第十一章核酸的降解与核苷酸代谢

1、第十一章第十一章 核酸的降解与核苷酸代谢核酸的降解与核苷酸代谢内容内容第一节第一节 核酸的酶促降解核酸的酶促降解第二节第二节 核苷酸的分解代谢核苷酸的分解代谢第三节第三节 核苷酸的合成代谢核苷酸的合成代谢教学目的和要求教学目的和要求核酸酶的定义及分类核酸酶的定义及分类核酸酶核酸酶是指作用于核酸的磷酸二酯键的酶是指作用于核酸的磷酸二酯键的酶u 依据底物不同分类依据底物不同分类vdnadna酶酶(deoxyribonuclease, dnase)(deoxyribonuclease, dnase)： 专一降解专一降解dnadnavrnarna酶酶 (ribonuclease, rnase)(rib

2、onuclease, rnase)： 专一降解专一降解rnarna一、概述第一节第一节 核酸的酶促降解核酸的酶促降解u依据切割部位不同依据切割部位不同 核酸内切酶：核酸内切酶：分为限制性核酸内切酶和分为限制性核酸内切酶和非特异性限制性核酸内切酶。非特异性限制性核酸内切酶。 限制性内切酶：在细菌细胞内存在的一限制性内切酶：在细菌细胞内存在的一类能识别并水解外源双链类能识别并水解外源双链dnadna的核酸内切的核酸内切酶，可用于特异切割酶，可用于特异切割dnadna，常作为工具酶。，常作为工具酶。 核酸外切酶：核酸外切酶：5 5 33 或或3 3 55 核酸外切核酸外切酶酶一、核酸外切酶一、核酸外

3、切酶 （exonuclease） 作用于核酸链的末端，逐个水解下核苷酸。 dna外切酶：只作用于dna。 rna外切酶：只作用于rna。 同时作用于dna和rna的外切酶。 核糖核酸酶核糖核酸酶(rnase)和脱氧核糖核酸酶和脱氧核糖核酸酶(dnase) 从核酸链的3端开始切，生成5核苷酸。 从核酸链的5端开始切，生成3核苷酸。 同时切核酸链的3端和5端。 外切核酸酶对核酸的水解位点外切核酸酶对核酸的水解位点5 p p p pohb p p p p3 bbbbbbb牛脾磷酸二酯酶牛脾磷酸二酯酶（ 5 5 端外切端外切5 5得得3 3）蛇毒磷酸二酯酶蛇毒磷酸二酯酶（ 3 3 端外切端外切3 3得

4、得5 5） 二、核酸内切酶二、核酸内切酶（endonuclease） 水解多核苷酸链内部的磷酸二酯键。 dna内切酶：只作用于dna。 rna内切酶：只作用于rna。 同时作用于dna和rna的内切酶。 1、非特异性内切酶（、非特异性内切酶（p285）（1 1）核酸酶）核酸酶（2 2）核糖核酸酶）核糖核酸酶（3 3）脱氧核糖核酸酶）脱氧核糖核酸酶 2 2、限制性内切酶、限制性内切酶 （ 对某些碱基顺序专一的核酸内切酶。 生物学功能： (1）、识别双链dna上的特定位点即“回文结构”（长度在4-8个碱基对范围内，从前往后读和从后往前读完全一样的碱基序列），切割后错开的切口会产生互补的单链末端（粘

5、性末端、平末端）。 (2）、降解外面侵入的dna，但不降解自身细胞的dna，因为自身dna的酶切位点上经甲基化修饰而得到保护。常用的常用的dna限制性内切酶的专一性限制性内切酶的专一性酶酶辨认的序列和切口辨认的序列和切口说明说明 a g c t t c g a g g a t c c c c t a g g a g a t c t t c t a g a g a a t t c c t t a a g a a g c t t t t c g a a g t c g a c c a g c t g c c c g g g g g g c c c bam h ialu ibgl ieco r ih

