核酸的降解與核苷酸代謝課件

第十一章核酸的降解與核苷酸代謝內(nèi)容第一節(jié)核酸的酶促降解第二節(jié)核苷酸的分解代謝第三節(jié)核苷酸的合成代謝教學(xué)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謝；3、掌握嘌呤核苷酸、嘧啶核苷酸從頭合成途徑、補(bǔ)救合成途徑及其生理意義。核酸酶的定義及分類核酸酶是指作用于核酸的磷酸二酯鍵的酶依據(jù)底物不同分類DNA酶(deoxyribonuclease,DNase)：專一降解DNARNA酶(ribonuclease,RNase)：專一降解RNA一、概述第一節(jié)核酸的酶促降解

一、核酸外切酶

（exonuclease）作用于核酸鏈的末端，逐個(gè)水解下核苷酸。DNA外切酶：只作用于DNA。RNA外切酶：只作用于RNA。

同時(shí)作用于DNA和RNA的外切酶。核糖核酸酶(RNase)和脫氧核糖核酸酶(DNase)

從核酸鏈的3′—端開始切，生成5′—核苷酸。

從核酸鏈的5′—端開始切，生成3′—核苷酸。

同時(shí)切核酸鏈的3′—端和5′—端。

外切核酸酶對(duì)核酸的水解位點(diǎn)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、核酸內(nèi)切酶（endonuclease）

水解多核苷酸鏈內(nèi)部的磷酸二酯鍵。DNA內(nèi)切酶：只作用于DNA。RNA內(nèi)切酶：只作用于RNA。

同時(shí)作用于DNA和RNA的內(nèi)切酶。

2、限制性內(nèi)切酶

（ristrictionendonuclease）

對(duì)某些堿基順序?qū)Ｒ坏暮怂醿?nèi)切酶。

生物學(xué)功能：(1）、識(shí)別雙鏈DNA上的特定位點(diǎn)即“回文結(jié)構(gòu)”（長度在4-8個(gè)堿基對(duì)范圍內(nèi)，從前往后讀和從后往前讀完全一樣的堿基序列），切割后錯(cuò)開的切口會(huì)產(chǎn)生互補(bǔ)的單鏈末端（粘性末端、平末端）。

(2）、降解外面侵入的DNA，但不降解自身細(xì)胞的DNA，因?yàn)樽陨鞤NA的酶切位點(diǎn)上經(jīng)甲基化修飾而得到保護(hù)。限制性內(nèi)切酶類型

I型：分子量大于105，多亞基，需S-線苷蛋氨酸、ATP和Mg2+，識(shí)別位點(diǎn)與切割位點(diǎn)相差甚遠(yuǎn)，產(chǎn)物為異質(zhì)，是限制與修飾相排斥的多功能酶.

Ⅱ型：分子量小于105，需Mg2+，切割位點(diǎn)位于識(shí)別位點(diǎn)上，產(chǎn)物為專一性片段，不具修飾酶功能?，F(xiàn)在分子生物學(xué)研究所用的限制性內(nèi)切酶均為此類。

ⅡI型：識(shí)別位點(diǎn)為5-7bp的非對(duì)稱序列

，切割位點(diǎn)在順序之外離識(shí)別序列5-10bp，切割雙鏈，個(gè)別也切割單鏈。是限制與修飾相多功能酶.常用的DNA限制性內(nèi)切酶的專一性酶辨認(rèn)的序列和切口說明‥‥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-戊糖堿基水解核酸酶核苷酸酶核苷磷酸化酶何處去？進(jìn)入磷酸戊糖途徑或重新合成核酸？分解合成第二節(jié)核苷酸的分解代謝

（1）、嘌呤的降解（2）、嘧啶的降解胞嘧啶NH3尿嘧啶二氫尿嘧啶H2OCO2+NH3β-丙氨酸胸腺嘧啶β-脲基異丁酸β-氨基異丁酸H2O丙二酸單酰CoA乙酰CoATCA肝尿素甲基丙二酸單酰CoA琥珀酰CoATCA糖異生一、核糖核苷酸的生物合成

