第九章 核酸的降解与核苷酸代谢

　　一、核苷酸的生物功能

　　①合成核酸

　　②是多种生物合成的活性中间物

　　糖原合成，UDP-Glc。磷脂合成，CDP-乙醇胺，CDP-二脂酰甘油。

　　③生物能量的载体ATP、GTP

　　④腺苷酸是三种重要辅酶的组分

　　NAD、FAD、CoA

　　⑤信号分子cAMP、cGMP

　　二、核酸和核苷酸的分解代谢

　　食物中的核酸，经肠道酶系降解成各种核苷酸，再在相关酶作用下，分解产生嘌呤、嘧啶、核糖、脱氧核糖和磷酸，然后被吸收。吸收到体内的嘌呤和嘧啶，大部分被分解，少部分可再利用，合成核苷酸。人和动物所需的核酸无须直接依赖于食物，只要食物中有足够的磷酸盐，、糖和蛋白质，核酸就能在体内正常合成。因此所谓的“核酸保健品”不过是一个骗局而已。

　　1、 核酸的酶促降解

　　核酸是核苷酸以3’、5’-磷酸二酯键连成的高聚物，核酸分解代谢的第一步就是分解为核苷酸，作用于磷酸二酯键的酶称核酸酶(实质是磷酸二酯酶)。

　　根据对底物的专一性可分为：核糖核酸酶、脱氧核糖核酸酶、非特异性核酸酶。

　　根据酶的作用方式分：内切酶、外切酶。

　　1) 核糖核酸酶

　　只水解RNA磷酸二酯键的酶(RNase)，不同的RNase专一性不同。如：

　　牛胰核糖核酸酶(RNaseI)，作用位点是嘧啶核苷-3’-磷酸与其它核苷酸间的连接键。

　　核糖核酸酶T1(RNaseT1)，作用位点是3’ -鸟苷酸与其它核苷酸的5’-OH间的键。

　　2) 脱氧核糖核酸酶

　　只能水解DNA磷酸二酯键的酶。DNase牛胰脱氧核糖核酸酶(DNaseI)可切割双链和单链DNA。产物是以5’-磷酸为末端的寡核苷酸。如：牛胰脱氧核糖核酸酶(DNaseⅠ)，降解产物为3’-磷酸为末端的寡核苷酸。

　　限制性核酸内切酶：细菌体内能识别并水解外源双源DNA的核酸内切酶，产生3ˊ-OH和5ˊ-P。

　　PstⅠ切割后，形成3ˊ-OH 单链粘性末端。

　　EcoRⅠ切割后，形成5ˊ-P单链粘性末端。

　　3) 非特异性核酸酶

　　既可水解RNA，又可水解DNA磷酸二酯键的核酸酶。

　　小球菌核酸酶是内切酶，可作用于RNA或变性的DNA，产生3’-核苷酸或寡核苷酸。

　　蛇毒磷酸二酯酶和牛脾磷酸二脂酶属于外切酶。

　　蛇毒磷酸二酯酶能从RNA或DNA链的游离的3’-OH逐个水解，生成5’-核苷酸。

　　牛脾磷酸二脂酶从游离的5’-OH开始逐个水解，生成3’核苷酸。

　　2、 核苷酸的降解

　　1) 核苷酸酶 (磷酸单脂酶)

