第九章核酸降解和核苷酸代谢 生物体内的核酸，多以核蛋白的形式存在。核蛋白在酸性条件下可被分解为核酸和蛋 白质。核酸在核酸酶的作用下，水解为寡核苷酸或单核苷酸，单核苷酸可进一步降解为碱 基、戊糖和磷酸（图91）。生物体也能利用一些简单的前体物质合成嘌吟核苷酸和嘧啶核 苷酸。核苷酸不仅是核酸的基本成分，而且也是一类生命活动不可缺少的重要的物质。 核蛋白 核酸 蛋白质 酸酶 核苷酸 核苷酸核苷酸碱基+核糖-少磷酸 四暖 甘磷酸化刷 核糖子磷酸+碱基 图9-1核酸的侮促降解过程 第一节核酸的酶促降解 核酸分解的第一步是水解核苷酸之间的磷酸二酯键，在高等动植物中都有作用于磷 二酯键的核酸酶。不同来源的核酸酶，其专一性、作用方式都有所不同。有些核酸酶只能 作用于RNA,称为核糖核酸醇(RNase),有些核酸酶只能作用于DNA,称为脱氧核糖核 酸酶(DNase),有些核酸酶专一性较低，既能作用于RNA也能作用于DNA,因此统称为 核酸醇(nuclease)。根据核酸酶作用的位置不同，又可将核酸酶分为核酸外切酶 (exonuclease)和核酸内切酶(endonuclease) 一、核酸外切酶 有些核酸瓶能从DNA或RNA链的一端手个水解下单核苷酸，所以称为核酸外切酶 只作用于DNA的核酸外切酶称为脱氧核糖核酸外切酶，只作用于RNA的核酸外切酶称为 核糖核酸外切酵：也有一些核酸外切酶可以作用于DNA或RNA。核酸外切酶从3'端于 始逐个水解核苷酸，称为3'一5′外切隋，例如，蛇毒磷酸二酯酶即是一种3′一5'外切 酶，水解产物为5'核苷酸：核酸外切醇从5端开始逐个水解核苷酸，称为5'一3'外 切酶，例如：牛脾磷酸二酯酶即是一种5→3'外切酶，水解产物为3'核苷酸。 279
279 第九章 核酸降解和核苷酸代谢 生物体内的核酸，多以核蛋白的形式存在。核蛋白在酸性条件下可被分解为核酸和蛋 白质。核酸在核酸酶的作用下，水解为寡核苷酸或单核苷酸，单核苷酸可进一步降解为碱 基、戊糖和磷酸（图 9-1）。生物体也能利用一些简单的前体物质合成嘌呤核苷酸和嘧啶核 苷酸。核苷酸不仅是核酸的基本成分，而且也是一类生命活动不可缺少的重要的物质。 核蛋白 │ ↓ ↓ 核酸 蛋白质 核酸酶 核苷酸核苷酶 核苷酸 碱基 + 核糖-5 / -磷酸 ↙ 核酸酶 磷酸 核苷水解酶 核苷 核糖 + 碱基 核苷磷酸化酶 核糖-5 / -磷酸 + 碱基 图 9-1 核酸的酶促降解过程 第一节 核酸的酶促降解 核酸分解的第一步是水解核苷酸之间的磷酸二酯键，在高等动植物中都有作用于磷酸 二酯键的核酸酶。不同来源的核酸酶，其专一性、作用方式都有所不同。有些核酸酶只能 作用于 RNA，称为核糖核酸酶（RNase），有些核酸酶只能作用于 DNA，称为脱氧核糖核 酸酶（DNase），有些核酸酶专一性较低，既能作用于 RNA 也能作用于 DNA，因此统称为 核酸酶（nuclease）。根据核酸酶作用的位置不同，又可将核酸酶分为核酸外切酶 （exonuclease）和核酸内切酶（endonuclease）。 一、核酸外切酶 有些核酸酶能从 DNA 或 RNA 链的一端逐个水解下单核苷酸，所以称为核酸外切酶。 只作用于 DNA 的核酸外切酶称为脱氧核糖核酸外切酶，只作用于 RNA 的核酸外切酶称为 核糖核酸外切酶；也有一些核酸外切酶可以作用于 DNA 或 RNA。核酸外切酶从 3′端开 始逐个水解核苷酸，称为 3′→5′外切酶，例如，蛇毒磷酸二酯酶即是一种 3′→5′外切 酶，水解产物为 5′核苷酸；核酸外切酶从 5′端开始逐个水解核苷酸，称为 5′→3′外 切酶，例如：牛脾磷酸二酯酶即是一种 5′→3′外切酶，水解产物为 3′核苷酸
