核酸代谢nucleic acid metabolism

核酸及其结构单位核苷酸在生物体内的合成和分解。核苷酸的生物合成途径在不同生物中相似，即嘌呤核苷酸经次黄嘌呤核苷酸而合成，嘧啶核苷酸经乳清酸而合成。核苷酸在有关的水解酶催化下，分解成磷酸、戊糖和嘌呤、嘧啶碱基，碱基再分解为NH3、CO2和尿酸（或尿囊素等）。核糖核酸(RNA)的生物合成通常以脱氧核糖核酸(DNA)为模板，在 RNA 聚合酶和一些辅因子参与下进行。DNA 的生物合成通常由半保留复制来完成。复制过程以合成RNA引物起始，然后在DNA聚合酶催化下合成DNA链，整个过程涉及多种酶及辅因子。核酸能在核酸酶催化下进行水解，水解产物为核苷酸。
核苷酸的合成 核苷酸按其碱基可分为嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸两类。放射性同位素实验表明，嘌呤环的9个原子分别来自CO2、甲酸盐、甘氨酸、天冬氨酸和谷氨酰胺； 嘧啶环的各原子则分别来自 CO₂、NH3和天冬氨酸。合成嘌呤核苷酸时，不同生物基本上遵循同样的生物合成途径逐步地把个别原子加到5-磷酸核糖的C₁而形成次黄嘌呤核苷酸，然后转变为其他嘌呤核苷酸。嘧啶核苷酸的合成则先由氨甲酰磷酸与天冬氨酸反应，脱氢形成嘧啶环，该化合物为乳清酸，再与5-磷酸核糖-1-焦磷酸结合，经脱羧后即生成尿苷酸，再由尿苷酸转变为胞苷酸和胸腺嘧啶核苷酸。脱氧核糖核苷酸是由相应的核糖核苷酸还原生成，作为还原的底物可以是核糖核苷二磷酸或核糖核苷三磷酸，因生物而异。
核苷酸的分解 在生物体内，核苷酸在核苷酸酶催化下生成核苷和磷酸。核苷可在核苷酶作用下水解为碱基和戊糖，也可在核苷磷酸化酶作用下分解为碱基和1-磷酸戊糖。生成的碱基可进一步分解。嘌呤碱经一系列酶促分解，分解的最终产物可因生物而异。人类和灵长类动物的终产物为尿酸，灵长类以外的哺乳动物和多数爬行类为尿囊素，硬骨鱼为尿囊酸，大多数鱼类为尿素。植物组织内也含有嘌呤代谢产物尿囊素和尿囊酸，分解作用主要在衰老叶子及贮藏性的胚乳组织内进行，分解产物能被植物保存并再利用。嘧啶碱经一系列酶促分解反应，分解的最终产物为NH₃、CO2、β-丙氨酸和β-氨基异丁酸。
RNA的合成 RNA的合成，除RNA病毒以RNA为模板外，其余生物多在RNA聚合酶催化下，以DNA一条链为模板，按碱基配对原则合成一条与DNA一定区段互补的RNA链，该过程被称为转录。在真核细胞中，转录在细胞核和线粒体、叶绿体内进行，原核生物有关合成的酶存在于细胞质中。原核细胞中只有一种RNA聚合酶，可合成所有类型的RNA；真核细胞中有几种RNA聚合酶，分别催化合成各种RNA。RNA聚合酶都是多个亚基组成的不对称复合物。原核细胞中RNA聚合酶的组成为α2ββ′σ。真核细胞的RNA聚合酶在结构上具有相似性(图1)。

