生物化学核酸分解代谢课件

第十一章核酸的酶促降解和核第十一章核酸的酶促降解和核苷酸代谢苷酸代谢l第一节第一节 核苷酸的分解代谢核苷酸的分解代谢l第二节第二节 核苷酸生物合成核苷酸生物合成第十一章核酸的酶促降解和核苷酸代谢第一节 核1第十一章、核苷酸代第十一章、核苷酸代谢第十一章、核苷酸代谢2第一第一节、核苷酸的分解代、核苷酸的分解代谢 生生物物体体普普遍遍存存在在的的磷磷酸酸单酯酶或或核核苷苷酸酸酶可可催催化化核核苷苷酸酸的的水水解解，而而特特异异性性强的的磷磷酸酸单酯酶只能水解只能水解3-Nt或或5-Nt。催催化化核核苷苷水水解解的的酶有有2类，即即核核苷苷磷磷酸酸化化酶和和核苷水解核苷水解酶 Ns phosphorylaseNs+PiPu or Py+pentose-1-P Ns hydrolaseNs+H2OPu or Py+pentoseNs phosphorylase存在广泛，反存在广泛，反应可逆可逆Ns hydrolase主要存在于植物和微生物，只主要存在于植物和微生物，只对核糖核苷起作用，核糖核苷起作用，对脱氧核糖核苷无作用。脱氧核糖核苷无作用。第一节、核苷酸的分解代谢 生物体普遍存在的磷酸单酯酶3核酸核酸酶(Nuclease)核酸核酸酶是作用于核酸磷酸二是作用于核酸磷酸二酯键的水的水解解酶，包括：，包括：1、核糖核酸、核糖核酸酶(RNase)，2、脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸酶(DNase)，其中能水解核，其中能水解核酸分子内磷酸二酸分子内磷酸二酯键的的酶又称又称为核酸内核酸内切切酶(endonuclease)，从核酸的一端逐，从核酸的一端逐个水解下核苷酸的个水解下核苷酸的酶称称为核酸外切核酸外切酶(exonuclease)。核酸酶(Nuclease)4 食物核酸与蛋白食物核酸与蛋白结合合为核蛋白体核蛋白体（Nucleoproteins）的形式，在胃中受）的形式，在胃中受胃酸作用水解胃酸作用水解为NAs和和Proteins，NA在小在小肠被胰被胰nuclease（包括（包括DNase、RNase）降）降解解为Pu-Nt、Py-Nt和和Oligonucleotide。肠黏膜黏膜释放的放的phosphodiesterase并并协同胰核同胰核酸酸酶进行消化，水解行消化，水解为单核苷酸核苷酸肠黏膜黏膜细胞中胞中还有有nucleotidase(phosphomonoesterase)，水解，水解Nt为Ns和和Pi。脾、肝等脾、肝等组织中的中的nucleosidase进一步水一步水解解Ns为戊糖和碱基。戊糖和碱基。食物核酸与蛋白结合为核蛋白体（Nucleoprot5一、核苷酸分解一、核苷酸分解一、核苷酸分解6二、核苷酸三级水平的降解二、核苷酸三级水平的降解二、核苷酸三级水平的降解7三、嘌呤核苷酸分解的三级脱氨三、嘌呤核苷酸分解的三级脱氨三、嘌呤核苷酸分解的三级脱氨8（一）、嘌呤碱的分解（一）、嘌呤碱的分解不同生物不同生物嘌呤碱的分解能力不同，代呤碱的分解能力不同，代谢产物也不同，人和猿物也不同，人和猿类及一些排尿酸及一些排尿酸的的动物（物（鸟类、某些爬行、某些爬行类和昆虫）和昆虫）嘌呤的代呤的代谢产物物为尿酸。