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生物体内的核酸，多以核蛋白的形式存在。核蛋白在酸性条件下可被分解为核酸和蛋白质。核酸在核酸酶的作用下，水解为寡核苷酸或单核苷酸，单核苷酸可进一步降解为碱基、戊糖和磷酸（图9-1）。生物体也能利用一些简单的前体物质合成嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸。核苷酸不仅是核酸的基本成分，而且也是一类生命活动不可缺少的重要的物质。 核蛋白 │ ↓ ↓
蛋白质 核苷酸核苷酶 碱基 + 核糖-5/-磷酸 核酸酶 磷酸 核苷水解酶 核糖 + 碱基
核苷磷酸化酶
核糖磷酸 + 碱基 图9-1 核酸的酶促降解过程 第一节 核酸的酶促降解
核酸分解的第一步是水解核苷酸之间的磷酸二酯键，在高等动植物中都有作用于磷酸二酯键的核酸酶。不同来源的核酸酶，其专一性、作用方式都有所不同。有些核酸酶只能作用于RNA ，称为核糖核酸酶（RNase ），有些核酸酶只能作用于DNA ，称为脱氧核糖核酸酶（DNase ），有些核酸酶专一性较低，既能作用于RNA 也能作用于DNA ，因此统称为核酸酶（nuclease ）。根据核酸酶作用的位置不同，又可将核酸酶分为核酸外切酶（exonuclease ）和核酸内切酶（endonuclease ）。
一、核酸外切酶
有些核酸酶能从DNA 或RNA 链的一端逐个水解下单核苷酸，所以称为核酸外切酶。只作用于DNA 的核酸外切酶称为脱氧核糖核酸外切酶，只作用于RNA 的核酸外切酶称为核糖核酸外切酶；也有一些核酸外切酶可以作用于DNA 或RNA 。核酸外切酶从3′端开始逐个水解核苷酸，称为3′→5′外切酶，例如，蛇毒磷酸二酯酶即是一种3′→5′外切酶，水解产物为5′核苷酸；核酸外切酶从5′端开始逐个水解核苷酸，称为5′→3′外切酶，例如：牛脾磷酸二酯酶即是一种5′→3′外切酶，水解产物为3′核苷酸。
二、核酸内切酶
核酸内切酶催化水解多核苷酸内部的磷酸二酯键。有些核酸内切酶仅水解5′磷酸二酯键，把磷酸基团留在3′位置上，称为5′-内切酶；而有些仅水解3′-磷酸二酯键，把磷酸基团留在5′位置上，称为3′-内切酶（图9-2）。还有一些核酸内切酶对磷酸酯键一侧的碱基有专一要求，例如胰脏核糖核酸酶（RNaseA）即是一种高度专一性核酸内切酶，它作用于嘧啶核苷酸的C′3上的磷酸根和相邻核苷酸的C′5之间的键，产物为3′嘧啶单核苷酸或以3′嘧啶核苷酸结尾的低聚核苷酸（图9-3）。
G A C
U
G A
3′
P P P P OH
5′牧草割草机
3′内切酶5′内切酶
图9-2 核酸内切酶的水解位置
G 嘧啶 A 嘧啶G A
加热炉燃烧器
3′
P P P P OH胞苷酸
5′
内切酶内切酶
图9-3 胰脏核酸内切酶的水解位置
20世纪70年代，在细菌中陆续发现了一类核酸内切酶，能专一性地识别并水解双链DNA上的特异核苷酸顺序，称为限制性核酸内切酶（restriction endonuclease，简称限制酶）。当外源DNA侵入细菌后，限制性内切酶可将其水解切成片段，从而限制了外源DNA在细菌细胞内的表达，而细菌本身的DNA由于在该特异核苷酸顺序处被甲基化酶修饰，不被水解，从而得到保护。