图 1 大肠杆菌中RNA的合成过程

转录过程 转录开始于DNA模板中的特异性启动子位点上，并在一指令的基因序列末端终止。其过程为： ❶与DNA模板连结。RNA聚合酶结合于DNA靠近每个转录单位起始处的不对称顺序处，即启动子位点。由于DNA两条链顺序不对称，聚合酶与该处一条链相结合，该链即为信息链。原核细胞RNA聚合酶σ亚基可先识别此位点，然后α₂ββ′组成的核心酶与其结合，使该处DNA双链局部氢键解开，解键区约17bp。
❷起始作用。起始的核苷三磷酸(NTP)通常是腺苷三磷酸 (ATP) 或鸟苷三磷酸(GTP)，与酶-DNA复合物信息链的互补核苷酸配对。第二个NTP与链上的第二个核苷酸配对，第二个NTP与起始NTP的3′-OH 形成磷酸二酯键，释放出焦磷酸。此时转录已开始，待6～9个核苷酸连接后，σ因子解离。原核细胞中抗生素利福霉素可抑制第一个磷酸二酯键的形成。
❸延长作用。随磷酸二酯键逐个形成，RNA聚合酶沿着DNA信息链由3′移至5′，而正在合成的RNA链由5′向3′处生长。由于DNA在RNA聚合酶后重新形成双链，RNA链的5′ 端以游离单链形式存在。该反应可被抗生素放线菌素D所阻断。
❹终止作用。原核生物中DNA信息链上出现终止信号时转录即终止。终止信号常呈二重对称，有些原核生物借助于称为ρ的蛋白因子终止转录。真核生物的终止信号尚未确定。
转录后加工 除原核生物的mRNA为经修饰的初转录物外，其余RNA在转录后均需经过磷酸二酯酶断裂或个别核苷酸转变而进行加工。rRNA、tRNA和真核生物mRNA的初转录物为较大的前体，经剪切才得到功能性分子。rRNA和tRNA的加工通常借助于末端额外顺序的剪切。真核生物的结构基因被内含子（基因内插入顺序）所隔裂，转录初产物中常包括内含子的相应顺序，经剪切除去内含子后再连接，其5′端以5′-5′反接的7-甲基鸟苷酸为帽子，而3′端加上多聚A为尾巴，成为成熟的mRNA，以预防过早地受核酸酶降解。另外，rRNA、tRNA和真核生物mRNA中的个别核苷酸在转录后必须经过化学修饰。
DNA的合成 细胞内DNA合成通常由复制过程完成，即在亲代DNA双链的每一条链上按碱基配对而准确地形成一条新的互补链，结果生成两个与亲代链完全相同的DNA双链。
复制的有关概念 ❶DNA的复制是在复制起始点上起始的，该处具有独特的核苷酸顺序。原核生物的环状染色体常具有一个复制起始点，真核生物的线状染色体具有多个复制起始点，相互间隔30～100kb(kb为1 000对碱基)。
❷每条DNA的新链是由RNA引物的合成开始的，这些引物以后被移去并代之以DNA。
❸每次加1个核苷酸于正在合成的多核苷酸链的3′端，链的生长方向与RNA合成相同，5′→3。
❹在每个复制叉处，先导链的合成是连续的，而随从链的合成是不连续的 （不连续的短片被称为岗畸片段），后来连接在一起。先导链的合成是与复制叉的移动方向相同的，随从链的合成则与复制叉的移动方向相反。
❺复制叉由复制起始点向两边移动，双向复制继续进行直至邻近的复制叉融合和子链复制完成。
❻每个子双螺旋由一条合成的新链所组成，该方式被称为半保留复制。
❼DNA复制起点的明显特征是存在二重对称的回文对称区。当专一的起始蛋白与之结合，复制即可起始。原核生物的复制速度与培养条件有关，快速生长条件下第一次复制尚未完成即可开始第二次复制，慢速生长条件下新的复制开始于前次复制完成之后。原核生物中复制起始的频率与细胞质量的关系密切，因此细胞染色体开始的质量是相当恒定的。真核细胞DNA复制在细胞周期S期进行。
复制的过程 ❶DNA双链的复制叉前面的区域受几个蛋白质作用而解旋并准备复制。原核生物中该过程清楚，大肠杆菌中rep基因的产物——DNA解旋酶催化双螺旋解旋，该过程中分开一对核苷酸需消耗2分子ATP。当双链局部分开时，有一些蛋白质集合成预引发物结合在单链上(包括dnaB和dna C基因的产物)，使其稳定。依靠解旋，复制叉向前移动，拓扑异构酶催化暂时性缺刻的产生和修复，使一条亲链绕着另一条旋转，以使螺旋解除。
❷大肠杆菌中引发酶结合在预引发的链上并催化合成RNA引物以起始DNA复制。引发酶由dnaG基因编码。该酶催化核糖核苷-5′-三磷酸聚合生成3′,5′磷酸二酯键，释放焦磷酸(PPI)。与DNA链碱基互补的单体依次加入，由5′向3′生长。引物的长度约10～50核苷酸。合成后随链时，原核生物中约1 000核苷酸有一引物，真核生物约200核苷酸有一引物。
❸DNA聚合酶催化3,5磷酸二酯键的合成，该酶绝对需要引物而且不能从头起始DNA键的合成。DNA聚合酶除能催化聚合外，还能修复DNA损伤。大肠杆菌的复制酶——DNA聚合酶Ⅲ全酶是由数个亚基构成的。其一由dnaE基因编码，DNA聚合酶Ⅲ的3′→5′核酸外切酶活性可“校对”新加入的核苷酸并切去非准确配对的碱基。
❹大肠杆菌内DNA聚合酶Ⅰ兼具5′→3′外切酶活性和聚合酶活性，可使RNA引物由5′端一个个断下，同时使邻近的DNA片段在3′端延长，从而使DNA片段取代RNA片段。真核生物中的DNA聚合酶不具有外切酶活性，可能由核糖核酸酶H催化引物水解。
❺DNA连接酶催化两片段间比邻核苷酸的3′-羟基和5′-磷酸基间形成磷酸二酯键，该反应与高能磷酸键的降解相偶联。大肠杆菌中高能化合物为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)，反应中分解为烟酰胺苷酸(NMN)和腺苷一磷酸(AMP)。真核细胞中高能化合物为ATP，反应中分解为AMP和PPi(图2)。

