《生物化学》33 核酸的降解核核苷酸代谢

1、第十三单元 核酸代谢 第33章 核酸的降解和核苷酸的代谢第34 章 DNA的复制与修复第35章 DNA的重组第36章 RNA的合成与加工第33章 核酸的降解和核苷酸代谢概述一、核酸和核苷酸的分解代谢二、核苷酸的生物合成三、辅酶核苷酸的生物合成概述 核苷酸是核酸的基本结构单位。 在核酸的合成过程中，首先必须有足够的核苷酸作为原料，然后才能合成大分子核酸。 在核酸的分解过程中，首先核酸分解成核苷酸，然后再进一步代谢。 由此可见，核苷酸代谢是核酸代谢的重要组成部分,在生物代谢中占重要地位。一、核酸和核苷酸的分解代谢概述(一)核酸的解聚作用 (二)核苷酸的降解 (三)嘌呤碱的分解 (四)嘧啶碱的分解

2、概述核酸在体内的分解过程如下：核酸核苷酸核苷+磷酸嘌呤碱或嘧啶碱 + 戊糖-1-磷酸核酸酶核苷酸酶核苷磷酸化酶(一)核酸的解聚作用 核酸是由许多核苷酸以3 ，5 -磷酸二酯键连接而成的大分子化合物。核酸分解代谢的第一步是水解连接核苷酸之间的磷酸二酯键，生成低级多核苷酸或单核苷酸。 在生物体内有许多磷酸二酯酶可以催化这一解聚作用。作用于核酸的磷酸二酯酶称为核酸酶。水解核糖核酸的称核糖核酸酶，水解脱氧核糖核酸的称脱氧核糖核酸酶。核糖核酸酶和脱氧核糖核酸酶中能够水解核酸分子内磷酸二酯键的酶又称为核酸内切酶(endonuclease)，从核酸链的一端逐个水解下核苷酸的酶称为核酸外切酶（exonucle

3、ase）。核酸外切酶蛇毒磷酸二酯酶（3端开始）牛脾磷酸二酯酶（5端开始）核酸内切酶DNA酶：DNase、DNase、限制性内切酶RNA酶：RNaseA、RNaseT1、RNaseT2(二)核苷酸的降解 核苷酸水解下磷酸成为核苷，由核苷酸酶(磷酸单酯酶)催化。非特异性的核苷酸酶对一切核苷酸都能作用，无论磷酸基在核苷的2、3或5位置都可被水解下来，而特异性的核苷酸酶只能水解3-核苷酸或5-核苷酸。 核苷经过核苷酶作用分解为嘌呤碱或嘧啶碱和戊糖。 核苷酸的降解产物-嘌呤碱和嘧啶碱还可以进一步分解。 分解核苷的酶有两种： 一是核苷磷酸化酶，催化核苷的磷酸解； 二是核苷水解酶，催化核苷的水解。 核苷磷酸

4、化酶核苷 + 磷酸 嘌呤碱或嘧啶碱 + 戊糖-1-磷酸 核苷水解酶核苷 + H2O 嘌呤碱或嘧啶碱 + 戊糖(三)嘌呤碱的分解 不同生物分解嘌呤碱的能力不一样，代谢产物也各不相同。人类、猿类、鸟类及某些爬虫类以尿酸作为嘌呤代谢的终产物。其它多种生物还能进一步分解尿酸，形成不同的代谢产物。 嘌呤碱的分解首先是在脱氨酶的作用下脱去氨基。腺嘌呤和鸟嘌呤脱氨分别生成次黄嘌呤和黄嘌呤。嘌呤的脱氨可在三个水平上进行，即： 嘌呤水平上的脱氨， 核苷水平上的脱氨， 核苷酸水平上的脱氨。腺嘌呤脱氨主要是在腺苷水平上 (核苷水平上脱氨) ，鸟嘌呤脱氨主要是在鸟嘌呤水平上(碱基水平上脱氨)。腺嘌呤核苷酸腺嘌呤核苷腺

