生物化学, 核酸的酶促降解和核苷酸代谢 山农大生物化学与分子生物学系 第 1 页 共 8 页
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第八章 核酸的酶促降解和核苷酸代谢
第一节 核酸的酶促降解
第二节 核苷酸的降解代谢
第三节 核苷酸的合成代谢
生物化学, 核酸的酶促降解和核苷酸代谢 山农大生物化学与分子生物学系 第 2 页 共 8 页
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第一节 核酸的酶促降解
一、降解方式
3ˊ，5ˊ ——磷酸二酯键水解
（与蛋白质比较：蛋白质 降解酶 AA 肽键水解
二、核酸酶 水解核酸链中磷酸二酯键的酶
（一）按底物分
1,DNA 酶 2,RNA 酶 3．有的酶可作用于 DNA,RNA
（二）按作用方式分
1、核酸外切酶,与肽酶（肽链外切酶）,β —淀粉酶（淀粉外切酶）相当
作用于核苷酸链的一端，逐个水解下核苷酸。 非特异性磷酸二酯酶
3ˊ — 核酸外切酶
从 3ˊ-OH 端开始，生成 5ˊ-单核苷酸，如蛇毒磷酸二酯 E。
5ˊ — 核酸外切酶
从 5ˊ-OH 端开始，生成 3ˊ-单核苷酸，如牛脾磷酸二酯 E。
2、核酸内切酶 —— 特异地水解多核苷酸链内部各键。特异性磷酸二酯酶
如牛胰核酸酶 （有专一性）, 作用于嘧啶核苷酸的磷酸二酯键 （左边为嘧啶）
得嘧啶核苷 —3’—P 或末端为嘧啶核苷 —3’—P 的寡核苷酸。其专一作用于 RNA，对
DNA 及其他磷酸二酯化合物不作用或作用活性很低。
3、内切兼外切酶 例：核酸酶 P
1
先内切再外切。
核苷酸核酸酶
→?
核酸
H
2
O
牛脾磷
酸二酯 E
牛胰核酸 E
蛇毒磷酸
二脂 E
Py
OH
PP
PP
PP
P P
P
PP
H O
生物化学, 核酸的酶促降解和核苷酸代谢 山农大生物化学与分子生物学系 第 3 页 共 8 页
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限制性内切酶 ——细菌内存在的一类能识别水解外源双链 DNA 的核酸内切酶，称为限制性内切酶。这些酶主要是从细菌中分离得到，能识别特定的核苷酸顺序，但在细菌本身的 DNA 中，这些顺序已被（甲基化酶）甲基化，因而不被水解，
也就是说这些酶仅限于水解外源 DNA 以保护自身，故称为“限制性”酶。限制酶都以内切方式水解 DNA，产物 5ˊ为 p，3ˊ为 OH。
特点,有极高的专一性（对特定核苷酸顺序专一性，而非对一种或几种碱基专一）,对底物 DNA 有特异的识别位点（或识别序列） 。
根据限制性内切酶的识别顺序与切割位置是否一致、作用时所需辅因子以及是否含有修饰酶活性等将它们分成三类。
①I 型和Ⅲ型限制性内切酶 识别位点与切割位点不一致，因切割位点不固定，不产生特定的片段，应用少。
②Ⅱ型限制性内切酶
a.识别顺序的核苷酸数为 4-12 个，约一半是 6 个核苷酸，大多数识别顺序有二次对称轴（即所谓回文结构 ）,且富含 GC。回文结构：是一段自我互补的序列，
即同其互补链一样的序列。 （两者阅读方向都是从 5 ’ 3’）,分为三种 1、完全的回文序列 2、不完全的回文序列 3、间断的回文序列
b.切割点绝大多数在识别顺序中，或在识别顺序的两个组成部分之间。
c.Ⅱ型酶切割双链 DNA 后生成的片段末端有三种类型,
平齐末端
5ˊ突出的粘性末端
3ˊ突出的粘性末端
粘性末端,经限制性内切酶水解后形成的线状双链 DNA 中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。
d.由于Ⅱ型限制性内切酶识别并切割特定顺序，使大分子 DNA 产生特定片段，
这是重组 DNA 技术和快速测序法得以建立的重要基础。 作为分子生物学技术的工具，
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CO2
NH
3
应用极广。
限制性内切酶的命名较为特殊：如大肠杆菌的一种限制性内切 E——EcoRI
5ˊ pGAATTCp 3ˊ 5ˊ pG pAATTCp 3ˊ
3ˊ pCTTAAG 5ˊ 3ˊ pCTTAAp Gp 5ˊ
第二节 核苷酸的降解
一、核苷酸的降解
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。
二、嘌呤的降解
（硬骨鱼） (鱼类、两栖类 )
（低等动物）
黄嘌呤次黄嘌呤腺嘌呤氧化脱氨氧化
→→?
