核酸的降解和核苷酸代谢-K.ppt

第10章 核酸的降解 和核苷酸代谢 主要内容：主要内容： 核酸的消化与吸收：核酸酶，磷酸二酯酶，核苷核酸的消化与吸收：核酸酶，磷酸二酯酶，核苷 酸酶，核苷水解酶，核苷磷酸酶；酸酶，核苷水解酶，核苷磷酸酶； 核苷酸的分解代谢：嘌呤核苷酸分解，嘧啶核苷核苷酸的分解代谢：嘌呤核苷酸分解，嘧啶核苷 酸分解；酸分解； 核苷酸的合成代谢：嘌呤核苷酸的生物合成，嘧啶核苷酸的合成代谢：嘌呤核苷酸的生物合成，嘧啶 核苷酸的生物合成，脱氧核苷酸生物合成，核核苷酸的生物合成，脱氧核苷酸生物合成，核 苷三磷酸生物合成，核苷酸的补救合成途径。苷三磷酸生物合成，核苷酸的补救合成途径。 重点：重点：核苷酸的分解代谢；脱氧核苷酸生物合成，核苷酸的分解代谢；脱氧核苷酸生物合成， 核苷三磷酸生物合成，核苷酸的补救合成途径核苷三磷酸生物合成，核苷酸的补救合成途径 。 难点：难点：1. 1.碱基的分解；碱基的分解；2. 2.核苷酸的从头合成。核苷酸的从头合成。 核苷酸的生理生化作用 RNA合成：ATP，GTP，CTP，UTP DNA合成：dATP，dGTP，dCTP，dTTP 合成核酸的原料： 能量的贮存和供应形式：ATP，GTP，UTP，CTP等 参与代谢或生理活动的调节cAMP、cGMP：激素第二信使 参与构成酶的辅酶或辅基 NAD+，NADP+，FAD，FMN，CoA 代谢中间物的载体 CDP：胆碱，胆胺，甘油二酯 腺苷：蛋氨酸（SAM） 核苷酸对免疫系统的促进作用 提高人和动物对细菌、真菌感染的抵抗力、增加抗体产 生，增强细胞免疫能力，刺激淋巴细胞增生作用等 饮食核苷酸对婴儿免疫系统的发育有明显的促进作用 核苷酸对维持胃肠道正常功能的作用 1）外源核苷酸能够加速肠细胞的分化、生长与修复，促进 小肠的成熟 2）外源核苷酸可改变肠道微生物的生长及类型 核酸的分解过程 核酸 核酸酶 核苷酸 核苷酸酶 核苷 + 磷酸 核苷磷酸化酶 碱基+戊糖-1-磷酸 1 核酸和核苷酸的分解代谢 核酸酶：作用于核酸的磷酸二酯酶称为核酸酶,按 其作用位置分为: 核酸外切酶：作用于核酸链的末端（3端或5端） ， 逐个水解下核苷酸。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 核酸内切酶:从核酸分子内部切断3,5 -磷酸二酯 键。 限制性内切酶：在细菌细胞内存在的一类能识别并水 解外源双链DNA的核酸内切酶，可用于特异切割 DNA, 常作为工具酶。 1.1核酸的酶促降解 1.1.1 核糖核酸酶 v只水解RNA磷酸二酯键的酶（RNase），不同的 RNase专一性不同。 牛胰核糖核酸酶I（RNaseI），作用位点是嘧啶核苷-3-磷酸与其它核苷 酸间的连接键。 （内切核酸酶） 核糖核酸酶T1（RNaseT1），作用位点是3 -鸟苷酸与其它核苷酸的5- OH间的键。（内切核酸酶） 5 p p p pOH PyPuPyPu 1 p p p GACU p p p GA 3 RNAase IRNAase T1 只能水解DNA磷酸二酯键的酶。 牛胰脱氧核糖核酸酶（DNase），可切 割双链和单链DNA，降解产物为3-磷酸 为末端的寡核苷酸。 限制性核酸内切酶：细菌体内能识别并水 解外源双源DNA的核酸内切酶，可特异切 割外源DNA特定序列中的磷酸二脂键(对碱 基序列专一），切断双键，常作为工具酶 。 1.1.2 脱氧核糖核酸酶 既可水解RNA，又可水解DNA磷酸二酯键 的核酸酶。 小球菌核酸酶（内切酶），可作用于RNA 或变性的DNA，产生3-核苷酸或寡核苷 酸。 蛇毒磷酸二酯酶和牛脾磷酸二酯酶（外切 酶）。 