　　水解核苷酸，产生核苷和磷酸。

　　非特异性磷酸单酯酶：不论磷酸基在戊糖的2’、3’、5’，都能水解下来。

　　特异性磷酸单酯酶： 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

　　① 核苷磷酸化酶：广泛存在，反应可逆。

　　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

　　3、 嘌呤碱的分解

　　首先在各种脱氨酶的作用下水解脱氨，脱氨反应可发生在嘌呤碱、核苷及核苷酸水平上。

　　不同种类的生物分解嘌呤碱的能力不同，因此，终产物也不同。

　　排尿酸动物：灵长类、鸟类、昆虫、排尿酸爬虫类

　　排尿囊素动物：哺乳动物(灵长类除外)、腹足类

　　排尿囊酸动物：硬骨鱼类

　　排尿素动物：大多数鱼类、两栖类

　　某些低等动物能将尿素进一步分解成NH3和CO2排出。

　　植物分解嘌呤的途径与动物相似，产生各种中间产物(尿囊素、尿囊酸、尿素、NH3)。

　　微生物分解嘌呤类物质，生成NH3、CO2及有机酸(甲酸、乙酸、乳酸、等)。

　　4、 嘧啶碱的分解

　　人和某些动物体内脱氨基过程有的发生在核苷或核苷酸上。脱下的NH3可进一步转化成尿素排出。

　　三、嘌呤核苷酸的合成

　　1、 从头合成

　　由5’-磷酸核糖-1’-焦磷酸(5’-PRPP)开始，先合成次黄嘌呤核苷酸，然后由次黄嘌呤核苷酸(IMP)转化为腺嘌呤核苷酸和鸟嘌呤核苷酸。

　　嘌呤环合成的前体：CO2 、甲酸盐、Gln、Asp、Gly

　　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

　　闭环

　　E CO2：C 6

　　F. Asp提供-NH2：N 1

　　G 10-甲酰THFA：C 2

　　1) 次黄嘌呤核苷酸的合成(IMP)

　　(1)、 磷酸核糖焦磷酸转酰胺酶(转氨)

　　5-磷酸核糖焦磷酸 + Gln → 5-磷酸核糖胺 + Glu + ppi

　　使原来α-构型的核糖转化成β构型

　　(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)、 甘氨酰胺核苷酸转甲酰基酶

　　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给。

　　(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

　　此步反应受重氮丝氨酸和6-重氮-5-氧-正亮氨酸不可逆抑制，这两种抗菌素与Gln有类似结构。

　　(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)第一阶段，合成第一个环(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转甲酰基酶

　　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)、 次黄嘌呤核苷酸环水解酶

　　5-甲酰胺基咪唑-4-氨甲酰核苷酸 → 次黄嘌呤核苷酸+H2O

　　总反应式：

　　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)

　　从头合成：CO2 、2个甲酸盐、2个Gln、1个Gly、(1+1)个Asp、(6+1)个ATP，产生2个Glu、(1+1)个延胡索酸。Asp的结构类似物羽田杀菌素，可强烈抑制腺苷酸琥珀酸合成酶的活性，阻止AMP生成。羽田杀菌素： N-羟基-N-甲酰-Gly

　　3) 鸟嘌呤核苷酸的合成

　　4)AMP、GMP生物合成的调节

　　5-磷酸核糖焦磷酸转酰胺酶是关键酶，可被终产物AMP、GMP反馈抑制。AMP过量可反馈抑制自身的合成。GMP过量可反馈抑制自身的合成。

　　5) 药物对嘌呤核苷酸合成的影响

　　筛选抗肿瘤药物，肿瘤细胞核酸合成速度快，药物能抑制。

　　①羽田杀菌素：与Asp竞争腺苷酸琥珀酸合成酶，阻止次黄嘌呤核苷酸转化成AMP。

　　②重氮乙酰丝氨酸、6-重氮-5-氧正亮氨酸，是Gln的结构类似物，抑制Gln参与的反应。

　　③氨基蝶呤、氨甲蝶呤：叶酸的结构类似物，能与二氢叶酸还原酶发生不可逆结合，阻

　　止FH4的生成，从而抑制FH4参与的各种一碳单位转移反应。

　　2、 补救途径

　　利用已有的碱基和核苷合成核苷酸

　　1、 磷酸核糖转移酶途径(重要途径)

　　嘌呤碱和5-PRPP在特异的磷酸核糖转移酶的作用下生成嘌呤核苷酸

　　2、 核苷激酶途径(但在生物体内只发现有腺苷激酶)

　　腺嘌呤在核苷磷酸化酶作用下转化为腺嘌呤核苷，后者在核苷磷酸激酶的作用下与ATP反应，生成腺嘌呤核苷酸。

　　嘌呤核苷酸的从头合成与补救途径之间存在平衡。Lesch-Nyan综合症就是由于次黄嘌

　　呤：鸟嘌呤磷酸核糖转移酶缺陷，AMP合成增加，大量积累尿酸，肾结石和痛风。

　　四、 嘧啶核苷酸的合成

　　1、 从头合成

　　与嘌呤核苷酸合成不同，在合成嘧啶核苷酸时，首先合成嘧啶环，再与磷酸核糖结合，生成尿嘧啶核苷酸，最后由尿嘧啶核苷酸转化为胞嘧啶核苷酸和胸腺嘧啶脱氧核苷酸。

　　合成前体：氨甲酰磷酸、Asp

　　1) 尿嘧啶核苷酸的合成

　　氨甲酰磷酸的合成所需的酶：

　　(1) 天冬氨酸转氨甲酰酶

　　(2) 二氢乳清酸酶

　　(3) 二氢乳清酸脱氢酶(辅基：FAD、FMN)

