生物化學核酸代謝與合成

核酸的降解和核苷酸代謝核酸的基本單位是核苷酸。核酸代謝與核苷酸代謝親密有關，細胞內有多個游離的核苷酸，有重要作用，總結起來是：1.核苷酸是核酸生物合成的前體2.核苷酸衍生物是許多生物合成的活性中間物（UDP-葡萄糖和CDP-二脂酰甘油分別是糖原和磷酸甘油酯合成的中間物）3.腺苷三磷酸是生物能量代謝中通用的高能化合物4.腺苷酸是三種重要輔酶（煙酰胺核苷酸、黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）和輔酶A的組分）５.某些核苷酸是代謝的調節(jié)物質，如ｃAMP和cGMP是許多激素引發(fā)的胞內信使，ppGpp是氨基酸引發(fā)饑餓的中間介質；腺苷?；?、尿苷酰基是酶活性共價修飾集團。核酸和核苷酸的分解代謝動物和異樣型微生物能夠分泌消化酶來分解食物或體外的核蛋白和核酸類物質，以獲得多個核苷酸。核苷酸水解脫去磷酸而生成核苷，核苷再分解生成嘌呤堿、嘧啶堿和戊糖。核苷酸及水解產物都能夠細胞吸取和運用，植物普通不能消化體外的有機物質，但是全部生物的細胞都含有核酸代謝有關的酶類，能夠分解細胞內多個核酸，增進核酸的分解更新。水解產物戊糖則能夠參加戊糖代謝，嘌呤堿和嘧啶堿還能夠進一步分解。核酸的解聚作用核酸是由許多核苷酸以3’，5’-磷酸二脂鍵連接成的大分子化合物。核酸分解的第一步是水解連接核苷酸之間的磷酸二脂鍵，生成低檔多核苷酸和單核苷酸，在生物體內有諸多磷酸二酯酶可催化這一反映，作用于核酸磷酸二脂鍵的磷酸二酯酶叫做核酸酶。涉及核糖核酸酶和脫氧核糖核酸酶。核酸酶中能夠水解分子間磷酸二脂鍵的酶稱核酸內切酶，從核酸鏈的一端逐個水解下核苷酸的酶稱為核酸外切酶。有非特異的核酸酶例如蛇毒磷酸二酯酶和牛脾磷酸二酯酶對核糖核苷酸以及脫氧核糖核酸都能水解。細胞中DNA的含量是相稱恒定的，而RNA的含量卻有明顯變化。許多證據表明，DNA在細胞中是一種較為穩(wěn)定的成分，其分解速度很慢，不想RNA那樣代謝活躍。但是DNA酶含量在相稱眾多的細胞中確實很高的，推測這種DNA酶的生理功效在于消除異常的或外援DNA，以維持細胞遺傳性的穩(wěn)定；或是用于細胞自溶在細菌細胞內存在一類能識別并水解外援雙鏈DNA的核酸內切酶，稱為限制性內切酶，可用于特異切割DNA，是很有用的工具酶。核酸的苷降解核苷酸水解下磷酸即成為核苷，生物體內廣泛存在的磷酸單酯酶或核苷酸酶能夠催化這個反映，非特異性的磷酸單酯酶對一切核苷酸都能作用，無論磷酸基在核苷的2’位、3’位、或5’位都能被水解下來。某些特異性比較強的就只能水解3’核苷酸或5’核苷酸，分別成為3’核苷酸酶或5’核苷酸酶。核苷酸經核苷酸酶作用分解為嘌呤堿或嘧啶堿和戊糖。分解核苷的酶分為兩類，一是核苷磷酸化酶，另一類是核苷水解酶。前者分解核苷生成含氮堿和戊糖的磷酸酯(戊糖-1-磷酸），后者生成含氮堿和戊糖。核苷磷酸化酶的存在比較廣泛，其所催化的反映是可逆的。