1.1.3 非特异性核酸酶 某些核酸外切酶对RNA、DNA均有作用 牛脾磷酸二酯酶 3-核苷酸 蛇毒磷酸二酯酶 5-核苷酸 核酸酶（磷酸二酯酶 ） 核苷酸酶（磷酸单酯酶 ） 核苷磷酸化酶 核酸 核苷酸 核苷磷酸 嘌呤或嘧啶戊糖-1-磷酸 1.2 核苷酸的降解 核苷酸 + H2O 核苷+Pi 核苷 + H2O 嘌呤（或嘧啶） +戊糖 （核苷水解酶主要存在于植物和微生物体 内，并且只能对核糖核苷起作用，对脱氧核糖核 苷不起作用。） 核苷+ H3PO4 嘌呤（或嘧啶 ）+1-磷酸戊糖 （核苷磷酸化酶存在广泛） 核苷酸酶 核苷水解酶 核苷磷酸化酶 这是一个氧化降解过程，不同生物 降解的产物不同。 1.3 嘌呤的降解 嘌呤核苷酸的分解代谢 尿酸的进一步分解 脱氨 氧化 水解 1.4 嘧啶的降解 分解时环被破坏，N原子可变为尿素和NH3 第二碳转变为CO2 胞嘧啶不直接被动物体利用，一部分从尿中排出 n 胞嘧啶 尿嘧啶 二氢尿嘧 啶 H2O NH3 NAD(P)H+H+ NAD(P)+ H2O -丙氨酸 -脲基丙 酸 H2O n 胸腺嘧啶 二氢胸腺嘧啶 NAD(P)H+H+ NAD(P)+ H2O -氨基异丁酸 -脲基异丁酸 H2O 胞嘧啶脱氨酶二氢尿嘧啶脱氢酶 二氢嘧 啶酶 脲基丙酸酶 二氢尿嘧啶脱氢酶 二氢嘧啶酶 脲基丙酸酶 NH3+CO2+ NH3+CO2+ NADPH +H+ -哺乳动物 NADH+H+ -细 菌 脱氨 还原 水解 胞嘧啶 NH3 尿嘧啶 二氢尿嘧啶 H2O CO2 + NH3 -丙氨酸 胸腺嘧啶 -脲基异丁酸 -氨基异丁酸 H2O 丙二酸单酰CoA 乙酰CoA TCA 肝 尿素 甲基丙二酸单酰CoA 琥珀酰CoA TCA糖异生 2 核苷酸的生物合成 2.1 嘌呤核糖核苷酸的合成 从头合成途径（de novo synthesis pathway） 原料：氨基酸、甲酸盐、CO2等 补救合成途径（salvage synthesis pathway） 核酸降解的中间产物、外源 利用体内游离的碱基或核苷合成 2.1.1 从头合成 定义 利用磷酸核糖、AA、一碳单位及二氧化碳等简单物质 为原料，经过一系列酶促反应，合成嘌呤核苷酸的途径 合成部位：胞浆 主要器官：肝脏；其次，小肠和胸腺 脑和骨髓不能合成 2.1.1.1嘌呤环上各原子的来源 N3 N9 N7 N1 C2 C6 C4 C5 C8 来自谷氨酰胺的酰胺氮 来自甲酸 来自甲酸 来自天冬氨酸来自甘氨酸 来自CO2 v合成嘌呤核 苷酸，先合成 IMP，再转化为 AMP、GMP 。 利用简单的原始材料从头合成核苷酸的过程，此过程不包 括碱基和核苷等中间物，也是核苷酸合成的主要途径 nIMP的合成是从5 -磷酸核糖开始的 ，先与ATP反应 生成5-磷酸核糖- 1-焦磷酸（PRPP ），然后嘌呤环 的各原子在PRPP 的C-1位置上逐渐 加上去。 2.1.1.2 IMP的合成 R-5-P （5-磷酸核糖） ATPAMP PRPP合成酶 PP-1-R-5-P （5-磷酸核糖-1-焦磷酸 ） PRPP 在谷氨酰胺、甘氨酸、一 碳单位、二氧化碳及天冬 氨酸的逐步参与下 IMP AMP GMP H2N-1-R-5-P （5-磷酸核糖胺） 谷氨酰胺 谷氨酸 酰胺转移酶 2.1.1.3 IMP转变为GMP和AMP 2.1.2补救途径 定义:从头合成途径由于某种原因受阻，利用体内 游离的嘌呤或嘌呤核苷，经过简单的反应，合成嘌 呤核苷酸的过程 意义：经济 代谢再利用，减少代谢物阻遏和积累 参与补救合成的酶 腺嘌呤磷酸核糖转移酶 APRT adenine phosphoribosyl transferase 次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶 HGPRT hypoxanthine- guanine phosphoribosyl