核酸的降解和核苷酸代谢-K.ppt

第10章 核酸的降解和核苷酸代谢,主要内容： 核酸的消化与吸收：核酸酶，磷酸二酯酶，核苷酸酶，核苷水解酶，核苷磷酸酶； 核苷酸的分解代谢：嘌呤核苷酸分解，嘧啶核苷酸分解； 核苷酸的合成代谢：嘌呤核苷酸的生物合成，嘧啶核苷酸的生物合成，脱氧核苷酸生物合成，核苷三磷酸生物合成，核苷酸的补救合成途径。 重点：核苷酸的分解代谢；脱氧核苷酸生物合成，核苷三磷酸生物合成，核苷酸的补救合成途径。 难点：1.碱基的分解；2.核苷酸的从头合成。,核苷酸的生理生化作用,RNA合成：ATP，GTP，CTP，UTP DNA合成：dATP，dGTP，dCTP，dTTP,合成核酸的原料：, 能量的贮存和供应形式：,ATP，GTP，UTP，CTP等, 参与代谢或生理活动的调节,cAMP、cGMP：激素第二信使, 参与构成酶的辅酶或辅基,NAD+，NADP+，FAD，FMN，CoA, 代谢中间物的载体,CDP：胆碱，胆胺，甘油二酯 腺苷：蛋氨酸（SAM）,核苷酸对免疫系统的促进作用,提高人和动物对细菌、真菌感染的抵抗力、增加抗体产 生，增强细胞免疫能力，刺激淋巴细胞增生作用等 饮食核苷酸对婴儿免疫系统的发育有明显的促进作用,核苷酸对维持胃肠道正常功能的作用,1）外源核苷酸能够加速肠细胞的分化、生长与修复，促进 小肠的成熟,2）外源核苷酸可改变肠道微生物的生长及类型,核酸的分解过程,1 核酸和核苷酸的分解代谢,核酸酶：作用于核酸的磷酸二酯酶称为核酸酶,按 其作用位置分为: 核酸外切酶：作用于核酸链的末端（3端或5端）， 逐个水解下核苷酸。脱氧核糖核酸外切酶：只作 用于DNA; 核糖核酸外切酶:只作用于RNA 核酸内切酶:从核酸分子内部切断3,5 -磷酸二酯键。,限制性内切酶：在细菌细胞内存在的一类能识别并水 解外源双链DNA的核酸内切酶，可用于特异切割 DNA, 常作为工具酶。,1.1核酸的酶促降解,1.1.1 核糖核酸酶,只水解RNA磷酸二酯键的酶（RNase），不同的 RNase专一性不同。,牛胰核糖核酸酶I（RNaseI），作用位点是嘧啶核苷-3-磷酸与其它核苷酸间的连接键。 （内切核酸酶） 核糖核酸酶T1（RNaseT1），作用位点是3 -鸟苷酸与其它核苷酸的5-OH间的键。（内切核酸酶）,5,OH,Py,Pu,Py,Pu,1,G,A,C,U,G,A,3,RNAase I,RNAase T1,只能水解DNA磷酸二酯键的酶。 牛胰脱氧核糖核酸酶（DNase），可切割双链和单链DNA，降解产物为3-磷酸为末端的寡核苷酸。 限制性核酸内切酶：细菌体内能识别并水解外源双源DNA的核酸内切酶，可特异切割外源DNA特定序列中的磷酸二脂键(对碱基序列专一），切断双键，常作为工具酶。,1.1.2 脱氧核糖核酸酶,既可水解RNA，又可水解DNA磷酸二酯键的核酸酶。 小球菌核酸酶（内切酶），可作用于RNA或变性的DNA，产生3-核苷酸或寡核苷酸。 蛇毒磷酸二酯酶和牛脾磷酸二酯酶（外切酶）。,1.1.3 非特异性核酸酶,某些核酸外切酶对RNA、DNA均有作用,牛脾磷酸二酯酶 3-核苷酸,蛇毒磷酸二酯酶 5-核苷酸,1.2 核苷酸的降解,核苷酸 + H2O 核苷+Pi 核苷 + H2O 嘌呤（或嘧啶）+戊糖 （核苷水解酶主要存在于植物和微生物体内，并且只能对核糖核苷起作用，对脱氧核糖核苷不起作用。） 