第11章 核酸代谢

三、核苷酸的合成代谢
1.嘌呤核苷酸的合成 2.嘧啶核苷酸的合成 3.脱氧核糖核苷酸的合成
1.嘌呤核苷酸的合成
( 1 )从头合成 ( 2 )补救途径
( 1 )从头合成
① 原料及来源 a . 5-磷酸核糖来自磷酸戊糖途径的中间产 物。 b ．嘌呤碱 由鸽子的营养实验和同位素标 记实验证明，嘌呤环中各原子来源于不同 的物质（图11-4 ）。
3 ．嘌呤和嘧啶的分解
( 1 )嘌呤的分解代谢嘌呤的分解代谢见图112。
图11-2 嘌呤的分解代谢① -腺苷脱氨酶；② -核 苷磷酸化酶；③ -鸟嘌呤脱氨酶；④ -黄嘌呤氧 化酶；⑤ -尿酸酶；⑥ -尿囊素酶；⑦ -尿囊酸酶； ⑧ -脲酶
( 2 )嘧啶的分解代谢嘧啶的分解代谢见图11-3
图11-3 嘧啶的分解代谢
3 ．旋转酶与解旋酶― 解除高级结构的酶
• DNA 复制时，首先要由解旋酶（helicase ） 作用解开DNA 双螺旋，使其成为单链，单 链DNA 才能作为DNA 聚合酶的模板。解旋 酶是借ATP 水解提供的能量来解开DNA 双 链的，每解开一对碱基，需要水解2 分子 ATP 。原核细胞中，解旋酶对单链DNA 的 亲和力强，并能沿模板DNA5' → 3 ’方向由 单链向双链部分移动。各种解旋酶与引发 酶等常构成复合体，在DNA 复制时有协同 作用，从而解开双螺旋。
③ 三种原核细胞DNA 聚合酶的活性比较在复制中 各酶的作用最初是通过人肠杆菌温度敏感型突变 株的研究得以阐明的。在限制温度下，DNA pol Ⅲ活性缺陷的温敏突变株完全不能合成DNA 链， 这表明该酶是大肠杆菌的主要复制酶。缺乏pol Ⅰ 活性的突变株，在限制温度下可以正常地完成 DNA 链聚合，仅在新装配的链上留下缺口，这表 明pol Ⅰ是填补引物去除后空缺的主要酶。缺乏 pol Ⅱ活性的突变株，在限制温度下仍能正常地复 制其DNA ，但pol Ⅰ 的修复功能表现出一定不足， 表明pol Ⅱ可能在pol Ⅰ的修复功能中起辅助作用。
4 ．其他― 引发酶与单链结合蛋白
( 1 )引发酶各种DNA 复制开始时都需要有引物，在 引物基础上才能进行DNA 聚合反应。通常，引物 是在复制前先行合成的一小段RNA ，它的合成是 RNA 聚合酶与复制起点结合后，以DNA 为模板 而催化进行的。因此，催化RNA 引物合成的RNA 聚合酶就是引发酶（primase ）。引发酶还与 DNA 复制起始点双链的解开有关，它常与解旋酶 等紧密连接，形成“引发体”( primosome ) （至 少含有6 种不同的蛋白质），协调催化解旋和引 发反应。 引发酶都需要ATP 或GTP 作为能源起始引发反应。 引物第一个核苷酸的二磷酸形式常作为引物起始 的能源，而不是作为模板链上对应位置的配对碱 基。
核酸代谢
第一节核酸的降解和核苷酸代谢
一、核酸的酶促降解 二、核苷酸的分解代谢 三、核苷酸的合成代谢
一、核酸的酶促降解
1 ．核酸酶 2 ．酶解产物
1 ．核酸酶
