第11章 核苷酸代谢

⑤Gln酰胺基提供第3位N原子，形成甲酰甘氨脒核苷酸， 接着脱水闭环成5-氨基咪唑核苷酸，所需能量来自ATP。
⑥CO2, Asp, 甲酰四氢叶酸先后提供六元环上其他原子， 最后形成次黄嘌呤核苷酸 ( IMP )。
⑵GMP和AMP的合成
IMP由 Asp提供氨基转移到 C- 6位上生成 AMP。
RNase)
核酸内切酶
(endonuclease)
水解方向：
5’ 3’
3’ 5’ 3’-磷酸产物
核酸酶 产物：
5’-磷酸产物 能否识别作用位点 能否识别二酯键两侧碱基
特异性：
限制性内切酶：具有位点识别专一性的内切酶。
11.1.1 核酸酶 11.1.1.1 外切核酸酶
外切酶作用于核酸链一端，逐个水解下核苷酸， 是非特异性磷酸二酯酶。 蛇毒磷酸二酯酶从DNA或RNA的游离3-羟基端开始， 逐个水解下5-核苷酸； 牛脾磷酸二酯酶从游离 5-羟基端开始，逐个水解下 3-核苷酸。
PRPP Synthetase Amidophosphoribosyl transferase
Leabharlann Baidu
ATP
Phosphoribosyl glycinamide synthetase
PRPP
Phosphoribosyl amine
Glycinamide ribonucleotide N10-Formyl THF THF
鸟嘌呤核苷酸 （GMP）
尿嘧啶核苷酸 （UMP）
胞嘧啶核苷酸 （CMP）
P
P
P
P
脱氧腺嘌呤核苷酸 （dAMP）
脱氧鸟嘌呤核苷酸 （dGMP）
脱氧胸腺嘧啶核苷酸 （dTMP）
脱氧胞嘧啶核苷酸 （dCMP）
常见（脱氧）核苷酸的结构和命名
核酸分子中核苷酸之间 的共价键
5
3
3’ -5’ 磷酸二酯键
5
11.1.1.2 内切核酸酶
内切酶特异地水解多核苷酸内部各键，是特异性强的 磷酸二酯酶。 牛胰核酸酶作用于嘧啶核苷酸磷酸二酯键，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。
牛胰核酸酶专一作用于RNA，对DNA及其它磷酸二酯 化合物不作用或作用活性很低。
许多RNAase都具有高度热稳定性。牛胰RNase具有 高度热稳定性。牛胰RNase(RNaseⅠ)是最早分离 纯化并结晶的第一个RNase，由124个氨基酸组成。 1957年在曲霉(Aspergillus)中分离提纯出RNaseTl， 由105个AA组成。专一水解鸟苷酸二酯键，产生 3-GMP或以3-GMP为末端的寡核苷酸。
11.1.2 脱氧核糖核酸酶
脱氧核糖核酸酶(DNase)：专一水解DNA。 内切酶：切断双链或单链。
外切酶：有5→3切割或3→5切割。
牛胰脱氧核糖核酸酶(DNase Ⅰ) 切割ds/ssDNA，产物为5-磷酸为末端的寡核苷酸。 牛脾脱氧核糖核酸酶(DNaseⅡ) 降解dsDNA，产物为以3-磷酸为末端的寡核苷酸。
限制性内切酶能识别 dsDNA分子上特定的位点， 将两条链切断 ， 形成粘性末端或平齐末端 ， 称为 限 制 性 内 切 酶 (restriction endonuclease) 或 限制酶(restriction enzyme)。
细菌除具有限制性内切酶外，还具有一种对自身DNA 起修饰作用的甲基化酶。 限制性内切酶和其相应的修饰酶对底物DNA的识别和 作用的部位是相同的。 修饰酶使该部位上碱基甲基化，从而使限制性内切酶 对这种修饰过的DNA不再起作用。
IMP经过脱氢酶催化脱氢反应，由NAD+ 接受脱下的氢， IMP生成黄嘌呤核苷酸(XMP)，由Gln提供酰胺上氨， ATP供能，XMP转变成GMP。
AMP
IMP XMP GMP
嘌呤核苷酸生物合成过程的阐明对于临床医学及生产 实践有重要意义。在了解核苷酸合成途径基础上， 可设计有效的核苷衍生物作为治癌药物，可以指导 有关核苷酸生产的菌种选育等。 癌细胞内核酸的合成作用，要比正常细胞旺盛得多， 如果适当地抑制核苷酸合成，就有可能抑制癌细胞 增生。甲基氨基蝶呤和四氢叶酸的结构很相像，对 嘌呤核苷酸合成过程中第(4)、(10)两反应中的酶起 竞争性抑制作用，使反应速度减慢或停止。 目前临床上已用来治疗各种急性白血病、绒毛膜上皮 细胞癌、恶性葡萄胎等。肌苷酸(即次黄嘌呤核苷酸) 是一种高效的助鲜剂。
