的活性（一級調(diào)節(jié)部位)，另一個調(diào)節(jié)對底物的專一性（底物結(jié)合部位)
一級調(diào)節(jié)部位：ATP是生物合成的信號分子，而dATP是核苷酸被還原的信號。
底物調(diào)節(jié)部位：.①與ATP結(jié)合，可促進嘧啶類的UDP、CDP還原成dUDP、dCDP；②與dTTP或dGTP結(jié)合，可促使GDP（ADP)還原成dGDP（dADP)
（2)、 催化機理  自由基催化轉(zhuǎn)換模型。
3、 脫氧核苷酸的補救（脫氧核苷激酶途徑)
脫氧核苷酸也能利用已有的堿基或核苷進行合成（補救途徑)，但只有脫氧核苷激酶途徑，不存在類似的磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶途徑

二、 胸腺嘧啶脫氧核苷酸的合成
由尿嘧啶脫氧核苷酸（dUMP)經(jīng)甲基化生成。
Ser提供甲基，NADPH提供還原當(dāng)量。

四氫葉酸是一碳的載體，參與嘌呤核苷酸和胸腺嘧啶脫氧核苷酸的合成。
氨基嘌呤、氨甲蝶呤是葉酸的類似物，能與二氫葉酸還原酶不可逆結(jié)合，阻止FH4的生成，從而抑制FH4參與的一碳單位的轉(zhuǎn)移�？捎糜诳鼓[瘤。
三、 核苷酸合成總結(jié)     P314圖18-10
第五節(jié)   輔酶核苷酸的生物合成
NAD、NADP、 FMN、 FAD、 CoA
一、 煙酰胺核苷酸的合成（NAD 、NADP)
NAD、NADP是脫氫輔酶，在生物氧化還原系統(tǒng)中傳遞氫。
合成途徑：
（1)煙酸單核苷酸焦磷酸化酶
（2)脫酰胺-NAD 焦磷酸化酶
（3)NAD合成酶
  圖

NADP的合成：NAD激酶催化NAD與ATP反應(yīng)，使NAD的腺苷酸殘基的核糖2’-OH磷酸化，生成NADP。
二、 黃素核苷酸的合成（FMN、FAD)
   圖

三、 輔酶A的合成
CoA-SH   P 317圖18-11

前體：腺苷酸、泛酸、巰基乙胺、磷酸
途徑：   （1)泛酸激酶
         （2)磷酸泛酰半胱氨酸合成酶
         （3)磷酸泛酰半胱氨酸脫羧酶
         （4)脫磷酸輔酶A焦磷酸化酶
         （5)脫磷酸輔酶A激酶
      圖
代謝途徑的相互聯(lián)系 P420圖22-1