核酸的酶促降解和核苷酸代谢

1、核酸的酶促降解和核苷酸代谢第三部分：生物大分子前体的合成1 核酸的酶促降解核酸的酶促降解2 核苷酸的分解代谢核苷酸的分解代谢3 核苷酸的生物合成核苷酸的生物合成基本要求：基本要求： （1）掌握常见核酸酶、核苷酸的合成代谢（2）理解核苷酸的合成的补救途径（3）了解核苷酸的分解代谢教学重点及难点：教学重点及难点：（1）限制性内切酶（2）核苷酸的合成代谢核酸的酶促降解和核苷酸代谢核苷核苷核酸酶核酸酶核苷酸酶核苷酸酶核苷酶核苷酶嘌呤分解嘌呤分解嘧啶分解嘧啶分解核酸核酸核苷酸核苷酸戊糖戊糖 碱基碱基磷酸磷酸核酸的酶促降解和核苷酸代谢1 核酸的酶促降解核酸的酶促降解生物体内存在多种降解核酸酶类，统称为核酸

2、酶生物体内存在多种降解核酸酶类，统称为核酸酶(nuclease) ,在核酸降解和周转中在核酸降解和周转中起着重要作用。起着重要作用。核酸的酶促降解和核苷酸代谢外切酶作用于核酸链一端，逐个水解下核苷酸，是非特异性磷酸二酯酶。外切酶作用于核酸链一端，逐个水解下核苷酸，是非特异性磷酸二酯酶。 蛇毒磷酸二酯酶从蛇毒磷酸二酯酶从DNA或或RNA的游离的游离3 -羟基端开始，逐个水解下羟基端开始，逐个水解下5 -核苷酸；核苷酸；牛脾磷酸二酯酶从游离牛脾磷酸二酯酶从游离 5 -羟基端开始，逐个水解下羟基端开始，逐个水解下3 -核苷酸。核苷酸。1.1 核酸酶核酸酶核酸外切酶核酸外切酶核酸的酶促降解和核苷酸代谢

3、内切酶特异地水解多核苷酸内部各键，是特异性强的磷酸二酯酶。牛胰核酸酶作内切酶特异地水解多核苷酸内部各键，是特异性强的磷酸二酯酶。牛胰核酸酶作用于嘧啶核苷酸磷酸二酯键，生成嘧啶核苷用于嘧啶核苷酸磷酸二酯键，生成嘧啶核苷-3 -磷酸或磷酸或末末 端端为嘧啶核苷为嘧啶核苷-3 -磷酸的磷酸的寡核苷酸。牛胰核酸酶专一作用于寡核苷酸。牛胰核酸酶专一作用于RNA，对，对DNA及其它磷酸二酯化合物不作用或及其它磷酸二酯化合物不作用或作用活性很低。作用活性很低。1.1 核酸酶核酸酶核酸内切酶核酸内切酶核酸的酶促降解和核苷酸代谢1957年在曲霉年在曲霉(Aspergillus)中分离提纯出中分离提纯出RNase

4、T1，由，由105个个AA组成。专一水解鸟苷组成。专一水解鸟苷酸二酯键，产生酸二酯键，产生 3 -GMP或以或以3 -GMP为末端的寡核苷酸。为末端的寡核苷酸。1.1 核酸酶核酸酶核酸外切酶核酸外切酶核酸的酶促降解和核苷酸代谢1.2脱氧核糖核酸酶脱氧核糖核酸酶脱氧核糖核酸酶脱氧核糖核酸酶(DNase)：专一水解：专一水解DNA。 内切酶：切断双链或单链。内切酶：切断双链或单链。 外切酶：有外切酶：有5 3 切割或切割或3 5 切割。切割。尚未发现有碱基专一性尚未发现有碱基专一性DNase，但有序列专一性，即，但有序列专一性，即限制性限制性内切酶内切酶(restriction endonucle