二、核酸内切酶 核酸内切酶催化水解多核苷酸内部的磷酸二酯键。有些核酸内切酶仅水解5'磷酸二酯 键，把磷酸基团留在3'位置上，称为5'内切酶：而有些仅水解3'磷酸二酯键，把磷酸 基团留在5'位置上，称为3'-内切酶（图92）。还有一些核酸内切对磁酸酯键一侧的破 基有专一要求，例如胰脏核糖核酸酶(RNaseA)即是一种高度专一性核酸内切酶，它作 用于嘧啶核苷酸的C'上的磷酸根和相邻核苷酸的C'之间的键，产物为3'嘧啶单核苷酸 或以3'嘧啶核苷酸结尾的低聚核苷酸（图9-3）。 3'内切酶5'内切酶 图9-2核酸内切酶的水解位置 内切酶 内切南 图93胰脏核酸内切酶的水解位置 20世纪0年代，在细菌中陆续发现了一类核酸内切酶，能专一性地识别并水解双链 DNA上的特异核苷酸顺序，称为限制性核酸内切酶(m onuclease,简称生制) 当外源DNA侵入细菌后，限制性内切酶可将其水解切成片段，从而限制外 原DNA在细 菌细胞内的表达，而细菌本身的DNA由于在该特异核苷酸顺序处被甲基化酶修饰，不被 水解，从而得到保护。 近年来，限制性核酸内切酶的研究和应用发展很快，目前己提纯的限制性核酸内切酶 有100多种，许多已成为基因工程研究中必不可少的工具酶（可参阅第三章部分内容）。 限制性核酸内切酶可被分成三种类 I型和m型限制酶水解DNA需要消耗ATP 全酶中的部分亚基有通过在特殊碱基上补加甲 基基团 对DNA进行化学修饰的活性。 限制爾水解DNA不需要ATP也不以甲基化或其它方式修饰DNA,能在所识别的特殊核苷 酸顺序内或附近切制DNA。因此，被广泛用于DNA分子克隆和序列测定。部分限制性核 酸内切酶来源及识别位点见表91 280
280 二、核酸内切酶 核酸内切酶催化水解多核苷酸内部的磷酸二酯键。有些核酸内切酶仅水解 5′磷酸二酯 键，把磷酸基团留在 3′位置上，称为 5′-内切酶；而有些仅水解 3′-磷酸二酯键，把磷酸 基团留在 5′位置上，称为 3′-内切酶（图 9-2）。还有一些核酸内切酶对磷酸酯键一侧的碱 基有专一要求，例如胰脏核糖核酸酶（RNaseA）即是一种高度专一性核酸内切酶，它作 用于嘧啶核苷酸的 C′3上的磷酸根和相邻核苷酸的 C′5之间的键，产物为 3′嘧啶单核苷酸 或以 3′嘧啶核苷酸结尾的低聚核苷酸（图 9-3）。 G A C U G A 3′ P P P P P P OH 5′ 3′内切酶 5′内切酶 图 9-2 核酸内切酶的水解位置 G 嘧啶 A 嘧啶 G A 3′ P P P P P P OH 5′ 内切酶 内切酶 图 9-3 胰脏核酸内切酶的水解位置 20 世纪 70 年代，在细菌中陆续发现了一类核酸内切酶，能专一性地识别并水解双链 DNA 上的特异核苷酸顺序，称为限制性核酸内切酶（restriction endonuclease，简称限制酶）。 当外源 DNA 侵入细菌后，限制性内切酶可将其水解切成片段，从而限制了外源 DNA 在细 菌细胞内的表达，而细菌本身的 DNA 由于在该特异核苷酸顺序处被甲基化酶修饰，不被 水解，从而得到保护。 