第十三章核酸代谢 核酸存在于每一个活细胞中,是遗传信息的携带者和传递者。核酸由核苷酸所组成,核苷酸的组成 物质为嘌呤、嘧啶、核酸及核糖(或脱氧核糖) 第一节核酸的合成代谢 核苷酸的生物合成 生物体可以利用天冬氨酸、甘氨酸、谷氨酰胺、CO、甲酰FH4、核糖-5-磷酸等化合物合成嘌呤核苷 酸。在生物体中首先合成的嘌呤核苷酸为次黄嘌呤核核苷酸(MP,也叫肌苷酸),再由次黄嘌呤核苷酸转 变为其它嘌呤核苷酸 (一)嘌呤核苷酸的生物合成 呤9个原子的来源如图13-1,整个合成过程如图13-2。总反应是 2NH3+2甲酸+CO2+甘氨酸+天冬氨酸+核糖-5-磷酸一MP延胡索酸+9H2O 来自CO2 来自天冬氨酸一→ 来自甘氨酸 来自甲酸 来自甲酸 俫来自谷氨酰胺的酰胺氮 图13-1嘌呤分子中各原子的来源 嘌呤核苷酸的生物合成过程是在多种酶的催化下进行的。在癌细胞内,核酸的合成比正常细胞进行 得强烈,如果能抑制核苷酸的合成,即可抑制癌细胞的生长 由IMP可进一步转变为腺苷酸(AMP)和鸟苷酸(GMP) NHO 天冬氨酸延胡索酸 GDP+P R-5-P R-5-P 次黄嘌呤核苷酸 5-腺嘌呤核苷酸 (AMP) NAD +H NADH+h GIn AtP Glu AMP, PPi R-5-P 黄嘌呤核苷酸 鸟嘌呤核苷酸 CXMP (GMP)
第十三章 核 酸 代 谢 核酸存在于每一个活细胞中，是遗传信息的携带者和传递者。核酸由核苷酸所组成，核苷酸的组成 物质为嘌呤、嘧啶、核酸及核糖(或脱氧核糖)。 第一节 核酸的合成代谢 一、核苷酸的生物合成 生物体可以利用天冬氨酸、甘氨酸、谷氨酰胺、CO2、甲酰FH4、核糖-5-磷酸等化合物合成嘌呤核苷 酸。在生物体中首先合成的嘌呤核苷酸为次黄嘌呤核核苷酸(IMP，也叫肌苷酸)，再由次黄嘌呤核苷酸转 变为其它嘌呤核苷酸。 (一) 嘌呤核苷酸的生物合成 嘌呤 9 个原子的来源如图 13-1，整个合成过程如图 13-2。总反应是： 2NH3 +2甲酸+CO2 +甘氨酸+天冬氨酸+核糖-5-磷酸 IMP+ 延胡索酸+ 9H2O N HC N C C H C N N CH 来自CO2 来自甘氨酸 来自甲酸 来自天冬氨酸 来自甲酸 来自谷氨酰胺的酰胺氮 1 2 3 4 5 6 7 8 9 图13-1 嘌呤分子中各原子的来源 嘌呤核苷酸的生物合成过程是在多种酶的催化下进行的。在癌细胞内，核酸的合成比正常细胞进行 得强烈，如果能抑制核苷酸的合成，即可抑制癌细胞的生长。 由 IMP 可进一步转变为腺苷酸(AMP)和鸟苷酸(GMP)。 HN N N N O Mg+ N N N N NH2 (IMP) (AMP) NAD++H2O NADH+H+ HN N H N N O O HN N N N O H2N Mg+ (XMP) R-5'-P 天冬氨酸 延胡索酸 GTP GDP+Pi 次黄嘌呤核苷酸 5'-腺嘌呤核苷酸 Gln ATP Glu AMP, PPi 黄嘌呤核苷酸 鸟嘌呤核苷酸 (GMP) R-5'-P R-5'-P R-5'-P 259
=P-o-CH nH GintH,O PPi+Glu 5-磷酸核糖焦磷酸 酸核糖胺 ADP+Pi CH,NH, CHO O=P—0—Cl Glu+ADP+Pi ATP+GIn+H THFA H2O+5,10甲川THA R-5-P 甲酰甘氨眯核苷酸 甲酰甘氨酰胺核苷酸 甘氨酰胺核苷酸 COOH ADP+Pi OOC L-Asp+ATP ADP+Pi COOH .5-P R-5-P 5-氨基咪唑-N-琥珀基)甲酰胺核苷酸 5-氨基咪唑核苷酸 5-氨基咪唑-」-羧酸核苷酸 延胡索酸 THFA5,10-甲酰THFA H,N R-5-P 次黄嘌呤核苷酸 5-甲酰胺基咪唑-4-氨甲酰核苷酸 5-胺基咪唑-4-氨甲酰核苷酸 图13-2次黄嘌呤核苷酸的合成途径 (二)嘧啶核苷酸的生物合成 嘧啶环的各个原子是从CO2、NH3、天冬氨酸来的: 来自NH 氨甲酰磷酸一 来自天冬氨酸 嘧啶核苷酸的合成途径见图13-3。在生物体内,首先合成尿嘧啶核苷酸(UMP),然后可转变为胞嘧 啶核苷酸(TMP)
