生物化学教学课件：Chapte 11 核酸代谢 1

第十一章核酸代谢Chapter11MetabolismofNucleicAcidsH7N9病毒主要内容第一节核酸的降解和核苷酸代谢Degradationofnucleicacidsand

metabolismofnucleotides第二节DNA复制与修复Replication

andreparationofDNA

第三节RNA的生物合成BiosynthesisofRNA第四节核酸生物合成的抑制剂Biosynthesis

inhibitorsofnucleicacids

核酸(nucleicacid)是生物体内一种含有磷酸基团的重要的生物大分子，担负着生命信息的储存和传递，是生命化学研究中一个重要领域。(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脱氧核糖核酸

核糖核酸核酸什么是核酸？核酸组成与结构核酸nucleicacid核苷酸nucleotide核苷nucleoside磷酸phosphate嘌呤碱purinebase

或嘧啶碱pyrimidinebase碱基base核糖ribose

或脱氧核糖deoxyribose

戊糖amylsugarMonophosphateDiphosphateTriphosphateAdenineGuanineThymineCytosineUracilNucleoside(Adenosine)Nucleotide(Adenosinemonophosphate,AMP)PurinePyrimidine核苷核苷酸磷酸五环糖Ribose,Deoxyribose碱基1’2’3’4’5’核苷酸的基本构造胸腺嘧啶(Thy)胞嘧啶(Cyt)尿嘧啶(Ura)嘧啶

腺嘌呤Adenine(Ade)A

鸟嘌呤Guanine(Gua)G嘌呤CUT核酸组成与结构核苷酸的类型——八种核苷酸名称:AMP称腺苷一磷酸(或磷酸腺苷）

dAMP称为脱氧腺苷一磷酸（磷酸脱氧腺苷）3个字母表示碱基，如Ade；1个字母表示核苷，如A为腺苷。Significancesofnucleotides1.PrecursorsforDNAandRNAsynthesis2.Essentialcarriersofchemicalenergy,especiallyATP3.ComponentsofthecofactorsNAD+,FAD,andcoenzymeA4.FormationofactivatedintermediatessuchasUDP-glucose.5.cAMPandcGMP,arealsocellularsecondmessengers.

DNA和RNA合成的前体。

ATP是生物系统最通用的能量。腺苷酸是三种主要辅酶NAD＋、FAD＋和CoA的组分。其衍生物是许多生物合成的活化的中间物。cAMP、cGMP是细胞内第二信使。第一节核酸的降解和核苷酸代谢Degradationofnucleicacidsand

