核酸的分解代谢

大分子核酸的降解由核酸酶（nuclease）催化。核酸酶属于磷酸二酯酶（phosphodiesterase），催化磷酸二酯键的断裂。除核酸降解外，核酸酶还参与细胞内的多种生物过程，如DNA的复制、重组、修复，RNA的成熟、加工等。

核酸酶的不同种类和功能。引自Q Rev Biophys. 2011

根据底物类型，核酸酶可分为核糖核酸酶（RNase）与脱氧核糖核酸酶（DNase）；根据酶切位置可以分为内切酶和外切酶。根据磷酸二酯键的断裂方式，核酸酶可分为5’核酸酶与3’核酸酶。

3’核酸酶催化时，以亲核基团从5´侧向内攻击，破坏3´O-P键，产生5´-磷酸和3´-OH。相反，5’核酸酶的亲核基团从3´侧进攻，破坏5´O-P键，生成3´-磷酸和5´-OH。

核酸酶的两种催化机制。引自Q Rev Biophys. 2011

通常生物体中3’核酸酶较多，所以5’核苷酸和3’羟基更为常见，各种生物过程中的酶多数也需要5'磷酸和3'羟基，例如RNA和DNA聚合酶、DNA连接酶、转座酶、剪接体、添加CCA的酶和氨酰tRNA合成酶等。

核苷酸由磷酸单酯酶水解成核苷和磷酸。特异性水解5’-核苷酸的称为5’-核苷酸酶，反之称为3’-核苷酸酶。核苷磷酸化酶将核苷分解为碱基和戊糖-1-磷酸，而核苷水解酶则生成碱基和戊糖。核糖-1-磷酸可被磷酸核糖变位酶催化为核糖-5-磷酸，进入戊糖支路或重新合成核苷酸。

嘌呤的分解从水解脱氨开始。腺嘌呤水解生成次黄嘌呤，鸟嘌呤水解生成黄嘌呤。脱氨反应可以在碱基、核苷或核苷酸水平上进行。次黄嘌呤氧化生成黄嘌呤，再氧化生成尿酸。这两步都由黄嘌呤氧化酶催化，生成过氧化氢。

嘌呤核苷酸的分解代谢。引自themedicalbiochemistrypage

氨基酸代谢缺陷会引起严重问题，如尿黑酸症等，核酸代谢也是一样。在腺苷脱氨酶（ADA）的先天缺陷者中，超过85％会发生重度联合免疫缺陷（Severe Combined Immunodeficiency Disease，SCID）。通常婴儿一个月内就会出现各种感染，大多数只能活几个月。

这种SCID的原因是腺苷代谢障碍导致腺苷及dATP浓度过高，抑制了核糖核苷酸还原酶，使其它三种dNTP不足，影响了DNA复制。这样淋巴细胞就无法迅速增殖以消灭入侵的微生物。

腺苷脱氨反应。引自themedicalbiochemistrypage

各种生物嘌呤代谢的终产物不同。鸟类和人类都生成尿酸（鸟类将尿素也转化为尿酸），而其它生物可将尿酸继续氧化分解为一系列更简单的产物，直至氨和CO2。

大多数哺乳动物可以用尿酸氧化酶将尿酸转化为溶解性更高的尿囊素，所以循环中的尿酸水平较低。人类等高级灵长动物尿酸氧化酶基因发生了突变，因此血液中尿酸水平较高。

有趣的是，肾脏通过一些尿酸转运蛋白对其进行重吸收，以维持血液尿酸水平。这表明尿酸对人体具有一定积极作用。有研究表明，尿酸在细胞外环境中具有抗氧化作用，在抗坏血酸存在时可以防止脂质过氧化等。

尿酸的重吸收。引自Integr Blood Press Control. 2019

不过尿酸在细胞内环境中起氧化剂和促炎介质的作用，高尿酸可能导致高血压等心血管问题。尿酸还会在关节滑液中以尿酸单钠（MSU）晶体的形式沉淀，导致痛风（gout）。这是一个复杂的过程，并非简单的物理沉积。因为有些高尿酸血症者并未出现痛风症状，所以尿酸浓度只是原因之一。

现在认为，尿酸晶体被吞噬细胞摄取，可以激活NLRP3炎性小体，导致IL-1β的加工和分泌。之后可能由内皮细胞介导，募集嗜中性粒细胞，进一步释放促炎介质，加剧炎症反应，产生关节炎症状。

尿酸引发痛风的炎症反应。引自Arthritis Res Ther. 2010

当然尿酸浓度仍然是主要的决定因素，所以痛风者应尽量少摄入核酸含量高的食物，如肉类、海鲜等。据报道，无嘌呤的配方饮食可使尿中的尿酸减少40％。另外，酒精也会增加尿酸含量，所以不要饮酒。

别嘌呤醇（allopurinol）是黄嘌呤氧化酶的自杀底物，其氧化产物与酶活性中心的Mo4+紧密结合，有强烈抑制作用。所以它可以减少尿酸生成，防止尿酸晶体沉积，常用于痛风。

别嘌呤醇

嘧啶的代谢产物都可以充分利用。胞嘧啶可以脱氨生成尿嘧啶，后者还原成二氢尿嘧啶，然后开环，水解生成β-丙氨酸，可转氨生成丙二酰辅酶A，参加脂肪酸合成。胸腺嘧啶降解与此类似，但因多了一个甲基，开环后生成β-氨基异丁酸，转氨后生成甲基丙二酰辅酶A，通过琥珀酰辅酶A进入三羧酸循环。

参考文献：

1. Wei Yang. Nucleases: diversity of structure, function and mechanism. Q Rev Biophys. 2011 Feb;44(1):1-93.

2. Douglas J Stewart, et al. Hyperuricemia and Hypertension: Links and Risks. Integr Blood Press Control. 2019 Dec 24;12:43-62.

3. Nathalie Busso, et al. Mechanisms of inflammation in gout. Arthritis Res Ther. 2010;12(2):206.