　　(4) 乳清苷酸焦磷酸化酶

　　(5) 乳清苷酸脱羧酶

　　2) 胞嘧啶核苷酸的合成

　　尿嘧啶核苷三磷酸可直接与NH3(细菌)或Gln(植物)反应，生成胞嘧啶核苷三磷酸。

　　3) 嘧啶核苷酸生物合成的调节(大肠杆菌)

　　氨甲酰磷酸合成酶： 受UMP反馈抑制

　　天冬氨酸转氨甲酰酶：受CTP反馈抑制

　　CTP合成酶： 受CTP反馈抑制

　　4) 药物对嘧啶核苷酸合成的影响

　　有多种嘧啶类似物可抑制嘧啶核苷酸的合成。5-氟尿嘧啶抑制胸腺嘧啶脱氧核苷酸的合

　　成。 5-氟尿嘧啶在人体内转变成相应的核苷酸，再转变成脱氧核苷酸，可抑制脱氧胸腺嘧啶核酸合成酶，干扰尿嘧啶脱氧核苷酸经甲基化生成脱氧胸苷的过程，DNA合成受阻。

　　2、 补救途径

　　(1) 嘧啶核苷激酶途径(重要途径)

　　嘧啶碱与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) 磷酸核糖转移酶途径(胞嘧啶不行)

　　五、脱氧核苷酸的合成

　　脱氧核糖核苷酸是由相应的核糖核苷酸衍生而来的。

　　(1)腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶核糖核苷酸经还原，将核糖第二位碳原子的氧脱去，即成为相应的脱氧核糖核苷酸。

　　(2)胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸：先由尿嘧啶核糖核苷酸还原形成尿嘧啶脱氧核糖核苷酸，然后尿嘧啶再经甲基化转变成胸腺嘧啶。

　　1、 核糖核苷酸的还原

　　ADP、GDP、CDP、UDP均可分别被还原成相应的脱氧核糖核苷酸：dADP、dGDP、dCDP、dUDP等，其中dUDP甲基化，生成dTDP。

　　还原反应一般在核苷二磷酸(NDP)水平上进行，ATP、dATP、dTTP、dGTP是还原酶的变构效应物，个别微生物(赖氏乳菌杆菌)在核苷三磷酸水平上还原(NTP)。

　　1) 核苷酸还原酶系

　　由硫氧还蛋白、硫氧还蛋白还原酶和核苷酸还原酶(B1、B2)三部分组成。

　　B1、B2亚基结合后，才具有催化活性。

　　B1上的巯基和B2上的酪氨酸残基是活性中心的催化基因。

　　另外核苷酸还原酶所需的还原当量还可来自谷胱甘肽。

　　①硫氧还蛋白 -SH

　　②硫氧还蛋白还原酶、辅酶FAD

　　③谷胱甘肽氧还蛋白(酶)

　　④谷胱甘肽还原酶 -SH

　　⑤核苷酸还原酶(RR)-SH

　　2) 核苷酸还原酶结构模型及催化机理

　　(1)、 结构模型

　　B1亚基上有两个调节部位，一个影响整个酶的活性(一级调节部位)，另一个调节对底物的专一性(底物结合部位)

　　一级调节部位：ATP是生物合成的信号分子，而dATP是核苷酸被还原的信号。

　　底物调节部位：.①与ATP结合，可促进嘧啶类的UDP、CDP还原成dUDP、dCDP;②与dTTP或dGTP结合，可促使GDP(ADP)还原成dGDP(dADP)

　　(2)、 催化机理 自由基催化转换模型。

　　3) 脱氧核苷酸的补救(脱氧核苷激酶途径)

　　脱氧核苷酸也能利用已有的碱基或核苷进行合成(补救途径)，但只有脱氧核苷激酶途径，不存在类似的磷酸核糖转移酶途径

　　2、 胸腺嘧啶脱氧核苷酸的合成

　　由尿嘧啶脱氧核苷酸(dUMP)经甲基化生成。

　　Ser提供甲基，NADPH提供还原当量。

　　四氢叶酸是一碳的载体，参与嘌呤核苷酸和胸腺嘧啶脱氧核苷酸的合成。

　　氨基嘌呤、氨甲蝶呤是叶酸的类似物，能与二氢叶酸还原酶不可逆结合，阻止FH4的生成，从而抑制FH4参与的一碳单位的转移。可用于抗肿瘤。