6、ind sal isma i四核苷酸，平端切口四核苷酸，平端切口六核苷酸，平端切口六核苷酸，平端切口六核苷酸，粘端切口六核苷酸，粘端切口六核苷酸，粘端切口六核苷酸，粘端切口六核苷酸，粘端切口六核苷酸，粘端切口六核苷酸，粘端切口六核苷酸，粘端切口六核苷酸，粘端切口六核苷酸，粘端切口5gaattc33cttaag55g ttaac33caatt g5粘性末端ecor核酸核酸磷酸磷酸核苷酸核苷酸核苷核苷磷酸磷酸-戊糖戊糖碱基碱基水水解解核酸酶核酸酶核苷酸酶核苷酸酶核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶何处去？何处去？进入磷酸戊糖途径进入磷酸戊糖途径或或重新合成核酸重新合成核酸？分解分解合成合成第二节第二节 核苷酸

7、的分解代谢核苷酸的分解代谢 （1）、嘌呤的降解不同种类的生物分解嘌呤碱的能力不同，因此，终产物不同种类的生物分解嘌呤碱的能力不同，因此，终产物也不同。也不同。排尿酸动物：灵长类、鸟类、昆虫、排尿酸爬虫类排尿酸动物：灵长类、鸟类、昆虫、排尿酸爬虫类排尿囊素动物：哺乳动物（灵长类除外）、腹足类排尿囊素动物：哺乳动物（灵长类除外）、腹足类排尿囊酸动物：硬骨鱼类排尿囊酸动物：硬骨鱼类排尿素动物：大多数鱼类、两栖类排尿素动物：大多数鱼类、两栖类某些低等动物能将尿素进一步分解成某些低等动物能将尿素进一步分解成nhnh3 3和和coco2 2排出。排出。植物分解嘌呤的途径与动物相似，产生各种中间产物植物分解

8、嘌呤的途径与动物相似，产生各种中间产物（尿囊素、尿囊酸、尿素、（尿囊素、尿囊酸、尿素、nhnh3 3）。）。微生物分解嘌呤类物质，生成微生物分解嘌呤类物质，生成nhnh3 3、coco2 2及有机酸（甲酸、及有机酸（甲酸、乙酸、乳酸、等）。乙酸、乳酸、等）。 （2）、嘧啶的降解胞嘧啶胞嘧啶nh3尿嘧啶尿嘧啶二氢尿嘧啶二氢尿嘧啶 h2oco2 + nh3-丙氨酸丙氨酸胸腺嘧啶胸腺嘧啶-脲基异丁酸脲基异丁酸-氨基异丁酸氨基异丁酸h2o丙二酸单酰丙二酸单酰coa乙酰乙酰coatca肝肝尿素尿素甲基丙二酸单酰甲基丙二酸单酰coa琥珀酰琥珀酰coatca糖异生糖异生核苷酸的合成途径一般有两条：u从头合成

9、：从最简单的原料如co2、氨基酸、甲酸盐等开始组装碱基环。u补救途径：从来自核酸降解的中间产物或外源核苷、碱基直接合成核苷酸，不需组装碱基环。 第三节第三节 核苷酸的合成代谢核苷酸的合成代谢 一、核糖核苷酸的生物合成一、核糖核苷酸的生物合成 （一）嘌呤核糖核苷酸的合成（一）嘌呤核糖核苷酸的合成 1 1、从头合成路线、从头合成路线 原料：co2、甲酸盐、甘氨酸、天冬氨酸、谷氨酰胺 核糖碳架来源：5p核糖+atp 5磷酸核糖1焦磷酸 （prpp） 过程：先直接合成次黄嘌呤核苷酸（imp，肌苷酸），不先形成嘌呤环，再转变为腺苷酸amp、黄苷酸xmp、尿苷酸gmp。 嘌呤环上各原子的来源嘌呤环上各原子