近年来，限制性核酸内切酶的研究和应用发展很快，目前已提纯的限制性核酸内切酶 有 100 多种，许多已成为基因工程研究中必不可少的工具酶（可参阅第三章部分内容）。 限制性核酸内切酶可被分成三种类型。Ⅰ型和Ⅲ型限制酶水解 DNA 需要消耗 ATP， 全酶中的部分亚基有通过在特殊碱基上补加甲基基团对 DNA 进行化学修饰的活性。Ⅱ型 限制酶水解 DNA 不需要 ATP 也不以甲基化或其它方式修饰 DNA，能在所识别的特殊核苷 酸顺序内或附近切割 DNA。因此，被广泛用于 DNA 分子克隆和序列测定。部分限制性核 酸内切酶来源及识别位点见表 9-1
表9-1限制性核酸内切晦来源及识别位点 酶名称 来蓉 识别位点 N-C-TTA-AIG-N-5 5'N-G↑A-A-T-TC-N N-CCT.AG↓G-N.5 BamHI 5'NGIG-A-TC.C.N- C.A-PU!P-TG-5' 5'G-T-Py Pu-A-C. T-TCG-A↓A-5 HindIII Hemophilus influenzaeD 5'A1AG-C.TT- -N-G-G-CIC-N-5' Hemophils inu 5'N-CIC-G-G-N- 第二节核苷酸的酶促降解 一、核苷酸的降解 核酸经核酸酶降解后产生的核苷酸还可以进一步分解。生物体内广泛存在的核苷酸酶 (磷酸单酯酶)可催化核苷酸水解，产生磷酸和核苷。核苷酸酶的种类很 ，特异性也 不相同。有些非特异性的核苷酸酶对所有核苷酸都能作用，无论磷酸基在核苷的2'、3 还是5'位置上。有些核苷酸酶具有特异性，如有的只能水解3'核苷酸，称为3'核苷酸 酶，有的只能水解5'核苷酸，称为5'核苷酸酶。 核苷酸酶水解产生的核苷可在核苷酶的作用下进一步分解为戊糖和碱基。核苷酶的种 类也很多，按底物不同可分为噤吟核苷酶和嘧啶核苷酶。按催化反应的不同可分为核苷磷 酸化醇(phosphorylase)和核苷水解酶(nucleoside hydrolase)。核苷磷酸化酶催 化核苷分解生成含氨碱基和戊糖的磷酸雷。此酶对两种核苷都能起作用。 技百+骑酸长餐化感装叶（成店定》+皮财-1一药酸 核苷水解酶将核苷分解生成含氮氨碱和戊糖，此酶对脱氧核糖核苷不起作用。 传苷+0装音衣、腰时宝纯定)+皮精 核苷酸分解产生的嘌吟碱和嘧啶碱在生物体中还可以继续进行分解 281
281 表 9-1限制性核酸内切酶来源及识别位点 酶名称 来 源 识别位点 EcoRⅠ EcoRⅠ -N-C-T-T-A-A↓G-N-5′ 5′N-G↑A-A-T-T-C-NBamHⅠ Bacillus amyloliquefaciensH -N-C-C-T-A-G↓G-N-5′ 5′N-G↑G-A-T-C-C-NHindⅡ Hemophilus influenzaeD -C-A-Pu↓Py-T-G-5′ 5′G-T-Py↑Pu-A-CHindⅢ Hemophilus influenzaeD -T-T-C-G-A↓A-5′ 5′A↑A-G-C-T-THapⅡ Hemophilus influenzae -N-G-G-C↓C-N-5′ 5′N-C↑C-G-G-N- 第二节 核苷酸的酶促降解 一、核苷酸的降解 核酸经核酸酶降解后产生的核苷酸还可以进一步分解。生物体内广泛存在的核苷酸酶 （磷酸单酯酶）可催化核苷酸水解，产生磷酸和核苷。