10核酸酶促降解和核苷酸代谢

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1、 第十章第十章核酸酶促降解和核苷酸代核酸酶促降解和核苷酸代谢谢 核酸酶促降解产物为核苷酸及其衍生物，在代谢上非常核酸酶促降解产物为核苷酸及其衍生物，在代谢上非常重要，它们几乎参与细胞的所有生化过程。主要表现重要，它们几乎参与细胞的所有生化过程。主要表现:v 合成新核酸。合成新核酸。v 参与其它生物合成，参与其它生物合成，ATP、GTP参与能量代谢；参与能量代谢；UDPG、ADPG参与淀粉、糖原的生物合成等。参与淀粉、糖原的生物合成等。v AMP是重要的辅因子是重要的辅因子(FAD、NAD、CoA等）的重要等）的重要 组分。组分。v 充当第二信使充当第二信使 cAMP、cGMP。v 其它含其它含

2、N代谢物。代谢物。第十章第十章核酸酶促降解和核苷酸代谢核酸酶促降解和核苷酸代谢 第一节第一节 核酸酶促降解核酸酶促降解第二节第二节 核苷酸的分解代谢核苷酸的分解代谢第三节第三节 核苷酸的合成代谢核苷酸的合成代谢第一节第一节 核酸酶促降解核酸酶促降解 所有的细胞内均含有降解核酸的酶类所有的细胞内均含有降解核酸的酶类,它们协同作用可把核它们协同作用可把核酸彻底分解为嘌呤、嘧啶、戊糖和磷酸。酸彻底分解为嘌呤、嘧啶、戊糖和磷酸。核酸的降解核酸的降解 水解核酸水解核酸3，5-磷酸二酯键的酶，称为磷酸二酯键的酶，称为核酸酶核酸酶。核酸酶分为核酸内切酶和核酸外切酶：核酸酶分为核酸内切酶和核酸外切酶：内切酶；

3、从核酸的内部切断磷酸二酯键。内切酶；从核酸的内部切断磷酸二酯键。外切酶：从核苷酸链的外切酶：从核苷酸链的3-未端或未端或5-未端逐个水解切未端逐个水解切 下单核苷酸。下单核苷酸。根据核酸酶对底物的专一性将其分为三类根据核酸酶对底物的专一性将其分为三类:1.核糖核酸酶核糖核酸酶(RNase)2.脱氧核糖核酸酶脱氧核糖核酸酶(DNase)DNase只能水解只能水解DNA的磷酸二酯键。胰的磷酸二酯键。胰DNase I 可切割双链可切割双链和单链和单链DNA，产物为，产物为5-磷酸寡核苷酸、牛脾磷酸寡核苷酸、牛脾DNaseII降解降解DNA则产生则产生3-磷酸为未端的寡核苷酸。磷酸为未端的寡核苷酸。3

4、.非特异性核酸酶非特异性核酸酶 RNA、DNA均可水解。均可水解。例如：例如：小球菌核酸酶小球菌核酸酶是内切酶，可作用是内切酶，可作用RNA或变性或变性DNA，产，产生生3-P-核苷酸，而核苷酸，而蛇毒磷酸二酯酶蛇毒磷酸二酯酶则能从则能从RNA链或链或DNA链链的的3-羟基末端逐个切割核苷酸，生成羟基末端逐个切割核苷酸，生成5-P-核苷酸。核苷酸。牛胰牛胰核酸酶核酸酶5-外切酶产物为外切酶产物为3-P-核苷酸。核苷酸。限制性内切酶限制性内切酶v生物功能生物功能:在于防止病毒感染宿主细胞或者用于降解在于防止病毒感染宿主细胞或者用于降解外面侵入的外面侵入的DNADNA，但不降解自身细胞中的，但不降