O OH H H H CH2 H OH O P O O O O P O O O P O O O O OH H H H CH2 H OH O P O O O NH O CH2NH2 O OH H H H CH2 H OH O P O O O NH2 NH HN H N CHO Gln+H2O PPi+Glu Mg2+ 甘氨酸 ATP ADP+Pi Glu+ADP+Pi THFA H2O+5,10-甲川 THFA 5-磷酸核糖焦磷酸 5-磷酸核糖胺 甲酰甘氨眯核苷酸 甲酰甘氨酰胺核苷酸 甘氨酰胺核苷酸 Mg2+ Mg2+ Mg2+,K+ Mg2+,K+ ADP+Pi ATP N N H2N CO2 5-氨基咪唑核苷酸 N N H2N OOC 5-氨基咪唑-4-羧酸核苷酸 L-Asp+ATP ADP+Pi N N H2N O N H COOH COOH 5-氨基咪唑-4-(N-琥珀基)甲酰胺核苷酸 Mg2+ Mg2+ N N H C O H2N THFA 5,10-甲酰THFA H O C N H2O N C O HN N H2N C O H2N 次黄嘌呤核苷酸 5-甲酰胺基咪唑-4-氨甲酰核苷酸 5-胺基咪唑-4-氨甲酰核苷酸 图13-2 次黄嘌呤核苷酸的合成途径 ATP+Gln+H2O 延胡索酸 R-5'-P NH O H N CHO R-5'-P R-5'-P R-5'-P R-5'-P R-5'-P R-5'-P R-5'-P (二)嘧啶核苷酸的生物合成 嘧啶环的各个原子是从CO2、NH3、天冬氨酸来的： NH3 CO2 N C N C C C 氨甲酰磷酸 来自 来自 来自天冬氨酸 1 3 2 4 5 6 嘧啶核苷酸的合成途径见图 13-3。在生物体内，首先合成尿嘧啶核苷酸(UMP)，然后可转变为胞嘧 啶核苷酸(TMP)。 260
HOOC HOOC NH NH, CH CH—COOH H--COOH O-PO3H2 H,N 氨甲酰磷酸 天冬氨酸 氨甲酰天冬氨酸 二氢乳清酸 NAD+ NADH+H 、人玳 COOH 乳清酸 乳清苷酸 尿嘧啶核苷酸 图13-3尿苷酸的生物合成途径 (三)脱氧核糖核苷酸的合成 脱氧核糖核苷酸是由相应的核糖核苷酸还原生成的。作为被还原的底物是核糖核苷二磷酸,即 ADP、GDP、CDP、UDP,作为还原剂的是一种小分子蛋白硫氧还蛋白。在乳杆菌和裸藻内的还原系统 用核苷三磷酸作为被还原底物,需要钴酰胺辅酶(维生素B12),二氢硫辛酸可作为还原剂。 在DNA分子中还有一种脱氧核苷酸,即胸腺嘧啶脱氧核苷酸(ΦIMP),它是由尿嘧啶脱氧核苷酸 (dUMP)经甲基化生成的。dUDP先经水解生成dUMP dUDP +H,o dUMP+Pi 由胞嘧啶脱氧核苷酸(dCMP)脱氨也可生成dUMP: dCMP+ Ho dUMP+NH3 然后,dUMP在胸腺核苷酸合成酶催化下,以N510亚甲基四氢叶酸为一碳供体,生成dTMP: 匈腺嘧啶核苷酸合成酶 NN0.甲叉二氢叶酸 氢叶酸 dR-5'-P dR-5-P 尿嘧啶脱氧核糖核苷酸 胸腺嘧啶核苷酸 (dUMP (dTMP) 各种核苷酸合成的相互关系如图13-4所示
C NH2 O O PO3H2 CH CH2 COOH C NH2 O N H CH CH2 HOOC H2N HOOC NAD+ NADH+H+ HN N H O COOH O H2O HN N H O COOH O PRPP PPi HN N O COOH O HN N O O CO2 + Pi R-5'-P 天冬氨酸 氨甲酰天冬氨酸 二氢乳清酸 乳清酸 乳清苷酸 尿嘧啶核苷酸 氨甲酰磷酸 COOH 图13-3 尿苷酸的生物合成途径 R-5'-P (三)脱氧核糖核苷酸的合成 脱氧核糖核苷酸是由相应的核糖核苷酸还原生成的。作为被还原的底物是核糖核苷二磷酸，即 ADP、GDP、CDP、UDP，作为还原剂的是一种小分子蛋白硫氧还蛋白。在乳杆菌和裸藻内的还原系统 用核苷三磷酸作为被还原底物，需要钴酰胺辅酶(维生素B12)，二氢硫辛酸可作为还原剂。 在 DNA 分子中还有一种脱氧核苷酸，即胸腺嘧啶脱氧核苷酸(dTMP)，它是由尿嘧啶脱氧核苷酸 (dUMP)经甲基化生成的。dUDP 先经水解生成 dUMP： dUDP + H2O dUMP+Pi 由胞嘧啶脱氧核苷酸(dCMP)脱氨也可生成 dUMP： dCMP + H2O dUMP+NH3 然后，dUMP在胸腺核苷酸合成酶催化下，以N5,10-亚甲基四氢叶酸为一碳供体，生成dTMP： HN N O O HN N O O CH3 dR-5'-P 胸腺嘧啶核苷酸合成酶 N 二氢叶酸 5 N10- 甲叉 四氢叶酸 尿嘧啶脱氧核糖核苷酸 胸腺嘧啶核苷酸 (dUMP) (dTMP) dR-5'-P 各种核苷酸合成的相互关系如图 13-4 所示。 261