5、嘌呤次黄嘌呤核苷酸次黄嘌呤核苷 黄嘌呤H2OPiPi核糖-1-P核苷酸酶核苷磷酸化酶腺苷酸脱氨酶+H2O-NH3腺苷脱氨酶+H2O-NH3腺嘌呤脱氨酶+H2O-NH3H2OPiPi核糖-1-P核苷酸酶核苷磷酸化酶尿酸嘌呤三种水平的脱氨次黄嘌呤在黄嘌呤氧化酶的作用下氧化成黄嘌呤，黄嘌呤在同一种酶(黄嘌呤氧化酶)的作用下氧化成尿酸。尿酸的进一步分解各种动物不一致，人类、其 它灵长类和鸟类的嘌呤分解止于尿酸。其它某些动物还能将尿酸进一步分解成不同物质。（如图所示）嘌呤碱的分解腺嘌呤脱氨酶黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶尿酸氧化酶鸟嘌呤脱氨酶尿囊素酶腺嘌呤鸟嘌呤次黄嘌呤黄嘌呤尿酸尿囊素嘌呤碱的分解尿酸氧化酶尿

6、囊酸酶尿囊素酶尿素酶(四)嘧啶碱的分解胞嘧啶脱氨基转变为尿嘧啶。尿嘧啶还原为二氢尿嘧啶，并水解开环，最后生成NH3、CO2及-丙氨酸。胸腺嘧啶降解成-氨基异丁酸， 后者可直接随尿排出或进一步分解。（如图所示)嘧啶的分解二氢尿嘧啶 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 胞嘧啶脱氨酶 胞嘧啶脱氨基转变为尿嘧啶。 尿嘧啶还原为二氢尿嘧啶；水解开环，最后生成NH3、CO2及-丙氨酸。胸腺嘧啶降解成-氨基异丁酸， 后者可直接随尿排出或进一步分解二、核苷酸的生物合成概述 (一)嘌呤核糖核苷酸的合成 (二)嘧啶核糖核苷酸的合成 (三)脱氧核糖核苷酸的合成核苷酸生物合成的基本途径 从头合成核糖

7、、氨基酸、CO2、NH3 核苷碱基脱氧核苷核苷酸脱氧核苷酸DNARNA辅酶补救途径(一)嘌呤核苷酸的生物合成 嘌呤核苷酸的从头 合成在胞浆中进行，反应步骤比较复杂，可分成两个阶段： 首先,合成次黄嘌呤核苷酸(IMP)， 然后,IMP再转变成AMP与GMP。 合成嘌呤核苷酸的原料需要天冬氨酸、甘氨酸、谷氨酰胺、CO2、甲酸盐等化合物。 如图显示了嘌呤核的来源。嘌呤环的元素来源 NCN136C2CC54 NNNC978二氧化碳天冬氨酸甲酸盐谷氨酰胺甲酸盐甘氨酸1、IMP的合成2、腺嘌呤核苷酸的合成3、鸟嘌呤核苷酸的合成4、由嘌呤碱和核苷合成核苷酸5、嘌呤核苷酸生物合成的调控1、IMP的合成 由核糖

8、-5-磷酸开始经一系列的酶促反应生成甲酰甘氨咪唑核糖核苷酸； 然后咪唑环闭合生成5-氨基咪唑核糖核苷酸。 再经羧化，与天冬氨酸缩合、甲酰化、再闭 环而生成次黄苷酸(IMP)。 （共计11步反应）次黄苷酸的合成途径1235467811910R-5-P + ATPIMP5-氨基咪唑核苷酸5-磷酸核糖胺甘氨酰胺核苷酸甲酰甘氨酰胺核苷酸5-氨基咪唑-4-琥珀酸氨甲酰核苷酸5-氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸5-甲酰氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸1)核糖-5-磷酸与ATP合成5-磷酸核糖-1-焦磷酸(PRPP)。催化此反应的酶是磷酸核糖焦磷酸激酶。反应过程中，ATP的焦磷酸基转移到5-磷酸核糖的C-1位，PRPP