图 2 DNA复制模式图

逆转录 指以RNA为模板合成DNA。催化该反应的酶为逆转录酶，小鼠白血病病毒中的逆转录酶是单条多肽链。逆转录酶与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，以后再在寄主细胞的DNA聚合酶作用下，合成一条DNA互补链，这样便形成新的双链DNA分子，整合到寄主的基因组中，随寄主细胞DNA复制而复制。经转录和翻译生成新的子代病毒，可引起病变。
核酸的降解 核酸的降解开始于核酸酶对 DNA和RNA分子中核苷酸间的磷酸二酯键进行水解，生成低聚核苷酸片段或单核苷酸，然后进一步分解。核酸酶按其作用位置分为核酸外切酶和核酸内切酶两类。核酸外切酶作用于核酸链末端，逐个水解磷酸二酯键，释放出单核苷酸。脱氧核糖核酸外切酶只作用于DNA，核糖核酸外切酶只作用于RNA，但也有些核酸酶可以同时作用于DNA和RNA的。核酸内切酶催化水解多核苷酸链内部的磷酸二酯键，有只作用于 DNA或RNA的，也有同时作用于DNA和RNA的。有的核酸内切酶对某些碱基顺序专一，有的则对碱基专一。核酸内切酶对碱基顺序专一性强的称为限制性内切酶，是分子生物学和分子遗传（遗传工程）的重要工具酶。

核酸代谢nucleic acid metabolism

核酸及其组成单位核苷酸在生物体内的合成和分解过程。包括DNA、RNA和核苷酸的生物合成、核酸和核苷酸的分解。其中以DNA的复制合成代谢和RNA的转录合成代谢最为重要，是任何生物都不可缺少的新陈代谢过程。