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Chaper 12 核酸的酶促降解和核苷酸代谢. 1 核酸的消化和酶促降解 2 核苷酸的分解代谢 核苷酸的生物合成和调节 核苷酸合成的抗代谢物. 1 核酸的消化和酶促降解. 核苷酸是 DNA 和 RNA 的前体 , 是细胞内化学能流通领域中的载体（ ATP ， GTP ）；是 NAD 、 FAD 和 CoA 等的重要成份；在糖代谢中也有重要作用。. 1.1 核酸的消化. 1.2 核酸的酶促降解. 核酸酶 (nuclease) 是水解核苷酸之间磷酸二酯键的酶，在核酸降解和周转中起着重要作用，可分为
E N D
Chaper 12 核酸的酶促降解和核苷酸代谢 • 1 核酸的消化和酶促降解 • 2 核苷酸的分解代谢 • 核苷酸的生物合成和调节 • 核苷酸合成的抗代谢物
核苷酸是DNA和RNA的前体, 是细胞内化学能流通领域中的载体（ATP， GTP）；是NAD、FAD和 CoA等的重要成份；在糖代谢中也有重要作用。
1.2 核酸的酶促降解 核酸酶(nuclease) 是水解核苷酸之间磷酸二酯键的酶，在核酸降解和周转中起着重要作用，可分为 按照底物：脱氧核糖核酸酶(dexyribonuclease, DNase) 核糖核酸酶(ribonuclease, RNase) 核酸酶 按照作用方式：核酸外切酶（exonuclease） 核酸内切酶（endonuclease）
1.2.1 核酸酶 1.2.1.1 外切核酸酶 作用于核酸链的一端，逐个水解核苷酸，非特异性 • DNA外切酶、RNA外切酶 • 3‘→5’外切酶：蛇毒磷酸二酯酶 • 5‘→3’外切酶：牛脾磷酸二酯酶
如蛇毒磷酸二酯酶、牛脾磷酸二酯酶作用方式如下：如蛇毒磷酸二酯酶、牛脾磷酸二酯酶作用方式如下：
1.2.1.2 内切核酸酶 特异水解多核苷酸内部各键，如牛胰核酸酶作用如下：
1.2.2 脱氧核糖核酸酶 专一水解DNA，作用方式为内切酶，切断双链或单链，作为外切酶有5→3切割或3→5切割。 例如：牛胰脱氧核糖核酸酶(DNaseⅠ)；牛脾脱氧核糖核酶(DNaseⅡ) 。 未发现有碱基专一性DNase，但有序列专一性，即限制性内切酶。
1.2.3 限制性内切酶 1979年，W. Arber, H. Smith和D. Nathans等发现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。 限制性内切酶是细菌中产生的具有高度专一性的DNA内切酶，能识别双链DNA分子上特定的位点，将两条链切断，形成粘性末端或平末端，又称为限制性内切酶或限制酶，是DNA分子操作中必不可少的工具酶。
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，其识别与作用部位相同。甲基化酶使该部位上的碱基甲基化，从而使限制酶不再起作用。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，其识别与作用部位相同。甲基化酶使该部位上的碱基甲基化，从而使限制酶不再起作用。 细菌细胞中，限制酶可降解外源侵入的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4~8bp范围内。通常具有回文结构(palindromic structure)。切割后形成粘性末端(cohesive end)或平齐末端(blunt end)。
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。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。 例如，大肠杆菌的EcoR I对DNA的作用如下：
限制酶命名，以EcoRI为例，第1个大写字母E为大肠杆菌的属名(Escherichia)的第1个字母，第2、3两个小写字母c为它的种名(coli)的头两个字母。第4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。限制酶命名，以EcoRI为例，第1个大写字母E为大肠杆菌的属名(Escherichia)的第1个字母，第2、3两个小写字母c为它的种名(coli)的头两个字母。第4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，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， 它的发现对基因工程研究有极大的促进作用。
限制酶作为工具酶的几个应用 ①限制酶图谱：基因组各DNA分子的若干限制酶切位点标识图。 ②DNA重组子的构建：具相同粘性末端的两个DNA片段之间，可通过粘性末端的互补，在连接酶作用下连接为一个DNA分子。 ③酶切位点的保护：识别位点的碱基甲基化，限制酶不能识别和作用。