ATP+核糖-5-磷酸 5-磷酸核糖焦磷酸 HCO3+2ATP+谷氨酰胺 谷氨酰胺,H2O 谷氨酸,2ADP,P 谷氨酸,PPi 氨甲酰磷酸 5-磷酸核糖胺 一天冬氨酸 dAMP+dADP→dATP 氨甲酰天冬氨酸 腺嘌呤 腺嘌呤核苷 乳清酸 次黄嘌呤一MP→-AMP一ADP→ATP 5-磷酸核糖焦磷酸 P一dGTP 鸟嘌呤 dGMP← dgdP dGT 尿嘧啶 胞嘧啶一CMP→CDP+CTP←UP←UDP+UMP 尿嘧啶核苷 dCTP+ dCDP- dCMP-dUMP→dUDP→dUTP 脱氧胞嘧啶核苷dTMP→dIDP←dITP 脱氧胸腺嘧啶核苷 图13-4各种核苷酸合成的相互关系 、核酸的生物合成 蛋白质的合成是以RNA为模板的,而RNA分子中的碱基排列顺序又是由DNA决定的。这个由 DNA决定RNA分子的碱基顺序,又由RNA决定蛋白质分子的氨基酸顺序的理论,称为“中心法则”。劳 氏肉瘤病毒的RNA可以在寄主细胞内作为模板转录成DNA,也即所谓逆向转录,是对Cr在1958年 最初提出的“中心法则”的补充,因而遗传信息的流向可概括为 复制DNA 复制 蛋白质 逆转录 RNA (一)DNA的生物合成 DNA复制DNA为双股螺旋结构,在DNA复制时,亲代DNA的双螺旋先行解旋,然后以每条 链为模板,按照碱基配对原则,在这两条链上各形成一条互补链。这样,从亲代DNA的一个双股螺旋 便形成两个双股螺旋链,在每一个新形成的双螺旋中,一条链是从亲代DNA来的,另一条是新形成 的。DNA的这种复制方式称为半保留复制,也就是说,亲代DNA双股链有一半(一条)保留在子代DNA 的双股链中。在细胞分裂时,DNA以半保留方式进行复制,从而能够保证亲代细胞的遗传信息准确无误 地传给子代细胞,使新形成的细胞中的DNA和亲代细胞的DNA完全相同,保证了生物在遗传上的相对 稳定性 在DNA复制时,从复制起点开始,可以朝DNA链的一个或两个方向进行复制,而以双向复制较为 常见。在起点处,双股螺旋解开,形成一个“眼”状结构。在“眼”的两端,双股DNA链呈Y状,称为复制 叉。两条DNA链的复制均是朝5→3′方向进行的。由于两条DNA链是反向平行的,因而复制的大部分 都是半不连续的。其中5→3方向的一条链为领头链,其复制则是相对地连续的。另一条3→5方向的 反向平行链称随后链,其复制则是不连续的分段复制。随后链上由不连续的、分段复制而成的短片段叫 做冈崎片段。在DNA合成酶系的作用下,将各段DNA链连接,最后便形成一条DNA长链。 2.DNA的逆向转录催化以RNA为模板合成DNA的酶叫逆转录酶。逆转录酶也和DNA聚合酶 样,沿5→3′方向合成DNA,并要求短链RNA作为引物。当某些病毒侵染寄主细胞后,便以病毒的 RNA为模板,在逆转录酶催化下,合成一条与RNA互补的DNA链,这条DNA链与病毒的RNA链组 成 RNA-DNA杂交分子,以后,再以 RNA-DNA杂交分子的DNA为模板,在寄主细胞的DNA聚合酶作 用下,合成一条DNA互补链,这样便形成了新的双链DNA分子。这个过程可用下式表示 62
ATP AMP H2O PPi XMP IMP AMP ADP ATP HCO3 - + 2ATP + PPi CO2 CMP CDP CTP UTP UDP UMP + 核糖-5-磷酸 谷氨酰胺， 谷氨酸， 5-磷酸核糖胺 腺嘌呤 腺嘌呤核苷 次黄嘌呤 黄嘌呤 鸟嘌呤 胞嘧啶 脱氧胞嘧啶核苷 脱氧胸腺嘧啶核苷 谷氨酰胺 谷氨酸 氨甲酰磷酸 天冬氨酸 氨甲酰天冬氨酸 乳清酸 5-磷酸核糖焦磷酸 乳清苷酸 尿嘧啶 尿嘧啶核苷 dAMP dADP dATP GMP GDP dGTP dGMP dGDP dGTP dTMP dTDP dTTP , 2ADP, Pi dCTP dCDP dCMP dUMP dUDP dUTP 5-磷酸核糖焦磷酸 图13-4 各种核苷酸合成的相互关系 二、核酸的生物合成 蛋白质的合成是以 RNA 为模板的，而 RNA 分子中的碱基排列顺序又是由 DNA 决定的。