( 1 ) DNase DNase 是一类特异性水解DNA 和切断 磷酸二醋键的酶类。主要有：DNase Ⅰ、 DNaseⅡ、限制性内切酶，它们的作用部位是： DNase Ⅰ切断磷酸二酯键的3 ’端酯键，产物为5 ‘端带磷酸的寡聚脱氧核苷酸片段，该酶特异性不 强；DNase 且切断磷酸二酯键的5 ‘端酯键，产物 为3 ’末端带磷酸的寡聚脱氧核苷酸片段；DNA 限 制性内切酶（restriction endonuclease ）只作用 于双链DNA ，且只在特定核苷酸序列处切开核苷 酸之间的连接键。该酶可交错地切断两链（此时 产生两条互补的单链，称为黏性末端）。限制性 内切酶是基因工程中常用的一类酶，已发现有几 百种（见第十四章）。
( 2 )补救合成UMP 还可由尿嘧啶磷酸化转变而来， 即：
尿嘧啶也可以与PRPP 作用生成UMP ，反应式为：
3.脱氧核糖核苷酸的合成
• 脱氧核糖核苷酸是由核糖核苷酸转变来的， 这种转变对大多数生物来说都是在二磷酸 核糖核苷水平上进行的，这个还原过程为：
• 按此方式生成的dNDP 仅包括dADP 、 dGDP 和dCDP ，不包括dTDP 。胸腺嘧啶 脱氧核苷酸的合成则由另外的途径生成， 有以胸腺嘧啶为原料的途径和由UMP 转变 的途径，见图11-10 。
② pol Ⅱ、pol Ⅲ 1969 年，De Lucia P 等发现了一株大肠 杆菌突变株（poly A 突变株即编码pal Ⅰ的基因poly A 突 变），该菌株的特点是：能正常生长繁殖，但对紫外线、 X 射线、化学诱变剂特别敏感。这个突变株的pol Ⅰ活性 虽然仅为正常细胞的0.5 ％一1% ，但它能正常复制，因 此怀疑pol Ⅰ是真正的DNA 复制酶，后来相继发现了pol Ⅱ和pol Ⅲ 。Pol Ⅱ 和Pol Ⅲ都具有5 ' → 3 ’的DNA 聚合 酶活性，催化反应所需要的条件也与pol Ⅰ基本相同，只 是所需引物为RNA ，在外切酶活性方面，pol Ⅱ只有3 ' → 5 ‘的外切酶活性而无5 ' → 3 ’的外切酶活性，pol Ⅲ 具 有两个方向的外切酶活性。
( 2 )真核细胞的DNA 聚合酶
• 真核生物体中至少拥有五种DNA 聚合酶，分别命 名为α、β 、γ、δ 和ε 。它们能在5 ' → 3 ‘方向 上合成DNA 链，但各酶的具体功能不尽相同。真 核细胞中与DNA 复制相关的主要聚合酶是DNA pol α和DNA pol δ ，它们在DNA 复制中可能是 互相协作的，pol δ 催化前导链合成，pol α催化 后续链的合成。pol 己还具有3 ' → 5 ‘外切酶的校 正功能，并具有解旋酶的作用。 DNA pol γ是首先在真核细胞的线粒体中发现的， 它催化相关DNA 的复制。pol ε 在真核细胞内的 功能主要与修复有关。pol β 可能与pol α和pol ε 在DNA 修复中共同起作用。
2 . DNA 连接酶― 连接DNA 片段的酶
• 1967 年，Khorana H G 发现了DNA 连接 酶（DNA ligase ），它封闭新合成链上引 物去除后留下的单链缺刻，催化形成不间 断的3 ‘ , 5 ’-磷酸二酯键。连接酶所催化的 反应是DNA 复制中最后的主要步骤。 DNA 连接酶有两种：一种存在于细菌中， 是以NAD 作为辅酶；另一种是以ATP 作为 辅酶，存在于噬菌体和哺乳动物体内。 DNA 连接酶催化反应时要求缺口处有一条 链是连续的，具体的作用方式见图11-11 。
图11-10 脱氧胸苷酸的生成途径
第二节DNA 复制与修复
一、DNA复制有关的酶 二、DNA的复制方式 三、 DNA的复制过程 四、 DNA畸变与遗传病 五、 DNA损伤与修复