脱氨氧化鸟嘌呤尿酸
（人、猿、鸟）
尿囊素
（非灵长类哺乳动物）
尿囊酸 尿素
核苷酸核苷酸酶
i
P+核苷核苷核苷水解酶碱基戊糖 +
核苷 磷酸戊糖碱基+ 1
H
2
O
H
2
O
P
i
细菌属
EcoRI
菌名 菌株酶编号核苷磷酸化酶核苷水解酶只作用于 RNA，催化的反
应不可逆。只在植、微中存在
广泛存在，可逆
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此外，嘌呤的分解还可在核苷或核苷酸的水平上进行。
可以看出，生物进化程度愈高，则分解嘌呤的能力愈差。高等生物具有完善的排泄系统，可以直接将代谢废物排出体外。
三、嘧啶的降解
第三节 核苷酸的合成代谢
核苷酸在细胞内合成有两条基本途径,
1、从头合成或从无到有途径：由 AA、磷酸戊糖、CO 2 和NH 3 等简单的化合物合成核苷酸
2、补救途径：由预先形成的碱基或核苷合成核苷酸。
一、嘌呤核苷酸的合成
（一）嘌呤环组成成分来源
CO2 甲酸 Asp Gln Gly
（二）合成过程
以 PRPP（5-磷酸核糖-1-焦磷酸）为基础，在其上逐渐形成嘌呤环。先形成咪唑环后形成嘧啶环。
合成要点,P296 （1）嘌呤核苷酸的合成并不是先形成游离的嘌呤，然后生成核苷酸，而是直接形成 IMP。 （2）各个原子在 PRPP 1 位 C 上逐渐加上去。 （古老砌墙式）
CoASH
菌属
CO
2
,NH
3
β－丙氨酸尿嘧啶胞嘧啶脱氨氧化
→?
胸腺嘧啶
CO
2
,NH
3
β－ 氨基异丁酸二氢衍生物二氢衍生物还原开环开环
N
CO
2
Asp
N
C CC
C
NN
C
Gln
Gly
甲酸盐甲酸盐还原
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二、嘧啶核苷酸的合成
（一）嘧啶环组成成分来源
氨甲酰磷酸 Asp
（二）合成过程
（1）与嘌呤核苷酸“从头合成”的反应顺序相反，嘧啶核苷酸的合成是先形成嘧啶环，再与核糖磷酸（由 PRPP 提供）结合形成嘧啶核苷酸。
（2）胞嘧啶核苷酸是在尿苷三磷酸水平上由 Gln 提供氨基转变而成。
特点,先形成环，再装到“PRPP”上,“装配式”合成。
NH
3
+CO
2
ATP ADP
NH
2
COO P
氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸乳清酸
UM P
ATP
ADP
UDP
ATP
ADP
UTP
UTP+NH
3
ATP ADP+P
i
CTP
Asp
PRPP
UM P
甲酸
PRPPP
R 5 P
ATP
Gly Gln
Asp
IMP
AM P
GM P
Asp
GTP
Gln
ATP
O
OCH
2P PP
甲酸
CO
2
Gln
NH
CO
2
2
N
C
N
CC
C
Asp
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三、脱氧核苷酸的合成
在二磷酸水平合成，特殊的在三磷酸水平。即由核糖核苷二磷酸还原而成。
催化此反应的酶系统：硫氧还蛋白、硫氧还蛋白还原酶和核糖核苷酸还原酶。
此外 GSH 也可代替硫氧还蛋白作电子供体。
四、脱氧胸苷酸的合成
有两条途径,
（1）以 dUMP 为原料
（2）补救途径,
胸腺嘧啶+脱氧核糖-1-磷酸 dT+Pi
dT+ATP dTMP+ADP
五、补救途径
核苷酸的合成也可由碱基或核苷合成，称之为补救途径。
胸腺嘧啶核苷酸合成酶二氢叶酸
()甲基供体亚甲四氢叶酸?