这个由 DNA 决定 RNA 分子的碱基顺序,又由 RNA 决定蛋白质分子的氨基酸顺序的理论，称为“中心法则”。劳 氏肉瘤病毒的 RNA 可以在寄主细胞内作为模板转录成 DNA，也即所谓逆向转录，是对 Crik 在 1958 年 最初提出的“中心法则”的补充，因而遗传信息的流向可概括为： 复制 DNA 复制 RNA 转录 逆转录 翻 译 蛋白质 (一)DNA 的生物合成 1.DNA 复制 DNA 为双股螺旋结构，在 DNA 复制时，亲代 DNA 的双螺旋先行解旋，然后以每条 链为模板，按照碱基配对原则，在这两条链上各形成一条互补链。这样，从亲代 DNA 的一个双股螺旋 便形成两个双股螺旋链，在每一个新形成的双螺旋中，一条链是从亲代 DNA 来的，另一条是新形成 的。DNA 的这种复制方式称为半保留复制，也就是说，亲代 DNA 双股链有一半(一条)保留在子代 DNA 的双股链中。在细胞分裂时，DNA 以半保留方式进行复制，从而能够保证亲代细胞的遗传信息准确无误 地传给子代细胞，使新形成的细胞中的 DNA 和亲代细胞的 DNA 完全相同，保证了生物在遗传上的相对 稳定性。 在 DNA 复制时，从复制起点开始，可以朝 DNA 链的一个或两个方向进行复制，而以双向复制较为 常见。在起点处，双股螺旋解开，形成一个“眼”状结构。在“眼”的两端，双股 DNA 链呈 Y 状，称为复制 叉。两条 DNA 链的复制均是朝 5´→3´方向进行的。由于两条 DNA 链是反向平行的，因而复制的大部分 都是半不连续的。其中 5´→3´方向的一条链为领头链，其复制则是相对地连续的。另一条 3´→5´方向的 反向平行链称随后链，其复制则是不连续的分段复制。随后链上由不连续的、分段复制而成的短片段叫 做冈崎片段。在 DNA 合成酶系的作用下，将各段 DNA 链连接，最后便形成一条 DNA 长链。 2.DNA 的逆向转录 催化以 RNA 为模板合成 DNA 的酶叫逆转录酶。逆转录酶也和 DNA 聚合酶一 样，沿 5´→3´方向合成 DNA，并要求短链 RNA 作为引物。当某些病毒侵染寄主细胞后，便以病毒的 RNA 为模板，在逆转录酶催化下，合成一条与 RNA 互补的 DNA 链，这条 DNA 链与病毒的 RNA 链组 成 RNA-DNA 杂交分子，以后，再以 RNA-DNA 杂交分子的 DNA 为模板，在寄主细胞的 DNA 聚合酶作 用下，合成一条 DNA 互补链，这样便形成了新的双链 DNA 分子。这个过程可用下式表示： 262
单链病毒RN 逆转录酶 RNA-DNA DNA聚合酶双 链DNA 杂交分子 (前病毒) (二)RNA的生物合成 1、转录转录是在DNA指导的RNA聚合酶催化下进行的,以DNA的一条链为模板,按照碱基配 对原则,合成一条与DNA链的一定区段互补的RNA链。这个过程称为转录。转录通常只在DNA的任 条链上进行,所以又称为不对称转录。进行转录的DNA链称为有意义链,另一条链称为反意义链。 在转录过程中,除在RNA中以尿嘧啶代替DNA中的胸腺嘧啶而与腺嘌呤配对,即A=U代替A=T外, 其余互补碱基不变。转录用ATP、GTP、CTP、UITP四种三磷酸核糖核苷作为反应物,生成核糖核酸 (RNAo 在真核细胞中,转录是在细胞核内进行的。在细胞核中,合成rRNA的酶和基因存在于核仁内,而 合成mRNA和tRNA的酶则位于核质中。此外,在线粒体和叶绿体内也可进行转录。在原核细胞内, RNA聚合酶则存在于细胞质中。 2、RNA的复制有些生物中,核糖核酸还可以是遗传信息的基本携带者,并能通过复制而合成出 与其自身相同的分子。例如,某些RNA病毒,当它侵入寄主细胞后即可借助于复制酶(RNA指导的RNA 聚合酶)而进行病毒RNA的复制。这种酶以病毒RNA作模板,在有四种核苷三磷酸和镁离子存在时合成 出与模板性质相同的RNA。这种病毒的全部遗传信息均贮存在RNA之中 第二节核酸的分解代谢 核酸的分解 在生物体内,核酸可被不同酶类分解。在高等动物的胰脏中形成核酸酶,分泌至胰液中,在肠腔内 将核酸分解。分解核酸的酶有多种,按其作用位置可分为核酸外切酶(EC3.1.16)和核酸内切酶 (EC3.121-31)两个亚类。 1、核酸外切酶核酸外切酶作用于核酸链的末端,逐个水解下核苷酸。