5、解自身细胞中的DNADNA，因为，因为在自身在自身DNADNA的酶切位点上经甲基化修饰受到保护。的酶切位点上经甲基化修饰受到保护。v分类分类：限制性内切酶有三种类型：限制性内切酶有三种类型I I、IIII、IIIIII。I I和和IIIIII型限制性内切酶水解型限制性内切酶水解DNADNA需要消耗需要消耗ATPATP。可通。可通过在碱基上以甲基化对过在碱基上以甲基化对DNADNA进行化学修饰。进行化学修饰。IIII型限制性内切酶水解型限制性内切酶水解DNADNA不需要消耗不需要消耗ATPATP，不以甲，不以甲基化对基化对DNADNA进行化学修饰，进行化学修饰，能识别能识别DNADNA的特异核苷

6、酸的特异核苷酸序列，并在所识别的特异核苷酸顺序内或附近切割序列，并在所识别的特异核苷酸顺序内或附近切割DNADNA。限制性内切酶限制性内切酶IIII 对对双链双链DNA中中4-6个个bp所组成的所组成的特异序列特异序列进行进行专专一识别一识别，并在此序列中按对称顺序，并在此序列中按对称顺序同时同时切断切断2条条DNA链。链。如如 E.COR I：5 G|AATTC 3 3 CTTAA|G 5产物：产物：粘性末端粘性末端 平齐末端平齐末端35GGCCCCGG 分子刀-DNA限制性内切酶识别特定的核苷酸序列46个碱基对形成粘性末端或平端重组DNA分子的操作 The formation of a r

7、ecombinant DNA molecule 限制性内切酶名称的第一个字母取自获得此限制性内切酶名称的第一个字母取自获得此内切酶的细菌内切酶的细菌属名属名的第一个字母，用大写。的第一个字母，用大写。名称的第二、三个字母取自该细菌名称的第二、三个字母取自该细菌种名种名的头二的头二个字母，用小写字母。个字母，用小写字母。如果该细菌还有不同的株系，则另加第四个代如果该细菌还有不同的株系，则另加第四个代表株系的字母或数字；最后是用罗马字大写的数字表株系的字母或数字；最后是用罗马字大写的数字，代表同一菌株中不同限制性内切酶的编号。，代表同一菌株中不同限制性内切酶的编号。如如Hind 代表从流感噬血杆菌

8、代表从流感噬血杆菌d株（株（haemophilus influenzae）中分离到的第）中分离到的第三三种内切酶。种内切酶。限制内切酶的命名限制内切酶的命名 一、核苷酸的降解一、核苷酸的降解 核苷酸在核苷酸在核苷酸酶核苷酸酶的作用下水解为磷酸和核苷。核苷酸酶的作用下水解为磷酸和核苷。核苷酸酶有两类：一类是非特异核苷酸酶，对有两类：一类是非特异核苷酸酶，对2,32,3或或55核苷酸均可核苷酸均可水解，另一类是特异性强的核苷酸酶，有水解，另一类是特异性强的核苷酸酶，有3-3-核苷酸酶，核苷酸酶，5-5-核苷酸酶。核苷酸酶。核苷经核苷经核苷酶核苷酶作用后，产生嘌呤、嘧啶和核糖。这类酶也作用后，产生嘌

9、呤、嘧啶和核糖。这类酶也有两类有两类:一类是一类是核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶，它催化核苷水解产生碱基和磷酸，它催化核苷水解产生碱基和磷酸核糖核糖;另一类是另一类是核苷水解酶核苷水解酶，它分解核苷产生碱基和核糖。，它分解核苷产生碱基和核糖。核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶 核苷核苷 +磷酸磷酸 =碱基碱基 +磷酸核糖磷酸核糖动物、反应可逆动物、反应可逆 核苷水解酶核苷水解酶核苷核苷+H2O =碱基碱基+核糖核糖 植物和微生物、不可逆植物和微生物、不可逆第二节第二节 核苷酸的分解代谢核苷酸的分解代谢二、嘌呤的降解二、嘌呤的降解 不同的生物对嘌呤的分解能力不同不同的生物对嘌呤的分解能力不同,因而具有不同的代谢