尿酸。（一）、嘌呤碱的分解不同生物嘌呤碱的分解能力不同，代谢产91、嘌呤分解中的脱氨作用、嘌呤分解中的脱氨作用嘌呤呤碱碱的的分分解解首首先先在在各各种种脱脱氨氨酶的的作作用用下下水水解解脱脱氨氨，脱脱氨氨作作用用也也可可以以在在核核苷苷或或核核苷苷酸酸的的水水平平上上进行行。动物物组织腺腺嘌呤呤脱脱氨氨酶含含量量极极少少，而而腺腺嘌呤呤核核苷苷脱脱氨氨酶及及腺腺嘌呤呤核核苷苷酸酸脱脱氨氨酶的的活活性性较高高，因因此此腺腺嘌呤呤的的脱脱氨氨分分解解主主要要在在核核苷苷或或核核苷苷酸酸水水平平上上进行行。鸟嘌呤呤脱脱氨氨酶分分布布广广，脱氨分解主要在脱氨分解主要在该酶的作用下的作用下进行。行。1、嘌呤分解中的脱氨作用嘌呤碱的分解首先在各种脱氨酶的作10（1）、鸟嘌呤脱氨）、鸟嘌呤脱氨（1）、鸟嘌呤脱氨11（2）、黄嘌呤的分解）、黄嘌呤的分解（2）、黄嘌呤的分解12（3）、尿酸生成）、尿酸生成（3）、尿酸生成13（二）、嘌呤核苷酸的分解（二）、嘌呤核苷酸的分解（二）、嘌呤核苷酸的分解141、不同生物嘌呤核苷酸的、不同生物嘌呤核苷酸的分解产物不同分解产物不同鸟、昆虫、鸟、昆虫、人类人类非灵长类非灵长类哺乳动物哺乳动物 硬骨鱼硬骨鱼鱼、两栖鱼、两栖类类甲壳类、甲壳类、无脊椎无脊椎1、不同生物嘌呤核苷酸的分解产物不同鸟、昆虫、人类非灵长类152、黄嘌呤氧化酶、黄嘌呤氧化酶(Xanthine Oxidase)催化次黄催化次黄嘌呤和黄呤和黄嘌呤氧化生呤氧化生产尿酸。尿酸。酶为复合黄素复合黄素酶，由两个相同的，由两个相同的亚基基组成，分子量成，分子量260,000，每个，每个亚基含一个基含一个FAD、一个、一个钼原子和一个原子和一个Fe4S4中心。反中心。反应要求分子氧作要求分子氧作为电子受体，子受体，还原原产物物是是H2O2，进入尿酸的氧来自水。底物与入尿酸的氧来自水。底物与酶结合后，合后，Mo(VI)被被还原原为Mo(IV)，电子子经黄素、黄素、铁硫中心等硫中心等传给O2，与，与氢离离子生成子生成H2O2，Mo(IV)氧化氧化为Mo(VI)。2、黄嘌呤氧化酶(Xanthine Oxidase)催163、痛风、痛风(Gout)嘌呤碱分解代呤碱分解代谢产生生过多的尿酸，由多的尿酸，由于其溶解性很差，易形成尿酸于其溶解性很差，易形成尿酸钠结晶，晶，沉沉积于男性的关于男性的关节部位引起疼痛或灼痛部位引起疼痛或灼痛痛痛风和和肾结石。石。3、痛风(Gout)嘌呤碱分解代谢产生过多的尿酸，由于其17痛风的尿酸钠晶体痛风的尿酸钠晶体痛风的尿酸钠晶体184、别嘌呤醇与次黄嘌呤、别嘌呤醇与次黄嘌呤4、别嘌呤醇与次黄嘌呤19（1）、别嘌呤醇的作用）、别嘌呤醇的作用别嘌呤醇别嘌呤醇别黄嘌呤别黄嘌呤（1）、别嘌呤醇的作用别嘌呤醇别黄嘌呤20（2）、别嘌呤醇的作用机理）、别嘌呤醇的作用机理（2）、别嘌呤醇的作用机理21（3）、自杀底物）、自杀底物(Suicide Substrate)结构构与与次次黄黄嘌呤呤很很相相似似的的别嘌呤呤醇醇(allopurinol)，在在黄黄嘌呤呤氧氧化化酶的的作作用用下下氧氧化化为别黄黄嘌呤呤(alloxanthine)，后后者者 与与 酶 中中 心心 的的 Mo(IV)牢牢 固固 结 合合，使使Mo(IV)不不易易转变成成Mo(VI)而而成成为酶的的灭活活物物，这种种底底物物类似似物物被被称称为自自杀作作用用（底）物（底）物，这种作用被称种作用被称为自自杀作用作用。