有些核酸外切酶只作用于 DNA,称为脱氧核糖核酸外切酶,另一些则只作用于RNA,称为核糖核酸外切酶;但有些核酸外切酶可 以同时作用于DNA和RNA。有些核酸外切酶从核酸链的3'端开始,生成5-核苷酸(例如蛇毒核酸外切 酶):另一些则从5端开始而生成3′-核苷酸(如脾核酸外切酶);但也有一些核酸外切酶可从5端或3端 开始而生成5′-核苷酸的。 2、核酸内切酶核酸内切酶催化水解多核苷酸链内部的磷酸二酯键。有的核酸内切酶只作用于 DNA,有的只作用于RNA,有的可同时作用于DNA和RNA。有的核酸内切酶是对某些碱基顺序专一 的,例如限制性内切酶就是如此。有的则对碱基专一,例如牛胰的核酸酶水解嘧啶核苷酸二酯键。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 、核苷酸的降解代谢 、核苷酸的降解在生物体内,核苷酸在核苷酸酶催化下可发生水解,生成核苷和磷酸;在核苷磷 酸化酶作用下再被磷酸解为碱基(嘌呤或嘧啶)和戊糖-1-磷酸:核苷也可在核苷酶作用下水解为碱基和戊 核苷酸 +H2O核苷酸酶 H2O核苷+P~核苷磷酸化酶, 戊糖+碱基苷酶 碱基+戊糖-1-磷酸 2、嘌呤的降解在生物体内,嘌呤可进一步发生分解。首先,嘌呤在脱氨酶作用下脱去氨基:腺嘌 呤脱氨后生成次黄嘌呤,鸟嘌呤脱氨后生成黄嘌呤图13-5,反应ac)然后,在黄嘌呤氧化酶作用下,将次 黄嘌呤氧化为黄嘌呤,并进一步氧化为尿酸(图13-5,反应bd)。黄嘌呤氧化酶是一种黄素蛋白,含FAD 铁和钼。尿酸在尿酸氧化酶(一种含铜酶)作用下分解为尿囊素和CO图13-5,反应e)。尿囊素在尿囊素酶 作用下分解为尿囊酸(图13-5,反应f。尿囊酸再进一步在尿囊酸酶作用下水解为尿素和乙醛酸(图13-5,反
RNA RNA-DNA DNA DNA 单链病毒 聚合酶 双链 （前病毒） 逆转录酶 杂交分子 (二)RNA 的生物合成 1、转录 转录是在 DNA 指导的 RNA 聚合酶催化下进行的，以 DNA 的一条链为模板，按照碱基配 对原则，合成一条与 DNA 链的一定区段互补的 RNA 链。这个过程称为转录。转录通常只在 DNA 的任 一条链上进行，所以又称为不对称转录。进行转录的 DNA 链称为有意义链，另一条链称为反意义链。 在转录过程中，除在 RNA 中以尿嘧啶代替 DNA 中的胸腺嘧啶而与腺嘌呤配对，即 A=U 代替 A=T 外， 其余互补碱基不变。转录用 ATP、GTP、CTP、UTP 四种三磷酸核糖核苷作为反应物，生成核糖核酸 (RNA)。 在真核细胞中，转录是在细胞核内进行的。在细胞核中，合成 rRNA 的酶和基因存在于核仁内，而 合成 mRNA 和 tRNA 的酶则位于核质中。此外，在线粒体和叶绿体内也可进行转录。在原核细胞内， RNA 聚合酶则存在于细胞质中。 2、RNA 的复制 有些生物中，核糖核酸还可以是遗传信息的基本携带者，并能通过复制而合成出 与其自身相同的分子。例如，某些 RNA 病毒，当它侵入寄主细胞后即可借助于复制酶(RNA 指导的 RNA 聚合酶)而进行病毒 RNA 的复制。这种酶以病毒 RNA 作模板，在有四种核苷三磷酸和镁离子存在时合成 出与模板性质相同的 RNA。这种病毒的全部遗传信息均贮存在 RNA 之中。 第二节 核酸的分解代谢 一、核酸的分解 在生物体内，核酸可被不同酶类分解。在高等动物的胰脏中形成核酸酶，分泌至胰液中，在肠腔内 将核酸分解。分解核酸的酶有多种，按其作用位置可分为核酸外切酶(EC3.1.11-6)和核酸内切酶 (EC3.1.21-31)两个亚类。 1、核酸外切酶 核酸外切酶作用于核酸链的末端，逐个水解下核苷酸。有些核酸外切酶只作用于 DNA，称为脱氧核糖核酸外切酶，另一些则只作用于 RNA，称为核糖核酸外切酶；但有些核酸外切酶可 以同时作用于 DNA 和 RNA。有些核酸外切酶从核酸链的 3´端开始，生成 5´-核苷酸(例如蛇毒核酸外切 酶)；另一些则从 5´端开始而生成 3´-核苷酸(如脾核酸外切酶)；但也有一些核酸外切酶可从 5´端或 3´端 开始而生成 5´-核苷酸的。 2、核酸内切酶 核酸内切酶催化水解多核苷酸链内部的磷酸二酯键。有的核酸内切酶只作用于 DNA，有的只作用于 RNA，有的可同时作用于 DNA 和 RNA。