（一）嘌呤核糖核苷酸的合成

1、從頭合成路線

原料：CO2、甲酸鹽、甘氨酸、天冬氨酸、谷氨酰胺

核糖碳架來源：5—P核糖+ATP5—磷酸核糖—1—焦磷酸（PRPP）

過程：先直接合成次黃嘌呤核苷酸（IMP，肌苷酸），不先形成嘌呤環(huán)，再轉(zhuǎn)變?yōu)橄佘账酇MP、黃苷酸XMP、尿苷酸GMP。

嘌呤環(huán)上各原子的來源來自谷氨酰胺的酰胺氮來自“甲酸鹽”來自天冬氨酸來自甘氨酸來自CO2來自“甲酸鹽”

IMP的合成（1）5-磷酸核糖焦磷酸（PRPP）的生成——起始步驟

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參與下與甘氨酸合成甘氨酰胺核苷酸。催化此反應(yīng)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?；D(zhuǎn)移酶作用下生成甲酰甘胺酰胺核苷酸。（7）六員環(huán)的合成開始在氨基咪唑核苷酸羧化酶催化下，5-氨基咪唑核苷酸與二氧化碳生成5-氨基咪唑-4-羧酸核苷酸。（8）嘌呤環(huán)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-羧酸核苷酸與天冬氨酸和ATP生成5-氨基咪唑-4-琥珀酸甲酰胺核苷酸。（9）脫掉延胡索酸反應(yīng)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）嘌呤環(huán)上最后的碳原子由甲?；┙o。催化此反應(yīng)的酶是氨基咪唑酰胺核苷酸甲?；D(zhuǎn)移酶。（11）脫水環(huán)化在次黃苷酸環(huán)水解酶作用下脫水環(huán)化生成次黃嘌呤核苷酸（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-氨甲酰核苷酸次黃嘌呤核苷酸（IMP）甲酰THFAIMP轉(zhuǎn)變?yōu)镚MP和AMP反應(yīng)要點(diǎn)：

（1）嘌呤核苷酸的合成并不是先形成游離的嘌呤，然后再生成核苷酸，而是直接形成次黃嘌呤核苷酸再轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌堰屎塑账帷＃?）5-磷酸核糖-1焦磷酸（PRPP）是核苷酸中核糖磷酸部分的供體，PRPP是由ATP和核糖-5-磷酸合成。（3）嘌呤的各個(gè)原子在PRPP的C1位置上逐漸加上去的，其關(guān)鍵步驟是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和甲酰四氫葉酸先后提供C和N原子形成甲酰干酰胺，至此嘌呤骨架的4、5、7、8、9位順序已形成。（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，接著脫水閉環(huán)形成5-氨基米唑核苷酸，反應(yīng)所需能量來自ATP。（6）最后，由CO2、天冬氨酸、甲酰四氫葉酸先后提供六元環(huán)上的其他原子，最后生成次黃嘌呤核苷酸。2、從頭合成的調(diào)節(jié)主要控制點(diǎn)有三個(gè)受到兩個(gè)終產(chǎn)物AMP、GMP的反饋抑制R-5-PPRPPPRAIMPAMPGMP磷酸核糖焦磷酸轉(zhuǎn)酰胺酶腺苷酸琥珀酸合成酶次黃嘌呤核苷酸脫氫酶腺苷酸琥珀酸裂解酶鳥嘌呤核苷酸合成酶腺苷酸琥珀酸黃嘌呤核苷酸利用體內(nèi)游離的嘌呤或嘌呤核苷，經(jīng)過簡單的反應(yīng)，利用腺嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶和次黃嘌呤鳥嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶，合成嘌呤核苷酸的過程，稱為補(bǔ)救合成（或重新利用）途徑。（二）、嘌呤核苷酸的補(bǔ)救合成途徑1.定義原料:已有的嘌呤堿、PRPP重要的酶：

