核酸的酶促降解及核苷酸代謝

1、第第1313章章 核酸的酶促降解核酸的酶促降解和核苷酸代謝和核苷酸代謝基本內(nèi)容：基本內(nèi)容：（1）核酸的酶促降解（2）核苷酸的分解代謝（3）核苷酸的合成代謝基本要求：基本要求： （1）掌握常見核酸酶、核苷酸的合成代謝（2）理解核苷酸的合成的補救途徑（3）了解核苷酸的分解代謝教學(xué)重點及難點：教學(xué)重點及難點：（1）限制性內(nèi)切酶（2）核苷酸的合成代謝核苷核苷核酸的酶促降解核酸的酶促降解核苷酸水解核苷酸水解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 堿基堿基磷酸磷酸一、核酸的酶促降解一、核酸的酶促降解 生物體內(nèi)存在多種降解核酸的酶類，統(tǒng)稱為核酸生物體內(nèi)存在多種降解核酸的酶類，統(tǒng)稱為核酸

2、酶酶(nuclease) ,(nuclease) ,在核酸降解和周轉(zhuǎn)中起著重要作在核酸降解和周轉(zhuǎn)中起著重要作用。水解連接核苷酸的用。水解連接核苷酸的磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵。 根據(jù)對底物作用位點的選擇性不同分：根據(jù)對底物作用位點的選擇性不同分： 核酸外切酶核酸外切酶(exonuclease)(exonuclease) 核酸內(nèi)切酶核酸內(nèi)切酶(endonuclease)(endonuclease) 根據(jù)底物的選擇性不同分：根據(jù)底物的選擇性不同分： 脫氧核糖核酸酶脫氧核糖核酸酶(dexyribonuclease(dexyribonuclease，DNase)DNase) 核糖核酸酶核糖核酸酶(ribon

3、uclease(ribonuclease，RNase)RNase) 限制性內(nèi)切酶限制性內(nèi)切酶(restriction endonuclease(restriction endonuclease）1.1.核酸外切酶核酸外切酶 核酸外切酶作用于核酸鏈一端，逐個水解下核苷核酸外切酶作用于核酸鏈一端，逐個水解下核苷酸。酸。 蛇毒磷酸二酯酶蛇毒磷酸二酯酶游離游離3 -羥基端開始；羥基端開始； 牛脾磷酸二酯酶牛脾磷酸二酯酶游離游離 5 -羥基端開始羥基端開始2.2.核酸內(nèi)切酶核酸內(nèi)切酶 核酸內(nèi)切酶水解核酸分子內(nèi)部磷酸二酯鍵。核酸內(nèi)切酶水解核酸分子內(nèi)部磷酸二酯鍵。 牛胰核酸酶（牛胰牛胰核酸酶（牛胰RNase

4、, RNase），），124aa組組成。作用于嘧啶核苷酸磷酸二酯鍵，生成成。作用于嘧啶核苷酸磷酸二酯鍵，生成3 -嘧啶嘧啶核苷酸或末端為核苷酸或末端為3 -嘧啶核苷酸的寡核苷酸。嘧啶核苷酸的寡核苷酸。 牛胰牛胰核酸酶專一作用于核酸酶專一作用于RNA，對，對DNA及其它磷酸二酯及其它磷酸二酯化合物不作用或作用活性很低?；衔锊蛔饔没蜃饔没钚院艿?。 RNaseTl，由，由105個個aa組成。專一水解鳥苷酸二組成。專一水解鳥苷酸二酯鍵，產(chǎn)生酯鍵，產(chǎn)生 3 -GMP或以或以3 -GMP為末端的寡核苷為末端的寡核苷酸。酸。3.3.內(nèi)切兼外切核酸酶內(nèi)切兼外切核酸酶 核酸酶核酸酶P1P1，核酸酶，核酸酶BA

5、LBAL既可內(nèi)切，有可外切核酸。既可內(nèi)切，有可外切核酸。 核酸酶核酸酶P1P1還可作用于單核苷酸還可作用于單核苷酸3 3- -磷酸單酯鍵。磷酸單酯鍵。4.4.核糖核酸酶核糖核酸酶 只能水解只能水解RNARNA磷酸二酯鍵的酶稱核糖核酸酶。磷酸二酯鍵的酶稱核糖核酸酶。 牛胰核糖核酸酶（牛胰核糖核酸酶（RNaseRNase） 核糖核酸酶核糖核酸酶T1T1（RNaseT1RNaseT1）4.4.脫氧核糖核酸酶脫氧核糖核酸酶 只能水解只能水解DNADNA磷酸二酯鍵的酶稱核糖核酸酶。磷酸二酯鍵的酶稱核糖核酸酶。 牛胰脫氧核糖核酸酶（牛胰脫氧核糖核酸酶（DNaseDNase），外切產(chǎn)生），外切產(chǎn)生5-5-磷