metabolismofnucleotides一、核酸的酶促降解Nucleoprotein核蛋白NucleicacidProteinNucleotideNucleaseNucleosidePhosphateNucleotidaseNucleosidaseBase核苷磷酸化酶Ribose-1′-phosphateNucleosidephosphorylaseBaseRibose核苷水解化酶Nucleosidehydrolase①②③核酸的酶促降解核酸酶（Nuclease）DNA酶(deoxyribonuclease,DNase)RNA酶(ribonuclease,RNase)依据底物不同分类核酸酶（Nuclease）核酸内切酶（endonuclease）核酸外切酶（exonuclease）依据对底物的作用方式分类在核酸酶的作用下，核酸中的磷酸二酯键断裂，生成低聚核苷酸和核苷酸。内部切断磷酸二酯键末端切断磷酸二酯键，逐个水解核苷酸核酸酶——DNaseDNaseDNaseⅠ限制性核酸内切酶（Restrictionendonuclease）DNaseⅡ是一种具有识别双链DNA分子中特定核苷酸序列、并由此切割DNA双链的核酸内切酶。可交错地切断两链（此时产生两条互补的单链，称为粘性末端）DNase特异性水解DNA和切断磷酸二酯键的酶。主要有3类：切断磷酸二酯键的3′端酯键，产物为5′端带磷酸的寡聚脱氧核苷酸片段。特异性不强。切断磷酸二酯键的5′端酯键，产物为3′端带磷酸的寡聚脱氧核苷酸片段。核酸酶——RNaseRNaseRNaseⅠRNaseT1RNase是一类和断RNA磷酸二酯键的内切酶，其特异性较强。RNaseU2作用于RNA中嘧啶核苷酸的C-3′位磷酸与其相邻核苷酸间的C-5′位所形成的磷酸酯键。作用于RNA中鸟嘌呤核苷酸的C-3′位磷酸与其相邻核苷酸间的C-5′位所形成的磷酸酯键。作用于RNA中嘌呤核苷酸的C-3′位磷酸与其相邻核苷酸间的C-5′位所形成的磷酸酯键。蛇毒磷酸二酯酶（venomphosphodiesterase,VPDase）牛脾磷酸二酯酶（spleenphosphodiesterase,SPDase）VPDase是从核苷酸链的3′-OH端开始，逐个水解出5′-单核苷酸;SPDase从核苷酸链的5′-OH端开始，逐个水解出3′-单核苷酸。两种常见的RNA外切酶：核酸的酶促降解蛇毒磷酸二酯酶牛脾磷酸二酯酶5‘3’核酸的酶促降解二、核苷酸的分解代谢（Nucleotidase）核苷酸+H2O核苷+Pi核苷酸酶核苷酸酶分布广泛，但特异性不强；但也存在特异性的核苷酸酶：植物的3′核苷酸酶，只能水解3′-核苷酸；存在于脑、视网膜、毒蛇等中的5′核苷酸酶，只能水解5′-核苷酸.核苷酸的分解：核苷的分解核苷酶（Nucleosidase）有两类，因此核苷的分解也有两种：核苷+磷酸核苷磷酸化酶碱基+核糖-1-磷酸(Nucleosidephosphorylase)①

核苷磷酸化酶：广泛存在，反应可逆。②核苷水解酶：主要存在于植物、微生物中，只水解核糖核苷，不可逆。核糖核苷+H2O核苷水解酶碱基+核糖(Nucleosidehydrolase)嘌呤的分解代谢嘌呤核苷酸的分解代谢包括3个基本过程：(1)核苷酸在核苷酸酶的作用下水解为核苷。(2)核苷在核苷磷酸化酶作用下分解为嘌呤碱基和1-磷酸核糖。(3)嘌呤碱基进一步代谢。一方面可以参加核苷酸的补救合成。另一方面可进入分解代谢，最终形成尿酸，随尿液排出体外。嘌呤的分解代谢（HMS途径）（补救合成）①Removephosphate-5’-nucleotidase核苷酸酶

①a.Deaminateadenosine腺苷脱氨 -Adeninedeaminase腺苷脱氨酶②Removetheribose -nucleosidase③Generatexanthine. -oxidizehypoxanthine -deaminateguanine腺嘌呤脱氨④Makeuricacid. -xanthineoxidase黄嘌呤氧化酶鸟苷鸟嘌呤黄嘌呤腺苷次黄苷磷酸鸟苷次黄嘌呤尿酸磷酸腺苷腺嘌呤脱氨酶黄嘌呤氧化酶PurineCatabolism①②③①①a

④嘌呤的分解代谢人及各种生物嘌呤碱的代谢产物嘌呤代谢产物排泄动物尿酸人类、灵长类动物、鸟类、昆虫尿囊素除灵长类外其它哺乳类动物尿囊酸某些硬骨鱼类尿素、乙醛酸大多数鱼类、两栖类动物氨、二氧化碳甲壳类动物、软体动物嘌呤的分解代谢嘧啶的分解代谢嘧啶碱主要在肝脏分解。嘧啶分解产物β－丙氨酸和β－氨基异丁酸可随尿排出或继续分解利用。