补救途径(salvage pathway) 利用核酸降解或进食等从外界补充的 含氮碱基或核苷合成新的核苷酸。
11.3.1.1 嘌呤核苷酸的生物合成
20世纪50年代，利用同位素标记，以鸽肝为材料阐明 嘌呤核苷酸的生物合成途径。 生物中合成嘌呤的过程：
先合成次黄嘌呤核苷酸(IMP)， 再由 IMP生成 AMP 和 GMP。
限制性内切酶命名较为特殊。(以EcoRI为例) 第1个大写E：大肠杆菌属名(Escherichia)第1个字母； 第2,3小写co：种名(coli)的头两个字母； 第4个大写R： 所用大肠杆菌的菌株； 第5个罗马字：从该细菌中分离出来这一类酶的编号。
DNA重组示意图
EcoRI与DNA的复合体
11.2 核苷酸分解代谢 11.2.1 核苷酸的降解
在细胞中，限制性内切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。
限制性内切酶具很强的专一性。对底物DNA有特异的 识别位点(识别序列)，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dsDNA分子经限制性内切酶作用后形成 线状dsDNA，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。 大肠杆菌EcoR I对DNA的识别顺序和酶作用产物的 粘性末端：
限制性内切酶是DNA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。
限制性内切酶发现对基因工程研究有极大的促进作用。 已发现数百种可用于DNA研究限制性内切酶、连接酶、 修饰酶等多种酶，总称为分子生物学技术的“工具 酶”。
常用限制性内切酶如：EcoRI、HindⅢ、PstI等。
不同种类生物嘧啶的分解过程不同，在某些生物体内, 脱氨基作用也可在核苷酸,核苷或碱基水平上进行。
11.3 核苷酸的生物合成
11.3.1 核糖核苷酸的合成
核苷酸是核酸合成的原料，所有的生物通常都能合成 各种核苷酸。 从头合成(de nove synthesis) 合成途径 利用氨基酸、磷酸戊糖等简单的化合物 合成核苷酸。
Phosphoribosyl formylglycinamidine Formylglycinamidine synthetase ribonucleotide
Formylglycinamide ribonucleotide
ATP
Phosphoribosyl aminoimidazole succinocarboxamide synthetase
②核苷水解酶(nucleoside hydrolase) 存在于植物、微生物中，只作用于核糖核苷，反应不可逆。
戊糖和戊糖-1-磷酸，可进入糖代谢分解或重新利用， 嘌呤和嘧啶也可以继续分解。
11.2.2 嘌呤的降解
腺嘌呤和鸟嘌呤经脱氨氧化转变为黄嘌呤再进行降解， 不同种类的生物分解嘌呤的酶系不同：
灵长类,鸟类,爬行类,大多数昆虫嘌呤最终产物为尿酸； 除灵长类以外的哺乳动物,腹足类为尿囊素； 某些硬骨鱼中尿囊素再继续分解为尿囊酸； 大多数鱼类,两栖类中尿囊酸再分解为尿素和乙醛酸； 海洋无脊椎动物星虫类,甲壳类将尿素分解为氨和CO2。
5-aminoimidazole 4-carboxamide ribonucleotide
5-Formamidoimidazole 4-carboxamide ribonucleotide
IMP
⑴IMP的生物合成
次黄嘌呤核苷酸合成过程从5-磷酸核糖开始到IMP生成 为止，共11个反应步骤：
①嘌呤核苷酸的合成，是直接形成次黄嘌呤核苷酸， 而不是先形成游离的嘌呤，然后生成核苷酸。
核苷酸经核苷酸酶(nucleotidase)催化，水解为核苷 及无机磷酸。 非特异性的核苷酸酶，能作用于一切核苷酸。 特异性强的核苷酸酶只能水解3-核苷酸或5-核苷酸， 分别称为3-核苷酸酶或5-核苷酸酶。