6、酸為末端的寡聚核苷酸。磷酸為末端的寡聚核苷酸。 牛脾脫氧核糖核酸酶（牛脾脫氧核糖核酸酶（DNaseDNase），內(nèi)切產(chǎn)生），內(nèi)切產(chǎn)生3-磷酸為末端的寡聚核苷酸。磷酸為末端的寡聚核苷酸。5.5.限制性內(nèi)切酶限制性內(nèi)切酶19791979年，年，W. Arber, H. SmithW. Arber, H. Smith和和D. NathansD. Nathans等發(fā)等發(fā)現(xiàn)某些細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)存在一類能現(xiàn)某些細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)存在一類能識別一定序列識別一定序列并并水水解外源解外源dsDNAdsDNA的內(nèi)切核酸酶。的內(nèi)切核酸酶。限制性內(nèi)切酶是具有高度專一性限制性內(nèi)切酶是具有高度專一性DNADNA內(nèi)切酶，是內(nèi)切酶，是DN

7、ADNA分子操作中必不可少的工具酶。分子操作中必不可少的工具酶。能識別雙鏈能識別雙鏈DNADNA分子上特定的位點，將兩條鏈切斷，分子上特定的位點，將兩條鏈切斷，形成粘性末端或平齊末端的核酸內(nèi)切酶，稱為限形成粘性末端或平齊末端的核酸內(nèi)切酶，稱為限制性內(nèi)切酶制性內(nèi)切酶(restriction endonuclease)(restriction endonuclease)或或 限制酶限制酶(restriction enzyme)(restriction enzyme)。 DNADNA 序列中，以某一中心區(qū)域為對稱軸，其兩側(cè)的堿序列中，以某一中心區(qū)域為對稱軸，其兩側(cè)的堿基對順序正讀和反讀都相同。即對稱

8、軸一側(cè)的片段旋基對順序正讀和反讀都相同。即對稱軸一側(cè)的片段旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 180180后，與另一側(cè)片段對稱重復(fù)。后，與另一側(cè)片段對稱重復(fù)。 粘性末端：指限制性內(nèi)切酶的切割部位不在識別序粘性末端：指限制性內(nèi)切酶的切割部位不在識別序列的中心軸，在斷段產(chǎn)生一個短的單股突伸出來的列的中心軸，在斷段產(chǎn)生一個短的單股突伸出來的不齊末端。不齊末端。平齊末端：在識別序列對稱處同時切開平齊末端：在識別序列對稱處同時切開 DNA DNA 分子兩分子兩條鏈，產(chǎn)生的平齊末端結(jié)構(gòu)。條鏈，產(chǎn)生的平齊末端結(jié)構(gòu)。常用限制性內(nèi)切酶如：常用限制性內(nèi)切酶如：EcoRIEcoRI、HindHind、PstIPstI等。等。 修飾酶使該部位上

9、堿基甲基化，從而使限修飾酶使該部位上堿基甲基化，從而使限制性內(nèi)切酶對這種修飾過的制性內(nèi)切酶對這種修飾過的DNADNA不再起作用。不再起作用。 在細(xì)胞中，限制性內(nèi)切酶可降解外源侵入在細(xì)胞中，限制性內(nèi)切酶可降解外源侵入的的DNADNA，但不降解經(jīng)修飾酶，但不降解經(jīng)修飾酶甲基化甲基化保護的自保護的自身身DNADNA。限制性內(nèi)切酶命名限制性內(nèi)切酶命名 ( (以以EcoR IEcoR I為例為例) )第第1 1個大寫個大寫E E：大腸桿菌屬名：大腸桿菌屬名( (EscherichiaEscherichia) )第第1 1個字母；個字母；第第2,32,3小寫小寫coco：種名：種名(coli)(coli)

10、的頭兩個字母；的頭兩個字母；第第4 4個大寫個大寫R R： 所用大腸桿菌的菌株；所用大腸桿菌的菌株；第第5 5個羅馬字：從該細(xì)菌中分離出來這一類酶的編號。個羅馬字：從該細(xì)菌中分離出來這一類酶的編號。二、核苷酸的分解代謝二、核苷酸的分解代謝1.1.核苷酸的水解核苷酸的水解 核苷酸經(jīng)核苷酸酶核苷酸經(jīng)核苷酸酶(nucleotidase)(nucleotidase)或稱磷酸單酯或稱磷酸單酯酶（酶（phosphomonoesterasephosphomonoesterase）催化，水解為核苷）催化，水解為核苷及無機磷酸。及無機磷酸。 非特異性的核苷酸酶，能作用于一切核苷酸。非特異性的核苷酸酶，能作用于一