有的核酸内切酶是对某些碱基顺序专一 的，例如限制性内切酶就是如此。有的则对碱基专一，例如牛胰的核酸酶水解嘧啶核苷酸二酯键。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。 二、核苷酸的降解代谢 1、核苷酸的降解 在生物体内，核苷酸在核苷酸酶催化下可发生水解，生成核苷和磷酸；在核苷磷 酸化酶作用下再被磷酸解为碱基(嘌呤或嘧啶)和戊糖-1-磷酸；核苷也可在核苷酶作用下水解为碱基和戊 糖： +H2O 核苷酸 核苷酸酶 戊糖+碱基 核苷 + Pi 碱基+戊糖-1-磷酸 核苷酶 核苷磷酸化酶 +H2O 2、嘌呤的降解 在生物体内，嘌呤可进一步发生分解。首先，嘌呤在脱氨酶作用下脱去氨基：腺嘌 呤脱氨后生成次黄嘌呤，鸟嘌呤脱氨后生成黄嘌呤(图 13-5,反应a,c)然后，在黄嘌呤氧化酶作用下，将次 黄嘌呤氧化为黄嘌呤，并进一步氧化为尿酸(图 13-5,反应b,d)。黄嘌呤氧化酶是一种黄素蛋白，含FAD、 铁和钼。尿酸在尿酸氧化酶(一种含铜酶)作用下分解为尿囊素和CO2(图 13-5,反应e)。尿囊素在尿囊素酶 作用下分解为尿囊酸(图 13-5,反应f)。尿囊酸再进一步在尿囊酸酶作用下水解为尿素和乙醛酸(图 13-5,反 应g) 263
脱氨酶、FN 腺嘌呤 次黄嘌呤 黄嘌呤氧化醃 H, 鸟嘌呤脱氨每 +H,O -NH3 鸟嘌呤 黄嘌呤氧化酶d H2O, 酸氧化酶 CO H2O2 2H20+0 尿囊素, 尿酸 H2O 尿囊素酶 f NH COOH OH 尿囊酸酶20 NH, N CHO 2H2O 尿囊酸 4NH +20 图13-5嘌呤碱的分解代谢 不同生物分解嘌呤碱的最终产物不同。人类和灵长类动物缺乏分解尿酸的能力,所以嘌呤代谢一般 止于尿酸。灵长类以外的一些其它哺乳动物可生成尿囊素,大多数鱼类则生成尿素。一些海洋无脊椎动 物可生成氨。植物的嘌呤代谢与动物相似。 3、嘧啶的降解嘧啶的降解也从脱氨开始,胞嘧啶脱氨后生成尿嘧啶(图13-6,反应a)。尿嘧啶或胸 腺嘧啶被还原为二氢尿嘧啶或二氢胸腺嘧啶(图13-6,反应bb)。二氢尿嘧啶经水解使环开裂,生成β-脲基 丙酸(图13-6,反应c);后者再水解生成NH3、CO2和β丙氨酸(图13-6,反应d)。二氢胸腺嘧啶亦发生类似水 解反应,先生成β-脲基异丁酸(图13-6,反应c),后生成NH3,CO2和β-氨基异丁酸(图13-6,反应d)。胞嘧 啶不能以游离状态直接分解,而是由胞嘧啶核苷开始发生脱氨分解。由尿嘧啶分解生成β-丙氨酸可用于 辅酶A的合成,也可发生转氨反应,生成甲酰乙酸( CHO-CH2COOH),以后转化为乙酸并通过三羧酸循环 分解,或转化为脂肪酸
N N N H N NH2 HN N N H N O +H2O -NH3 HN N H N H N O O O2+H2O H2O2 HN N H N H N O H2N +H2O -NH3 O2+H2O H2O2 HN N H N H H N O O O CO2 H2O2 NH2 C N H CH C O N H C H N O O H2O NH2 N H CH C O N H NH2 OH O O H2O C NH2 O NH2 CHO COOH a 腺嘌呤脱氨酶 腺嘌呤 次黄嘌呤 黄嘌呤氧化酶 b 鸟嘌呤脱氨每 c 鸟嘌呤 黄嘌呤 黄嘌呤氧化酶 d 尿酸氧化酶 2H2O+O2 尿囊素 尿酸 e f 尿囊素酶 g 尿囊酸酶 + 尿囊酸 尿素 2 乙醛酸 脲酶 2H2O h 4NH3+2CO2 图13-5 嘌呤碱的分解代谢 不同生物分解嘌呤碱的最终产物不同。人类和灵长类动物缺乏分解尿酸的能力，所以嘌呤代谢一般 止于尿酸。灵长类以外的一些其它哺乳动物可生成尿囊素，大多数鱼类则生成尿素。一些海洋无脊椎动 物可生成氨。植物的嘌呤代谢与动物相似。 3、嘧啶的降解 嘧啶的降解也从脱氨开始，胞嘧啶脱氨后生成尿嘧啶(图 13-6,反应a)。尿嘧啶或胸 腺嘧啶被还原为二氢尿嘧啶或二氢胸腺嘧啶(图 13-6,反应b,b´)。二氢尿嘧啶经水解使环开裂，生成β-脲基 丙酸(图 13-6,反应c)；后者再水解生成NH3、CO2和β-丙氨酸(图 13-6,反应d)。二氢胸腺嘧啶亦发生类似水 解反应，先生成β-脲基异丁酸(图 13-6,反应c´)，后生成NH3，CO2和β-氨基异丁酸(图 13-6,反应d´)。胞嘧 啶不能以游离状态直接分解，而是由胞嘧啶核苷开始发生脱氨分解。由尿嘧啶分解生成β-丙氨酸可用于 辅酶A的合成，也可发生转氨反应，生成甲酰乙酸(CHO·CH2·COOH)，以后转化为乙酸并通过三羧酸循环 分解，或转化为脂肪酸。 264