核苷酸酶的种类很多，特异性也各 不相同。有些非特异性的核苷酸酶对所有核苷酸都能作用，无论磷酸基在核苷的 2′、3′ 还是 5′位置上。有些核苷酸酶具有特异性，如有的只能水解 3′-核苷酸，称为 3′-核苷酸 酶，有的只能水解 5′-核苷酸，称为 5′-核苷酸酶。 核苷酸酶 核苷酸 核苷十磷酸 核苷酸酶水解产生的核苷可在核苷酶的作用下进一步分解为戊糖和碱基。核苷酶的种 类也很多，按底物不同可分为嘌呤核苷酶和嘧啶核苷酶。按催化反应的不同可分为核苷磷 酸化酶（nucleoside phosphorylase）和核苷水解酶（nucleoside hydrolase）。核苷磷酸化酶催 化核苷分解生成含氮碱基和戊糖的磷酸酯。此酶对两种核苷都能起作用。 核苷磷酸化酶 核苷 + 磷酸 嘌呤（或嘧啶）+ 戊糖-1-磷酸 核苷水解酶将核苷分解生成含氮碱和戊糖，此酶对脱氧核糖核苷不起作用。 核苷水解酶 核苷 + H2O 嘌呤（或嘧啶）+ 戊糖 核苷酸分解产生的嘌呤碱和嘧啶碱在生物体中还可以继续进行分解
二、嘌昤的降解 在生物体内，嘌吟可进一步发生降解。首先，嘌吟在脱氨酶的作用下脱去氨基，腺嘌 岭脱氨后生成次黄嘌吟(hypoxanthine),然后，在黄嘌吟氧化酶(xanthine oxidase)作用 下，将次黄嘌吟氧化成黄嘌吟。黄嘌吟氧化酶是一种黄素蛋白，含FD、铁和钼：鸟嘌吟 脱氨后直接生成黄嘌吟(xanthine)。黄嘌吟进一步氧化为尿酸(uricacid),尿酸在尿酸氧 种含铜醇)作用下降解为尿囊素(allantoin)和CO,尿囊素在尿 素碎(allantoinase)作用下水解为尿囊酸(allantoic acid),尿囊酸进一步在尿囊酸酶 (allantoicase H.N 鸟原砖 H:C NH O2+H0 黄 次黄 黄漂吟氧化前 NH. COOH 20 年 -H0 OH 乙盛酸 2H, h 尿囊 4NH+200, 图94嘌吟碱基的降解过程 282
282 二、嘌呤的降解 在生物体内，嘌呤可进一步发生降解。首先，嘌呤在脱氨酶的作用下脱去氨基，腺嘌 呤脱氨后生成次黄嘌呤（hypoxanthine），然后，在黄嘌呤氧化酶（xanthine oxidase）作用 下，将次黄嘌呤氧化成黄嘌呤。黄嘌呤氧化酶是一种黄素蛋白，含 FAD、铁和钼；鸟嘌呤 脱氨后直接生成黄嘌呤（xanthine）。黄嘌呤进一步氧化为尿酸（uric acid），尿酸在尿酸氧 化酶（urate oxidase，一种含铜酶）作用下降解为尿囊素（allantoin）和 CO2，尿囊素在尿囊 素酶（allantoinase）作用下水解为尿囊酸（allantoic acid），尿囊酸进一步在尿囊酸酶 （allantoicase）的作用下降解为尿素和乙醛酸。嘌呤分解代谢过程见图 9-4： 图 9-4 嘌呤碱基的降解过程