10
,
5
NN
UDP dUDP dUM P
dTM P
硫氧还蛋白
SH
SH
S
S
NDP dNDP
NADP
+
NADPH +H
核糖核苷二磷酸还原酶蛋白还原酶硫氧还硫氧还蛋白
胸苷磷酸化酶
→?
胸苷激酶生物化学, 核酸的酶促降解和核苷酸代谢 山农大生物化学与分子生物学系 第 8 页 共 8 页
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（胞苷酸除外）
六、一、二、三磷酸核苷的转化
在生物体内，核苷酸往往以核苷二磷酸、核苷三磷酸的形式参与合成反应。这些 NDP 或 NTP 的生成是在 NMP 水平上，由 ATP 提供磷酸根，由相应专一的激酶所催化合成。
核苷二磷酸激酶使核苷二磷酸和核苷三磷酸相互转变，该酶的特异性很低，所有核苷二磷酸和核苷三磷酸都可以作为磷酸根的受体和供体。
七、各种核苷酸合成的相互关系 （P 226图）
PRPP
PP
i
1
P
i
R P
ATP
ADP
嘧啶嘌呤核苷核苷酸
X
1
MP+X
2
TP X
1
DP+X
2
DP
XMP XDP
ATP
ADP
ATP
ADP
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第一节 核酸的酶促降解
第二节 核苷酸的降解代谢
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第一节 核酸的酶促降解
一、降解方式
3ˊ，5ˊ ——磷酸二酯键水解
（与蛋白质比较：蛋白质 降解酶 AA 肽键水解
二、核酸酶 水解核酸链中磷酸二酯键的酶
（一）按底物分
1,DNA 酶 2,RNA 酶 3．有的酶可作用于 DNA,RNA
（二）按作用方式分
1、核酸外切酶,与肽酶（肽链外切酶）,β —淀粉酶（淀粉外切酶）相当
作用于核苷酸链的一端，逐个水解下核苷酸。 非特异性磷酸二酯酶
3ˊ — 核酸外切酶
从 3ˊ-OH 端开始，生成 5ˊ-单核苷酸，如蛇毒磷酸二酯 E。
5ˊ — 核酸外切酶
从 5ˊ-OH 端开始，生成 3ˊ-单核苷酸，如牛脾磷酸二酯 E。
2、核酸内切酶 —— 特异地水解多核苷酸链内部各键。特异性磷酸二酯酶
如牛胰核酸酶 （有专一性）, 作用于嘧啶核苷酸的磷酸二酯键 （左边为嘧啶）
得嘧啶核苷 —3’—P 或末端为嘧啶核苷 —3’—P 的寡核苷酸。其专一作用于 RNA，对
DNA 及其他磷酸二酯化合物不作用或作用活性很低。
3、内切兼外切酶 例：核酸酶 P
1
先内切再外切。
核苷酸核酸酶
→?