近年来，限制性核酸内切酶的研究和应用发展很快，目前已提纯的限制性核酸内切酶有100多种，许多已成为基因工程研究中必不可少的工具酶（可参阅第三章部分内容）。
限制性核酸内切酶可被分成三种类型。Ⅰ型和Ⅲ型限制酶水解DNA需要消耗ATP，全酶中的部分亚基有通过在特殊碱基上补加甲基基团对DNA进行化学修饰的活性。Ⅱ型限制酶水解DNA不需要ATP也不以甲基化或其它方式修饰DNA，能在所识别的特殊核苷酸顺序内或附近切割DNA。因此，被广泛用于DNA分子克隆和序列测定。部分限制性核酸内切酶来源及识别位点见表9-1
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表９－１限制性核酸内切酶来源及识别位点
酶名称来源识别位点
EcoRⅠEcoRⅠ
-N-C-T-T-A-A↓G-N-5′5′N-G↑A-A-T-T-C-N-
BamHⅠBacillus amyloliquefaciensH
-N-C-C-T-A-G↓G-N-5′5′N-G↑G-A-T-C-C-N-
HindⅡHemophilus influenzaeD
-C-A-Pu↓Py-T-G-5′5′G-T-Py↑Pu-A-C-
HindⅢHemophilus influenzaeD
-T-T-C-G-A↓A-5′5′A↑A-G-C-T-T-
HapⅡHemophilus influenzae
电力线适配器-N-G-G-C↓C-N-5′5′N-C↑C-G-G-N-
第二节核苷酸的酶促降解
一、核苷酸的降解
核酸经核酸酶降解后产生的核苷酸还可以进一步分解。生物体内广泛存在的核苷酸酶（磷酸单酯酶）可催化核苷酸水解，产生磷酸和核苷。核苷酸酶的种类很多，特异性也各不相同。有些非特异性的核苷酸酶对所有核苷酸都能作用，无论磷酸基在核苷的2′、3′还是5′位置上。有些核苷酸酶具有特异性，如有的只能水解3′-核苷酸，称为3′-核苷酸酶，有的只能水解5′-核苷酸，称为5′-核苷酸酶。
核苷酸核苷十磷酸
核苷酸酶水解产生的核苷可在核苷酶的作用下进一步分解为戊糖和碱基。核苷酶的种类也很多，按底物不同可分为嘌呤核苷酶和嘧啶核苷酶。按催化反应的不同可分为核苷磷酸化酶（nucleoside phosphorylase）和核苷水解酶（nucleoside hydrolase）。核苷磷酸化酶催化核苷分解生成含氮碱基和戊糖的磷酸酯。此酶对两种核苷都能起作用。
核苷+ 磷酸嘌呤（或嘧啶）+ 戊糖－１－磷酸
核苷水解酶将核苷分解生成含氮碱和戊糖，此酶对脱氧核糖核苷不起作用。
核苷水解酶
核苷+ H2O 嘌呤（或嘧啶）+ 戊糖
核苷酸分解产生的嘌呤碱和嘧啶碱在生物体中还可以继续进行分解。
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二、嘌呤的降解
在生物体内，嘌呤可进一步发生降解。首先，嘌呤在脱氨酶的作用下脱去氨基，腺嘌呤脱氨后生成次黄嘌呤（hypoxanthine），然后，在黄嘌呤氧化酶（xanthine oxidase）作用下，将次黄嘌呤氧化成黄嘌呤。黄嘌呤氧化酶是一种黄素蛋白，含FAD、铁和钼；鸟嘌呤脱氨后直接生成黄嘌呤（xanthine）。黄嘌呤进一步氧化为尿酸（uric acid），尿酸在尿酸氧化酶（urate oxidase，一种含铜酶）作用下降解为尿囊素（allantoin）和CO2，尿囊素在尿囊素酶（allantoinase）作用下水解为尿囊酸（allantoic acid），尿囊酸进一步在尿囊酸酶（allantoicase）的作用下降解为尿素和乙醛酸。嘌呤分解代谢过程见图9-4：