11、切核苷酸。 特異性強的核苷酸酶只能水解特異性強的核苷酸酶只能水解3 3 - -核苷酸或核苷酸或5 5 - -核核苷酸，分別稱為苷酸，分別稱為3 3 - -核苷酸酶或核苷酸酶或5 5 - -核苷酸酶。核苷酸酶。2.2.核苷的水解核苷的水解2.1 2.1 核苷酶核苷酶2.2 2.2 核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶 存在于植物、微生物中存在于植物、微生物中, ,只作用于核糖核苷只作用于核糖核苷, ,反應(yīng)不反應(yīng)不可逆。可逆。 廣泛存在于生命機體中，催化反應(yīng)可逆。廣泛存在于生命機體中，催化反應(yīng)可逆。3.3.嘌呤的降解嘌呤的降解次黃嘌呤次黃嘌呤人類嘌呤堿的最終人類嘌呤堿的最終代謝產(chǎn)物代謝產(chǎn)物AMPAMPGMPG

12、MPH H（次黃嘌呤）（次黃嘌呤）G GX X（黃嘌呤）（黃嘌呤）黃嘌呤氧化酶黃嘌呤氧化酶黃嘌呤黃嘌呤氧化酶氧化酶 在植物中，嘌呤分解主要是在衰老的葉在植物中，嘌呤分解主要是在衰老的葉子及儲藏性的胚乳組織中。子及儲藏性的胚乳組織中。 衰老的葉子中，嘌呤分解為尿囊酸后，衰老的葉子中，嘌呤分解為尿囊酸后，運出儲藏。運出儲藏。4.4.嘧啶的降解嘧啶的降解三、核苷酸的合成代謝三、核苷酸的合成代謝 利用核酸降解或進食等從外界補充的含利用核酸降解或進食等從外界補充的含氮堿基或核苷合成新的核苷酸。氮堿基或核苷合成新的核苷酸。從頭合成從頭合成(de novo synthesis)(de novo synthe

13、sis)利用磷酸戊糖、氨基酸、一碳單位等簡利用磷酸戊糖、氨基酸、一碳單位等簡單的化合物合成核苷酸。單的化合物合成核苷酸。 救補途徑救補途徑(salvage pathway)(salvage pathway)合成途徑合成途徑1.1.核糖核苷酸的生物合成核糖核苷酸的生物合成1.1 1.1 嘌呤核苷酸從頭合成嘌呤核苷酸從頭合成從頭合成途徑的全過程從頭合成途徑的全過程IMPIMP的合成的合成AMPAMP和和GMPGMP的生成的生成R-5-P（5-磷酸核糖）磷酸核糖）ATPAMPPRPP合成酶合成酶PP-1-R-5-P（磷酸核糖焦磷酸）（磷酸核糖焦磷酸）在谷氨酰胺、甘氨酸、在谷氨酰胺、甘氨酸、一碳單位、

14、二氧化碳及一碳單位、二氧化碳及天冬氨酸的逐步參與下天冬氨酸的逐步參與下IMP AMP GMPH2N-1-R-5 -P（5 -磷酸核糖胺）磷酸核糖胺）谷氨酰胺谷氨酰胺谷氨酸谷氨酸磷酸核糖酰磷酸核糖酰胺轉(zhuǎn)移酶胺轉(zhuǎn)移酶次黃嘌呤核苷酸的合成次黃嘌呤核苷酸的合成1磷酸核糖焦磷酸激酶磷酸核糖焦磷酸激酶次黃嘌呤核苷酸的合成次黃嘌呤核苷酸的合成5 5磷酸核糖焦磷酸磷酸核糖焦磷酸5 5磷酸核糖胺磷酸核糖胺磷酸核糖酰胺基轉(zhuǎn)移酶磷酸核糖酰胺基轉(zhuǎn)移酶次黃嘌呤核苷酸的合成次黃嘌呤核苷酸的合成5 5磷酸核糖胺磷酸核糖胺甘氨酰胺核苷酸（甘氨酰胺核苷酸（GARGAR）GARGAR合成酶合成酶次黃嘌呤核苷酸的合成次黃嘌呤核苷酸