嘧啶的分解代谢胞嘧啶胸腺嘧啶β-丙氨酸β-氨基异丁酸尿嘧啶β－尿基丙酸β－尿基异丁酸CO2+NH3β-丙氨酸β-氨基异丁酸丙二酸单酰CoA乙酰CoATCA肝尿素甲基丙二酸单酰CoA琥珀酰CoATCA糖异生嘧啶的分解代谢三、核苷酸的合成代谢无论是嘌呤或嘧啶核苷酸，其生物合成的基本途径有两条：从头合成途径（肝，主要途径）(denovosynthesispathway)补救合成途径（脑

、骨髓等，也很重要）

(salvagesynthesispathway)

TwopathwaysleadingtonucleotidesDenovosynthesis从头合成:Thesynthesisofnucleotidesbeginswiththeirmetabolicprecursors合成代谢前体:aminoacids,ribose-5-phosphate,CO2,andone-carbonunits.Salvagepathways:Thesynthesisofnucleotidebyrecyclethefreebasesornucleosidesreleasedfromnucleicacidbreakdown.核苷酸合成的两条途径核糖、氨基酸、CO2、一碳单位核糖核苷酸脱氧核苷酸辅酶RNA核苷碱基脱氧核苷DNA补救途径从头合成核苷酸的从头合成概况5-磷酸核糖PRPPAspCO2+Gln氨基甲酰磷酸乳清酸UMPdTMPUTPCTPGTPATPAMPGMPIMPGlnGlyGln一碳单位一碳单位CO2Asp次黄嘌呤核苷酸PRPP：5-磷酸核糖-1-焦磷酸天冬氨酸甘氨酸谷氨酰胺嘌呤核苷酸的合成BiosynthesisofPurineNucleotides天冬氨酸

一碳基团（甲酸盐）谷氨酰胺甘氨酸

一碳基团（甲酸盐）JohnBuchanan(1948)"traced"thesourcesofallnineatomsofpurineringDenovosynthesisofPurineNucleotidesR-5-P（5-磷酸核糖）ATPAMPPRPP合成酶PP-1-R-5-P（磷酸核糖焦磷酸）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次黄嘌呤核苷酸AMPGMPH2N-1-R-5´-P（5´-磷酸核糖胺）谷氨酰胺谷氨酸酰胺转移酶DenovosynthesisofPurineNucleotides磷酸核糖焦磷酸（PRPP）DenovosynthesisofPurineNucleotides5－甲酰氨基咪唑－4－氨甲酰核苷酸次黄嘌呤核苷酸DenovosynthesisofPurineNucleotides5－磷酸核糖焦磷酸5－磷酸核糖胺反应1：5-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。DenovosynthesisofPurineNucleotides5－磷酸核糖胺甘氨酰胺核苷酸反应2：5-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。DenovosynthesisofPurineNucleotides甘氨酰胺核苷酸甲酰甘氨酰胺核苷酸反应3：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。DenovosynthesisofPurineNucleotides甲酰甘氨酰胺核苷酸甲酰甘氨咪唑核苷酸反应4：甲酰甘胺酰胺核苷酸与谷氨酰胺、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。DenovosynthesisofPurineNucleotides甲酰甘氨咪唑核苷酸5－氨基咪唑核苷酸反应5：第一次环化：在氨基咪唑核苷酸合成酶作用下生成5-氨基咪唑核苷酸。DenovosynthesisofPurineNucleotides5－氨基咪唑核苷酸5－亚氨基咪唑－4－羧酸核苷酸反应6：六员环的合成开始：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DenovosynthesisofPurineNucleotides5－氨基咪唑－4－羧酸核苷酸5－亚氨基咪唑－4－羧酸核苷酸反应6：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。DenovosynthesisofPurineNucleotides5－氨基咪唑－4－羧酸核苷酸5－氨基咪唑－4－甲酰胺核苷酸反应7：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。DenovosynthesisofPurineNucleotides5－氨基咪唑－4－甲酰胺核苷酸5－氨基咪唑－4－氨甲酰核苷酸反应8：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。DenovosynthesisofPurineNucleotides5－氨基咪唑－4－氨甲酰核苷酸5－甲酰氨基咪唑－4－氨甲酰核苷酸反应9：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酰基转移酶。DenovosynthesisofPurineNucleotides5－甲酰氨基咪唑－4－氨甲酰核苷酸次黄嘌呤核苷酸反应10：脱水，第二次环化