10、的来源来自谷氨酰胺的酰胺氮来自谷氨酰胺的酰胺氮来自来自“甲酸盐甲酸盐”来自天冬氨酸来自天冬氨酸来自甘氨酸来自甘氨酸来自来自co2来自来自“甲酸盐甲酸盐” imp的合成（1）5-磷酸核糖焦磷酸（prpp）的生成起始步骤 磷酸核糖焦磷酸合成酶催化5-磷酸核糖和atp生成。（2）5-磷酸核糖焦磷酸与谷氨酰胺反应生成5-磷酸核糖胺、谷氨酸和无机焦磷酸。催化此反应的酶是磷酸核糖焦磷酸酰胺基转移酶。（3）5-磷酸核糖胺在atp参与下与甘氨酸合成甘氨酰胺核苷酸。催化此反应的酶是甘氨酰胺核苷酸合成酶。（4）甘胺酰胺核苷酸在甘胺酰胺核苷酸甲酰基转移酶作用下生成甲酰甘胺酰胺核苷酸。（5）甲酰甘胺酰胺核苷酸与谷氨酰

11、胺、atp作用，闭环之前在第3位上加上氮原子。催化此反应的酶是甲酰甘氨咪唑核苷酸合成酶。（6）闭环 在氨基咪唑核苷酸合成酶作用下生成5-氨基咪唑核苷酸。（7）六员环的合成开始 在氨基咪唑核苷酸羧化酶催化下， 5-氨基咪唑核苷酸与二氧化碳生成5-氨基咪唑-4-羧酸核苷酸。（8）嘌呤环的第1位氮的固定 在氨基咪唑琥珀酸氨甲酰核苷酸合成酶催化下， 5-氨基咪唑-4-羧酸核苷酸与天冬氨酸和atp生成5-氨基咪唑-4-琥珀酸甲酰胺核苷酸。（9）脱掉延胡索酸 反应由腺甘酸裂解酶催化。生成5-氨基咪唑-4-甲酰胺核苷酸和延胡索酸。（10）嘌呤环上最后的碳原子由甲酰基供给。催化此反应的酶是氨基咪唑酰胺核苷酸甲

12、酰基转移酶。（11）脱水环化 在次黄苷酸环水解酶作用下脱水环化生成次黄嘌呤核苷酸（imp）。5-5-磷酸核糖焦磷酸磷酸核糖焦磷酸5-5-磷酸磷酸核糖胺核糖胺甘氨酸甘氨酸甘氨酰胺核苷酸甘氨酰胺核苷酸甲酰甘氨酰胺核苷酸甲酰甘氨酰胺核苷酸甲酰甘氨咪核苷酸甲酰甘氨咪核苷酸5-5-氨基咪唑核苷酸氨基咪唑核苷酸5-5-氨基咪唑氨基咪唑-4-4-羧核苷酸羧核苷酸imp的的 生物合成生物合成5-5-氨基咪唑氨基咪唑-4-4-琥珀琥珀基基- -甲酰胺核苷酸甲酰胺核苷酸5-5-氨基咪唑氨基咪唑-4-4-氨甲酰核苷酸氨甲酰核苷酸5-5-甲酰氨基咪唑甲酰氨基咪唑- -4-4-氨甲酰核苷酸氨甲酰核苷酸次黄嘌呤核苷酸次黄

13、嘌呤核苷酸（impimp）甲酰甲酰thfathfaimp转变为转变为gmp和和amp反应要点：反应要点： （1 1）嘌呤核苷酸的合成并不是先形成游离的嘌呤，然后再生成）嘌呤核苷酸的合成并不是先形成游离的嘌呤，然后再生成核苷酸，而是直接形成次黄嘌呤核苷酸再转变为其他嘌呤核苷核苷酸，而是直接形成次黄嘌呤核苷酸再转变为其他嘌呤核苷酸。酸。（2 2）5-5-磷酸核糖磷酸核糖-1-1焦磷酸（焦磷酸（prppprpp）是核苷酸中核糖磷酸部分的）是核苷酸中核糖磷酸部分的供体，供体，prppprpp是由是由atpatp和核糖和核糖-5-5-磷酸合成。磷酸合成。（3 3）嘌呤的各个原子在）嘌呤的各个原子在prp