transferase 腺苷激酶（adenosine kinase） 补救合成的两条途径 （1）PRPP+嘌呤嘌呤核苷酸+PPi 腺嘌呤磷酸核糖转移酶 鸟嘌呤磷酸核糖转移酶 （2）碱基+1-磷酸核糖 核苷+Pi (核苷磷酸酶) 核苷+ATP 核苷酸+ADP (核苷磷酸激酶) 只发现腺苷酸激酶 合成过程 腺嘌呤 + PRPP AMP + PPi APRT 次黄嘌呤 + PRPP IMP + PPi HGPRT 鸟嘌呤 + PRPP HGPRT GMP + PPi 腺嘌呤核苷 腺苷激酶 ATPADP AMP 临床抗癌药物的作用机理 嘌呤类似物（6-巯基嘌呤）： 抑制AMP、GMP的生成 谷胺酰胺类似物（氮杂丝氨酸）： 抑制IMP的合成中有谷胺酰胺参与的反应 叶酸类似物（氨基蝶呤、氨甲喋呤）： 抑制IMP合成中有四氢叶酸参与的反应 2.1.3嘌呤核苷酸合成的调节 n嘌呤核苷酸的从头合成途径之中受到调节 的酶有：PRPP合成酶、谷氨酰胺:PRPP氨 基转移酶、腺苷酸琥珀酸合成酶和次黄苷 酸脱氢酶，其中谷氨酰胺:PRPP氨基转移酶 为限速酶。 nIMP、AMP和GMP既能反馈抑制PRPP合成 酶的活性，还能抑制谷氨酰胺:PRPP氨基转 移酶的活性。而作为底物的PRPP激活谷氨 酰胺:PRPP氨基转移酶的活性，从而直接启 动了嘌呤核苷酸的从头合成途径。 嘌呤核苷酸合成的调节 嘧啶核苷酸的嘧啶环是由氨甲酰磷酸 和天冬氨酸合成的。 2.2 嘧啶核苷酸的生物合成 氨甲酰磷酸 天冬氨酸 尿苷酸的从头合成 2.2.1氨甲酰磷酸的合成 天冬氨酸转氨甲酰酶 二氢乳清酸酶 二氢乳清酸脱氢酶 乳清苷酸焦磷酸化酶Mg2+ 乳清苷酸脱羧酶 2.2.2尿嘧啶核苷酸的合成 UMP UDP UTP ATP ADP ATP ADP UTP + NH3 + ATP CTP + ADP + Pi ( 细菌体内) 在动物体内,由谷氨酰胺代替氨参加反应提供氨基 UTP + 谷氨酰胺 +ATP +H2O CTP + 谷氨酸 +ADP+Pi 核苷二磷酸激酶 CTP合成酶 Mg2+ 尿嘧啶核苷酸激酶 CTP合成酶 2.2.3胞苷酸的生物合成 嘧啶核苷酸的合成与嘌呤核苷酸的合成不同，先利用 小分子化合物形成嘧啶环，再与核糖磷酸（PRPP）结合 形成UMP，其关键的中产物是乳清酸。其他嘧啶核苷酸 由尿苷酸转变而来 嘧啶碱与1-磷酸核糖生成嘧啶核苷，然后由尿苷 激酶催化尿苷和胞苷形成UMP和CMP。 嘧啶碱 + 1-磷酸核糖 核苷磷酸化酶 嘧啶核苷 + Pi 尿苷（胞苷） + ATP 尿苷激酶Mg2+ UMP（CMP） + ADP （2）磷酸核糖转移酶途径（胞嘧啶不行） 尿嘧啶磷酸核糖转移酶 尿嘧啶+ PRPPUMP+ PPi 2.2.4 补救途径 （1） 嘧啶核苷激酶途径（重要途径） 2.2.5嘧啶核苷酸合成的调节 n细菌 细菌嘧啶核苷酸合成的限速酶为天冬氨酸转氨 甲酰基酶，其中CTP和UTP为它的反馈抑制剂 ，ATP为别构激活剂。 n哺乳动物 哺乳动物嘧啶核苷酸合成的限速酶是CPS-II。 UDP或UTP抑制它的活性，PRPP则激活它的活 性。EGF能够诱导CPS-II的磷酸化，使其降低 对UTP抑制的敏感性，但增强了对PRPP激活的 敏感性。 此外，乳清苷酸脱羧酶也是一个调节位点， 其活性受到UMP的抑制 2.2.6 嘧啶核苷酸的抗代谢物 嘧啶类似物 胸腺嘧啶(T)5-氟尿嘧啶(5-FU) 改变核糖结构的核苷类似物 抗代谢药物：嘧啶核苷酸的类似物 对酶的竞争性抑制，干扰、抑制嘧啶核苷酸的合成 抑制嘧啶核苷酸合成 主要的抗代谢药物 5-氟尿嘧啶（5-FU） 体内转变为F-dUMP，与dUMP结构相似 竞争性抑制胸苷酸合成酶的活性 抑制胸苷酸的合成 2.3.1核糖核苷酸的还原反应 NADP+NADPH+H+ 硫氧还蛋白 还原酶 FAD 核糖核苷酸还原酶 （B1和B2） ATP 、Mg2+ 硫氧还蛋白 （还原型） SH SH 硫氧还蛋白 （氧化型） S S O P-P-CH2 N OHOH 核糖核苷二磷酸 O P-P-CH2 N OHH + H2O 脱氧核糖核苷二磷酸ADP、GDP、CDP、UDP 腺嘌呤、鸟嘌呤 和胞嘧啶核糖核 苷酸经还原，将 核糖第二位碳原 子的氧脱去，即 成为相应的脱氧 核糖核苷酸。 