核苷经核苷酶(nudeosidase) 分解为嘌呤或嘧啶和戊糖。 ①核苷磷酸化酶(nucleoside phosphorylase) 广泛存在于生命机体中，催化反应可逆；
尚未发现有碱基专一性DNase，但有序列专一性，即 限制性内切酶(restriction endonuclease)。
11.1.3 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dsDNA的内切核酸酶。 限 制 性 内 切 酶 是 具 有 高 度 专 一 性 DNA 内 切 酶 ， 是DNA分子操作中必不可少的工具酶。
ATP
Phosphoribosyl aminoimidazole carboxylase Phosphoribosyl aminoimidazole synthetase
5-aminoimidazole 4-carboxylate ribonucleotide
5-aminoimidazole ribonucleotide
11 核酸的酶促降解和 核苷酸代谢
11.1 核酸的酶促降解 11.2 核苷酸的分解代谢 11.3 核苷酸的生物合成
核酸
核酸酶
核苷酸 核苷 戊糖
核苷酶 嘌 呤 分 解 核苷酸酶
磷酸
碱基
嘧 啶 分 解
碱基(base)
核苷
腺苷 A
C1’- N9
胞苷 C
C1’-N1
P
P
P
P
腺嘌呤核苷酸 （AMP）

生物进化程度愈高，分解嘌呤的能力愈差。 高等生物具完善排泄系统，直接将代谢废物排出体外。

植物体中也有与嘌呤降解有关酶。 如黄嘌呤氧化酶、 尿酸酶、尿囊素酶、尿囊酸酶，还发现嘌呤的中间 产物如尿囊酸等。 植物体嘌呤降解主要在储藏或衰老组织中进行。降解 物主要以尿囊酸的形式运输到幼嫩组织或根部贮存 起来。
嘌呤的分解还可在核苷或核苷酸水平上进行
11.2.3 嘧啶的降解
嘧啶分解时有氨基的首先水解脱氨基。 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，水解开环成 链状化合物，再水解成CO2, NH3, -丙氨酸, -氨基 异丁酸， -氨基异丁酸脱氨基后进入有机酸代谢或 直接排出体外。
N10-Formyl THF THF
Phosphoribosyl aminoimidazole carboxamide formyltransferase IMP cyclohydrolase
5-aminoimidazole 4-Nsuccinocarboxamide ribonucleotide
Adenylosuccinate lyase
②5-磷酸核糖-1-焦磷酸是核苷酸中核糖磷酸部分的供体。 (5-phosphoribosyl-1-pyrophosphate，PRPP)
③嘌呤的各个原子是在PRPP的C-1上逐渐加上去的。 PRPP转酰胺酶催化PRPP和Gln 形成5-磷酸核糖胺。 C-1从-构型转变为-构型，而形成的CN糖苷键， 具有天然核苷酸所特有的-构型。 ④在5-磷酸核糖胺的氨基位置，由Gly和甲川四氢叶 酸先后提供C和N原子形成甲酰甘氨酰胺，至此嘌 呤环骨架的4, 5, 7, 8, 9位顺序已形成。
3
5´
3´
RNA一级结构
DNA一级结构
DNA一级结构的表示法
A
1´
3´ 5´
C
T
G
p
p
p
p
OH 3´
5 ´ 3´
线条式
5´
ACTGCATAGCTCGA 3´ 字母式
结构式
11.1 核酸的酶促降解 生物体内存在多种降解核酸酶类，统称为核酸酶 (nuclease)，在核酸降解和周转中起着重要作用。 脱氧核糖核酸酶(dexyribonuclease, DNase) 底物 核糖核酸酶 核酸外切酶 方式 (ribonuclease, (exonuclease)
第1位N： 第3, 9位N： 第7位N： 第2, 8位C： 第6位C： 第4, 5位C：
Asp Gln Gly 甲酸盐 CO2 Gly
Purine ring de novo synthesis
Phosphoribosyl glycinamide formyltransferase
ATP
P-Ribose