核酸的降解与核苷酸代谢课件

第十一章核酸的降解与核苷酸代谢内容第一节核酸的酶促降解第二节核苷酸的分解代谢第三节核苷酸的合成代谢教学目的和要求1、了解核酸的酶促降解及降解所用的酶；2、掌握嘌呤核苷酸、嘧啶核苷酸的分解代谢；3、掌握嘌呤核苷酸、嘧啶核苷酸从头合成途径、补救合成途径及其生理意义。核酸酶的定义及分类核酸酶是指作用于核酸的磷酸二酯键的酶依据底物不同分类DNA酶(deoxyribonuclease,DNase)：专一降解DNARNA酶(ribonuclease,RNase)：专一降解RNA一、概述第一节核酸的酶促降解

一、核酸外切酶

（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(RNase)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5´

p

p

p

pOHB

p

p

p

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

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。

2、限制性内切酶

（ristrictionendonuclease）

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。限制性内切酶类型

I型：分子量大于105，多亚基，需S-线苷蛋氨酸、ATP和Mg2+，识别位点与切割位点相差甚远，产物为异质，是限制与修饰相排斥的多功能酶.

Ⅱ型：分子量小于105，需Mg2+，切割位点位于识别位点上，产物为专一性片段，不具修饰酶功能。现在分子生物学研究所用的限制性内切酶均为此类。

ⅡI型：识别位点为5-7bp的非对称序列

，切割位点在顺序之外离识别序列5-10bp，切割双链，个别也切割单链。是限制与修饰相多功能酶.常用的DNA限制性内切酶的专一性酶辨认的序列和切口说明‥‥AGCT‥‥‥‥TCGA‥‥‥‥GGATCC‥‥‥‥CCTAGG‥‥‥‥AGATCT‥‥‥‥TCTAGA‥‥‥‥GAATTC‥‥‥‥CTTAAG‥‥‥‥AAGCTT‥‥‥‥TTCGAA‥‥‥‥GTCGAC‥‥‥‥CAGCTG‥‥‥‥CCCGGG‥‥‥‥GGGCCC‥‥BamHIAluIBglIEcoRIHindⅢSalISmaI四核苷酸，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5′—G—A—A—T—T—C—3′3′—C—T—T—A—A—G—5′5′—GT—T—A—A—C—3′3′—C—A—A—T—TG—5′粘性末端EcoRⅠ核酸磷酸核苷酸核苷磷酸-戊糖碱基水解核酸酶核苷酸酶核苷磷酸化酶何处去？进入磷酸戊糖途径或重新合成核酸？分解合成第二节核苷酸的分解代谢

（1）、嘌呤的降解（2）、嘧啶的降解胞嘧啶NH3尿嘧啶二氢尿嘧啶H2OCO2+NH3β-丙氨酸胸腺嘧啶β-脲基异丁酸β-氨基异丁酸H2O丙二酸单酰CoA乙酰CoATCA肝尿素甲基丙二酸单酰CoA琥珀酰CoATCA糖异生一、核糖核苷酸的生物合成

（一）嘌呤核糖核苷酸的合成

1、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：5—P核糖+ATP5—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来自谷氨酰胺的酰胺氮来自“甲酸盐”来自天冬氨酸来自甘氨酸来自CO2来自“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。（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。（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-磷酸核糖焦磷酸5-磷酸核糖胺甘氨酸甘氨酰胺核苷酸甲酰甘氨酰胺核苷酸甲酰甘氨咪核苷酸5-氨基咪唑核苷酸5-氨基咪唑-4-羧核苷酸IMP的生物合成5-氨基咪唑-4-琥珀基-甲酰胺核苷酸5-氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸5-甲酰氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸次黄嘌呤核苷酸（IMP）甲酰THFAIMP转变为GMP和AMP反应要点：

（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。（2）5-磷酸核糖-1焦磷酸（PRPP）是核苷酸中核糖磷酸部分的供体，PRPP是由ATP和核糖-5-磷酸合成。（3）嘌呤的各个原子在PRPP的C1位置上逐渐加上去的，其关键步骤是PRPP和谷氨酰胺形成5-磷酸核糖胺。（4）在5-磷酸核糖胺的氨基位置，由Gly和甲酰四氢叶酸先后提供C和N原子形成甲酰干酰胺，至此嘌呤骨架的4、5、7、8、9位顺序已形成。（5）由谷氨酰胺的酰胺基提供第三位N原子，形成甲酰甘氨脒核甘酸，接着脱水闭环形成5-氨基米唑核苷酸，反应所需能量来自ATP。（6）最后，由CO2、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。2、从头合成的调节主要控制点有三个受到两个终产物AMP、GMP的反馈抑制R-5-PPRPPPRAIMPAMPGMP磷酸核糖焦磷酸转酰胺酶腺苷酸琥珀酸合成酶次黄嘌呤核苷酸脱氢酶腺苷酸琥珀酸裂解酶鸟嘌呤核苷酸合成酶腺苷酸琥珀酸黄嘌呤核苷酸利用体内游离的嘌呤或嘌呤核苷，经过简单的反应，利用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，合成嘌呤核苷酸的过程，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1.定义原料:已有的嘌呤碱、PRPP重要的酶：

