核酸的降解和核苷酸代谢

核苷酸的生物合成和降解

BiosynthesisandDegradationofNucleotides生命科学学院生物化学与分子生物学系白娟生物化学核酸的酶促降解核苷酸的分解代谢核苷酸的生物合成核苷核酸酶核苷酸酶核苷酶嘌呤分解嘧啶分解核酸核苷酸戊糖

碱基磷酸1核酸的酶促降解核酸酶对底物的作用位点：核酸外切酶核酸内切酶对底物的选择性：核糖核酸酶脱氧核糖核酸酶限制性内切酶(具有位点专一性)1.1核酸酶

1.外切核酸酶对核酸的水解位点5´

p

p

pOHB

p

p

p

p3´BBBBBBB牛脾磷酸二酯酶(5端外切5得3’-核苷酸)蛇毒磷酸二酯酶(3端外切3得5’-核苷酸)5´3´5´

p

p

p

pOHPyPuPyPy1´

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p

pGACU

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p

pGA3´RNaseIRNaseIRNaseT1RNaseT1Pu：嘌呤Py：嘧啶

2.内切核酸酶1.2核糖核酸酶(RNase)只能水解RNA磷酸二酯键的酶。1.3脱氧核糖核酸酶(DNase)脱氧核糖核酸酶：专一水解DNA。牛胰脱氧核糖核酸酶(DNaseⅠ)：切割ds/ssDNA，产物为以5-磷酸为末端的寡核苷酸。牛脾脱氧核糖核酸酶(DNaseⅡ)：降解dsDNA，产物为以3-磷酸为末端的寡核苷酸。尚未发现有碱基专一性的DNase，但有序列专一性，即限制性内切酶(restrictionendonuclease)。1.4限制性内切酶1979年，W.Arber、H.Smith和D.Nathans等发现某些细菌细胞内存在一类能识别一定序列并水解外源dsDNA的内切核酸酶。限制性内切酶能识别dsDNA分子上特定的位点，将两条链切断，形成粘性末端或平齐末端，称为限制性内切酶(restrictionendonuclease)或限制酶(restrictionenzyme)。大肠杆菌EcoRI对DNA的识别顺序和酶作用产物的粘性末端：限制性内切酶的命名(以EcoRI为例)DNA重组PCR(聚合酶链式反应)PCR：polymerasechainreaction扩增特异的DNA片段。核苷酸代谢

NucleotideMetabolism核苷酸在人体内广泛分布，具有多种生物学功能：①构成核酸的基本单位--最主要功能;②储存能量,三磷酸核苷酸尤其是ATP是细胞的主要能量形式，一些活化的中间产物，如UDP葡萄糖，亦含有核苷酸成分;③参与代谢和生理调节：许多代谢过程受到体内ATP、ADP或AMP水平的调节,cAMP(或cGMP)是多种细胞膜激素受体的调节作用的第二信使;④组成辅酶,如腺苷酸可作为NAD＋、NADP＋、FMN、FAD及CoA等的组成成分;⑤活化中间代谢物,作为多种活化中间代谢物的载体.如UDP-Glc是合成糖原糖蛋白的活性原料;CDP-胆碱与CDP-二酰基甘油都是合成磷脂的活性原料;S-腺苷甲硫氨酸是活性甲基的载体等.2核苷酸的分解代谢核苷酸(nucleotide)是构成核酸(nucleicacid)的基本单位。人体所需的核苷酸都是由机体自身合成的。食物中的核酸或核苷酸类物质基本上不能被人体直接利用，需水解生成核苷、或核糖、磷酸、碱基才能进一步被细胞所利用。核苷酸的降解磷酸化酶水解酶存在广泛