10、因而具有不同的代谢终点（分解终产物不同）。终点（分解终产物不同）。AI 黄嘌呤黄嘌呤-尿酸尿酸 人类和灵长类人类和灵长类G 尿囊素尿囊素 其它哺乳动物其它哺乳动物 尿囊酸尿囊酸 植物植物 尿素尿素+乙醛酸乙醛酸 大多鱼类大多鱼类 NH3+CO2 海洋无脊椎动物或微生物海洋无脊椎动物或微生物脱氨酶脱氨酶脱氨酶脱氨酶尿囊素酶尿囊素酶尿酸氧化酶尿酸氧化酶脲酶脲酶尿素酸酶尿素酸酶黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶人类和灵长类人类和灵长类哺乳动物哺乳动物植物植物大多鱼类大多鱼类海洋无脊椎动物或微生物海洋无脊椎动物或微生物三、嘧啶的降解三、嘧啶的降解 一般具有氨基的嘧啶碱需要水解脱去氨基，如

11、一般具有氨基的嘧啶碱需要水解脱去氨基，如胞嘧啶生成尿嘧啶，尿嘧啶或胸腺嘧啶经还原生成胞嘧啶生成尿嘧啶，尿嘧啶或胸腺嘧啶经还原生成二氢尿嘧啶或二氢胸腺嘧啶。二氢尿嘧啶或二氢胸腺嘧啶。DHUDHU经水解使环裂开，经水解使环裂开，生成生成-脲基丙酸脲基丙酸,再水解生成再水解生成COCO2 2、NHNH3 3和和-丙氨酸。丙氨酸。DHTDHT也发生类似水解反应，先生成也发生类似水解反应，先生成-脲基异丁酸，脲基异丁酸，后者水解生成后者水解生成COCO2 2、NHNH3 3和和-氨基异丁酸。氨基异丁酸。CU DHU -脲基丙酸脲基丙酸 -丙氨酸丙氨酸 COA、乙酸、乙酸T DHT -脲基异丁酸脲基异丁酸

12、 -氨基异丁酸氨基异丁酸 CO2、NH3第三节第三节 核苷酸的合成代谢核苷酸的合成代谢 植物、动物和微生物，一般都能够合成各种嘌呤和嘧啶植物、动物和微生物，一般都能够合成各种嘌呤和嘧啶核苷酸，它们的合成途径大致相同。核苷酸，它们的合成途径大致相同。通常核苷酸的生物合成有两条主要途径通常核苷酸的生物合成有两条主要途径:从头合成从头合成 利用简单的原料如氨基酸、甲酸盐和利用简单的原料如氨基酸、甲酸盐和CO2等合等合 成核苷酸。成核苷酸。补救途径补救途径 利用核酸降解的中间产物或外源的核苷与嘌呤利用核酸降解的中间产物或外源的核苷与嘌呤 碱和嘧啶碱直接合成新的核苷酸。碱和嘧啶碱直接合成新的核苷酸。核苷

13、酸合成的两条途核苷酸合成的两条途径径核糖、氨基酸、核糖、氨基酸、CO2、NH3核糖核苷酸核糖核苷酸脱氧核苷酸脱氧核苷酸辅酶辅酶RNA核苷核苷碱基碱基脱氧核苷脱氧核苷DNA一、嘌呤核苷酸的生物合成一、嘌呤核苷酸的生物合成1 1、从头合成、从头合成 以以5-磷酸核糖磷酸核糖-1-焦磷酸焦磷酸(PRPP)提供核糖提供核糖,在此基础上逐步在此基础上逐步进行嘌呤环的进行嘌呤环的“组装组装”。首先形成。首先形成IMP（次黄嘌呤核苷酸）（次黄嘌呤核苷酸）,以以后再转化为其它各种嘌呤核苷酸。后再转化为其它各种嘌呤核苷酸。来自甲酸盐来自甲酸盐来自甲酸盐来自甲酸盐嘌呤环上各原子的来源嘌呤环上各原子的来源次黄嘌呤核