5、ase)。核酸的酶促降解和核苷酸代谢1.3 限制性限制性内切酶内切酶(restriction endonuclease)限制性内切酶，限制性内切酶，restriction enzyme，在某些细菌细胞内存在的一类能识别，在某些细菌细胞内存在的一类能识别一定序列并水解外源一定序列并水解外源dsDNA的核酸内切酶，并形成粘性末端（的核酸内切酶，并形成粘性末端（sticky ends）或平齐末端（或平齐末端（“blunt ends） 。核酸的酶促降解和核苷酸代谢回文结构回文结构“blunt endssticky ends核酸的酶促降解和核苷酸代谢核酸的酶促降解和核苷酸代谢限制性内切酶命名限制性内切酶

6、命名 EcoRI： 第第1个大写个大写E：大肠杆菌属名：大肠杆菌属名(Escherichia)第第1个字母；个字母； 第第2,3小写小写co：种名：种名(coli)的头两个字母；的头两个字母； 第第4个大写个大写R： 所用大肠杆菌的菌株；所用大肠杆菌的菌株； 第第5个罗马字：从该细菌中分离出来这一类酶的编号。个罗马字：从该细菌中分离出来这一类酶的编号。核酸的酶促降解和核苷酸代谢核酸的酶促降解和核苷酸代谢核酸的酶促降解和核苷酸代谢2 核苷酸的分解代谢核苷酸的分解代谢核苷酸经核苷酸酶核苷酸经核苷酸酶(nucleotidase)催化，水解为核苷及无机催化，水解为核苷及无机磷酸。磷酸。 非特异性的核苷

7、酸酶，能作用于一切核苷酸。非特异性的核苷酸酶，能作用于一切核苷酸。 特异性强的核苷酸酶只能水解特异性强的核苷酸酶只能水解3 -核苷酸或核苷酸或5 -核苷酸，核苷酸，分分 别称别称为为3 -核苷酸酶或核苷酸酶或5 -核苷酸酶。核苷酸酶。核酸的酶促降解和核苷酸代谢核苷经核苷酶核苷经核苷酶(nudeosidase) 分解为嘌呤或嘧啶和戊糖。分解为嘌呤或嘧啶和戊糖。核苷水解酶核苷水解酶(nucleoside hydrolase)核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶(nucleoside phosphorylase)2.1 核苷酸核苷酸的水解的水解核酸的酶促降解和核苷酸代谢2.2 嘌呤嘌呤的降解的降解腺嘌呤和鸟嘌呤

8、经脱氨氧化转变为黄嘌呤再进行降解。腺嘌呤和鸟嘌呤经脱氨氧化转变为黄嘌呤再进行降解。核酸的酶促降解和核苷酸代谢xanthine oxidase核酸的酶促降解和核苷酸代谢嘌呤代谢与痛风（嘌呤代谢与痛风（gout）黄嘌呤氧化酶（黄嘌呤氧化酶（Xanthine oxidase）核酸的酶促降解和核苷酸代谢次黄嘌呤次黄嘌呤别嘌呤醇别嘌呤醇奥昔嘌醇奥昔嘌醇核酸的酶促降解和核苷酸代谢2.3 嘧啶嘧啶的降解的降解嘧啶分解时有氨基的首先水解脱氨基。嘧啶分解时有氨基的首先水解脱氨基。胞嘧啶首先水解脱氨基，转化为尿嘧啶。胞嘧啶首先水解脱氨基，转化为尿嘧啶。尿嘧啶和胸腺嘧啶经还原打破环内双键，水解开环成链状化合物，再水

9、解尿嘧啶和胸腺嘧啶经还原打破环内双键，水解开环成链状化合物，再水解成成CO2, NH3, -丙氨酸，丙氨酸， -氨基异丁酸，氨基异丁酸， -氨基异丁酸脱氨基后进入有机酸代氨基异丁酸脱氨基后进入有机酸代谢或直接排出体外。谢或直接排出体外。核酸的酶促降解和核苷酸代谢3 核苷酸的生物合成核苷酸的生物合成利用核酸降解或进食等从外界补充的利用核酸降解或进食等从外界补充的含氮碱基或核苷合成新的核苷酸。含氮碱基或核苷合成新的核苷酸。从头合成从头合成(de novo synthesis)利用氨基酸、磷酸戊糖、利用氨基酸、磷酸戊糖、CO2和和NH3等简单的化等简单的化合物合成核苷酸。合物合成核苷酸。 救补途径救