不同种类生物降解噤岭碱基的能力不同，因而代谢产物的形式也各不相同。人类、灵 长类、鸟类、爬虫类以及大多数昆虫体内缺乏尿酸酶，故嘌吟代谢的最终产物是尿酸：人 类及灵长类以外的其它哺乳动物体内存在尿酸氧化酶，可将尿酸氧化为尿囊素，故尿囊素 是其体内嘌吟代谢的终产物：在某些硬骨鱼体内存在尿囊素酶 可将尿囊素氧化分解为尿 囊酸：在大多数鱼类、两栖类中的尿囊酸酶，可将尿囊酸进一步分解为尿素及乙醛酸：而 氨是甲壳类、海洋无脊椎动物等体内嘌吟代谢的终产物，因这些动物体内存在脲酶，可将 尿素分解为氨和二氧化碳。 植物、微生物体内煙吟代谢的途径与动物相。尿囊素藤、尿垂酸酸和眼酶在植物体 内广泛存在，当植物进入衰老期，体内的核酸会发生降解，产生的嘌吟碱进一步分解为尿 囊酸，然后从叶子内运输到贮藏器官，而不是排出体外，可见植物有保存和同化氨的能力。 微生物一般能将嘌吟类物质分解为氨、二氧化碳及有机酸，如甲酸、乙酸、乳酸等。 此外，嘌吟的降解也可在核苷或核苷酸的水平上进行（图95）： 腺苷酸一次黄苷酸 黄苷酸→鸟苷酸 腺背一次黄苷 黄苷一鸟苷 腺嘌吟→次黄嘌吟一黄嘌吟·鸟嘌吟 尿酸 图95嘌吟类在核苷酸、核苷和碱基三个水平上的降解 三、嘧啶的降解 嘧啶碱可以在生物体内进一步被降解。嘧啶碱的分解过程比较复杂，包括水解脱氨是 作用、氨化、还原、水解和脱羧基作用等。不同种类生物分解嘧啶的过程不同，在大多数 生物体内嘧啶的降解过程如图96所示。 胞嘧啶先经水解脱氨转变为尿嘧啶。尿嘧啶或胸腺嘧啶降解的第一步是加氧还原反 应，生成的产物是一氢尿嘧晾或一氢胸腺晾，然后经连续两次水解作用。前者产生CO, NH,和B-丙氨酸，后者产生CO2、NH,和B-氨基异丁酸。B丙氨酸和B氨基异丁酸脱去 氨基转变为相应的酮酸，并入三羧酸循环进一步代谢。B-丙氨酸亦可用于泛酸和辅酶A 的合成。 283
283 不同种类生物降解嘌呤碱基的能力不同，因而代谢产物的形式也各不相同。人类、灵 长类、鸟类、爬虫类以及大多数昆虫体内缺乏尿酸酶，故嘌呤代谢的最终产物是尿酸；人 类及灵长类以外的其它哺乳动物体内存在尿酸氧化酶，可将尿酸氧化为尿囊素，故尿囊素 是其体内嘌呤代谢的终产物；在某些硬骨鱼体内存在尿囊素酶，可将尿囊素氧化分解为尿 囊酸；在大多数鱼类、两栖类中的尿囊酸酶，可将尿囊酸进一步分解为尿素及乙醛酸；而 氨是甲壳类、海洋无脊椎动物等体内嘌呤代谢的终产物，因这些动物体内存在脲酶，可将 尿素分解为氨和二氧化碳。 植物、微生物体内嘌呤代谢的途径与动物相似。尿囊素酶、尿囊酸酶和脲酶在植物体 内广泛存在，当植物进入衰老期，体内的核酸会发生降解，产生的嘌呤碱进一步分解为尿 囊酸，然后从叶子内运输到贮藏器官，而不是排出体外，可见植物有保存和同化氨的能力。 微生物一般能将嘌呤类物质分解为氨、二氧化碳及有机酸，如甲酸、乙酸、乳酸等。 此外，嘌呤的降解也可在核苷或核苷酸的水平上进行（图 9-5）： 腺苷酸 → 次黄苷酸 黄苷酸 → 鸟苷酸 ↓ ↓ ↓ ↓ 腺 苷 → 次黄苷 黄 苷 ← 鸟 苷 ↓ ↓ ↓ ↓ 腺嘌呤 → 次黄嘌呤 → 黄嘌呤 ← 鸟嘌呤 ↓ 尿 酸 图 9-5 嘌呤类在核苷酸、核苷和碱基三个水平上的降解 三、嘧啶的降解 嘧啶碱可以在生物体内进一步被降解。嘧啶碱的分解过程比较复杂，包括水解脱氨基 作用、氨化、还原、水解和脱羧基作用等。不同种类生物分解嘧啶的过程不同，在大多数 生物体内嘧啶的降解过程如图 9-6 所示。 胞嘧啶先经水解脱氨转变为尿嘧啶。尿嘧啶或胸腺嘧啶降解的第一步是加氢还原反 应，生成的产物是二氢尿嘧啶或二氢胸腺嘧啶，然后经连续两次水解作用，前者产生 CO2、 NH3 和β-丙氨酸，后者产生 CO2、NH3和β-氨基异丁酸。β-丙氨酸和β-氨基异丁酸脱去 氨基转变为相应的酮酸，并入三羧酸循环进一步代谢。β-丙氨酸亦可用于泛酸和辅酶 A 的合成