存在于植物/微生物催化可逆的反应

反应不可逆作用于核糖或脱氧核糖核苷

作用于核糖核苷嘌呤的降解次黄嘌呤黄嘌呤腺苷酸鸟苷酸鸟苷酸脱氨酶腺苷酸脱氨酶次黄嘌呤核苷尿酸黄嘌呤氧化酶核苷酶脱氨可发生在核苷/核苷酸水平次黄嘌呤核苷腺嘌呤核苷黄嘌呤氧化酶(XanthineOxidase)牛黄嘌呤氧化酶的单体结构FADFeSMo一种复合黄素酶次黄嘌呤黄嘌呤尿酸嘌呤核苷酸的分解代谢主要在肝脏、小肠及肾脏中进行。生理情况下嘌呤合成与分解处于相对平衡状态，尿酸的生成与排泄也较恒定。正常人血浆中尿酸含量约0.12-0.36mmol/L(2-6mg/dl)，男性平均0.27mmol/L(4.5mg/dl)，女性平均0.21mmol/L(3.5mg/dl)。当体内核酸大量分解(白血病、恶性肿瘤等)或食入高嘌呤食物时，血中尿酸水平升高，超过0.48mmol/L(8mg/dl)时，尿酸盐过饱和形成结晶，沉积于关节、软组织、软骨及肾等处，而导致关节炎、尿路结石及肾疾患，称为痛风症。痛风的尿酸钠结晶痛风的药物治疗：别嘌呤醇别嘌呤醇别黄嘌呤次黄嘌呤鸟嘌呤次黄嘌呤黄嘌呤氧化酶黄嘌呤尿酸黄嘌呤氧化酶别嘌呤醇（自杀底物）痛风症的治疗机制食物中的嘌呤含量第一类含嘌呤高的食物(每100g食物含嘌呤100～1000mg)肝、肾、胰、心、脑、肉馅、肉汁、沙丁鱼、鱼卵、小虾第二类含嘌呤中等的食物(每100g食物含嘌呤75～100mg)鲤鱼、贝壳类、鳗鱼、熏火退、猪肉、小牛肉；鸭、鹌鹑、火鸡第三类含嘌呤较少的食品(每100g食物含嘌呤<75mg)龙虾、蟹；火腿、羊肉、鸡；麦片、面包、粗粮；芦笋、四季豆、菜豆、菠菜、蘑菇、干豆类、豆腐第四类含嘌呤很少的食物大米、小麦、小米、荠麦、玉米面；面条、面包、馒头；白菜、胡萝卜、芹菜、黄瓜、茄子、甘蓝、莴笋、刀豆、南瓜、西葫芦、蕃茄、土豆、泡菜、咸菜；各种水果。蛋、乳类；汽水、茶、咖啡、可可、巧克力、干果等。尿囊素尿囊酸人、猿、灵长类、鸟类、某些陆生爬行类、昆虫类其他哺乳类硬骨鱼类两栖类、软骨鱼类无脊椎；海洋生物尿酸氧化酶尿囊素酶尿囊酸酶尿素酶尿素尿酸嘌呤的分解还可在核苷或核苷酸水平上进行嘧啶的降解二氢尿嘧啶脱氢酶二氢嘧啶酶β-脲基丙酸酶二氢尿嘧啶β-脲基丙酸

胸腺嘧啶的降解★胸腺嘧啶甲基丙二酸半醛→β-氨基异丁酸

二氢胸腺嘧啶甲基丙二酸单酰辅酶A→琥珀酸CoAβ-脲基异丁酸

二氢尿嘧啶脱氢酶二氢嘧啶酶β-脲基丙酸酶嘧啶的降解3核苷酸的生物合成从头合成途径：利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位、CO2等简单物质为原料。补救途径：利用体内游离的碱基或核苷，反应较简单。3.1核糖核苷酸的合成3.1.1嘌呤核苷酸的生物合成生物中合成嘌呤核苷酸的过程：先由PRPP合成次黄嘌呤核苷酸(IMP)再由IMP生成AMP和GMP嘌呤碱合成的元素来源CO2甲酰基（N5,N10-CH=FH4）甲酰基（N10-CHOFH4）天冬氨酸谷氨酰胺（酰胺基）甘氨酸在谷氨酰胺、甘氨酸、一碳单位、二氧化碳及天冬氨酸的参与下，逐步合成IMPR-5-P（5-磷酸核糖）ATPAMPPRPP合成酶PRPP（5-磷酸核糖-1-焦磷酸）1)IMP的生物合成2)GMP和AMP的合成腺苷酸琥珀酸黄嘌呤核苷酸次黄嘌呤核苷酸黄嘌呤核苷酸鸟苷酸细菌直接以氨作为氨基供体NH4+嘌呤核苷酸循环腺苷酸琥珀酸脱氨(基)酶延胡索酸嘌呤核苷酸合成的调节反馈抑制嘌呤核苷酸的补救合成1嘌呤碱基+1-磷酸核糖核苷+Pi核苷磷酸化酶核苷磷酸激酶核苷+ATP核苷酸+ADP在生物体内，除腺苷激酶外，缺乏其他嘌呤核苷的激酶。嘌呤核苷酸的补救合成2A+PRPPAMP+PPi腺嘌呤磷酸核糖转移酶次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶I/G+PRPPIMP/GMP+PPiHGPRT嘌呤核苷酸补救合成的生理意义可以减少从头合成时能量和一些氨基酸的消耗体内有些组织器官，例如，脑、骨髓等由于缺乏有关的酶，不能从头合成嘌呤核苷酸，它们只能利用从肝运送来的游离嘌呤碱及腺嘌呤核苷补救合成嘌呤核苷酸。嘧啶合成的元素来源氨甲酰磷酸Gln→CO2→←AspC5C4N3C2C6N1‖|

3.1.2嘧啶核苷酸的生物合成细菌的CPSGlnADPCO2二氢乳清酸乳清酸核苷酸乳清酸(乳清酸尿症)N-氨甲酰天冬氨酸乳清酸核苷酸尿嘧啶核苷酸(细菌直接与氨作用)嘧啶碱的直接利用尿嘧啶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转移酶。核苷的直接利用尿嘧啶+1-磷酸核糖尿嘧啶核苷+Pi尿苷磷酸化酶尿苷激酶尿苷/胞苷+ATPUMP/CMP

+ADP嘧啶核苷酸合成的调节天冬氨酸转氨甲酰酶(ATCase)的别构调节大肠杆菌3.2脱氧核苷酸的合成2-脱氧核糖核苷酸是DNA合成的前体，由相应的核苷酸通过以氢代替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；一些微生物如乳酸杆菌、枯草杆菌等则以核苷三磷酸为还原底物。硫氧还蛋白谷氧还蛋白谷氧还蛋白还原酶硫氧还蛋白还原酶核糖核苷酸还原酶大肠杆菌核糖核苷酸还原酶使其活化使酶抑制