图9-4 嘌呤碱基的降解过程
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不同种类生物降解嘌呤碱基的能力不同，因而代谢产物的形式也各不相同。人类、灵长类、鸟类、爬虫类以及大多数昆虫体内缺乏尿酸酶，故嘌呤代谢的最终产物是尿酸；人类及灵长类以外的其它哺乳动物体内存在尿酸氧化酶，可将尿酸氧化为尿囊素，故尿囊素是其体内嘌呤代谢的终产物；在某些硬
骨鱼体内存在尿囊素酶，可将尿囊素氧化分解为尿囊酸；在大多数鱼类、两栖类中的尿囊酸酶，可将尿囊酸进一步分解为尿素及乙醛酸；而氨是甲壳类、海洋无脊椎动物等体内嘌呤代谢的终产物，因这些动物体内存在脲酶，可将尿素分解为氨和二氧化碳。
植物、微生物体内嘌呤代谢的途径与动物相似。尿囊素酶、尿囊酸酶和脲酶在植物体内广泛存在，当植物进入衰老期，体内的核酸会发生降解，产生的嘌呤碱进一步分解为尿囊酸，然后从叶子内运输到贮藏器官，而不是排出体外，可见植物有保存和同化氨的能力。微生物一般能将嘌呤类物质分解为氨、二氧化碳及有机酸，如甲酸、乙酸、乳酸等。
此外，嘌呤的降解也可在核苷或核苷酸的水平上进行（图9-5）：
腺苷酸→ 次黄苷酸黄苷酸→ 鸟苷酸
↓↓↓↓
腺苷→ 次黄苷黄苷← 鸟苷
↓↓↓↓
腺嘌呤→ 次黄嘌呤→ 黄嘌呤← 鸟嘌呤
↓
尿酸
荧光法溶解氧
图9-5 嘌呤类在核苷酸、核苷和碱基三个水平上的降解
三、嘧啶的降解
嘧啶碱可以在生物体内进一步被降解。嘧啶碱的分解过程比较复杂，包括水解脱氨基作用、氨化、还原、水解和脱羧基作用等。不同种类生物分解嘧啶的过程不同，在大多数生物体内嘧啶的降解过程如图9-6 所示。
胞嘧啶先经水解脱氨转变为尿嘧啶。尿嘧啶或胸腺嘧啶降解的第一步是加氢还原反应，生成的产物是二氢尿嘧啶或二氢胸腺嘧啶，然后经连续两次水解作用，前者产生CO2、NH3和β-丙氨酸，后者产生CO2、NH3和β-氨基异丁酸。β-丙氨酸和β-氨基异丁酸脱去氨基转变为相应的酮酸，并入三羧酸循环进一步代谢。β－丙氨酸亦可用于泛酸和辅酶A 的合成。
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图9-6 嘧啶碱的分解代谢
第三节核苷酸的生物合成
生物体内的核苷酸，可以直接利用细胞中自由存在的碱基和核苷合成，也可以利用氨基酸和某些小分子物质为原料，经一系列酶促反应从头合成核苷酸。在不同的组织中，两条途径的重要性不同。
一、嘌呤核苷酸的生物合成
嘌呤核苷酸的合成有两类基本途径，一类是从氨基酸、磷酸核糖、CO2和NH3这些化合物合成核苷酸。
喂猪料槽由于此途径不经过碱基、核苷的中间阶段，所以又称为“从头合成”途径。另一类途径是由核酸分解产生的嘌呤碱基和核苷转变成核苷酸，此途径又称为“补救”途径。从头合成是生物体合成嘌呤核苷酸的主要途径。
（一）“从头合成”途径
1．嘌呤碱的合成
除某些细菌外，几乎所有的生物体都能合成嘌呤碱。此途径主要是以CO2、甲酸盐、甘氨酸、天冬氨酸和谷氨酰胺为原料合成嘌呤环（图9-7 ）。
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