NAD(P)H+H NAD(P)* +H,O -NH3 胞嘧啶 尿嘧啶 氢尿嘧啶 NH3+CO2+H,NCH,CH, COOH _ +H2o NCoNHChCHCOOH β-丙氨酸 脉基丙酸 NAD(P)H+H NAD(P) CH H2O H,NCONHCHCHCOOH 脲基异丁酸 胸腺嘧啶 二氢胸腺嘧啶 CH3 NH3+CO2+ H2NCH2CHCOOH β-氨基异丁酸 图13-6嘧啶碱的分解代谢 第三节遗传工程 遗传工程也叫基因工程,是指将不同的DNA片段(如基因等)按人们的设计方案定向地连接起来,并 在特定的受体细胞中与载体一起得到复制与表达,使受体细胞获得新的遗传特性。基因是指具有特定生 物功能的DNA片段,如编码一个蛋白质分子或多肽。基因工程的用途主要有三个方面:一是利用DNA 重组技术大量生产一些在正常细胞代谢中产量很低的物质,如酶类;二是定向地改造生物基因组结构 使它某些具有经济价值的功能得以显著提高;三是将DNA重组技术应用于基础研究。 、DNA的限制醵图谱 限制性内切酶限制性内切酶主要在细菌中产生。限制酶具有极高的专一性,识别双链DNA上 特定的位点,将两条链都切断,形成粘性末端或平末端,其生物功能在于降解外面侵入的DNA,但不降 解自身细胞中的DNA,因为在自身DNA的酶切位点上经甲基化修饰而受到保护。 限制酶的特定酶切位点的长度在4~8个碱基对范围内,通常具回文结构。限制酶较为稳定,作用时 需Mg2及一定的盐浓度。常用限制酶约有100多种。已有商品出售,表13-1中列出了一些限制酶的切割 位点。 2、DNA的限制酶图谱将用分子克隆法,从单一克隆中扩增而制备的纯化DNA用不同的限制酶切 割,进行凝胶电泳分析。对环形DNA则找出一个对该DNA只有一个切位点的酶,以此点作为参考点, 根据测量凝胶电泳图上各酶切片段的长度,就可以决定各切点的位置。将各限制酶的切点位置标在DNA 分子图的相应位置上,即制成DNA的限制图谱。以便进行基因定位与摄取 65
N N H O NH2 HN N H O O HN N H O O NH3+CO2+H2NCH2CH2COOH H2NCONHCH2CH2COOH HN N H O O CH3 HN N H O O CH3 H2NCONHCH2CHCOOH +H2O -NH3 NAD(P)H+H+ NAD(P)+ NAD(P)H+H+ NAD(P)+ H2O H2O a b d +H2O c c' b' H2O d' NH3+CO2+ H2NCH2CHCOOH CH3 CH3 胞嘧啶 尿嘧啶 二氢尿嘧啶 胸腺嘧啶 二氢胸腺嘧啶 -脲基异丁酸 -丙氨酸 -脲基丙酸 β-氨基异丁酸 β β β 图13-6 嘧啶碱的分解代谢 第三节 遗传工程 遗传工程也叫基因工程，是指将不同的 DNA 片段(如基因等)按人们的设计方案定向地连接起来，并 在特定的受体细胞中与载体一起得到复制与表达，使受体细胞获得新的遗传特性。基因是指具有特定生 物功能的 DNA 片段，如编码一个蛋白质分子或多肽。基因工程的用途主要有三个方面：一是利用 DNA 重组技术大量生产一些在正常细胞代谢中产量很低的物质，如酶类；二是定向地改造生物基因组结构， 使它某些具有经济价值的功能得以显著提高；三是将 DNA 重组技术应用于基础研究。 一、DNA 的限制酶图谱 1、限制性内切酶 限制性内切酶主要在细菌中产生。限制酶具有极高的专一性，识别双链 DNA 上 特定的位点，将两条链都切断，形成粘性末端或平末端，其生物功能在于降解外面侵入的 DNA，但不降 解自身细胞中的 DNA，因为在自身 DNA 的酶切位点上经甲基化修饰而受到保护。 限制酶的特定酶切位点的长度在 4～8 个碱基对范围内，通常具回文结构。限制酶较为稳定，作用时 需Mg2+及一定的盐浓度。常用限制酶约有 100 多种。已有商品出售，表 13-1 中列出了一些限制酶的切割 位点。 2、DNA 的限制酶图谱 将用分子克隆法，从单一克隆中扩增而制备的纯化 DNA 用不同的限制酶切 割，进行凝胶电泳分析。对环形 DNA 则找出一个对该 DNA 只有一个切位点的酶，以此点作为参考点， 根据测量凝胶电泳图上各酶切片段的长度，就可以决定各切点的位置。将各限制酶的切点位置标在 DNA 分子图的相应位置上，即制成 DNA 的限制图谱。以便进行基因定位与摄取。 265
