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。核苷酸的分解在有关的水解酶催化下分解成磷酸、戊糖和嘌呤、嘧啶碱基，然后碱基分解为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的生物合成通常以DNA为模板，先在RNA聚合酶催化下合成RNA引物，然后在DNA聚合酶催化下合成DNA，该过程中有多种酶及辅因子参加，合成方式为半保留式。核酸分解在核酸酶催化下进行，水解产物为核苷酸。

嘌呤核苷酸的生物合成

动植物都能以简单的前体生成嘌呤，使用放射性同位素的实验表明嘌呤环的9个原子来自C0₂、甲酸盐、甘氨酸、天冬氨酸、谷氨酰胺，如下所示：

核酸代谢

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于加到5-磷酸核糖的C₁而形成次黄嘌呤核苷酸，然后转变为其他核苷酸。

嘧啶核苷酸的生物合成

嘧啶环的原子来自C0₂、NH₃和天冬氨酸，如下所示：

核酸代谢

嘧啶核苷酸的合成过程与嘌呤核苷酸合成过程不同，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，后者与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。

脱氧核糖核苷酸的合成

脱氧核糖核苷酸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和核糖核苷三磷酸，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水解为碱基和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，分解产物能为植物保存并再利用。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的生物合成

转录及有关酶类

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。真核细胞中有三种RNA聚合酶，RNA聚合酶Ⅰ催化合成核糖体RNA（rRNA），RNA聚合酶Ⅱ催化合成信使RNA（mRNA），RNA聚合酶Ⅲ催化合成转移RNA（tRNA）和5s rRNA。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。

合成过程

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：①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。②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。接着，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。③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。④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P的蛋白因子终止转录。真核生物的终止信号尚未确定。

图1 大肠杆菌中RNA的合成过程

转录后加工

除原核生物的mRNA为未经修饰的初始转录物外，其余RNA都是转录后需要经过磷酸二酯酶断裂或个别核苷酸转变而进行加工的。rRNA、tRNA和真核生物mRNA的初始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，经剪切除去此顺序后再连接，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的生物合成

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相同的DNA双链。

复制的一般规律

①DNA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1000对碱基）。②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。③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，即5′→3。④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。⑤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。⑥每个子双螺旋由1条亲链和1条合成的新链所组成，该方式被称为半保留复制。⑦DNA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1次复制尚未完成即可开始第2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。

细胞DNA聚合酶的功能和酶促活性

复制的过程

①DNA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基因的产物一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dna B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。②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dna G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ppj。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1000核苷酸有一引物，真核生物约200核苷酸有一引物。③DNA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。另外，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dna E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。④RNA引物的切除，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。⑤后随链DNA片段的连接：DNA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氧化态二磷酸吡啶核苷酸（NAD⁺），反应中分解为尼克酰胺苷酸（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和焦磷酸（ppi）。

图2 DNA复制模式图

逆转录

即指以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。当病毒侵染宿主细胞后，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，经转录及翻译生成新的子代病毒，可引起癌变。

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，生成寡聚核苷酸片段或单核苷酸酶，然后进一步分解。核酸酶按其作用位置分为核酸处切酶和核酸内切酶两类。核酸外切酶作用于核酸链的末端，逐个水解Ⓟ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，也有可同时作用于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。