还原反应一般在 核苷二磷酸（ NDP）水平上进 行 2.3脱氧核糖核苷酸的生物合成 硫氧还蛋白 核糖核酸还原酶系 硫氧还蛋白还原酶 核糖核苷酸还原酶 核糖核苷酸的还原反应 FAD 核糖核苷酸还原酶 ATP 、Mg2+ 硫氧还蛋白 SH SH 硫氧还蛋白 S S 硫氧还蛋白 还原酶 核糖核苷二磷酸 + H2O 脱氧核糖核苷二磷酸 FADH2 谷氧还蛋白 S S 谷氧还蛋白 SH SH NADP+ NADPH+H+ 谷氧还蛋白 还原酶 O P-P-CH2 N OH OH O P-P-CH2 N OH H GSSG2GSH 谷胱甘肽 还原酶 核糖核苷酸还原酶示意图 底物特异性 调节位点 酶 活 性 调节位点 活性位点 R1亚基 R2亚基 使其活化 使酶抑制 有利于UDP和CDP还原 促进ADP和GDP还原 由尿嘧啶脱氧核苷酸（dUMP）经甲基化生成。 Ser提供甲基，NADPH提供还原当量。 2.3.2胸腺嘧啶脱氧核苷酸的合成 H 胸腺嘧啶脱氧核苷酸（dTMP）的合成 dUDP + H2O dUMP + Pi dCMP + H2O dUMP + Pi 胸腺嘧啶核苷酸合酶 dUMP dTMP N5,10亚甲基四氢叶酸 二氢叶酸 酯酶 脱氨酶 甲基化 氨基蝶呤、氨甲蝶呤是叶酸的类似物，能与二氢 叶酸还原酶不可逆结合，阻止FH4的生成，从而抑 制FH4参与的一碳单位的转移。可用于抗肿瘤。 Ser 2.3.3 核苷三磷酸的合成 ATP存在，特异性激酶催化，核苷三磷酸 dTMP，一系列激酶催化，转变为dTTP（dTMPdTDPdTTP） 每一步骤为一单独激酶所催化。 核苷酸还原酶的调节核苷酸还原酶的调节 别构调节 n总活性: + ATP, -dATP n底物特异性: nATP刺激CDP,UDP还原 n(d)TTP刺激GDP还原 n(d)TTP抑制CDP,UDP还原 ndGTP刺激ADP还原, 抑制GDP, CDP, UDP还原 大肠杆菌的核苷酸还原酶的结构模型 核苷酸还原酶活性的调节机制 3. 核苷酸辅酶的合成 nP401(自学) 3.1烟酰胺核苷酸的合成（NAD 、NADP） 3.2黄素核苷酸的合成（FMN、FAD） 3.3辅酶A的合成 核 苷 酸 的 合 成 及 相 互 关 系 小小 结结 1 1核苷酸的分解代谢：核苷酸的分解代谢：嘌呤核苷酸分解是一个氧化降解嘌呤核苷酸分解是一个氧化降解 过程，即脱氨、氧化和水解，不同生物降解的产物不过程，即脱氨、氧化和水解，不同生物降解的产物不 同。嘧啶核苷酸分解是一个脱氨、还原和水解的过程同。嘧啶核苷酸分解是一个脱氨、还原和水解的过程 ，分解时环被破坏，分解时环被破坏，N N原子可变为尿素和原子可变为尿素和NH3NH3，第二碳，第二碳 转变为转变为CO2CO2。 2 2核苷酸的合成代谢：核苷酸的合成代谢：嘌呤核苷酸的生物合成嘌呤核苷酸的生物合成( (从头合成从头合成 途径途径: : 利用磷酸核糖、利用磷酸核糖、AAAA、一碳单位及二氧化碳等简单、一碳单位及二氧化碳等简单 物质为原料，经过一系列酶促反应，合成嘌呤核苷酸物质为原料，经过一系列酶促反应，合成嘌呤核苷酸 的途径的途径; ; 补救途径：利用体内游离的嘌呤或嘌呤核苷，补救途径：利用体内游离的嘌呤或嘌呤核苷， 经过简单的反应，合成