核酸
H
2
O
牛脾磷
酸二酯 E
牛胰核酸 E
蛇毒磷酸
二脂 E
Py
OH
PP
PP
PP
P P
P
PP
H O
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限制性内切酶 ——细菌内存在的一类能识别水解外源双链 DNA 的核酸内切酶，称为限制性内切酶。这些酶主要是从细菌中分离得到，能识别特定的核苷酸顺序，但在细菌本身的 DNA 中，这些顺序已被（甲基化酶）甲基化，因而不被水解，
也就是说这些酶仅限于水解外源 DNA 以保护自身，故称为“限制性”酶。限制酶都以内切方式水解 DNA，产物 5ˊ为 p，3ˊ为 OH。
特点,有极高的专一性（对特定核苷酸顺序专一性，而非对一种或几种碱基专一）,对底物 DNA 有特异的识别位点（或识别序列） 。
根据限制性内切酶的识别顺序与切割位置是否一致、作用时所需辅因子以及是否含有修饰酶活性等将它们分成三类。
①I 型和Ⅲ型限制性内切酶 识别位点与切割位点不一致，因切割位点不固定，不产生特定的片段，应用少。
②Ⅱ型限制性内切酶
a.识别顺序的核苷酸数为 4-12 个，约一半是 6 个核苷酸，大多数识别顺序有二次对称轴（即所谓回文结构 ）,且富含 GC。回文结构：是一段自我互补的序列，
即同其互补链一样的序列。 （两者阅读方向都是从 5 ’ 3’）,分为三种 1、完全的回文序列 2、不完全的回文序列 3、间断的回文序列
b.切割点绝大多数在识别顺序中，或在识别顺序的两个组成部分之间。
c.Ⅱ型酶切割双链 DNA 后生成的片段末端有三种类型,
平齐末端
5ˊ突出的粘性末端
3ˊ突出的粘性末端
粘性末端,经限制性内切酶水解后形成的线状双链 DNA 中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。
d.由于Ⅱ型限制性内切酶识别并切割特定顺序，使大分子 DNA 产生特定片段，
这是重组 DNA 技术和快速测序法得以建立的重要基础。 作为分子生物学技术的工具，
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CO2
NH
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应用极广。
限制性内切酶的命名较为特殊：如大肠杆菌的一种限制性内切 E——EcoRI
5ˊ pGAATTCp 3ˊ 5ˊ pG pAATTCp 3ˊ
3ˊ pCTTAAG 5ˊ 3ˊ pCTTAAp Gp 5ˊ
第二节 核苷酸的降解
一、核苷酸的降解
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。
二、嘌呤的降解
（硬骨鱼） (鱼类、两栖类 )
（低等动物）
黄嘌呤次黄嘌呤腺嘌呤氧化脱氨氧化
→→?
脱氨氧化鸟嘌呤尿酸
（人、猿、鸟）
尿囊素
（非灵长类哺乳动物）
尿囊酸 尿素
核苷酸核苷酸酶
i
P+核苷核苷核苷水解酶碱基戊糖 +
核苷 磷酸戊糖碱基+ 1
H
2
O
H
2
O
P
i
细菌属
EcoRI
菌名 菌株酶编号核苷磷酸化酶核苷水解酶只作用于 RNA，催化的反
应不可逆。只在植、微中存在
广泛存在，可逆
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此外，嘌呤的分解还可在核苷或核苷酸的水平上进行。
可以看出，生物进化程度愈高，则分解嘌呤的能力愈差。高等生物具有完善的排泄系统，可以直接将代谢废物排出体外。
三、嘧啶的降解
第三节 核苷酸的合成代谢
核苷酸在细胞内合成有两条基本途径,
1、从头合成或从无到有途径：由 AA、磷酸戊糖、CO 2 和NH 3 等简单的化合物合成核苷酸
2、补救途径：由预先形成的碱基或核苷合成核苷酸。
一、嘌呤核苷酸的合成
（一）嘌呤环组成成分来源
CO2 甲酸 Asp Gln Gly
（二）合成过程
以 PRPP（5-磷酸核糖-1-焦磷酸）为基础，在其上逐渐形成嘌呤环。先形成咪唑环后形成嘧啶环。
合成要点,P296 （1）嘌呤核苷酸的合成并不是先形成游离的嘌呤，然后生成核苷酸，而是直接形成 IMP。 （2）各个原子在 PRPP 1 位 C 上逐渐加上去。 （古老砌墙式）
CoASH
菌属
CO
2
,NH
3
β－丙氨酸尿嘧啶胞嘧啶脱氨氧化
→?