腺嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶次黃嘌呤(鳥嘌呤)磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶磷酸核糖供體：PRPP意義：堿基+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徑二途徑一次黃嘌呤（鳥嘌呤）磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶HGPRT次黃嘌呤（鳥嘌呤）磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶HGPRT僅有腺苷激酶2.補(bǔ)救合成的生理意義補(bǔ)救合成途徑可以節(jié)省從頭合成途徑時(shí)所需的能量和一些氨基酸的消耗。體內(nèi)某些組織器官，如腦、骨髓等只能進(jìn)行補(bǔ)救合成。自毀容貌征大腦中次黃嘌呤核苷酸和鳥嘌呤核苷酸的合成主要依賴補(bǔ)救合成途徑，患者由于腦組織中缺乏次黃嘌呤鳥嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶，使補(bǔ)救合成途徑受阻，導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能失常，自我損傷。

（二）嘧啶核苷酸的生物合成

1、從頭合成途徑

原料：CO2、NH3、天冬氨酸5—磷酸核糖—1—焦磷酸（PRPP）

過程：先組裝嘧啶環(huán)然后與PRPP結(jié)合生成尿苷酸UMP，再在UMP基礎(chǔ)上合成胞苷酸CMP。

嘧啶環(huán)上各原子的來源

天冬氨酸CO2NH3NNCCCC654321H2N-CO-P氨甲酰磷酸2、尿嘧啶核苷酸合成途徑Gln+HCO3－+2ATP氨甲酰磷酸+Glu+2ADP+Pi氨甲酰磷酸合成酶天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶二氫乳清酸酶二氫乳清酸脫氫酶乳清酸磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶乳清苷酸脫羧酶UMP尿嘧啶核苷三磷酸可直接與NH3（細(xì)菌）或Gln（植物）反應(yīng)，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反饋抑制天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶：受CTP反饋抑制CTP合成酶：受CTP反饋抑制4、嘧啶核苷酸生物合成的調(diào)節(jié)（大腸桿菌）5.補(bǔ)救合成原料:已有的嘧啶堿、PRPP、核苷重要的酶：

核苷磷酸化酶、核苷激酶磷酸核糖轉(zhuǎn)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徑一：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途徑二：尿嘧啶+5-磷酸核糖焦磷酸尿嘧啶核苷酸+PPiUMP磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶尿苷磷酸化酶尿苷激酶尿苷酸胞苷酸二脫氧核糖核苷酸的合成

(一)、二磷酸脫氧核糖核苷的生成：

即：dADP、dGDP、dCDP、dUDP需一步完成，dTDP需二步完成。在生物體內(nèi)，A、G、C、U四種核糖核苷酸均可被還原成相應(yīng)的脫氧核糖核苷酸。通常核糖核苷酸是在核苷二磷酸水平上被還原的。其還原過程如下：反應(yīng)要點(diǎn)：1、反應(yīng)類型：還原反應(yīng)2、反應(yīng)水平：二磷酸核苷（NDP）水平3、酶體系：二磷酸核糖核苷還原酶系。它包括四種蛋白質(zhì)。4、輔助因子：NADPH+H+（還原劑）(二)、脫氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）的生成：DNA分子中堿基配對(duì)U—T（dTMP），脫氧胸苷酸是如何合成的呢？一般需要兩個(gè)步驟：（1）是尿嘧啶脫氧核糖核苷酸（dUMP）的形成；（2）dUMP經(jīng)甲基化生成dTMP（脫氧胸腺嘧啶核苷酸）。

CDPdCDPdCMP

dUMPCDP還原酶水解dCMP脫氨酶實(shí)驗(yàn)證明：dCMP脫氨酶活性大大于UDP還原酶活性。對(duì)dUMP形成的這種迂回方式有兩種看法：（1）

大多數(shù)細(xì)胞中，核糖核苷酸還原酶只作用于核糖核苷二磷酸水平，可能因?yàn)檫@才能更好地調(diào)節(jié)酶的活性。（2）

細(xì)胞為了其他的目的含有一種活力強(qiáng)的脫氧尿嘧啶三磷酸二磷酸水解酶（dUTPase），此酶通過dUTP+H2O→dUMP+ppi,這個(gè)反應(yīng)方式來保持細(xì)胞內(nèi)dUTP的濃度,以防止dUTP結(jié)合到DNA中去。dUMP的來源：可能有以下幾種途