生物化學與分子生物學/核苷酸代謝

核苷酸代謝- 嘌呤核苷酸的合成與分解代謝 - 嘧啶核苷酸的合成與分解代謝
核苷酸是核酸的基本結構單位。核苷酸在體內分佈廣泛，發揮多種重要的生物學功能。人體內的核苷酸主要由自身合成，因此不屬於營養必需物質。核苷酸可由核酸酶水解產生或通過利用體內原料合成。本章主要從代謝角度介紹人體細胞利用各種原料合成嘌呤和嘧啶核苷酸的過程，以及嘌呤和嘧啶核苷酸的分解代謝過程。其分解及合成過程異常與某些疾病的發生及治療密切相關，一些嘌呤、嘧啶、胺基酸或葉酸類似物可通過競爭性機制抑制核昔酸的合成，稱為抗代謝物，在腫瘤的治療中發揮重要作用。
核苷酸在細胞中主要以5'-核苷酸形式存在，其中5'-ATP含量最多。通常情況下，細胞中核苷酸的濃度遠遠超過脫氧核苷酸，前者約在毫摩爾(mmol)範圍，而後者只在微摩爾(µmol)水平。在細胞分裂周期中，細胞內脫氧核苷酸含量波動範圍較大，核苷酸濃度則相對穩定。不同類型細胞中各種核 苷酸含量差異很大。而在同一種細胞中，各種核苷酸含量雖也有差異，但核苷酸總含量變化不大。

核苷酸具有多種生物學功能

核苷酸具有多種生物學功用：

• 作為核酸合成的原料，這是核苷酸最主要的功能。
• 作為體內能量的利用形式。ATP是細胞的主要能量形式。此外GTP等也可以提供能量。
• 參與代謝和生理調節。某些核苷酸或其衍生物是重要的調節分子。例如cAMP是多種細胞膜受體激素作用的第二信使；cGMP也與代謝調節有關。
• 組成輔酶包。例如腺苷酸可作為多種輔酶(NAD⁺,FAD、CoA等）的組成成分。
• 活化中間代謝物。核苷酸可以作為多種活化中間代謝物的載體。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載體等。ATP還可作為蛋白激酶反應中磷酸基團的供體。

核苷酸經核酸酶水解後可被吸收

核酸酶

核酸酶是所有可以水解核酸的酶。依據核酸酶作用的底物不同可以將其分為 DNA酶(deoxyribonuclease, DNase)和RNA酶(ribonuclease,RNase)兩類。DNA酶能夠專一性地催化脫氧核糖核酸的水解，而RNA酶能夠專一性地催化核糖核酸的水解。按照對底物二級結構的專一性，核酸酶還有單鏈酶和雙鏈酶之分。
依據對底物的作用方式可將核酸酶分為核酸外切酶(exonuclease)和核酸內切酶(endonuclease)。核酸外切酶僅能水解位於核酸分子鏈末端的磷酸二酯鍵。根據其作用的方向性，又有5'→3'核酸外切酶和3'→5'核酸外切酶之分。從5'端切除核苷酸的稱為5'→3'核酸外切酶；從3'端切除核苷酸的稱為3'→5'核酸外切酶。而核酸內切酶只可以在DNA或RNA分子內部切斷磷酸二酯鍵。有些核酸內切酶的酶切位點具有核酸序列特異性，稱為限制性內切核酸酶（testriction endonuclease）。一般而言，限制性內切核酸酶的酶切位點的核酸序列具有迴文結構，識別長度為4～8bp。有些核酸內切酶則沒有序列特異性的要求。
細胞內的核酸酶一方面參與DNA的合成與修復及RNA合成後的剪接等重要的基因複製和基因表達過程；另一方面負責清除多餘的、結構和功能異常的核酸，同時也可以清除侵入細胞的外源性核酸，這些作用對於維待細胞的正常活動具有重要意義。核酸酶可以分泌到細胞外，例如在人體消化液中的核酸酶可以降解食物中的核酸以利吸收。特別是限制性內切核酸酶，由於它能夠特異性地識別酶切位點，已經成為了分子生物學中的重要工具酶。目前已發現的有3000餘種。
有些核酸酶屬於多功能酶。例如，有些DNA聚合酶同時具有核酸外切酶活性，在DNA複製過程中可以切除錯配的鹼基，保證DNA生物合成的精確性。

核酸的消化與吸收

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，分解成核酸與蛋白質。核酸進入小腸後，受胰液和腸液中各種水解酶的作用逐步水解。在小腸內，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單核苷酸。小腸黏膜細胞可分泌對底物有一定特異性的二酯酶和核苷酸酶。二酯酶水解寡核苷酸生成單核苷酸，核苷酸酶則可水解核苷酸生成核苷和磷酸。核苷可通過被動擴散方式吸收。但嘧啶核苷可被腸黏膜細胞內生成的嘧啶核苷酶水解生成嘧啶鹼基，可以通過擴散方式吸收。因此，核苷酸及其水解產物均可被細胞吸收，並且絕大部分在腸黏膜細胞中被進一步分解。分解產生的戊糖被吸收而參加體內的戊糖代謝；嘌呤和嘧啶鹼則主要被分解而排出體外。所以食物來源的嘌呤和嘧啶鹼很少被機體利用。

核苷酸代謝包括合成與分解代謝

核苷酸根據鹼基組成不同分為嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸兩大類。這兩種核苷酸的代謝均包括合成和分解代謝。核昔酸合成代謝根據方式的不同均包括從頭合成和補救合成兩種途徑。從頭合成的鹼基來源是利用胺基酸、一碳單位及CO₂等新合成含N的雜環；補救合成鹼基的來源於體內游離鹼基。在分解代謝中，嘌呤核苷酸的分解產物主要是水溶性較差的尿酸；嘧啶核苷酸的分解產物是易溶於水的NH₃、CO₂及β-丙氨酸。