核苷水解酶水解酶重要是存在于植物和微生物體內，并且只對核糖核苷作用，對脫氧核糖核苷沒有作用，反映是不可逆的，對底物含有一定的特異性。嘌呤堿的分解不同種類的生物分解嘌呤堿的能力不同，因而代謝產物也各不相似，人和猿類及某些排尿酸的動物以尿酸作為嘌呤代謝的最后產物。其它多個生物則還能進一步分離尿酸，形成不同的代謝產物，直至最后分解為二氧化碳和氨。嘌呤堿的分解首先是在多個脫氨酶的作用下水解脫去氨基。腺嘌呤和鳥嘌呤水解脫氨分別生成次黃嘌呤和黃嘌呤。脫氨反映也能夠在核苷或核苷酸的水平上進行，動物組織中腺嘌呤脫氨酶的含量極少，而腺嘌呤核苷脫氨酶和腺嘌呤核苷酸脫氨酶的活性較高，因此，腺嘌呤的脫氨分解可在核苷或核苷酸的水平上發(fā)生，然后再水解生成次黃嘌呤。鳥嘌呤脫氨酶的分布較廣，鳥嘌呤的脫氨分解重要是在該酶的作用下生成的次黃嘌呤和黃嘌呤在黃嘌呤氧化酶（復合黃素酶，由兩個相似的亞基構成）的作用下氧化成尿酸。次黃嘌呤+氧氣+水→黃嘌呤+過氧化氫黃嘌呤+氧氣+水→尿酸+過氧化氫構造與次黃嘌呤很像的別嘌呤醇對黃嘌呤氧化酶含有很強的克制作用，因此有時候用它治療痛風。痛風是由于尿酸在體內過量積累所引發(fā)的。別嘌呤醇治療的患者排泄黃嘌呤和次黃嘌呤替代尿酸。別嘌呤純可被黃嘌呤氧化酶氧化成別黃嘌呤（別黃嘌呤與酶結合，使活性形式喪失）。這種底物類似物經酶作用后成為酶的滅活物，稱為自殺作用物。如前所述，尿酸的進一步分解代謝隨著不同種類生物而異，人和猿類缺少分解尿酸的能力。鳥類等排尿酸動物不僅可將嘌呤堿分解成尿酸，還能夠把大量其它含氮代謝物轉變成尿酸，再排出體外。然而大多數種類的生物能夠繼續(xù)分解尿酸。尿酸在尿酸氧化酶的作用下被氧化，同時脫掉二氧化碳而生成尿囊素。尿酸氧化酶是一種銅酶，它以氧作為直接電子受體，但產生過氧化氫不產生水。尿囊素是除了人以及猿類以外其它哺乳類嘌呤代謝的產物，其它多數種類生物則含有尿囊素酶，能水解尿囊素為尿囊酸尿囊酸是某些硬骨魚的嘌呤代謝物，尿囊酸在尿囊酸酶的作用下生成尿素和乙醛酸。尿素是多數魚類及兩棲類的嘌呤堿代謝產物。然而某些低等動物還能將尿素分解為氨和二氧化碳。嘧啶堿的分解核苷酸的生物合成嘌呤核糖核苷酸的合成生物體內不是先合成嘌呤堿，再與核糖和磷酸結合成核苷酸，而是從5-磷酸核糖焦磷酸開始，通過一系列酶促反映，生成次黃嘌呤核苷酸，然后再轉變?yōu)槠渌堰屎塑账?。次黃嘌呤核苷酸的合成（10步，自己手寫吧）腺嘌呤核苷酸的合成生物體內由次黃嘌呤核苷酸氨基化生成腺嘌呤核苷酸，共分為兩步：次黃嘌呤核苷酸在GTP供應能量的條件下與天冬氨酸合成腺苷酸琥珀酸，GDP則分解成GDP和正磷酸鹽，這個反映是由腺苷酸琥珀酸合成酶所催化的，中間產物腺苷酸琥珀酸即在腺苷酸琥珀酸裂解酶的催化下分解成腺嘌呤核苷酸和延胡索酸。天冬氨酸的構造類似物，羽田殺菌素可強烈克制腺苷酸琥珀酸合成酶的活性，從而制止腺苷琥珀酸的生成。