9、中C-1为构型。体内5-磷酸核糖主要来源于磷酸戊糖途径。磷酸核糖焦磷酸激酶PRPP中C-1为构型 2)谷氨酰胺提供酰胺基取代PRPP上的焦磷酸，形成5-磷酸核糖胺。此反应由PRPP酰胺基转移酶催化。这步反应是嘌呤核苷酸从头合成的限速步骤和主要调节环节，并使其核糖C-1由构型转变成构型，这种型的N-糖苷键是天然核苷酸的重要结构特征之一。PRPP酰胺基 转移酶此反应是嘌呤核苷酸从头合成的限速步骤和主要调控环节。型型核糖C-1由构型转变成构型，这种型的N-糖苷键是天然核苷酸的重要结构特征之一。3)由ATP供能，甘氨酸与5-磷酸核糖胺合成为甘氨酰胺核苷酸。这一步由磷酸核糖甘氨酰胺合成酶催化。磷酸核糖甘

10、氨 酰胺合成酶4)甘氨酰胺核苷酸经甲酰化生成甲酰甘氨酰胺核苷酸，催化这个甲酰化反应的酶为甘氨酰胺核苷酸转甲酰基酶。甘氨酰胺核苷酸 转甲酰基酶CH=5)由谷氨酰胺提供酰胺氮，使甲酰甘氨酰胺核苷酸生成甲酰甘氨咪唑核苷酸。此反应消耗一分子ATP，由磷酸核糖甲酰甘氨咪唑合成酶催化。 磷酸核糖甲酰甘氨咪唑合成酶甲酰甘氨眯核苷酸咪唑环未闭合6）甲酰甘氨咪唑核苷酸脱水环化，形成5-氨基咪唑核苷酸，此反应需要ATP参与，由磷酸核糖氨基咪唑合成酶催化。至此，合成了嘌呤环中的咪唑环部分。甲酰甘氨眯核苷酸 氨基咪唑核苷酸合成酶H2O7）由磷酸核糖氨基咪唑羧化酶催化羧化反应，将CO2(C6)连接到咪唑环上，生成5-氨

11、基咪唑-4-羧酸核苷酸，该酶并不需要生物素作为辅酶。氨基咪唑核苷酸 羧化酶8）在ATP存在的情况下，天冬氨酸与5-氨基咪唑-4-羧酸核苷酸缩合，生成5-氨基咪唑-4-琥珀酸氨甲酰核苷酸。此反应由磷酸核糖氨基咪唑-琥珀酸-氨甲酰合成酶催化。 氨基咪唑-琥珀酸-氨甲酰核苷酸合成酶9）5-氨基咪唑-4-琥珀酸氨甲酰核苷酸裂解，脱去一分子延胡索酸，生成5-氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸，由腺苷酸-琥珀酸裂解酶催化。腺苷酸-琥珀酸 裂解酶10）由N10-甲酰FH4提供一碳单位(C2)，使5-氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸甲酰化，生成5-甲酰胺基咪唑-4-氨甲酰核苷酸，这步反应由磷酸核糖-氨基咪唑氨甲酰转甲酰基酶

12、催化。 氨基咪唑氨甲酰核苷酸 转甲酰基酶11）5-甲酰氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸脱水环化，生成第一个嘌呤核苷酸IMP。IMP-环化水解酶催化这一步反应。2、腺嘌呤核苷酸的合成 IMP虽然不是合成核酸的主要原料，也不是细胞核内核苷酸的主要成份，但它是嘌呤核苷酸合成的重要中间产物，是AMP和GMP的前体。 IMP在GTP供能的情况下与天冬氨酸合成腺苷酸琥珀酸，这个反应由腺苷酸-琥珀酸合成酶催化。中间产物腺苷酸琥珀酸随即在腺苷酸-琥珀酸裂解酶的催化下，脱去一分子延胡索酸，生成腺嘌呤核苷酸(AMP)。IMP 转 变 成AMP GMP合成酶IMP脱氢酶腺苷酸代琥珀酸合成酶腺苷酸代琥珀酸裂解酶 IMP在G