表13-1限制性内切藤识别的位置 识别位点 A-A-g EcoR I E coli r 5-N-GTA-A-T-T-C-N E. coli r 1—G一G-4-C-C-N5 EcoR II 5-CC-+-d-0- Hind I Hemophilus influence D -C-A-R-Y-T-G-5 J-G-TY-R-A-C T—c-G-A·A-5 HindI Hemophilus influence D 5-A-A-G--C-T-T Hpa Hemophilus parainfluenzae 5—N一G-TT一A-A-C-N N一G-G-c-c-N-5 HpallHemophilus parainfluenzae 5—C—C-G一G-N N一C-CG-G-N一5 Haelll Hemophilus aegypticus 5一N一G一G-C—C-N R代表嘌呤核苷酸,Y代表嘧啶核苷酸 、基因载体 将外源DNA片段带入受体细胞并在其中一起进行复制与表达的运载工具称为载体。细菌和酵母的质 粒,噬菌体(如λ噬菌体,M13)和病毒为常见的载体 质粒质粒是一种在细菌染色体以外的遗传单元,一般由环形双链DNA构成,其大小从1~ 200kb不等,可分两类。能独立进行复制而不受寄主细胞染色体复制全过程控制的质粒称松弛型控制质 粒。此类质粒常用作载体。质粒的复制受细菌染色体复制的严格控制,只有染色体本身复制时才能进行 复制的质粒称为严紧型控制质粒。因其拷贝数低而不宜作载体。 2、噬菌体λ噬菌体是大肠杆菌中的一种双链DNA噬菌体,在他的整个基因组中,有很大一部分 DNA序列对噬菌体的感染性并不是必需的。因此可用外源DNA取代。此时,噬菌体携带外源DNA 起增殖 另两个很有用的载体是噬菌体M13和装配型质粒。 、DNA重组技术 DNA重组技术包括三个步骤,第一步是把所需要的DNA片断(基因)和基因载体取出,使之进行基 因的体外重组;第二步是通过转化或感染将重组DNA引入受体细胞;第三步是筛选出含重组体的活细 胞,使目的基因成为细胞遗传物质的一部分,并使之有效地表达和稳定地遗传。 66
表 13-1 限制性内切酶识别的位置 酶 来源 识 别 位 点 EcoRⅠ E. coli R EcoRⅡ E. coli R HindⅡ Hemophilus influenzce D HindⅢ Hemophilus influenzce D HpaⅠ Hemophilus parainfluenzae HpaⅡ Hemophilus parainfluenzae HaeⅢ Hemophilus aegypticus R 代表嘌呤核苷酸，Y 代表嘧啶核苷酸 二、基因载体 将外源DNA片段带入受体细胞并在其中一起进行复制与表达的运载工具称为载体。细菌和酵母的质 粒，噬菌体(如λ噬菌体，M13)和病毒为常见的载体。 1、质粒 质粒是一种在细菌染色体以外的遗传单元，一般由环形双链 DNA 构成，其大小从 1～ 200kb 不等，可分两类。能独立进行复制而不受寄主细胞染色体复制全过程控制的质粒称松弛型控制质 粒。此类质粒常用作载体。质粒的复制受细菌染色体复制的严格控制，只有染色体本身复制时才能进行 复制的质粒称为严紧型控制质粒。因其拷贝数低而不宜作载体。 2、噬菌体 λ 噬菌体是大肠杆菌中的一种双链 DNA 噬菌体，在他的整个基因组中，有很大一部分 DNA 序列对噬菌体的感染性并不是必需的。因此可用外源 DNA 取代。此时，λ 噬菌体携带外源 DNA 一 起增殖。 另两个很有用的载体是噬菌体M13和装配型质粒。 三、DNA 重组技术 DNA 重组技术包括三个步骤，第一步是把所需要的 DNA 片断(基因)和基因载体取出，使之进行基 因的体外重组；第二步是通过转化或感染将重组 DNA 引入受体细胞；第三步是筛选出含重组体的活细 胞，使目的基因成为细胞遗传物质的一部分，并使之有效地表达和稳定地遗传。 266