生物化学与分子生物学/核苷酸代谢

核苷酸代谢- 嘌呤核苷酸的合成与分解代谢 - 嘧啶核苷酸的合成与分解代谢
核苷酸是核酸的基本结构单位。核苷酸在体内分布广泛,发挥多种重要的生物学功能。人体内的核苷酸主要由自身合成,因此不属于营养必需物质。核苷酸可由核酸酶水解产生或通过利用体内原料合成。本章主要从代谢角度介绍人体细胞利用各种原料合成嘌呤和嘧啶核苷酸的过程,以及嘌呤和嘧啶核苷酸的分解代谢过程。其分解及合成过程异常与某些疾病的发生及治疗密切相关,一些嘌呤、嘧啶、氨基酸或叶酸类似物可通过竞争性机制抑制核昔酸的合成,称为抗代谢物,在肿瘤的治疗中发挥重要作用。
核苷酸在细胞中主要以5'-核苷酸形式存在,其中5'-ATP含量最多。通常情况下,细胞中核苷酸的浓度远远超过脱氧核苷酸,前者约在毫摩尔(mmol)范围,而后者只在微摩尔(µmol)水平。在细胞分裂周期中,细胞内脱氧核苷酸含量波动范围较大,核苷酸浓度则相对稳定。不同类型细胞中各种核 苷酸含量差异很大。而在同一种细胞中,各种核苷酸含量虽也有差异,但核苷酸总含量变化不大。

核苷酸具有多种生物学功能编辑

核苷酸具有多种生物学功用:

  • 作为核酸合成的原料,这是核苷酸最主要的功能。
  • 作为体内能量的利用形式。ATP是细胞的主要能量形式。此外GTP等也可以提供能量。
  • 参与代谢和生理调节。某些核苷酸或其衍生物是重要的调节分子。例如cAMP是多种细胞膜受体激素作用的第二信使;cGMP也与代谢调节有关。
  • 组成辅酶包。例如腺苷酸可作为多种辅酶(NAD+,FAD、CoA等)的组成成分。
  • 活化中间代谢物。核苷酸可以作为多种活化中间代谢物的载体。例如UDP-葡糖是合成糖原、糖蛋白的活性原料,CDP-甘油二酯 是合成磷脂的活性原料,S-腺昔甲硫氨酸是活性甲基的载体等。ATP还可作为蛋白激酶反应中磷酸基团的供体。

核苷酸经核酸酶水解后可被吸收编辑

核酸酶编辑

核酸酶是所有可以水解核酸的酶。依据核酸酶作用的底物不同可以将其分为 DNA酶(deoxyribonuclease, DNase)和RNA酶(ribonuclease,RNase)两类。DNA酶能够专一性地催化脱氧核糖核酸的水解,而RNA酶能够专一性地催化核糖核酸的水解。按照对底物二级结构的专一性,核酸酶还有单链酶和双链酶之分。
依据对底物的作用方式可将核酸酶分为核酸外切酶(exonuclease)和核酸内切酶(endonuclease)。核酸外切酶仅能水解位于核酸分子链末端的磷酸二酯键。根据其作用的方向性,又有5'→3'核酸外切酶和3'→5'核酸外切酶之分。从5'端切除核苷酸的称为5'→3'核酸外切酶;从3'端切除核苷酸的称为3'→5'核酸外切酶。而核酸内切酶只可以在DNA或RNA分子内部切断磷酸二酯键。有些核酸内切酶的酶切位点具有核酸序列特异性,称为限制性内切核酸酶(testriction endonuclease)。一般而言,限制性内切核酸酶的酶切位点的核酸序列具有回文结构,识别长度为4~8bp。有些核酸内切酶则没有序列特异性的要求。
细胞内的核酸酶一方面参与DNA的合成与修复及RNA合成后的剪接等重要的基因复制和基因表达过程;另一方面负责清除多余的、结构和功能异常的核酸,同时也可以清除侵入细胞的外源性核酸,这些作用对于维待细胞的正常活动具有重要意义。核酸酶可以分泌到细胞外,例如在人体消化液中的核酸酶可以降解食物中的核酸以利吸收。特别是限制性内切核酸酶,由于它能够特异性地识别酶切位点,已经成为了分子生物学中的重要工具酶。目前已发现的有3000余种。
有些核酸酶属于多功能酶。例如,有些DNA聚合酶同时具有核酸外切酶活性,在DNA复制过程中可以切除错配的碱基,保证DNA生物合成的精确性。

核酸的消化与吸收编辑

食物中的核酸多以核蛋白的形式存在。核蛋白在胃中受胃酸的作用,分解成核酸与蛋白质。核酸进入小肠后,受胰液和肠液中各种水解酶的作用逐步水解。在小肠内,胰腺分泌的DNA酶和RNA酶可水解DNA和RNA生成寡核苷酸和部分单核苷酸。小肠黏膜细胞可分泌对底物有一定特异性的二酯酶和核苷酸酶。二酯酶水解寡核苷酸生成单核苷酸,核苷酸酶则可水解核苷酸生成核苷和磷酸。核苷可通过被动扩散方式吸收。但嘧啶核苷可被肠黏膜细胞内生成的嘧啶核苷酶水解生成嘧啶碱基,可以通过扩散方式吸收。因此,核苷酸及其水解产物均可被细胞吸收,并且绝大部分在肠黏膜细胞中被进一步分解。分解产生的戊糖被吸收而参加体内的戊糖代谢;嘌呤和嘧啶碱则主要被分解而排出体外。所以食物来源的嘌呤和嘧啶碱很少被机体利用。

核苷酸代谢包括合成与分解代谢编辑

核苷酸根据碱基组成不同分为嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸两大类。这两种核苷酸的代谢均包括合成和分解代谢。核昔酸合成代谢根据方式的不同均包括从头合成和补救合成两种途径。从头合成的碱基来源是利用氨基酸、一碳单位及CO2等新合成含N的杂环;补救合成碱基的来源于体内游离碱基。在分解代谢中,嘌呤核苷酸的分解产物主要是水溶性较差的尿酸;嘧啶核苷酸的分解产物是易溶于水的NH3、CO2及β-丙氨酸。