10、补途径(salvage pathway)合成途径合成途径核酸的酶促降解和核苷酸代谢核苷酸的生物合成与癌症治疗核苷酸的生物合成与癌症治疗北宋（北宋（ 1170年）东轩居士著年）东轩居士著卫济宝书卫济宝书：“痈疽五发，一痈疽五发，一曰癌曰癌”。核酸的酶促降解和核苷酸代谢核酸的酶促降解和核苷酸代谢3.1 嘌呤嘌呤核苷酸的从头生物合成核苷酸的从头生物合成先合成次黄嘌呤核苷酸先合成次黄嘌呤核苷酸(IMP, inosine monophosphate )，再由，再由IMP生成生成AMP和和GMP。IMP合成合成核酸的酶促降解和核苷酸代谢5-磷酸核糖磷酸核糖-1-焦磷酸焦磷酸（Phosphoribosyl

11、pyrophosphate PRPP）PRPP是嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸从头合成的重要中间产物，也是嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸从头合成的重要中间产物，也参与嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸的补救合成。它是由参与嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸的补救合成。它是由PPP代谢途代谢途径中的重要物质径中的重要物质5-磷酸核糖经磷酸核糖经PRPP焦磷酸激酶催化与焦磷酸激酶催化与ATP反应而反应而生成的，是核苷酸合成的极其重要的生成的，是核苷酸合成的极其重要的前前体体。 核酸的酶促降解和核苷酸代谢AMP和和GMP合成合成天冬氨酸天冬氨酸腺苷酸代琥腺苷酸代琥珀酸合成酶珀酸合成酶腺苷酸代琥腺苷酸代琥珀酸裂解酶珀酸裂解酶延胡索酸延胡索酸

12、次黄嘌呤次黄嘌呤脱氢酶脱氢酶黄嘌呤黄嘌呤鸟苷酸鸟苷酸腺苷酸腺苷酸黄嘌呤黄嘌呤-谷氨谷氨酰胺酰胺 氨基转氨基转移酶（移酶（GMP合成酶）合成酶）核酸的酶促降解和核苷酸代谢3.2 嘌呤嘌呤核苷酸合成的调控核苷酸合成的调控Regulatory mechanisms in the biosynthesis of adenineand guanine nucleotides in E. coli. Regulation of these pathways differs in other organisms.核酸的酶促降解和核苷酸代谢3.3 嘧啶核苷酸的合成嘧啶核苷酸的合成Pyrimidine nucl

13、eotides are made from aspartate, PRPP, and carbamoyl phosphate.尿嘧啶的生物合成尿嘧啶的生物合成尿嘧啶核苷酸转变为胞嘧啶核苷酸是在核苷三磷酸的尿嘧啶核苷酸转变为胞嘧啶核苷酸是在核苷三磷酸的水平上进行的。水平上进行的。在细菌中在细菌中UTP直接与直接与NH3作用产生作用产生CTP。动物组织中由。动物组织中由Gln提供提供NH3，反应要有反应要有ATP供能供能，由由CTP合成酶催化合成酶催化反应。反应。核酸的酶促降解和核苷酸代谢胞嘧啶的生物合成胞嘧啶的生物合成核酸的酶促降解和核苷酸代谢胸腺嘧啶核苷酸的合成胸腺嘧啶核苷酸的合成胸腺嘧啶脱氧

14、核苷酸，由胸腺嘧啶脱氧核苷酸，由dUMP在在dTMP合成酶催化下甲基化生成合成酶催化下甲基化生成, 叶酸衍叶酸衍生物作为一碳单位供体和还原剂。生物作为一碳单位供体和还原剂。核酸的酶促降解和核苷酸代谢胸腺嘧啶核苷酸的合成与肿瘤抑制胸腺嘧啶核苷酸的合成与肿瘤抑制氟尿嘧啶氟尿嘧啶重氮丝氨酸重氮丝氨酸甲氨蝶呤甲氨蝶呤阿西维辛阿西维辛核酸的酶促降解和核苷酸代谢核酸的酶促降解和核苷酸代谢3.4 核苷酸核苷酸合成的救补途径合成的救补途径(salvage pathway) 哺乳动物哺乳动物和微生物中，存在许多催化嘌呤和嘧啶合成单和微生物中，存在许多催化嘌呤和嘧啶合成单核苷酸的酶，使核酸降解产物或外源补充的碱基