（3）、自杀底物(Suicide Substrate)22四、嘧啶碱的分解四、嘧啶碱的分解 不同生物不同生物嘧啶碱的分解碱的分解过程也不一程也不一样，一般情况下含氨基的一般情况下含氨基的嘧啶要先水解脱去要先水解脱去氨基，脱氨基也可以在核苷或核苷酸水氨基，脱氨基也可以在核苷或核苷酸水平上平上进行。行。四、嘧啶碱的分解 不同生物嘧啶碱的分解过程也不一样，一23（一）、（一）、嘧啶还原途径的分解嘧啶还原途径的分解（一）、嘧啶还原途径的分解24（二）、嘧啶氧化途径的分解（二）、嘧啶氧化途径的分解（二）、嘧啶氧化途径的分解251、尿嘧啶、胞嘧啶分解、尿嘧啶、胞嘧啶分解1、尿嘧啶、胞嘧啶分解262、胸腺嘧啶的分解、胸腺嘧啶的分解返回2、胸腺嘧啶的分解返回27第二节、核苷酸生物合成第二节、核苷酸生物合成可以通可以通过两条完全不同的途径两条完全不同的途径进行，行，1、从、从头合成途径：合成途径：由磷酸戊糖先和尚未由磷酸戊糖先和尚未完成的完成的Pu或或Py环结合，在未完成的合，在未完成的环上上添加必要的部分，然后添加必要的部分，然后闭合成合成环。2、补救途径：救途径：由由现成的成的Pu,Py,Pentose及及Pi在在酶的作用下直接合成核苷酸（的作用下直接合成核苷酸（NtSalvage Pathway）；）；第二节、核苷酸生物合成可以通过两条完全不同的途径进行，128一、一、嘌呤核苷酸的从头合成途径嘌呤核苷酸的从头合成途径碳碳14标记的的HCOOH和氮和氮15标记的氨的氨基酸与基酸与鸽肝匀肝匀浆物共培养，得到物共培养，得到Pu各元各元素的来源，素的来源，1950s由由J.Buchanan和和G.Robert Greenberg提出提出Hypoxanthine de novo synthesis假假说，并，并证明明Hypoxanthine Nt是是Ade-Nt及及Gua-Nt合成合成的前体。的前体。一、嘌呤核苷酸的从头合成途径碳14标记的HCOOH和氮129一、一、嘌呤核苷酸的从头合成途径嘌呤核苷酸的从头合成途径合成所需物质：合成所需物质：-D-ribose-5-P,ATP,Gln,Asp,GTP,N5,N10-methylene THFA,CO2。另需辅助因子：另需辅助因子：Mg2+,Mn2+,NAD+,THFA-CHO合成中先生成合成中先生成IMP，然后转变为，然后转变为AMP和和GMP。