13、TP供能的情况下与天冬氨酸合成腺苷酸琥珀酸，这个反应由腺苷酸-琥珀酸合成酶催化。中间产物腺苷酸琥珀酸随即在腺苷酸-琥珀酸裂解酶的催化下，脱去一分子延胡索酸，生成腺嘌呤核苷酸(AMP)。3、鸟嘌呤核苷酸的合成 IMP由次黄苷酸脱氢酶催化，以NAD+为受氢体，氧化成黄嘌呤核苷酸(XMP)；然后在鸟嘌呤核苷酸合成酶的作用下，消耗一分子ATP，使谷氨酰胺上的氨基取代XMP中C-2上的氧而生成GMP。 IMP 转 变 成GMPGMP合成酶IMP脱氢酶腺苷酸代琥珀酸合成酶腺苷酸代琥珀酸裂解酶 IMP由次黄苷酸脱氢酶催化，以NAD+为受氢体，氧化成黄嘌呤核苷酸(XMP)，然后在鸟嘌呤核苷酸合成酶的作用下，消

14、耗1分子ATP（实为2个高能键），使谷氨酰胺上的氨基取代XMP中C-2上的氧而生成GMP。 4、由嘌呤碱和核苷合成核苷酸 人或其它哺乳类动物体内合成嘌呤核苷酸的途径有两条： 第一，利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及CO2等简单物质为原料，经过一系列复杂的酶促反应，合成嘌呤核苷酸，称为从头合成途径。 第二，利用体内已有的游离嘌呤或嘌呤核苷，经过比较简单的反应过程，合成嘌呤核苷酸，称为补救途径。 补救途径: 在特异的核苷磷酸化酶作用下，各种碱基可与1-磷酸核糖反应生成核苷。由此产生的核苷在适当的磷酸激酶作用下，由ATP供给磷酸基，即形成核苷酸。碱基+ 1-磷酸核糖核苷 + Pi核苷 + ATP核苷酸

15、 + ADP核苷磷酸化酶核苷酸激酶 在生物体内，除腺苷激酶外，缺少其它嘌呤核苷的激酶。显然，这不是一个重要的补救途径。另一更重要的补救合成途径是： 利用嘌呤碱直接与5-磷酸核糖焦磷酸（PRPP)在磷酸核糖转移酶作用下生成嘌呤核苷酸。5-磷酸核糖焦磷酸磷酸核糖转移酶磷酸核糖转移酶5.嘌呤核苷酸生物合成的调控嘌呤核苷酸的从头合成是体内提供核苷酸的主要来源，机体对其合成速度进行着精确的调节，调节的机理主要是反馈抑制，发生在合成过程中下列几个部位： 从头合成途径的第一个限速酶PRPP酰胺基转移酶是调节的主要环节。PRPP酰胺基转移酶是一个别构酶，它可被IMP、AMP和GMP所抑制。 由IMP转变成AM

16、P和GMP的过程中有两个调控点分别位于次黄苷酸后分支途径的第一步反应。过量AMP通过抑制腺苷酸-琥珀酸合成酶，反馈抑制AMP自身的合成，而不影响GMP的生成；同样，过量的GMP通过抑制IMP脱氢酶，反馈抑制GMP自身的合成，而不影响AMP的生成。IMP 转变成AMP 和GMP腺苷酸代琥珀酸合成酶IMP脱氢酶xx嘌呤核苷酸生物合成的调控(反馈抑制)5-磷酸核糖焦磷酸5-磷酸核糖胺次黄苷酸腺苷酸鸟苷酸PRPP酰胺基转移酶腺苷酸-琥珀酸合成酶IMP脱氢酶IMP、AMP和GMP抑制PRPP酰胺基转移酶(二)嘧啶核糖核苷酸的合成嘧啶核苷酸的嘧啶环是由氨甲酰磷酸和天冬氨酸合成的。与嘌呤核苷酸不同，在合成嘧