一、DNA复制有关的酶
1 . DNA 聚合酶― DNA 复制的基本酶 2 . DNA 连接酶― 连接DNA 片段的酶 3 ．旋转酶与解旋酶― 解除高级结构的酶 4 ．其他― 引发酶与单链结合蛋白
2.嘧啶核苷酸的合成
( 1 )从头合成 ( 2 )补救途径
( 1 )从头合成
① 合成嘧啶碱的原料同样也是由鸽子营养实 验和同位素标记实验证明，嘧啶是由天冬 氨酸、谷氨酰胺和CO2合成的，见图11-7 。
图11-7 嘧啶环各原子的来源
② 合成过程及特点 a ，特点嘧啶核苷酸的合成与嘌呤核苷酸的合成 不同，是先利用小分子化合物合成嘧啶环，再与 磷酸核糖结合成乳清酸核苷酸（orotidine monophosphate , OMP ）。b ．过程先合成尿嘧 啶和尿苷酸（UMP ） ，再转化成其他嘧啶类核 苷酸，它们的合成、转化途径如图11-8 和图11-9 所示，其中合成UMP 的过程又分为三个阶段：第 一，以CO2 和Gln 为原料合成氨基甲酰磷酸 （carbamyl phosphate） ；第二，氨基甲酰磷酸 和天冬氨酸缩合生成氨基甲酰天冬氨酸，进而脱 水、脱氢而成乳清酸（orotic acid ) ；第三，乳清 酸接受PRPP 的5-磷酸核糖生成乳清酸核苷酸， 进而脱羧生成尿嘧啶核苷酸。
图11-4 嘌呤环各原子的来源
② 合成过程及特点嘌呤核苷酸的合成不是先合成嘌 呤环，再与核糖、磷酸结合成核苷酸，而是核糖 与磷酸先合成磷酸核糖，然后逐步由谷氨酰胺、 甘氨酸、一碳基团、CO2 及天冬氨酸掺入碳原子 或氮原子形成嘌呤环，最后合成嘌呤核苷酸。 合成的起始物质是5-磷酸核-1-焦磷酸（5phosphoribosyl-1-pyrophosphate , PRPP ) , 其生 成的反应为：
• DNA 旋转酶（gyrase ）即DNA 拓扑异构酶，其 作用是消除DNA 的超螺旋。旋转酶根据作用于 DNA 的方式不同而分为以下两类。 ( 1 )旋转酶Ⅰ可在DNA 双螺旋的一条链上断裂磷酸 二酯键，引人缺口（“切口反应”) ，又可使断裂 链再连接起来（“封门反应”) ，这些反应都不需 要另外提供能量。通过“切口一封口”反应，就 可使维持DNA 超螺旋的作用力释放出来，从而解 除超螺旋。 ( 2 )旋转酶Ⅱ 具有“切口一封口”反应，但同时又 可形成超螺旋，需要ATP 或GTF 提供能量
二、核苷酸的分解代谢
1 ．核苷酸的分解 2 ．核苷的分解 3 ．嘌呤和嘧啶的分解
1 ．核苷酸的分解
• 核苷酸经核苷酸酶（nucleotidase ）作用，水解 为核苷及无机磷酸，即：
• 核苷酸酶在生物机体内分布广泛，特异性不强， 可作用于一切核苷酸的磷酸单酯键。但也存在特 异性的核苷酸酶，如存在于植物中的3 ’核苷酸酶， 只能水解3 ’核苷酸；存在于脑、视网膜、土豆、 蛇毒中的5 ’-核苷酸只能水解5 ’-核苷酸。
2 ．核苷的分解
• 核苷经核苷酶（nucleosidase ）作用分解为碱基 （嘌呤或嘧啶）和核糖（或脱氧核糖）: 核苷酶有 两类：一是核苷磷酸化酶，广泛存在于生物机体 中，能催化可逆反应；二是核苷水解酶，主要存 在于植物、微生物体内，只作用于核糖核苷，催 化反应不可逆，即：
Hale Waihona Puke • 以上各分解产物都可进一步氧化分解，其中戊糖 的氧化分解可参见第九章相关部分。