一、嘌呤核苷酸的从头合成途径合成所需物质：301、嘌呤环元素的来源、嘌呤环元素的来源1、嘌呤环元素的来源312、嘌呤核苷酸的全程合成总图、嘌呤核苷酸的全程合成总图2、嘌呤核苷酸的全程合成总图32嘌呤核苷酸的全程嘌呤核苷酸的全程合成（反应合成（反应1）5-磷酸核糖焦磷酸磷酸核糖焦磷酸5-磷酸核糖胺磷酸核糖胺嘌呤核苷酸的全程合成（反应1）5-磷酸核糖焦磷酸5-磷酸核33嘌呤核苷酸的全程嘌呤核苷酸的全程合成（反应合成（反应2）甘氨酰胺核甘酸甘氨酰胺核甘酸5-磷酸核糖胺磷酸核糖胺嘌呤核苷酸的全程合成（反应2）甘氨酰胺核甘酸5-磷酸核糖胺34嘌呤核苷酸的全程嘌呤核苷酸的全程合成（反应合成（反应3）1甲酰甘氨酰胺核甘酸甲酰甘氨酰胺核甘酸甘氨酰胺核甘酸甘氨酰胺核甘酸嘌呤核苷酸的全程合成（反应3）1甲酰甘氨酰胺核甘酸甘氨酰胺35嘌呤核苷酸的全程嘌呤核苷酸的全程合成（反应合成（反应4）甲酰甘氨酰胺核甲酰甘氨酰胺核甘酸甘酸甲酰甘氨咪唑核甲酰甘氨咪唑核甘酸甘酸嘌呤核苷酸的全程合成（反应4）甲酰甘氨酰胺核甘酸甲酰甘氨咪36嘌呤核苷酸的全程嘌呤核苷酸的全程合成（反应合成（反应5）甲酰甘氨咪唑核甘酸甲酰甘氨咪唑核甘酸5-氨基咪唑核甘酸氨基咪唑核甘酸嘌呤核苷酸的全程合成（反应5）甲酰甘氨咪唑核甘酸5-氨基咪37嘌呤核苷酸的全程嘌呤核苷酸的全程合成（反应合成（反应6）5-氨基咪唑氨基咪唑4-羧基羧基核甘酸核甘酸 5-氨基咪唑氨基咪唑4-N琥珀酸琥珀酸氨甲酰核甘酸氨甲酰核甘酸嘌呤核苷酸的全程合成（反应6）5-氨基咪唑4-羧基 5-氨38嘌呤核苷酸的全程合成（反应嘌呤核苷酸的全程合成（反应7）5-氨基咪唑氨基咪唑4-N琥珀酸氨甲酰琥珀酸氨甲酰核甘酸核甘酸11 5-氨基咪唑甲酰胺核甘酸氨基咪唑甲酰胺核甘酸嘌呤核苷酸的全程合成（反应7）5-氨基咪唑4-N琥珀酸氨甲39嘌呤核苷酸的全程合成嘌呤核苷酸的全程合成(反应反应8)5-氨基咪唑甲酰胺核甘酸氨基咪唑甲酰胺核甘酸5-甲酰胺基咪唑甲酰胺基咪唑-4-氨甲酰核甘氨甲酰核甘酸酸嘌呤核苷酸的全程合成(反应8)5-氨基咪唑甲酰胺核甘酸5-40嘌呤核苷酸的全程嘌呤核苷酸的全程合成（反应合成（反应9）5-甲酰胺基咪唑甲酰胺基咪唑-4-氨甲酰核甘氨甲酰核甘酸酸次黄嘌呤核甘酸次黄嘌呤核甘酸嘌呤核苷酸的全程合成（反应9）5-甲酰胺基咪唑-4-氨甲413、由、由IMP合成合成AMP和和GMP3、由IMP合成AMP和GMP42磷酸核糖基焦磷酸磷酸核糖基焦磷酸（PRPP）磷酸核糖基焦磷酸（PRPP）435、嘌呤核苷酸合成的调节、嘌呤核苷酸合成的调节5、嘌呤核苷酸合成的调节44（1）、大肠杆菌腺苷酸）、大肠杆菌腺苷酸和鸟苷酸合成的调节和鸟苷酸合成的调节（1）、大肠杆菌腺苷酸和鸟苷酸合成的调节45（2）、氨甲蝶呤）、氨甲蝶呤（2）、氨甲蝶呤46（3）氮丝氨酸等）氮丝氨酸等Gln类类似物似物（3）氮丝氨酸等Gln类似物47二、补救途径二、补救途径利用利用现成的成的嘌呤、呤、嘧啶碱基、核甘通碱基、核甘通过腺腺嘌呤磷酸核糖基呤磷酸核糖基转移移酶（APRT)及及次黄次黄嘌呤呤鸟嘌呤磷酸核糖基呤磷酸核糖基转移移酶（HGPRT)实现AMP、IMP、GMP的的补救合成。救合成。人体人体细胞大多胞大多为全程合成，但全程合成，但脑中多中多通通过补救途径合成。救途径合成。