14、苷酸次黄嘌呤核苷酸(IMP)的合成途径所需酶的合成途径所需酶 1、PRPP合成酶合成酶2、酰胺磷酸核糖转移酶、酰胺磷酸核糖转移酶 3、磷酸核糖甘氨酰胺合成酶、磷酸核糖甘氨酰胺合成酶 4、磷酸核糖磷酸核糖甘氨酰胺转甲酰基酶甘氨酰胺转甲酰基酶 5、磷酸核糖磷酸核糖甲酰甘氨脒合成酶甲酰甘氨脒合成酶 6、氨基咪唑核苷酸合成酶、氨基咪唑核苷酸合成酶 7、氨基咪唑核苷酸羧化酶、氨基咪唑核苷酸羧化酶 8、氨基咪唑琥珀基氨甲酰核苷酸合成酶、氨基咪唑琥珀基氨甲酰核苷酸合成酶9、腺苷酸琥珀酸裂合酶、腺苷酸琥珀酸裂合酶 10、磷酸核糖磷酸核糖氨基咪唑甲酰胺转甲酰基酶氨基咪唑甲酰胺转甲酰基酶 11、次黄嘌呤核苷酸环水

15、解酶、次黄嘌呤核苷酸环水解酶IMP的合成途径的合成途径：PRPP经经11 Step合成合成IMPATP甘氨酸甘氨酸ADPPiCO2ATP甘氨酸甘氨酸ADPPiCO2PRPP合成酶合成酶酰胺磷酸核糖转移酶酰胺磷酸核糖转移酶磷酸核糖甘氨酰胺磷酸核糖甘氨酰胺合成酶合成酶氨基咪唑核苷酸羧化酶氨基咪唑核苷酸羧化酶来自甲来自甲酸盐酸盐来自甲来自甲酸盐酸盐IMP转变为转变为GMP和和AMPIMP的的C6=O 氨基化生成氨基化生成AMP：Asp延胡索酸，留下延胡索酸，留下-NH2；IMP的的C2氨基化生成氨基化生成GMP：+H2O，脱，脱HC2=O，Gln提供提供 -NH2 GTP和和ATP的形成的形成 激酶

16、激酶 激酶激酶AMP（GMP）+ATP ADP（GDP）ATP（GTP）嘌呤核苷酸合成的要点嘌呤核苷酸合成的要点嘌呤核苷酸的合成并不是先形成游离的嘌呤，然后再生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，而是成核苷酸，而是直接形成次黄嘌呤直接形成次黄嘌呤再转变为其他核苷酸。再转变为其他核苷酸。PRPP是核苷酸中磷酸核糖的是核苷酸中磷酸核糖的供体供体，PRPP是是ATP和和5-磷磷酸核糖合成的。酸核糖合成的。嘌呤的各个原子在嘌呤的各个原子在PRPP的的C1位置逐渐加上去的，其关位置逐渐加上去的，其关键步骤是从键步骤是从PRPP和谷氨酰胺形成和谷氨酰胺形成5-磷酸核糖胺。磷酸核糖胺。

17、在在5-磷酸核糖胺的氨基位置，由磷酸核糖胺的氨基位置，由Gly和甲酰四氢叶酸先和甲酰四氢叶酸先后提供后提供C和和N原子形成甲酰甘氨酰胺，至此嘌呤骨架的原子形成甲酰甘氨酰胺，至此嘌呤骨架的4,5,7,8,9位顺序已形成。位顺序已形成。由谷氨酰胺的酰胺基提供第由谷氨酰胺的酰胺基提供第3位位N原子，形成甲酰甘氨原子，形成甲酰甘氨脒核苷酸，接着脱水闭环成脒核苷酸，接着脱水闭环成5-氨基咪唑核苷酸，反应所氨基咪唑核苷酸，反应所需能量来自需能量来自ATP。最后，由最后，由CO2、Asp，甲酰四氢叶酸先后提供六元环上，甲酰四氢叶酸先后提供六元环上的其他原子，生成的其他原子，生成IMP。来自甲来自甲酸盐酸盐来