14、pprpp的的c1c1位置上逐渐加上去的，其关键位置上逐渐加上去的，其关键步骤是步骤是prppprpp和谷氨酰胺形成和谷氨酰胺形成5-5-磷酸核糖胺。磷酸核糖胺。（4 4）在）在5-5-磷酸核糖胺的氨基位置，由磷酸核糖胺的氨基位置，由glygly和甲酰四氢叶酸先后提和甲酰四氢叶酸先后提供供c c和和n n原子形成甲酰干酰胺，至此嘌呤骨架的原子形成甲酰干酰胺，至此嘌呤骨架的4 4、5 5、7 7、8 8、9 9位顺序已形成。位顺序已形成。（5 5）由谷氨酰胺的酰胺基提供第三位）由谷氨酰胺的酰胺基提供第三位n n原子，形成甲酰甘氨脒核原子，形成甲酰甘氨脒核甘酸，接着脱水闭环形成甘酸，接着脱水闭环形

15、成5-5-氨基米唑核苷酸，反应所需能量来氨基米唑核苷酸，反应所需能量来自自atpatp。（6 6）最后，由）最后，由co2co2、天冬氨酸、甲酰四氢叶酸先后提供六元环上、天冬氨酸、甲酰四氢叶酸先后提供六元环上的其他原子，最后生成次黄嘌呤核苷酸。的其他原子，最后生成次黄嘌呤核苷酸。2 2、从头合成的调节、从头合成的调节v主要控制点有三个主要控制点有三个v受到两个终产物受到两个终产物ampamp、gmpgmp的反馈抑制的反馈抑制r-5-p prpp pra impr-5-p prpp pra impampampgmpgmp磷酸核糖焦磷酸转酰胺酶磷酸核糖焦磷酸转酰胺酶腺苷酸琥珀酸合成酶腺苷酸琥珀酸合

16、成酶次黄嘌呤核苷酸脱氢酶次黄嘌呤核苷酸脱氢酶腺苷酸琥珀酸裂解酶腺苷酸琥珀酸裂解酶鸟嘌呤核苷酸合成酶鸟嘌呤核苷酸合成酶腺苷酸琥珀酸腺苷酸琥珀酸黄嘌呤核苷酸黄嘌呤核苷酸利用体内游离的嘌呤或嘌呤核苷，经过简利用体内游离的嘌呤或嘌呤核苷，经过简单的反应，利用单的反应，利用腺嘌呤磷酸核糖转移酶和次黄腺嘌呤磷酸核糖转移酶和次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖转移酶，嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖转移酶，合成嘌呤核苷酸合成嘌呤核苷酸的过程，称为补救合成（或重新利用）途径。的过程，称为补救合成（或重新利用）途径。（二）、嘌呤核苷酸的补救合成途径（二）、嘌呤核苷酸的补救合成途径1.1.定义定义v原料原料: :已有的嘌呤碱、已有的嘌呤碱、

17、prppprppv重要的酶：重要的酶： 腺嘌呤腺嘌呤磷酸核糖转移酶磷酸核糖转移酶 次黄嘌呤次黄嘌呤( (鸟嘌呤鸟嘌呤) )磷酸核糖转移酶磷酸核糖转移酶v磷酸核糖供体：磷酸核糖供体：prppprppv意义意义 ：碱基碱基 + 1-+ 1-磷酸核糖磷酸核糖 核苷核苷+pi+pi核苷核苷 + atp + atp 核苷酸核苷酸 + adp+ adp核苷激酶核苷激酶核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶途径二途径二途径一途径一a ap pr rt ta am mp p+ +p pp pi i腺腺嘌嘌呤呤+ +p pr rp pp p腺腺嘌嘌呤呤磷磷酸酸核核糖糖转转移移酶酶i im mp p+ +p pp pi i次次