核苷+ H3PO4 嘌呤（或嘧啶）+1-磷酸戊糖 （核苷磷酸化酶存在广泛）,核苷酸酶,核苷水解酶,核苷磷酸化酶,这是一个氧化降解过程，不同生物降解的产物不同。,1.3 嘌呤的降解,嘌呤核苷酸的分解代谢,尿酸的进一步分解,1.4 嘧啶的降解,分解时环被破坏，N原子可变为尿素和NH3 第二碳转变为CO2 胞嘧啶不直接被动物体利用，一部分从尿中排出,胞嘧啶 尿嘧啶 二氢尿嘧啶 H2O NH3 NAD(P)H+H+ NAD(P)+ H2O -丙氨酸 -脲基丙酸 H2O 胸腺嘧啶 二氢胸腺嘧啶 NAD(P)H+H+ NAD(P)+ H2O -氨基异丁酸 -脲基异丁酸 H2O,胞嘧啶脱氨酶,二氢尿嘧啶脱氢酶,二氢嘧啶酶,脲基丙酸酶,二氢尿嘧啶脱氢酶,二氢嘧啶酶,脲基丙酸酶,NH3+CO2+,NH3+CO2+,NADPH +H+ -哺乳动物 NADH+H+ -细 菌,胞嘧啶,NH3,尿嘧啶,二氢尿嘧啶,H2O,CO2 + NH3,-丙氨酸,胸腺嘧啶,-脲基异丁酸,-氨基异丁酸,H2O,丙二酸单酰CoA,乙酰CoA,TCA,肝,尿素,甲基丙二酸单酰CoA,琥珀酰CoA,TCA,糖异生,2 核苷酸的生物合成,2.1 嘌呤核糖核苷酸的合成,从头合成途径（de novo synthesis pathway）,原料：氨基酸、甲酸盐、CO2等,补救合成途径（salvage synthesis pathway）,核酸降解的中间产物、外源,利用体内游离的碱基或核苷合成,2.1.1 从头合成,定义,利用磷酸核糖、AA、一碳单位及二氧化碳等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成嘌呤核苷酸的途径,合成部位：胞浆 主要器官：肝脏；其次，小肠和胸腺 脑和骨髓不能合成,2.1.1.1嘌呤环上各原子的来源,合成嘌呤核苷酸，先合成IMP，再转化为AMP、GMP 。,利用简单的原始材料从头合成核苷酸的过程，此过程不包括碱基和核苷等中间物，也是核苷酸合成的主要途径,IMP的合成是从5-磷酸核糖开始的，先与ATP反应生成5-磷酸核糖-1-焦磷酸（PRPP），然后嘌呤环的各原子在PRPP的C-1位置上逐渐加上去。,2.1.1.2 IMP的合成,R-5-P （5-磷酸核糖）,PP-1-R-5-P （5-磷酸核糖-1-焦磷酸） PRPP,在谷氨酰胺、甘氨酸、一碳单位、二氧化碳及天冬氨酸的逐步参与下,IMP,H2N-1-R-5-P （5-磷酸核糖胺）,2.1.1.3 IMP转变为GMP和AMP,2.1.2补救途径,定义:从头合成途径由于某种原因受阻，利用体内游离的嘌呤或嘌呤核苷，经过简单的反应，合成嘌呤核苷酸的过程,意义：经济 代谢再利用，减少代谢物阻遏和积累,参与补救合成的酶,腺嘌呤磷酸核糖转移酶 APRT adenine phosphoribosyl transferase,次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶 HGPRT hypoxanthine- guanine phosphoribosyl transferase,腺苷激酶（adenosine kinase）,补救合成的两条途径,（1）PRPP+嘌呤嘌呤核苷酸+PPi 腺嘌呤磷酸核糖转移酶 鸟嘌呤磷酸核糖转移酶 （2）碱基+1-磷酸核糖 核苷+Pi (核苷磷酸酶) 核苷+ATP 