2.1 核苷酸的降解 由核苷酸酶（磷酸单酯酶）催化，产生核苷及Pi。 非特异性核苷酸酶能作用于一切核苷酸，特异性核苷酸酶只能水解3-核苷酸或5-核苷酸。
核苷经核苷酶作用分解为嘌呤碱或嘧啶碱和戊糖。核苷经核苷酶作用分解为嘌呤碱或嘧啶碱和戊糖。 分解核苷的酶有两类 ①核苷磷酸化酶：催化核苷分解成含氮碱基和戊糖的磷酸酯。
②核苷水解酶 ，只作用于核糖核苷，催化反应不可逆。 对脱氧核糖核苷不起作用。
2.2 嘌呤核苷酸的降解 嘌呤经脱氨氧化转变为黄嘌呤再进行降解，不同生物分解嘌呤碱的酶系不同，最终产物也不同。
生物进化程度愈高，分解嘌吟的能力愈差。 哺乳 人灵长鸟爬
多数鱼、两栖 部分硬骨鱼 甲壳
2.3 嘧啶核苷酸的分解 嘧啶核苷酸的分解主要在肝内进行，有氨基首先脱氨基。 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、-丙氨酸、-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。
3.1 核糖核苷酸的合成 合成途径有从头合成和救补途径： 从头合成(de nove synthesis)：利用氨基酸、磷酸戊糖、CO2、NH3等简单的化合物合成核苷酸。 救补途径(salvage pathway)：利用核酸降解或从外界补充的含氮碱基或核苷合成新的核苷酸。
3.1.1 嘌呤核苷酸的生物合成 20世纪50年代，利用同位素标记，以鸽肝为材料证实合成嘌呤的前身物为：氨基酸(甘氨酸、天门冬氨酸、和谷氨酰胺)、CO2和一碳单位(N10-甲酰FH4，N5,N10-甲炔FH4)，是在磷酸核糖的基础上逐步合成嘌呤核苷酸。其生物合成途径：先合成次黄嘌呤核苷酸(IMP)，再由IMP分别生成AMP和GMP。
获得嘌呤的N9原子 获得嘌呤C4、C5和N7原子 获得嘌呤的N3原子 获得嘌呤C8原子 嘌呤咪唑环的形成 获得嘌呤C6原子
7）、8）获得N1原子 去除延胡索酸 氧化生成黄嘌呤核苷酸 获得C2 环化生成IMP 谷氨酰胺提供酰胺基取代XMP中C2上的氧生成GMP 生成腺苷酸代琥珀酸
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 嘧啶核苷酸是由天门冬酰胺、 PRPP和氨基甲酰磷酸等形成的。 嘧啶从头合成途径，首先合成嘧啶环，再与核糖-5-磷酸结合为乳清酸，然后生成尿嘧啶核苷酸。
同位素标记实验证明：嘧啶环上的N3来自NH3，C2来源于CO2，其余4个原子来源于天冬氨酸。同位素标记实验证明：嘧啶环上的N3来自NH3，C2来源于CO2，其余4个原子来源于天冬氨酸。
闭环生成二氢乳清酸 合成甲酰天冬氨酸 二氢乳清酸的氧化 脱羧生成UMP 获得磷酸核糖
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。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 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。
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，可直接利用核酸降解产物或外源补充的碱基。 ①嘌呤碱的直接利用 嘌呤直接转化成核苷酸主要有两种反应：
嘌呤磷酸核糖转移酶在人类嘌呤核苷酸代谢中非常重要。嘌呤磷酸核糖转移酶在人类嘌呤核苷酸代谢中非常重要。 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，嘌呤代谢严重紊乱，尿酸为正常值的6倍。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。
②嘧啶碱的直接利用 在尿嘧啶磷酸核糖转移酶的催化下，尿嘧啶转变成尿苷酸。
在UMP的生物合成途径中，有乳清酸磷酸核糖转移酶催化乳清酸生成乳苷酸的反应。在UMP的生物合成途径中，有乳清酸磷酸核糖转移酶催化乳清酸生成乳苷酸的反应。
③核苷的直接利用 生物体内的核苷可直接转变成核苷酸加以利用。 碱基也可以通过核苷磷酸化酶生成核苷，再转变成核苷酸。
生物体内存在各种核苷激酶、如腺苷激酶、肌苷激酶、假尿苷激酶、尿苷-胞苷激酶，催化各种核苷生成核苷酸。生物体内存在各种核苷激酶、如腺苷激酶、肌苷激酶、假尿苷激酶、尿苷-胞苷激酶，催化各种核苷生成核苷酸。
3.1.4 核苷二磷酸、核苷三磷酸的合成 生物体内，核苷酸常以核苷二磷酸(d)NDP 、核苷三磷酸(d)NTP的形式参与合成反应。
核苷二磷酸激酶使核苷二磷酸和核苷三磷酸相互转变。核苷二磷酸激酶使核苷二磷酸和核苷三磷酸相互转变。