腺嘌呤磷酸核糖转移酶次黄嘌呤(鸟嘌呤)磷酸核糖转移酶磷酸核糖供体：PRPP意义：碱基+1-磷酸核糖核苷+Pi核苷+ATP核苷酸+ADP核苷激酶核苷磷酸化酶途径二途径一次黄嘌呤（鸟嘌呤）磷酸核糖转移酶HGPRT次黄嘌呤（鸟嘌呤）磷酸核糖转移酶HGPRT仅有腺苷激酶2.补救合成的生理意义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。体内某些组织器官，如脑、骨髓等只能进行补救合成。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，使补救合成途径受阻，导致中枢神经系统功能失常，自我损伤。

（二）嘧啶核苷酸的生物合成

1、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

天冬氨酸CO2NH3NNCCCC654321H2N-CO-P氨甲酰磷酸2、尿嘧啶核苷酸合成途径Gln+HCO3－+2ATP氨甲酰磷酸+Glu+2ADP+Pi氨甲酰磷酸合成酶天冬氨酸转氨甲酰酶二氢乳清酸酶二氢乳清酸脱氢酶乳清酸磷酸核糖转移酶乳清苷酸脱羧酶UMP尿嘧啶核苷三磷酸可直接与NH3（细菌）或Gln（植物）反应，生成胞嘧啶核苷三磷酸。UMP+ATP尿嘧啶核苷酸激酶／Mg2+UDP+ADPUDP+ATP核苷二磷酸激酶／Mg2+UTP+ADPCTP合成酶UTP+Gln（NH4+）+ATP+H2OCTP+Glu+ADP+Pi3、胞嘧啶核苷酸的合成氨甲酰磷酸合成酶：受UMP反馈抑制天冬氨酸转氨甲酰酶：受CTP反馈抑制CTP合成酶：受CTP反馈抑制4、嘧啶核苷酸生物合成的调节（大肠杆菌）5.补救合成原料:已有的嘧啶碱、PRPP、核苷重要的酶：

核苷磷酸化酶、核苷激酶磷酸核糖转移酶

胞嘧啶+1-磷酸核糖胞嘧啶核苷+Pi胞嘧啶核苷+ATP胞嘧啶核苷酸+ADP胞苷磷酸化酶尿苷激酶途径一：尿嘧啶+1-磷酸核糖尿嘧啶核苷+Pi尿嘧啶核苷+ATP尿嘧啶核苷酸+ADP途径二：尿嘧啶+5-磷酸核糖焦磷酸尿嘧啶核苷酸+PPiUMP磷酸核糖转移酶尿苷磷酸化酶尿苷激酶尿苷酸胞苷酸二脱氧核糖核苷酸的合成

(一)、二磷酸脱氧核糖核苷的生成：

即：dADP、dGDP、dCDP、dUDP需一步完成，dTDP需二步完成。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：1、反应类型：还原反应2、反应水平：二磷酸核苷（NDP）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。4、辅助因子：NADPH+H+（还原剂）(二)、脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）的生成：DNA分子中碱基配对U—T（dTMP），脱氧胸苷酸是如何合成的呢？一般需要两个步骤：（1）是尿嘧啶脱氧核糖核苷酸（dUMP）的形成；（2）dUMP经甲基化生成dTMP（脱氧胸腺嘧啶核苷酸）。

CDPdCDPdCMP

dUMPCDP还原酶水解dCMP脱氨酶实验证明：dCMP脱氨酶活性大大于UDP还原酶活性。对dUMP形成的这种迂回方式有两种看法：（1）

大多数细胞中，核糖核苷酸还原酶只作用于核糖核苷二磷酸水平，可能因为这才能更好地调节酶的活性。（2）

细胞为了其他的目的含有一种活力强的脱氧尿嘧啶三磷酸二磷酸水解酶（dUTPase），此酶通过dUTP+H2O→dUMP+ppi,这个反应方式来保持细胞内dUTP的浓度,以防止dUTP结合到DNA中去。dUMP的来源：可能有以下几种途