第12章 核酸的降解和核苷酸代谢
一、教学大纲基本要求
核酸的酶促降解，水解核酸的有关酶（核酶外切酶、核酶内切酶、限制性内切酶）， 核苷酸、嘌呤碱、嘧啶碱的分解代谢， 嘌呤核苷酸的合成， 嘧啶核苷酸的合成， 脱氧核糖核苷酸的合成，辅酶核苷酸的合成。
二、 本章知识要点
(一)核酸的酶促降解 核酸酶（nucleases）：是指所有可以水解核酸的酶，在细胞内催化核酸的降解，以维持核酸（尤其是RNA）的水平与细胞功能相适应。食物中的核酸也需要在核酸酶的作用下被消化。
核酸酶按照作用底物可分为：DNA酶（DNase）、RNA酶（Rnase）。
按照作用的方式可分为：核酸外切酶和核酸内切酶，前者指作用于核酸链的5‘或3’端，有５’末端外切酶和３’末端外切酶两种；后者作用于链的内部，其中一部分具有严格的序列依赖性（4～8 bp），称为限制性内切酶。
核酸酶在DNA重组技术中是不可缺少的重要工具，尤其是限制性核酸内切酶更是所有基因人工改造的基础。
（二）核苷酸代谢
1. 核苷酸的生物学功能
① 作为核酸合成的原料，这是核苷酸最主要的功能；②体内能量的利用形式；③参与代谢和生理调节；④组成辅酶。
核苷酸最主要的功能是作为核酸合成的原料，体内核苷酸的合成有两条途径，一条是从头合成途径，一条是补救合成途径。肝组织进行从头合成途径，脑、骨髓等则只能进行补救合成，前者是合成的主要途径。核苷酸合成代谢中有一些嘌呤、嘧啶、氨基酸或叶酸等的类似物，可以干扰或阻断核苷酸的合成过程，故可作为核苷酸的抗代谢物。不同生物嘌呤核苷酸的分解终产物不同，人体内核苷酸的分解代谢类似于食物中核苷酸的消化过程，嘌呤核苷酸的分解终产物是尿酸。嘧啶核苷酸的分解终产物是β-丙氨酸或β-氨基异丁酸。核苷酸的合成代谢受多种因素的调节。
(1)嘌呤核苷酸代谢 ①嘌呤核苷酸的合成代谢 ： 体内嘌呤核苷酸的合成有两条途径，一是从头合成途径，一是补救合成途径，其中从头合成途径是主要途径。
嘌呤核苷酸合成部位在胞液，合成的原料包括磷酸核糖、天冬氨酸、甘氨酸、谷氨酰胺、一碳单位及CO2等。主要反应步骤分为两个阶段：首先合成次黄嘌呤核苷酸（IMP），然后IMP再转变成腺嘌呤核苷酸（AMP）与鸟嘌呤核苷酸（GMP）。嘌呤环各元素来源如下：N1由天冬氨酸提供，C2由N10-甲酰FH4提供、C8由N5，N10-甲炔FH4提供，N3、N9由谷氨酰胺提供，C4、C5、N7由甘氨酸提供，C6由CO2提供。
嘌呤核苷酸从头合成的特点是：嘌呤核苷酸是在磷酸核糖分子基础上逐步合成的，不是首先单独合成嘌呤碱然后再与磷酸核糖结合的。反应过程中的关键酶包括PRPP酰胺转移酶、PRPP合成酶。PRPP酰胺转移酶是一类变构酶，其单体形式有活性，二聚体形式无活性。IMP、AMP及GMP使活性形式转变成无活性形式，而PRPP则相反。从头合成的调节机制是反馈调节，主要发生在以下几个部位：嘌呤核苷酸合成起始阶段的PRPP合成酶和PRPP酰胺转移酶活性可被合成产物IMP、AMP及GMP等抑制；在形成AMP和GMP过程中，过量的AMP控制AMP的生成，不影响GMP的合成，过量的GMP控制GMP的生成，不影响AMP的合成；IMP转变成AMP时需要GTP，而IMP转变成GMP时需要ATP。
②嘌呤核苷酸的补救合成：反应中的主要酶包括腺嘌呤磷酸核糖转移酶（APRT），次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶（HGPRT）。嘌呤核苷酸补救合成的生理意义：节省从头合成时能量和一些氨基酸的消耗；体内某些组织器官，例如脑、骨髓等由于缺乏从头合成嘌呤核苷酸的酶体系，而只能进行嘌呤核苷酸的补
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救合成。
③嘌呤核苷酸的相互转变：IMP可以转变成AMP和GMP，AMP和GMP也可转变成IMP。AMP和GMP之间可相互转变。