18、黄黄嘌嘌呤呤+ +p pr rp pp p次次黄黄嘌嘌呤呤- -鸟鸟嘌嘌呤呤磷磷酸酸核核糖糖转转移移酶酶( (h hg gp pr rt t) )次次黄黄嘌嘌呤呤- -鸟鸟嘌嘌呤呤磷磷酸酸核核糖糖转转移移酶酶( (h hg gp pr rt t) )鸟鸟嘌嘌呤呤+ +p pr rp pp pg gm mp p+ +p pp pi i次黄嘌呤（鸟嘌呤）磷酸核糖转移酶次黄嘌呤（鸟嘌呤）磷酸核糖转移酶 hgprthgprt次黄嘌呤（鸟嘌呤）磷酸核糖转移酶次黄嘌呤（鸟嘌呤）磷酸核糖转移酶 hgprthgprt仅有腺苷仅有腺苷激酶激酶2.2.补救合成的生理意义补救合成的生理意义l补救合成途径可以节省从头

19、合成途径时所补救合成途径可以节省从头合成途径时所需的能量和一些氨基酸的消耗。需的能量和一些氨基酸的消耗。l体内某些组织器官，如脑、骨髓等只能进体内某些组织器官，如脑、骨髓等只能进行补救合成。行补救合成。l自毁容貌征自毁容貌征 大脑中次黄嘌呤核苷酸和鸟嘌呤核苷酸的合成大脑中次黄嘌呤核苷酸和鸟嘌呤核苷酸的合成主要依赖补救合成途径，患者由于脑组织中缺主要依赖补救合成途径，患者由于脑组织中缺乏次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖转移酶，使补救合乏次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖转移酶，使补救合成途径受阻，导致中枢神经系统功能失常，自成途径受阻，导致中枢神经系统功能失常，自我损伤。我损伤。 （二）嘧啶核苷酸的生物合成（二）嘧啶

20、核苷酸的生物合成 1 1、从头合成途径、从头合成途径 原料：co2、nh3、天冬氨酸 5磷酸核糖1焦磷酸 （prpp ） 过程：先组装嘧啶环然后与prpp结合生成尿苷酸ump，再在ump基础上合成胞苷酸cmp。 嘧啶环上各原子的来源嘧啶环上各原子的来源 天冬氨酸天冬氨酸co2nh3nncccc654321h2n-co-p氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸2、尿嘧啶核苷酸合成途径、尿嘧啶核苷酸合成途径gln+hcogln+hco3 3+2atp+2atp氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸+glu + 2adp + pi+glu + 2adp + pi氨甲酰磷酸合成酶氨甲酰磷酸合成酶天冬氨酸转氨甲酰酶天冬氨酸转氨甲酰酶二氢乳

21、清酸酶二氢乳清酸酶二氢乳清酸脱氢酶二氢乳清酸脱氢酶乳清酸磷酸核糖转移酶乳清酸磷酸核糖转移酶乳清苷酸脱羧酶乳清苷酸脱羧酶ump尿嘧啶核苷三磷酸可直接与尿嘧啶核苷三磷酸可直接与nhnh3 3（细菌）或（细菌）或glngln（植物）反应，（植物）反应，生成胞嘧啶核苷三磷酸。生成胞嘧啶核苷三磷酸。ump + atpump + atp尿嘧啶核苷酸激酶尿嘧啶核苷酸激酶mgmg2+2+udp + adpudp + adpudp + atpudp + atp核苷二磷酸激酶核苷二磷酸激酶mgmg2+2+utp + adputp + adpctpctp合成酶合成酶utp + glnutp + gln（nhnh4