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)。（IMP）DenovosynthesisofPurineNucleotidesDenovopurinebiosynthesis合成原料：天冬氨酸（Asp）、谷氨酰胺（Gln）、甘氨酸（Gly）、一碳基团（甲酸盐）、CO2、5-磷酸核糖。Site:incytosolofliver,smallintestineandthymus胸腺合成过程及特点：不是先合成嘌呤环，再与核糖、磷酸结合形成核苷酸，而是核糖与磷酸先合成磷酸核糖，然后逐步将合成原料掺入碳原子或氮原子形成嘌呤环，最后合成嘌呤核苷酸。特点：5-磷酸核糖先与谷氨酰胺的NH2上的N结合，然后以此为基础成环。过程：两个主要阶段：由PRPP到IMP（次黄嘌呤核苷酸）的合成；

AMPandGMParesynthesizedfurtheratthebaseofIMP.MakingAMPandGMPAMP、GMP的合成Salvagesynthesis

ofPurineNucleotidesSalvagesynthesis

ofPurineNucleotides嘧啶核苷酸的合成BiosynthesisofPyrimidineNucleotides嘧啶核苷酸的从头合成(Asp)(Gln)定义:嘧啶核苷酸的从头合成是指利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及CO2等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成嘧啶核苷酸的途径。合成部位:主要是肝细胞胞液合成原料：谷氨酰胺、天冬氨酸、CO2、磷酸核糖。用同位素标记实验证明CO2、谷氨酰胺和天冬氨酸是嘧啶碱基的元素来源。嘧啶核苷酸从头合成的过程和特点：特点：与嘌呤核苷酸合成不同，在合成嘧啶核苷酸时，首先合成嘧啶环，再与磷酸核糖结合，生成尿嘧啶核苷酸，最后由尿嘧啶核苷酸转化为胞嘧啶核苷酸和胸腺嘧啶脱氧核苷酸。过程：合成从CO2和谷氨酰胺开始，经6步反应先合成出尿嘧啶核苷酸（UMP）。UMP的从头合成又分三个阶段。由UMP出发再合成其它的嘧啶核苷酸。嘧啶核苷酸的从头合成第一个阶段：以CO2和谷氨酰胺（Gln）为原料合成氨基甲酰磷酸。嘧啶核苷酸的从头合成——UMP第二个阶段：氨基甲酰磷酸和天冬氨酸缩合生成氨基甲酰天冬氨酸，进而脱水、脱氢而形成乳清酸（oroticacid）。嘧啶核苷酸的从头合成——UMP第三个阶段：乳清酸接受PRPP的5-磷酸核糖生成乳清酸核苷酸，进而脱羧生成嘧啶核苷酸。嘧啶核苷酸的从头合成——UMP嘧啶核苷酸的从头合成——UMP胞嘧啶核苷酸（CTP）的合成：ATPADP尿苷酸激酶UDP二磷酸核苷激酶ATPADPUTPCTP合成酶谷氨酰胺ATP谷氨酸ADP+Pi由UMP合成CTP脱氧胸苷一磷酸（dTMP）和脱氧的生成：TMP合酶N5,N10-甲烯FH4FH2FH2还原酶FH4NADP+NADPH+H+dUMP脱氧胸苷一磷酸dTMPUDP脱氧核苷酸还原酶dUDP由UMP合成dTMP尿嘧啶+PRPP

UMP+PPi焦磷酸化酶（2）磷酸核糖转移酶途径（胞嘧啶不行）（1）嘧啶核苷激酶途径（重要途径）分为2步：尿嘧啶与1-磷酸核糖生成嘧啶核苷，然后由