15、得到直接利核苷酸的酶，使核酸降解产物或外源补充的碱基得到直接利用用。 用用放射性同位素标记的碱基和核苷，常常用于放射性同位素标记的碱基和核苷，常常用于研究核酸研究核酸 合成，其原理就是依据合成，其原理就是依据“补救途径补救途径”。核酸的酶促降解和核苷酸代谢嘌呤碱的直接利用嘌呤碱的直接利用 哺乳动物哺乳动物和微生物中，存在许多催化嘌呤和嘧啶和微生物中，存在许多催化嘌呤和嘧啶合成单核苷酸的酶，使核酸降解产物或外源补充的碱合成单核苷酸的酶，使核酸降解产物或外源补充的碱基得到直接利用。基得到直接利用。核酸的酶促降解和核苷酸代谢嘧啶碱的直接利用嘧啶碱的直接利用 尿嘧啶尿嘧啶磷酸核糖转移酶催化尿嘧啶转变成

16、尿苷酸，目前磷酸核糖转移酶催化尿嘧啶转变成尿苷酸，目前尚未发现胞嘧啶磷酸核糖尚未发现胞嘧啶磷酸核糖转移酶转移酶 。在在UMP的生物合成途径的生物合成途径中，有乳清酸磷酸核糖转移酶催化乳清酸生成乳苷酸的反应。中，有乳清酸磷酸核糖转移酶催化乳清酸生成乳苷酸的反应。核酸的酶促降解和核苷酸代谢核苷的直接利用核苷的直接利用核酸的酶促降解和核苷酸代谢核苷二磷酸、核苷三磷酸的合成核苷二磷酸、核苷三磷酸的合成 生物体生物体内核苷酸常以核苷二磷酸内核苷酸常以核苷二磷酸(d)NDP ，核苷三磷酸核苷三磷酸(d) NTP形式参与合成形式参与合成反应。是在反应。是在 (d) NMP 水平上，水平上，ATP提供提供Pi

17、，由相应专一激酶催化合成的。，由相应专一激酶催化合成的。核酸的酶促降解和核苷酸代谢核苷二磷酸激酶核苷二磷酸激酶(nucleoside diphosphoate kinase)使核使核苷二磷酸和核苷三磷酸相互转变。苷二磷酸和核苷三磷酸相互转变。核苷二磷酸激酶特异性很低，所有核苷二磷酸和核苷核苷二磷酸激酶特异性很低，所有核苷二磷酸和核苷三磷酸都可以作为三磷酸都可以作为磷酸根磷酸根的受体和供体。的受体和供体。核苷二磷酸、核苷三磷酸的合成核苷二磷酸、核苷三磷酸的合成核酸的酶促降解和核苷酸代谢 2 -脱氧核糖核苷酸是脱氧核糖核苷酸是DNA合成前体合成前体,由相应的由相应的核苷还原酸核苷还原酸通过以氢代替

18、通过以氢代替2 -OH基团还原得来。通常是在核苷二磷酸水平上发生还原反应基团还原得来。通常是在核苷二磷酸水平上发生还原反应;一些微生物如乳酸杆一些微生物如乳酸杆菌菌,枯草杆菌等则以核苷三磷酸为还原底物。枯草杆菌等则以核苷三磷酸为还原底物。3.5 脱氧核苷酸的合成脱氧核苷酸的合成第一类酶在自然界广泛分布并存在于哺乳动物细胞中第一类酶在自然界广泛分布并存在于哺乳动物细胞中. 由一种以上多肽链由一种以上多肽链组成组成,含有非正铁血红素含有非正铁血红素, 对核苷对核苷 二磷酸的还原作用有专一性。二磷酸的还原作用有专一性。 第二第二类酶在某些微生物中，只含有一种多肽链，需要钴胺素类酶在某些微生物中，只含有一种多肽链，需要钴胺素(VB12)作为辅作为辅酶酶,不含非正铁血红素不含非正铁血红素,是在核苷二磷酸还是三磷酸水平上的还原则取是在核苷二磷酸还是三磷酸水平上的还原则取决于酶的决于酶的来源。来源。催化核糖环催化核糖环还原还