核苷酸+ADP (核苷磷酸激酶),只发现腺苷酸激酶,合成过程,临床抗癌药物的作用机理,嘌呤类似物（6-巯基嘌呤）： 抑制AMP、GMP的生成 谷胺酰胺类似物（氮杂丝氨酸）： 抑制IMP的合成中有谷胺酰胺参与的反应 叶酸类似物（氨基蝶呤、氨甲喋呤）： 抑制IMP合成中有四氢叶酸参与的反应,2.1.3嘌呤核苷酸合成的调节,嘌呤核苷酸的从头合成途径之中受到调节的酶有：PRPP合成酶、谷氨酰胺:PRPP氨基转移酶、腺苷酸琥珀酸合成酶和次黄苷酸脱氢酶，其中谷氨酰胺:PRPP氨基转移酶为限速酶。 IMP、AMP和GMP既能反馈抑制PRPP合成酶的活性，还能抑制谷氨酰胺:PRPP氨基转移酶的活性。而作为底物的PRPP激活谷氨酰胺:PRPP氨基转移酶的活性，从而直接启动了嘌呤核苷酸的从头合成途径。,嘌呤核苷酸合成的调节,嘧啶核苷酸的嘧啶环是由氨甲酰磷酸 和天冬氨酸合成的。,2.2 嘧啶核苷酸的生物合成,氨甲酰磷酸,天冬氨酸,尿苷酸的从头合成,2.2.1氨甲酰磷酸的合成,2.2.2尿嘧啶核苷酸的合成,UMP UDP UTP ATP ADP ATP ADP UTP + NH3 + ATP CTP + ADP + Pi (细菌体内) 在动物体内,由谷氨酰胺代替氨参加反应提供氨基 UTP + 谷氨酰胺 +ATP +H2O CTP + 谷氨酸+ADP+Pi,2.2.3胞苷酸的生物合成,嘧啶核苷酸的合成与嘌呤核苷酸的合成不同，先利用 小分子化合物形成嘧啶环，再与核糖磷酸（PRPP）结合 形成UMP，其关键的中产物是乳清酸。其他嘧啶核苷酸 由尿苷酸转变而来,嘧啶碱与1-磷酸核糖生成嘧啶核苷，然后由尿苷激酶催化尿苷和胞苷形成UMP和CMP。,嘧啶碱 + 1-磷酸核糖,核苷磷酸化酶,嘧啶核苷 + Pi,尿苷（胞苷） + ATP,尿苷激酶Mg2+,UMP（CMP） + ADP,（2）磷酸核糖转移酶途径（胞嘧啶不行）,尿嘧啶磷酸核糖转移酶,尿嘧啶+ PRPP,UMP+ PPi,2.2.4 补救途径,（1）嘧啶核苷激酶途径（重要途径）,2.2.5嘧啶核苷酸合成的调节,细菌 细菌嘧啶核苷酸合成的限速酶为天冬氨酸转氨甲酰基酶，其中CTP和UTP为它的反馈抑制剂，ATP为别构激活剂。 哺乳动物 哺乳动物嘧啶核苷酸合成的限速酶是CPS-II。UDP或UTP抑制它的活性，PRPP则激活它的活性。EGF能够诱导CPS-II的磷酸化，使其降低对UTP抑制的敏感性，但增强了对PRPP激活的敏感性。 此外，乳清苷酸脱羧酶也是一个调节位点，其活性受到UMP的抑制,2.2.6 嘧啶核苷酸的抗代谢物,嘧啶类似物,胸腺嘧啶(T),5-氟尿嘧啶(5-FU),改变核糖结构的核苷类似物,抗代谢药物：嘧啶核苷酸的类似物,对酶的竞争性抑制，干扰、抑制嘧啶核苷酸的合成,抑制嘧啶核苷酸合成,主要的抗代谢药物,5-氟尿嘧啶（5-FU） 体内转变为F-dUMP，与dUMP结构相似 竞争性抑制胸苷酸合成酶的活性 抑制胸苷酸的合成,2.3.1核糖核苷酸的还原反应,NADP+,NADPH+H+,硫氧还蛋白还原酶,FAD,核糖核苷酸还原酶（B1和B2）,ATP 、Mg2+,ADP、GDP、CDP、UDP,腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶核糖核苷酸经还原，将核糖第二位碳原子的氧脱去，即成为相应的脱氧核糖核苷酸。 