17、啶核苷酸时首先形成嘧啶环，再与磷酸核糖结合称为乳清苷酸，然后生成尿嘧啶核苷酸。其他嘧啶核苷酸由尿嘧啶核苷酸转变而成。CCCCNN氨甲酰磷酸天冬氨酸嘧啶环的来源嘧啶环 乳清苷酸 尿嘧啶核苷酸 其他嘧啶核苷酸(乳清酸)首先合成1、尿苷酸的合成2、胞苷酸的合成3、嘧啶碱和核苷合成核苷酸4.嘧啶核苷酸生物合成的调节1、尿苷酸的合成 由氨甲酰磷酸与天冬氨酸合成氨甲酰天冬氨酸，闭环并被氧化生成乳清酸。 乳清酸与PRPP作用生成乳清苷酸，脱羧后就成为尿苷酸。 由氨甲酰磷酸与天冬氨酸合成氨甲酰天冬氨酸，闭环并被氧化生成乳清酸。1) 生物体内的氨甲酰磷酸可由氨、二氧化碳和ATP合成。用于形成氨甲酰磷酸需由谷氨酰

18、胺作为氨的供体。催化此反应的酶为氨甲酰磷酸合成酶。谷氨酰胺+ 2ATP + HCO3-氨甲酰磷酸合成酶氨甲酰磷酸+2ADP+Pi+谷氨酸2）氨甲酰磷酸在天冬氨酸转氨甲酰酶(ATCase)的催化下，与天冬氨酸化合生成氨甲酰天冬氨酸。ATCase是细菌嘧啶核苷酸合成的关键酶，此酶受产物的反馈抑制。氨甲酰磷酸 + 天冬氨酸 转氨甲酰酶氨甲酰天冬氨酸 + Pi3）氨甲酰天冬氨酸经二氢乳清酸酶催化脱水，生成二氢乳清酸。氨甲酰天冬氨酸二氢乳清酸+H2O二氢乳氢酸酶4）二氢乳清酸在二氢乳清酸脱氢酶的催化下，脱氢成为乳清酸。乳清酸是合成尿嘧啶核苷酸的重要中间物。至此已形成嘧啶环。二氢乳清酸+NAD+乳清酸+N

19、ADH+H+二氢乳清酸脱氢酶FAD，FMN5）乳清酸在焦磷酸化酶的作用下，与磷酸核糖焦磷酸(PRPP)化合，生成乳清核苷酸。乳清酸 + 5-磷酸核糖焦磷酸焦磷酸化酶Mg2+乳清苷酸+PPi6）乳清核苷酸再由乳清核苷酸脱羧酶催化脱去羧基，即生成尿苷酸。乳清苷酸脱羧酶尿嘧啶核苷酸+CO22、胞苷酸的合成 尿苷酸加-NH2即可得到胞苷酸，但是加-NH2不是简单地在核苷一磷酸(NMP)水平上进行，而是在核苷三磷酸(NTP)的水平上进行的。 UMP通过尿嘧啶核苷酸激酶和核苷二磷酸激酶的连续作用，生成尿苷三磷酸(UTP)。UMP+ATPUDP+ADP尿嘧啶核苷酸激酶Mg2+UDP+ATPMg2+核苷二磷酸

20、激酶UTP+ADPUTP在CTP-合成酶的催化下，消耗一分子ATP，从谷氨酰胺接受氨基(动、植物)或直接与NH3作用(微生物)，生成胞苷三磷酸(CTP)。UTP + 谷氨酰胺 + ATP + H2OCTP合成酶CTP + 谷氨酸 + ADP + PPi3、嘧啶碱和核苷合成核苷酸 除了上述的从头合成途径外，生物体还有利用体内已有的嘧啶或嘧啶核苷来合成核苷酸的补救途径。 在嘧啶核苷激酶的作用下，嘧啶碱和嘧啶核苷可以通过下列途径合成嘧啶核苷酸。尿嘧啶+5-磷酸核糖焦磷酸尿嘧啶核苷酸+PPiUMP磷酸核糖转移酶尿嘧啶核苷酸合成补救途径1尿嘧啶+1-磷酸核糖尿嘧啶核苷+Pi尿苷磷酸化酶尿嘧啶核苷+ATP