④脱氧核苷酸的生成：体内的脱氧核苷酸是通过各自相应的核糖核苷酸在二磷酸水平上还原而成的。核糖核苷酸还原酶催化此反应
⑤嘌呤核苷酸的抗代谢物：A、嘌呤类似物：6-巯基嘌呤（6MP）、6-巯基鸟嘌呤、8-氮杂鸟嘌呤等。6MP应用较多，其结构与次黄嘌呤相似，可在体内经磷酸核糖化而生成6MP核苷酸，并以这种形式抑制IMP转变为AMP及GMP的反应。B、氨基酸类似物：氮杂丝氨酸和6-重氮-5-氧正亮氨酸等。结构与谷氨酰胺相似，可干扰谷氨酰胺在嘌呤核苷酸合成中的作用，从而抑制嘌呤核苷酸的合成。C、叶酸类似物：氨喋呤及甲氨喋呤（MTX）都是叶酸的类似物，能竞争抑制二氢叶酸还原酶，使叶酸不能还原成二氢叶酸及四氢叶酸，从而抑制了嘌呤核苷酸的合成。
⑥嘌呤核苷酸的分解代谢：分解代谢反应基本过程是核苷酸在核苷酸酶的作用下水解成核苷，进而在酶作用下成自由的碱基及1-磷酸核糖。嘌呤碱最终分解成尿酸，随尿排出体外。黄嘌呤氧化酶是分解代谢中重要的酶。嘌呤核苷酸分解代谢主要在肝、小肠及肾中进行。嘌呤代谢异常：尿酸过多引起痛风症，患者血中尿酸含量升高，尿酸盐晶体可沉积于关节、软组织、软骨及肾等处，导致关节炎、尿路结石及肾疾病。临床上常用别嘌呤醇治疗痛风症。 (2) 嘧啶核苷酸代谢：
①嘧啶核苷酸的合成代谢： A、从头合成途径：肝是体内从头合成嘧啶核苷酸的主要器官。嘧啶核苷酸从头合成的原料是天冬氨酸、谷氨酰胺、CO2等。反应过程中的关键酶在不同生物体内有所不同，在细菌中，天冬氨酸氨基甲酰转移酶是嘧啶核苷酸从头合成的主要调节酶；而在哺乳动物细胞中，嘧啶核苷酸合成的调节酶主要是氨基甲酰磷酸合成酶II。主要合成过程：形成的第一个嘧啶核苷酸是乳氢酸核苷酸（OMP），进而形成尿嘧啶核苷酸（UMP），UMP在一系列酶的作用下生成CTP。dTMP由dUMP经甲基化生成的。嘧啶核苷酸从头合成的特点是先合成嘧啶环，再磷酸核糖化生成核苷酸。B、补救合成途径：主要酶是嘧啶磷酸核糖转移酶，能利用尿嘧啶、胸腺嘧啶及乳氢酸作为底物，对胞嘧啶不起作用。
②嘧啶核苷酸的抗代谢物：A、嘧啶类似物：主要有5-氟尿嘧啶（5-FU），在体内转变为FdUMP或FUTP后发挥作用。B、氨基酸类似物：同嘌呤抗代谢物。C、叶酸类似物：同嘌呤抗代谢物。D、阿糖胞苷：抑制CDP还原成dCDP。
③嘧啶核苷酸的分解代谢：嘧啶核苷酸在酶作用下生成磷酸、核糖及自由碱基，产生的嘧啶碱进一步分解。胞嘧啶脱氨基转变成尿嘧啶，尿嘧啶最终生成NH3、CO2及β-丙氨酸。胸腺嘧啶降解成β-氨基异丁酸。
三、重点、难点
重点：核酸的酶促降解，水解核酸的有关酶， 核苷酸、嘌呤碱、嘧啶碱的分解代谢， 嘌呤核苷酸的合成， 嘧啶核苷酸的合成， 脱氧核糖核苷酸的合成，辅酶核苷酸的合成。
难点：核酸的酶促降解，核苷酸从头合成及补救途径。
四、典型例题解析
例题12-1. 简要说明碱水解RNA的机制和DNA抗碱的原因。 解： 碱可以水解RNA，但不能水解DNA。因为在稀碱的条件下，RNA在碱（OH-）的作用下生成2′，3′-环状核苷酸的中间物，然后由于H2O的参入生成2ˊ-和3ˊ-核苷酸的混合物。进一步水解还可生成核苷。DNA的核糖2ˊ位上没有羟基，在碱的作用下不能生成2ˊ，3ˊ-环状核苷酸的中间产物。所以DNA不能被碱水解。
例题12-2.指出下列反应的产物：
① 蛇毒磷酸二酯酶作用于A——U——A——A——C——U； ② 牛胰核酸酶作用于A——U——A——A——C——U； ③ 蛇毒磷酸二酯酶作用于dT——A——G——G——Cp；
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④ 对dT——A——C——G——G——C——A进行轻度酸水解； ⑤ 对dT——A——C——G——G——C——A进行轻度碱水解。