还原反应一般在核苷二磷酸（NDP）水平上进行,2.3脱氧核糖核苷酸的生物合成,核糖核苷酸的还原反应,FAD,核糖核苷酸还原酶,ATP 、Mg2+,硫氧还蛋白还原酶,核糖核苷二磷酸,+ H2O,脱氧核糖核苷二磷酸,FADH2,NADP+,NADPH+H+,谷氧还蛋白还原酶,GSSG,2GSH,谷胱甘肽还原酶,核糖核苷酸还原酶示意图,底物特异性调节位点,酶 活 性调节位点,活性位点,R1亚基,R2亚基,使其活化,使酶抑制,有利于UDP和CDP还原,促进ADP和GDP还原,由尿嘧啶脱氧核苷酸（dUMP）经甲基化生成。Ser提供甲基，NADPH提供还原当量。,2.3.2胸腺嘧啶脱氧核苷酸的合成,H,胸腺嘧啶脱氧核苷酸（dTMP）的合成 dUDP + H2O dUMP + Pi dCMP + H2O dUMP + Pi 胸腺嘧啶核苷酸合酶 dUMP dTMP N5,10亚甲基四氢叶酸 二氢叶酸,酯酶,脱氨酶,甲基化,氨基蝶呤、氨甲蝶呤是叶酸的类似物，能与二氢叶酸还原酶不可逆结合，阻止FH4的生成，从而抑制FH4参与的一碳单位的转移。可用于抗肿瘤。,Ser,2.3.3 核苷三磷酸的合成,ATP存在，特异性激酶催化，核苷三磷酸 dTMP，一系列激酶催化，转变为dTTP（dTMPdTDPdTTP） 每一步骤为一单独激酶所催化。,核苷酸还原酶的调节,别构调节 总活性: + ATP, -dATP 底物特异性: ATP刺激CDP,UDP还原 (d)TTP刺激GDP还原 (d)TTP抑制CDP,UDP还原 dGTP刺激ADP还原, 抑制GDP, CDP, UDP还原,大肠杆菌的核苷酸还原酶的结构模型,核苷酸还原酶活性的调节机制,3. 核苷酸辅酶的合成,P401(自学) 3.1烟酰胺核苷酸的合成（NAD 、NADP） 3.2黄素核苷酸的合成（FMN、FAD） 3.3辅酶A的合成,核苷酸的合成及相互关系,小 结,1核苷酸的分解代谢：嘌呤核苷酸分解是一个氧化降解过程，即脱氨、氧化和水解，不同生物降解的产物不同。嘧啶核苷酸分解是一个脱氨、还原和水解的过程，分解时环被破坏，N原子可变为尿素和NH3，第二碳转变为CO2。 2核苷酸的合成代谢：嘌呤核苷酸的生物合成(从头合成途径: 利用磷酸核糖、AA、一碳单位及二氧化碳等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成嘌呤核苷酸的途径; 补救途径：利用体内游离的嘌呤或嘌呤核苷，经过简单的反应，合成嘌呤核苷酸的过程)；,嘧啶核苷酸的生物合成(从头合成途径: 先利用小分子化合物形成嘧啶环，再与核糖磷酸（PRPP）结合形成UMP，其关键的中产物是乳清酸，其他嘧啶核苷酸由尿苷酸转变而来; 补救途径:有嘧啶核苷激酶途径（重要途径）和磷酸核糖转移酶途径)； 脱氧核苷酸生物合成(腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶核糖核苷酸经还原，将核糖第二位碳原子的氧脱去，即成为相应的脱氧核糖核苷酸，还原反应一般在核苷二磷酸（NDP）水平上进行)。 核苷三磷酸生物合成(ATP存在，特异性激酶催化，核苷三磷酸dTMP，一系列激酶催化，转变为dTTP（dTMPdTDPdTTP）每一步骤为一单独激酶所催化)。,习 题,1嘌呤核苷酸分子中各原子的来源及合成特点怎样？ 2嘧啶核苷酸分子中各原子的来源及合成特点怎样？,