胸腺嘧啶
CO
2
,NH
3
β－ 氨基异丁酸二氢衍生物二氢衍生物还原开环开环
N
CO
2
Asp
N
C CC
C
NN
C
Gln
Gly
甲酸盐甲酸盐还原
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二、嘧啶核苷酸的合成
（一）嘧啶环组成成分来源
氨甲酰磷酸 Asp
（二）合成过程
（1）与嘌呤核苷酸“从头合成”的反应顺序相反，嘧啶核苷酸的合成是先形成嘧啶环，再与核糖磷酸（由 PRPP 提供）结合形成嘧啶核苷酸。
（2）胞嘧啶核苷酸是在尿苷三磷酸水平上由 Gln 提供氨基转变而成。
特点,先形成环，再装到“PRPP”上,“装配式”合成。
NH
3
+CO
2
ATP ADP
NH
2
COO P
氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸乳清酸
UM P
ATP
ADP
UDP
ATP
ADP
UTP
UTP+NH
3
ATP ADP+P
i
CTP
Asp
PRPP
UM P
甲酸
PRPPP
R 5 P
ATP
Gly Gln
Asp
IMP
AM P
GM P
Asp
GTP
Gln
ATP
O
OCH
2P PP
甲酸
CO
2
Gln
NH
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2
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C
N
CC
C
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三、脱氧核苷酸的合成
在二磷酸水平合成，特殊的在三磷酸水平。即由核糖核苷二磷酸还原而成。
催化此反应的酶系统：硫氧还蛋白、硫氧还蛋白还原酶和核糖核苷酸还原酶。
此外 GSH 也可代替硫氧还蛋白作电子供体。
四、脱氧胸苷酸的合成
有两条途径,
（1）以 dUMP 为原料
（2）补救途径,
胸腺嘧啶+脱氧核糖-1-磷酸 dT+Pi
dT+ATP dTMP+ADP
五、补救途径
核苷酸的合成也可由碱基或核苷合成，称之为补救途径。
胸腺嘧啶核苷酸合成酶二氢叶酸
()甲基供体亚甲四氢叶酸?
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,
5
NN
UDP dUDP dUM P
dTM P
硫氧还蛋白
SH
SH
S
S
NDP dNDP
NADP
+
NADPH +H
核糖核苷二磷酸还原酶蛋白还原酶硫氧还硫氧还蛋白
胸苷磷酸化酶
→?
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（胞苷酸除外）
六、一、二、三磷酸核苷的转化
在生物体内，核苷酸往往以核苷二磷酸、核苷三磷酸的形式参与合成反应。这些 NDP 或 NTP 的生成是在 NMP 水平上，由 ATP 提供磷酸根，由相应专一的激酶所催化合成。
核苷二磷酸激酶使核苷二磷酸和核苷三磷酸相互转变，该酶的特异性很低，所有核苷二磷酸和核苷三磷酸都可以作为磷酸根的受体和供体。
七、各种核苷酸合成的相互关系 （P 226图）
PRPP
PP
i
1
P
i
R P
ATP
ADP
嘧啶嘌呤核苷核苷酸
X
1
MP+X
2
TP X
1
DP+X
2
DP
XMP XDP
ATP
ADP
ATP
ADP