解：① 蛇毒磷酸二酯酶是一种外切酶，水解3′-OH形成的磷酸酯键，产物为5′-核苷酸。 A——U——A——A——C——U A + pU + pA + pA + pC + pU ② 牛胰核酸酶水解嘧啶核苷酸C3′ 磷酸基与相邻核苷酸C5′ 相连的磷酸酯键，生成游离的3′嘧啶核苷酸或3′磷酸末端为嘧啶核苷酸的寡核苷酸碎片。
A——U——A——A——C——U A——Up + A——A——Cp + Up
③ 蛇毒磷酸二酯酶是一种外切酶，不能水解磷酸单酯键，且要求核苷酸链的3′末端有游离的羟基，dT——A——G——G——Cp 的 3′末端无游离的羟基，故蛇毒磷酸二酯酶对此片段无水解效应。
④ 由于嘌呤核苷酸中嘌呤碱基的 N9与脱氧核糖C1′形成的糖苷键在酸性条件下不如嘧啶核苷酸中的N1与脱氧核糖的 C1′形成的糖苷键稳定。故多核苷酸链中的嘌呤核苷酸残基的嘌呤糖苷键易断裂形成游离的嘌呤碱基，拖去嘌呤的多核苷酸称为无嘌呤酸。
⑤ 由于在脱氧核糖中，2′位无羟基，在碱性条件下不能形成2′，3′ 环核苷酸中间物。故DNA链不能为碱水解。
例题12-3.碱基组成为A2C4G2U的寡核苷酸与多种酶一起保温，（1）用核糖核酸酶处理产生2分子的Cp，1分子含有腺嘌呤和尿嘧啶的二核苷酸，1分子含有鸟嘌呤和胞嘧啶的二核苷酸和1分子含有腺嘌呤、胞嘧啶和鸟嘌呤的三核苷酸。（2）用高峰淀粉酶处理则得到游离的胞嘧啶、Ap和pGp各1分子，及一个含有胞嘧啶、鸟嘌呤和尿嘧啶的三核苷酸和一个其他产物。（高峰淀粉酶既可作用于嘌呤核苷酸戊糖的3′OH与另一核苷酸的磷酸基团形成的酯键，产物为5′磷酸核苷（pN），也可作用于嘌呤核苷酸的5′OH和另一个核苷酸的磷酸基团形成的酯键，产物为Np）。（3）用蛇毒磷酸二酯酶在有限时间内处理寡核苷酸，产生了一些pC。根据以上的数据试推断该寡核苷酸的碱基序列。
解：（1）核糖核酸酶可以水解RNA中嘧啶核苷酸C-3′磷酸基团与另一个核苷酸C-5′羟基形成的酯键。如果有两个嘧啶碱基在RNA分子中连续排列，经该酶作用的产物中会出现游离的嘧啶核苷酸，若嘧啶和嘌呤交替排列，则生成以嘧啶核苷酸为3′端结尾的寡核苷酸片段。题中所给的寡核苷酸经糖核酸酶处理可得2Cp，在其分子中可能含有CpCp或UpCp的碱基序列；二核苷酸的碱基顺序必然是ApUp和GpCp：三核苷酸的碱基顺序则可能有两种：ApGpCp或GpApCp。 (2)当用高峰淀粉酶处理寡核苷酸后可得到游离的C和pGp，表明该寡核苷酸的3′端为C，5′—端为G；三核苷酸的顺序有两种可能，即CpUpGp或UpCpGp，由于原寡聚核苷酸中只含1U，在用核糖核酸酶处理时已得到ApUp，故可推测该三核苷酸的碱基顺序为UpCpGp， 而三核苷酸的5′端应连接Ap，这样就可得到一个四核苷酸的排列顺序：ApUpCpGp。
另外根据碱基组成可知高峰淀粉酶处理得到的另一产物是含有2CplAp的三核苷酸，该三核苷酸的排列顺序为：CpCpAp。
按照片段置迭法可将上述四核苷酸和三核苷酸的碱基顺序排列如下：
ApUpCpGp
CpCpAp
即CpCpApUpCpGp
由于用高峰淀粉酶处理后可得到lAp，Ap在寡核苷酸中的5′端应与嘌呤核苷酸相连，因该分子中只有2Gp，1个已位于5′末端，故Ap只能与上述6核苷酸碎片的3′端的Gp相连接，这就可得到7核苷酸碎片的碱基顺序为：CpCpApUpCpGpAp。加上5′末端和3′端的碱基可得到寡核苷酸的碱基排列顺序为：pGpCpCpApUpCpGpApC—OH。
（3）蛇毒磷酸二酯酶是从3′末端开始水解的外切酶，当限制性水解时得到pC，这可进一步证实该寡核苷酸的3′末端碱基为胞嘧啶。
例题12-4从肝脏RNA水解产物分离出来的腺苷酸的那一些原子来自下列指定的原子：（1）乙酰辅酰A的羰基碳因子；（2）D-葡萄糖的第3碳原子；（3）丝氨酸的α-碳原子；（4）天门冬氨酸的氨基氮原子；（5）谷氨酰胺的酰氨氮原子。
解： 腺苷酸的结构式、顺序标记和嘌呤环各原子的来源如图所示：
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第章核酸的降解和核苷酸代谢