鳥嘌呤核苷酸的合成次黃嘌呤核苷酸須經氧化生成黃嘌呤核苷酸。反映是由次黃嘌呤核苷酸脫氫酶所催化，并需要NAD+作為輔酶和鉀離子激活。黃嘌呤核苷酸再經氨基化即生成鳥嘌呤核苷酸。細菌直接以氨作為氨基供體；動物細胞則以谷氨酰胺的酰胺基作為氨基供體。氨基化時需要ATP供應能量。促使黃嘌呤核苷酸氨基化生成鳥嘌呤核苷酸的酶稱為鳥嘌呤核苷酸合成酶由嘌呤堿和核苷合成核苷酸（補救途徑）生物體內除了能以簡樸前體物質“從頭合成”核苷酸外，尚能由預先形成的堿基和核苷合成核苷酸，這是對核苷酸代謝的一種補救途徑，方便更經濟地運用已有的成分。核苷酸磷酸化酶所催化的轉核糖基的反映式可逆的，在特異的核苷磷酸化酶作用下，多個堿基可與1-磷酸核糖反映生成核苷：堿基+1-磷酸核糖=核苷+Pi由此生成的核苷在適宜磷酸激酶作用下，由ATP供應磷酸基，即形成核苷酸。但生物體內，除腺苷激酶外，缺少其它嘌呤核苷的激酶。顯然，在嘌呤類物質的再運用過程中，核苷激酶途徑即使不能完畢排除，也是不重要的。另一重要的途徑是自毀容貌癥（Lesch-Nyhan）是一種與X染色體連鎖的遺傳代謝病，患者患先天性缺少次黃嘌呤-鳥嘌呤磷酸核糖轉移酶。這種缺點是半性的隱形遺傳性狀，重要見之于男性，由于鳥嘌呤和次黃嘌呤補救途徑的障礙，造成過量產生尿酸。嘌呤核苷酸的從頭合成和補救途徑之間普通存在平衡。5-磷酸核糖胺的合成受到嘌呤核苷酸的克制；缺少補救途徑會引發(fā)嘌呤核苷酸合成速度的增加，成果大量積累尿酸，并造成腎結石和痛風。這些癥狀可通過別嘌呤醇對黃嘌呤氧化酶的克制而得到緩和，自毀容貌癥更嚴重的后果是招致自殘肢體，別嘌呤醇對此無效，現在還不懂得為什么缺少補救途徑為什么會造成如此的神經疾病癥狀。嘌呤核苷酸生物合成的調節(jié)嘌呤核苷酸的從頭合成受其兩個終產物腺苷酸和鳥苷酸的反饋控制，重要控制點有三個。第一種控制點在合成反映途徑的第一步，即氨基被轉移到5-磷酸核糖焦磷酸（PRPP）上以形成5-磷酸核糖銨。催化該反映的酶是一種變構酶，它可被終產物IMP、AMP、和GMP所克制。以此無論是IMP、AMP、或是GMP的過量積累均會造成由PRPP開始的合成途徑第一步反映的克制。另外兩個控制點分別位于次黃苷酸后分支途徑的第一步反映，這就使得GMP過量的變構效應僅克制其本身的形成，而不影響AMP的合成。反之，AMP的積累克制其本身的形成，而不影響GMP的生物合成。嘧啶核糖核苷酸的合成嘧啶核苷酸的嘧啶環(huán)是由氨甲酰磷酸和天冬氨酸合成的與嘌呤核苷酸不同的是，在合成嘧啶核苷酸時首先形成嘧啶環(huán)，再與磷酸核糖結合成乳清苷酸，然后生成尿嘧啶核苷酸，其它嘧啶核苷酸由尿嘧啶核苷酸轉變而成。胞嘧啶核苷酸的生物合成由尿嘧啶核苷酸轉變?yōu)榘奏ず塑账崾窃谀蜞奏ず塑杖姿岬乃缴线M行的。尿嘧啶核苷三磷酸（UTP）能夠由尿嘧啶核苷酸在對應的激酶下經ATP轉移磷酸基而生成。