22、4+ +）+ + atp + hatp + h2 2o octp + glu +adp+ pictp + glu +adp+ pi3 3、胞嘧啶核苷酸的合成、胞嘧啶核苷酸的合成氨 甲 酰 磷 酸 合 成 酶 ： 受氨 甲 酰 磷 酸 合 成 酶 ： 受ump反馈抑制反馈抑制天冬氨酸转氨甲酰酶：受天冬氨酸转氨甲酰酶：受ctp反馈抑制反馈抑制ctp合成酶：受合成酶：受ctp反馈抑反馈抑制制4 4、嘧啶核苷酸生物合成的调节（大肠杆菌）、嘧啶核苷酸生物合成的调节（大肠杆菌）5.5.补救合成补救合成v原料原料: :已有的嘧啶碱、已有的嘧啶碱、 prpp prpp 、核苷、核苷v重要的酶：重要的酶： 核苷

23、磷酸化酶、核苷激酶核苷磷酸化酶、核苷激酶 磷酸核糖转移酶磷酸核糖转移酶 胞嘧啶胞嘧啶 + 1-+ 1-磷酸核糖磷酸核糖 胞嘧啶核苷胞嘧啶核苷 + pi+ pi胞嘧啶核苷胞嘧啶核苷 + atp + atp 胞嘧啶核苷酸胞嘧啶核苷酸 + adp+ adp胞苷磷酸化酶胞苷磷酸化酶尿苷激酶尿苷激酶途径一：途径一：尿嘧啶尿嘧啶 + 1-+ 1-磷酸核糖磷酸核糖 尿嘧啶核苷尿嘧啶核苷 + pi+ pi尿嘧啶核苷尿嘧啶核苷 + atp + atp 尿嘧啶核苷酸尿嘧啶核苷酸 + adp+ adp途径二：途径二：尿嘧啶尿嘧啶 + 5-+ 5-磷酸核糖焦磷酸磷酸核糖焦磷酸 尿嘧啶核苷酸尿嘧啶核苷酸+ppi+ppi

24、umpump磷酸核糖转移酶磷酸核糖转移酶 尿苷磷酸化酶尿苷磷酸化酶尿苷激酶尿苷激酶尿苷酸尿苷酸胞苷酸胞苷酸二二 脱氧核糖核苷酸的合成脱氧核糖核苷酸的合成 ( (一一) )、 二磷酸脱氧核糖核苷的生成：二磷酸脱氧核糖核苷的生成： 即：即：dadp、dgdp、dcdp、dudp 需一步完成，需一步完成，dtdp需二步完成。需二步完成。 在生物体内，在生物体内，a、g、c、u四种核糖核苷酸均可被还原成相应的脱氧核糖核四种核糖核苷酸均可被还原成相应的脱氧核糖核苷酸。通常核糖核苷酸是在核苷二磷酸水平上被还原的。其还原过程如下：苷酸。通常核糖核苷酸是在核苷二磷酸水平上被还原的。其还原过程如下：反应要点：反

25、应要点： 1、反应类型：还原反应、反应类型：还原反应 2、反应水平：二磷酸核苷（、反应水平：二磷酸核苷（ndp）水平）水平 3、酶体系：二磷酸核糖核苷还原酶系。它包括四种蛋白质。、酶体系：二磷酸核糖核苷还原酶系。它包括四种蛋白质。 4、辅助因子：、辅助因子：nadph+h+（还原剂）（还原剂）(二二)、脱氧胸腺嘧啶核苷酸、脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dtmp）的生成：的生成： dna分子中碱基配对分子中碱基配对ut（dtmp），脱氧胸苷酸是如何合成的呢？一般需要），脱氧胸苷酸是如何合成的呢？一般需要两个步骤：两个步骤：（1）是尿嘧啶脱氧核糖核苷酸（是尿嘧啶脱氧核糖核苷酸（dump）的形成；（）的形成；（2）dump 经甲经甲基化生成基化生成 dtmp（脱氧胸腺嘧啶核苷酸）。（脱氧胸腺嘧啶核