21、尿苷激酶尿嘧啶核苷酸+ADPMg2+尿嘧啶核苷酸合成补救途径2胞嘧啶核苷+ATP尿苷激酶Mg2+胞嘧啶核苷酸+ADP胞嘧啶核苷酸合成补救途径尿嘧啶核苷酸合成补救途径有两条胞嘧啶核苷酸合成补救途径有一条4.嘧啶核苷酸生物合成的调节 大肠杆菌中，嘧啶核苷酸的生物合成可在三个调控点上受到终产物的反馈抑制。 合成途径的第一个调节酶是氨甲酰磷酸合成酶，它受UMP的反馈抑制。另两个调节酶是天冬氨酸转氨甲酰酶和CTP合成酶，它们受CTP的反馈抑制。前者被抑制将影响尿苷酸和胞苷酸的合成；后者被抑制只影响胞苷酸的生物合成。（如图所示）CO2+ATP+谷胺酰胺氨甲酰磷酸氨甲酰天冬氨酸UMPUTPCTP天冬氨酸氨甲

22、酰磷酸合成酶天冬氨酸转氨甲酰酶CTP合成酶(三)脱氧核苷酸的生物合成 生物体内脱氧核糖核苷酸是DNA合成的前体，脱氧核糖核苷酸可以由核糖核苷酸还原形成。 腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶三种核糖核苷酸经还原，将其中核糖第二位碳原子上的氧脱去，即成为相应的脱氧核糖核苷酸。 胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸形成要经过两个步骤： 首先由尿嘧啶核糖核苷酸脱氧形成尿嘧啶脱氧核糖核苷酸， 然后尿嘧啶再经甲基化转变为胸腺嘧啶。1.核糖核苷酸的还原2.脱氧胸苷酸(dTMP)的合成1.核糖核苷酸的还原通常，核糖核苷酸是在核苷二磷酸(NDP)的水平上被还原的，核苷二磷酸可还原成脱氧核苷二磷酸，反应较复杂，由核苷二磷酸还原酶、硫氧还蛋

23、白、硫氧还蛋白还原酶组成的酶系催化。 (如图所示) 脱氧核苷酸的合成硫氧还蛋白还原酶（加氢还原）需要2个酶1个蛋白：核苷二磷酸还原酶，硫氧还蛋白，硫氧还蛋白还原酶合成在二磷酸水平上生成的是dNDP包括dADP 、dGDP 、dCDP1）核苷二磷酸还原酶。由两个亚基B1、B2组成，B1是调节亚基，B2是催化亚基。当B1、B2结合在一起，并且有Mg2+存在的情况下，该酶才有活性。2）硫氧还蛋白是一种分子量较小，并且含有二个巯基的含硫蛋白质。分为氧化型和还原型两种。还原型硫氧还蛋白是核苷二磷酸的还原剂。3）硫氧还蛋白还原酶是一种含FAD的黄素酶。它催化氧化型硫氧还蛋白成为还原型硫氧还蛋白。NADPH(还原辅酶II)提供反应所需的H。2.脱氧胸苷酸(dTMP)的合成 dTMP的生物合成由尿苷酸(UMP)为起点，经脱氧、甲基化而变成dTMP。其中脱氧是发生在核苷二磷酸(NDP)水平上，而甲基化是发生在脱氧核苷一磷酸(dNMP)水平上。脱氧是用还原的方法，甲基化则是用N5 ,N10 一甲烯基四氢叶酸作为甲基供体，由胸苷酸合成酶催化。 UDP脱氧（核苷二磷酸水平）dUDPdUMPdTMP甲基化（脱氧核苷一磷酸水平）胸苷酸的合成 四氢叶酸的衍生物是一碳单位的载体，在嘌呤和嘧啶的生物合成中起着重要作用。因此， 叶酸的拮抗物，如氨基蝶呤、氨甲蝶呤等都能强烈抑制嘌呤和嘧啶的生物合成(如图所示)，这