18、自甲来自甲酸盐酸盐嘌呤核苷酸生物合成的反馈调节嘌呤核苷酸生物合成的反馈调节 2 2、补救合成途径、补救合成途径a.A+PRPP-AMP+PPi G(或或I)+PRPP-GMP+PPib.嘌呤在核苷磷酸化酶作用下生成嘌呤核苷嘌呤在核苷磷酸化酶作用下生成嘌呤核苷,后者在激后者在激酶作用下与酶作用下与ATP反应生成嘌呤核苷酸。反应生成嘌呤核苷酸。嘌呤嘌呤+1-P-核糖核糖-嘌呤核苷嘌呤核苷Pi ATP 核苷磷酸激酶核苷磷酸激酶 嘌呤核苷酸嘌呤核苷酸ADP腺嘌呤（或腺嘌呤（或G）磷酸核糖转移酶）磷酸核糖转移酶核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶二、嘧啶核苷酸的生物合成二、嘧啶核苷酸的生物合成 1、从头合成、从头合

19、成 嘧啶核苷酸的从头合成和嘌呤核苷酸不同。首先嘧啶核苷酸的从头合成和嘌呤核苷酸不同。首先形成的是形成的是嘧啶环嘧啶环，然后才与磷酸核糖结合为，然后才与磷酸核糖结合为乳清酸核乳清酸核苷酸苷酸，再生成，再生成UMP，后者转变为其它的嘧啶核苷酸。，后者转变为其它的嘧啶核苷酸。嘧啶碱上原子的来源嘧啶碱上原子的来源 氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸N1N3C2C4C6C5天冬氨酸天冬氨酸谷氨酰氨谷氨酰氨尿嘧啶核苷酸（尿嘧啶核苷酸（UMPUMP）的合成）的合成 由氨甲酰磷酸与天冬氨酸合成氨甲酰天由氨甲酰磷酸与天冬氨酸合成氨甲酰天冬氨酸，闭环并被氧化成乳清酸。乳清冬氨酸，闭环并被氧化成乳清酸。乳清酸与酸与PRPPPRP

20、P作用生成乳清酸核苷酸，乳清作用生成乳清酸核苷酸，乳清酸核苷酸脱羧后就成为尿嘧啶核苷酸。酸核苷酸脱羧后就成为尿嘧啶核苷酸。UMPUMP合成过程合成过程可概括为：可概括为：1 1）由氨甲酰磷酸与天冬氨酸反应，然后脱）由氨甲酰磷酸与天冬氨酸反应，然后脱氢生成乳清酸。氢生成乳清酸。2 2）乳清酸与）乳清酸与55磷酸核糖焦磷酸结合经磷酸核糖焦磷酸结合经脱羧后就成为尿嘧啶核苷酸（脱羧后就成为尿嘧啶核苷酸（UMPUMP）。）。UMPUMP的酶促合成途径的酶促合成途径谷氨酰氨谷氨酰氨2ATPHCO3 氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸2ADPPi谷氨酸谷氨酸氨甲酰磷酸合成酶氨甲酰磷酸合成酶UMP转变为CTPUMPATP

21、UDP+ADP CTP UTP 尿嘧啶核苷酸激酶尿嘧啶核苷酸激酶尿苷二磷酸激酶尿苷二磷酸激酶ATPADPGlnGlu嘧啶核苷酸生物合成的调节嘧啶核苷酸生物合成的调节 2、补救合成途径、补救合成途径对外源和自身代谢产生的嘧啶碱和核苷也可直接利用。对外源和自身代谢产生的嘧啶碱和核苷也可直接利用。(1)U+PRPP UMP+PPi（主要途径）（主要途径）尿苷激酶尿苷激酶(2)U+1-P-核糖核糖 尿嘧啶核苷尿嘧啶核苷+Pi Mg 2+ATP UMP+ADPUMP磷酸核糖转移酶磷酸核糖转移酶三、脱氧核糖核苷酸的生物合成三、脱氧核糖核苷酸的生物合成 脱氧核苷酸是由相应的核糖核苷酸还原生成的。脱氧核苷酸是