二、补救途径利用现成的嘌呤、嘧啶碱基、核甘通过腺嘌呤磷酸48（一）、（一）、嘌呤核苷酸的补救合成嘌呤核苷酸的补救合成（一）、嘌呤核苷酸的补救合成49（二）、（二）、Lesch-Nyhan Syndrome（自自毁容貌容貌综合症）合症）HGPRT（次黄（次黄嘌呤呤鸟嘌呤磷酸核呤磷酸核糖基糖基转移移酶）缺陷的男性儿童表）缺陷的男性儿童表现为一一种自种自毁容貌容貌综合症，合症，为先天性先天性遗传疾病疾病（缺乏（缺乏HGPRT)，行，行为对立，侵略性立，侵略性强，自咬手指、脚趾、嘴唇等，智力低下。自咬手指、脚趾、嘴唇等，智力低下。（二）、Lesch-Nyhan Syndrome（自毁容貌综50自毁容貌综合症机理自毁容貌综合症机理自毁容貌综合症机理51三、嘧啶核苷酸的合成l从从头合成途径合成途径 生物有机体利用生物有机体利用CO2、NH3及天冬氨酸合成核苷酸的途径。及天冬氨酸合成核苷酸的途径。l嘧啶核苷酸的合成包括：核苷酸的合成包括：l补救途径救途径 生物有机体利用碱基或核苷生物有机体利用碱基或核苷和磷酸核糖合成核苷酸的途径。和磷酸核糖合成核苷酸的途径。三、嘧啶核苷酸的合成从头合成途径 生物有机体利用CO2、52（一）、从头合成途径l1、嘧啶环元素的来源、嘧啶环元素的来源（一）、从头合成途径1、嘧啶环元素的来源532、氨甲酰磷酸合成氨甲酰、氨甲酰磷酸合成氨甲酰Asp2、氨甲酰磷酸合成氨甲酰Asp543、乳清酸的合成、乳清酸的合成3、乳清酸的合成554、乳清酸合成、乳清酸合成UMP4、乳清酸合成UMP565、嘧啶核苷酸的全程合、嘧啶核苷酸的全程合成：由乳清酸合成成：由乳清酸合成UTP和和CTP5、嘧啶核苷酸的全程合成：由乳清酸合成UTP和CTP576、UTP合成合成CTP6、UTP合成CTP587、嘧啶核苷酸合成的调、嘧啶核苷酸合成的调节节7、嘧啶核苷酸合成的调节598、嘧啶核苷酸的合成受到反馈、嘧啶核苷酸的合成受到反馈抑制的调节抑制的调节细菌菌嘧啶核苷酸合成速度的核苷酸合成速度的调节很大程度很大程度受到受到Asp羧甲基甲基转移移酶（ATCase）的）的调节，产物物CTP对反反应为抑制作用。抑制作用。细菌菌ATCase分子有分子有6个催化个催化亚基和基和6个个调节亚基基组成，催化成，催化亚基与基与底物分子底物分子结合，合，变构构调节亚基与基与变构构调节物物CTP结合。与合。与亚基一基一样，整个，整个酶分子有两种构分子有两种构象：活性形式和非活性形式，象：活性形式和非活性形式，CTP未与未与调节亚基基结合合时，酶的活性最大；的活性最大；CTP积累并与累并与调节亚基基结合合时，调节亚基构象改基构象改变并并带动催化催化亚基构象改基构象改变，酶变为无活性形式。无活性形式。ATP阻止由阻止由CTP所引起改所引起改变的改的改变。8、嘧啶核苷酸的合成受到反馈抑制的调节细菌嘧啶核苷酸合成60CTP和和ATP对天门冬对天门冬氨酸羧甲基转移酶的氨酸羧甲基转移酶的变构调节变构调节CTP和ATP对天门冬氨酸羧甲基转移酶的变构调节61（二）、（二）、嘧啶核苷酸的补救合成嘧啶核苷酸的补救合成 UMP磷酸核糖基磷酸核糖基转移移酶Ura+PRPPUMP+PPi 尿尿嘧啶磷酸化磷酸化酶Ura+1-P-RUridine+Pi 尿苷激尿苷激酶 Uridine+ATPUMP+ADPCytosine不能与不能与PRPP作用。