催化尿嘧啶核苷酸轉化為尿嘧啶核苷二磷酸的酶為特異的尿嘧啶核苷酸激酶，催化尿嘧啶核苷二磷酸轉化為尿嘧啶核苷三磷酸的酶為特異性較廣的核苷二磷酸激酶。尿嘧啶、尿嘧啶核苷、尿嘧啶核苷酸都不能氨基化成對應的胞嘧啶化合物，只有尿嘧啶核苷三磷酸才干氨基化生成胞嘧啶核苷酸三磷酸。在細菌中尿嘧啶核苷三磷酸能夠直接與按作用；動物組織則需由谷氨酰胺供應氨基。反映需要ATP提供能量。催化此反映的酶為CTP合成酶（胞嘧啶核苷三磷酸），此反映需要ATP提供能量。UTP＋谷氨酰胺＋ATP＋水＝CTP＋谷氨酸＋ADP＋Pｉ由嘧啶堿和核苷合成核苷酸生物體對外源的或核苷酸代謝產生的嘧啶堿和核苷能夠重新運用。在嘌呤核苷酸的補救途徑中，重要是通過磷酸核糖轉移酶反映，直接由堿基形成核苷酸。然而嘧啶核苷激酶在嘧啶的補救途徑中卻起著重要作用。例如尿嘧啶轉變?yōu)槟蜞奏ず塑账崮軌蛲ㄟ^兩種方式進行，一是與５－磷酸核糖焦磷酸反映。二是尿嘧啶與１－磷酸核糖反映生成尿嘧啶核苷，后者在尿苷激酶的作用下磷酸化而形成尿嘧啶核苷酸。嘧啶核苷酸生物合成的調節(jié)大腸桿菌中嘧啶核苷酸的生物合成可在三個控制點上受到終產物的反饋控制。合成途徑的第一種調節(jié)酶是氨甲酰磷酸合成酶，它受UMP的反饋克制。另外兩個調節(jié)酶是天冬氨酸轉氨甲酰酶和CTP合成酶，他們收CTP的反饋克制。前者克制將影響鳥苷酸和胞苷酸的合成，后者克制只影響胞苷酸的合成。脫氧核糖核苷酸的合成脫氧核糖核苷酸是脫氧核糖核酸的前體，脫氧核糖核苷酸可由核糖核苷酸還原而成。腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶核糖核苷酸經還原（核糖核酸還原酶），將其中核糖第二位碳原子上的氧脫去，即成為對應的脫氧核糖核苷酸。胸腺嘧啶脫氧核糖核苷酸的形成需要兩個環(huán)節(jié)，首先由尿嘧啶核糖核苷酸還原形成尿嘧啶脫氧核糖核苷酸，再由尿嘧啶脫氧核糖核苷酸甲基化轉變成胸腺嘧啶（）。四種核苷或（脫氧核苷）磷酸可分別在特異的核苷一磷酸激酶作用下，由ATP供應磷酸基，而轉變成為核苷（或脫氧核苷）二磷酸。脫氧核糖核苷酸也能運用已有的堿基和核苷進行合成，但是體內不存在對應于磷酸核糖轉移酶的脫氧核糖化合物。脫氧核糖核苷可由堿基和脫氧-1-磷酸在嘌呤或嘧啶核苷磷酸化酶的催化下形成。四種脫氧核糖核苷能夠分別在特異的脫氧核糖核苷激酶和ATP的作用下，被磷酸而形成對應的脫氧核糖核苷酸。微生物體內存在的核苷脫氧核糖基轉移酶，還能夠使堿基與脫氧核糖核苷之間互相轉變，例如胸腺嘧啶和脫氧腺苷可轉化為脫氧胸苷和腺嘌呤。胸腺嘧啶核苷酸的合成催化此反映的酶稱作胸腺嘧啶核苷酸合酶，甲基的供體是，其給出甲基后即變成二氫葉酸，二氫葉酸再經二氫葉酸還原酶作用下生成四氫葉酸，四氫葉酸是一碳單位的載體，它在嘌呤和嘧啶核苷酸的生物合成中起著重要作用，某些葉酸的構造類似物，如氨基蝶呤、氨甲蝶呤等，能與二氫葉酸還原酶發(fā)生不可逆結合，成果組織了四氫葉酸的生成，從而克制了它參加多個