15、的合成甘氨酰胺核苷酸（甘氨酰胺核苷酸（GARGAR）甲酰甘氨酰胺核苷酸甲酰甘氨酰胺核苷酸GARGAR轉(zhuǎn)甲?；皋D(zhuǎn)甲?；复吸S嘌呤核苷酸的合成次黃嘌呤核苷酸的合成甲酰甘氨酰胺核苷酸甲酰甘氨酰胺核苷酸甲酰甘氨咪唑核苷酸（甲酰甘氨咪唑核苷酸（FGAMFGAM）FGAMFGAM合成酶合成酶次黃嘌呤核苷酸的合成次黃嘌呤核苷酸的合成甲酰甘氨咪唑核苷酸甲酰甘氨咪唑核苷酸5 5氨基咪唑核苷酸氨基咪唑核苷酸6AIRAIR合酶合酶次黃嘌呤核苷酸的合成次黃嘌呤核苷酸的合成5 5氨基咪唑氨基咪唑4 4羧酸核苷酸羧酸核苷酸5 5氨基咪唑核苷酸氨基咪唑核苷酸AIRAIR羧化酶羧化酶次黃嘌呤核苷酸的合成次黃嘌呤核苷酸的合成

16、5 5氨基咪唑氨基咪唑4 4羧酸核苷酸羧酸核苷酸5 5氨基咪唑氨基咪唑4 4N N琥珀酰甲酰胺核苷酸琥珀酰甲酰胺核苷酸SAICARSAICAR合成酶合成酶5 5氨基咪唑氨基咪唑4 4氨甲酰核苷酸氨甲酰核苷酸次黃嘌呤核苷酸的合成次黃嘌呤核苷酸的合成腺苷酸琥珀酸裂解酶腺苷酸琥珀酸裂解酶5 5氨基咪唑氨基咪唑4 4N N琥珀酰甲酰胺核苷酸琥珀酰甲酰胺核苷酸次黃嘌呤核苷酸的合成次黃嘌呤核苷酸的合成5 5氨基咪唑氨基咪唑4 4氨甲酰核苷酸氨甲酰核苷酸5 5甲酰氨基咪唑甲酰氨基咪唑4 4氨甲酰核苷酸氨甲酰核苷酸AICARAICAR轉(zhuǎn)甲?；皋D(zhuǎn)甲?；复吸S嘌呤核苷酸的合成次黃嘌呤核苷酸的合成5 5甲酰氨基咪

17、唑甲酰氨基咪唑4 4氨甲酰核苷酸氨甲酰核苷酸次黃嘌呤核苷酸次黃嘌呤核苷酸IMPIMP環(huán)化水解酶環(huán)化水解酶腺苷酸代琥珀酸合成酶腺苷酸代琥珀酸合成酶 IMPIMP脫氫酶脫氫酶腺苷酸代琥珀酸裂解酶腺苷酸代琥珀酸裂解酶 GMPGMP合成酶合成酶AMPAMP和和GMPGMP的生成的生成1.2 1.2 嘧啶核苷酸從頭合成嘧啶核苷酸從頭合成氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸天冬氨酸天冬氨酸從頭合成途徑的全過程從頭合成途徑的全過程氨甲酰磷酸的生成氨甲酰磷酸的生成乳清酸的合成乳清酸的合成UMPUMP合成合成合成氨甲酰合成氨甲酰AspAsp乳清酸的合成乳清酸的合成氨甲酰氨甲酰AspAsp二氫乳清酸二氫乳清酸乳清酸乳清酸乳清酸合

18、成乳清酸合成UMPUMPCTPCTP合成酶合成酶CTPCTP合成合成UMPUDPUTPATPADPATPADP尿苷酸激酶尿苷酸激酶尿苷二磷酸激酶尿苷二磷酸激酶TMPTMP合成合成胸腺嘧啶脫氧核苷酸，由胸腺嘧啶脫氧核苷酸，由dUMPdUMP在在dTMPdTMP合成酶催化下合成酶催化下甲基化生成甲基化生成, , 葉酸衍生物作為一碳單位供體和還原葉酸衍生物作為一碳單位供體和還原劑。劑。1.3 1.3 核苷酸合成的補救途徑核苷酸合成的補救途徑 哺乳動物和微生物中，存在許多催化嘌呤和嘧啶哺乳動物和微生物中，存在許多催化嘌呤和嘧啶合成單核苷酸的酶，使核酸降解產(chǎn)物或外源補充合成單核苷酸的酶，使核酸降解產(chǎn)物或外源補充的堿基得到直接利用。的堿基得到直接利用。 體內(nèi)有些組織器官，例如，體內(nèi)有些組織器官，例如，腦、骨髓腦、骨髓等由于缺乏等由于缺乏有關(guān)的酶，不能從頭合成嘌呤核苷酸，它們只能有關(guān)的酶，不能從頭合成嘌呤核苷酸，它們只能利用從肝運送來的游離嘌呤堿及腺嘌呤核苷補救利用從肝運送來的游離嘌呤堿及腺嘌呤核苷補救合成嘌呤核苷酸。合成嘌呤核苷酸。 痛風(fēng)（痛風(fēng)（GoutGout），嘌呤堿分解代謝產(chǎn)生過多的尿酸，），嘌呤堿分解代謝