22、由相应的核糖核苷酸还原生成的。、G G、C C这三种核糖核苷酸经还原，以氢代替这三种核糖核苷酸经还原，以氢代替22羟基，即成为相应的脱氧核糖核酸。羟基，即成为相应的脱氧核糖核酸。但但dTMPdTMP的形成需要两个步骤：首先由的形成需要两个步骤：首先由UMP还原还原成成dUMP，然后尿嘧啶再经，然后尿嘧啶再经甲基化甲基化转变成胸腺嘧啶。转变成胸腺嘧啶。ADPADP、UDPUDP、GDPGDP、CDPCDP的生成是由相应的单核苷的生成是由相应的单核苷酸激酶催化生成的。酸激酶催化生成的。NMP+ATP NDP+ADP激酶激酶 1.核糖核苷酸还原核糖核苷酸还原细菌与动物中，在细菌与动物中，在核苷二磷酸

23、水平核苷二磷酸水平上进行。上进行。还原酶系：核糖核苷酸还原酶、还原酶系：核糖核苷酸还原酶、硫氧还蛋白、硫氧还蛋白、硫氧还蛋白还原酶。硫氧还蛋白还原酶。供氢体：供氢体：NADPH NDP d NDP核苷酸还原酶系核苷酸还原酶系2dTMP的合成的合成 由由TMP合成酶催化合成酶催化dUMP经甲基化而生成，甲基供体是经甲基化而生成，甲基供体是N5，N10亚甲基四氢叶酸。亚甲基四氢叶酸。dUMP 甲基化甲基化 dTMP N5，N10亚甲基四氢叶酸亚甲基四氢叶酸 二氢叶酸二氢叶酸 补救途径：补救途径：TMP+脱氧核糖脱氧核糖1磷酸磷酸 胸苷胸苷Pi 胸苷胸苷ATP dTMPADP胸苷磷酸化酶胸苷磷酸化酶

24、胸苷激酶胸苷激酶四、四、NTPs和和dNTPs的合成的合成 dNMP+ATP dNDP+ADP AMP+ATP 2ADP NDP+NTP NTPNDP核苷单磷酸激酶核苷单磷酸激酶 腺苷酸激酶腺苷酸激酶核苷二磷酸激酶核苷二磷酸激酶ATP核苷酸之间的相互关系核苷酸之间的相互关系五、核苷酸合成的抑制剂五、核苷酸合成的抑制剂1）Gln类似物类似物 如重氮乙酰如重氮乙酰-L-丝氨酸与丝氨酸与Gln氨基转移酶形成共价键氨基转移酶形成共价键(不可逆抑制不可逆抑制)。2）叶酸及其底物类似物）叶酸及其底物类似物 磺胺磺胺、氨基蝶呤可抑制叶酸的合成。、氨基蝶呤可抑制叶酸的合成。3）碱基或核苷类似物）碱基或核苷类似

25、物 5-氟尿嘧啶和氟尿嘧啶和5-氟脱氧尿嘧啶抑制胸苷酸合成酶；氟脱氧尿嘧啶抑制胸苷酸合成酶；6-巯基嘌呤和巯基嘌呤和6-甲基巯基嘌呤核苷抑制核苷酸的合成。甲基巯基嘌呤核苷抑制核苷酸的合成。六、核苷酸辅酶的合成六、核苷酸辅酶的合成 辅酶有辅酶有FMN、FAD、NAD、NADP和和CoA。1.FMN、FAD的合成的合成核黄素核黄素ATP FMNADPFMNATP FADPPi黄素激酶黄素激酶FAD焦磷酸化酶焦磷酸化酶2.NAD、NADP的合成的合成3.CoA的合成的合成复习思考题复习思考题1.1.举例说明降解核酸的酶的作用方式和特异举例说明降解核酸的酶的作用方式和特异性。性。2.2.生物体内嘌呤环和嘧啶环是如何合成的？生物体内嘌呤环和嘧啶环是如何合成的？有哪些氨基酸直接参与核苷酸的合成？有哪些氨基酸直接参与核苷酸的合成？3.3.什么是核苷酸的从头合成途径？什么是其什么是核苷酸的从头合成途径？什么是其补救途径？补救途径？4.4.脱氧核苷酸是如何合成的？脱氧核苷酸是如何合成的？