作用。（二）、嘧啶核苷酸的补救合成 62三、三磷酸核苷酸的合成三、三磷酸核苷酸的合成1.AMP生成生成ATP 核甘酸激酶核甘酸激酶AMP+ATP2ADP glycolytic enzymes or oxidative phosphorylationADPATP2.ATP通过核苷单磷酸激酶生成其他通过核苷单磷酸激酶生成其他NDPATP+NMPADP+NDP3.NTP的生成的生成 Ns diphosphate kinaseNTPD+NDPANDPD+NTPA三、三磷酸核苷酸的合成1.AMP生成ATP63四、脱氧核糖核苷酸的合成四、脱氧核糖核苷酸的合成以核糖核苷酸以核糖核苷酸为原料，通原料，通过NDP还原原酶将核糖分子将核糖分子还原原为脱氧核糖。脱氧核糖。核糖核核糖核苷酸必苷酸必须先行先行转化化为二磷酸核苷酸二磷酸核苷酸(NDP)水平，再水平，再还原原为脱氧核苷二磷酸水平。脱氧核苷二磷酸水平。除需除需还原原酶外，外，还需另两种氧需另两种氧还蛋白蛋白参与，即硫氧参与，即硫氧还蛋白蛋白(thioredoxin)和谷和谷氧氧还蛋白蛋白(glutaredoxin)。产物物为dNDP。进一步在激一步在激酶的作用下形成相的作用下形成相应的的dNTP。四、脱氧核糖核苷酸的合成以核糖核苷酸为原料，通过NDP还64（一）、脱氧核苷酸的合成脱氧核苷酸的合成（一）、脱氧核苷酸的合成651、核糖核苷酸还原酶催、核糖核苷酸还原酶催化核糖核苷酸还原为脱化核糖核苷酸还原为脱氧核糖核苷酸氧核糖核苷酸1、核糖核苷酸还原酶催化核糖核苷酸还原为脱氧核糖核苷酸662、核糖核苷酸还原酶、核糖核苷酸还原酶TyrFe2+2、核糖核苷酸还原酶TyrFe2+673、核糖核苷酸还原酶作、核糖核苷酸还原酶作用的可能机制用的可能机制3、核糖核苷酸还原酶作用的可能机制684、脱氧核苷酸合成机理、脱氧核苷酸合成机理4、脱氧核苷酸合成机理695、硫氧还蛋白、硫氧还蛋白5、硫氧还蛋白707、硫氧还蛋白还原酶、硫氧还蛋白还原酶7、硫氧还蛋白还原酶718、谷氧还蛋白还原酶、谷氧还蛋白还原酶8、谷氧还蛋白还原酶729、脱氧核苷三磷酸对核糖核苷、脱氧核苷三磷酸对核糖核苷酸还原酶的调节酸还原酶的调节9、脱氧核苷三磷酸对核糖核苷酸还原酶的调节73（二）、（二）、dTMP的生物合成的生物合成存在两种不同途径：补救和全程合成存在两种不同途径：补救和全程合成补救途径以完成的补救途径以完成的Thy为原料，先生为原料，先生成成dT，再形成，再形成dTMP。（二）、dTMP的生物合成存在两种不同途径：补救和全程合成741、胸苷酸的合成、胸苷酸的合成1、胸苷酸的合成752、dTMP的生物合成的生物合成 全程合成途径以全程合成途径以dUMP为原料原料 N5,N10-methylene THFA为甲基供体，由甲基供体，由dTMP synthetase 催化生成。催化生成。2、dTMP的生物合成 全程合成途径以dUMP为原料761、由胸苷酸合成酶和二、由胸苷酸合成酶和二氢叶酸还原酶催化的氢叶酸还原酶催化的dUMP合成合成dTMP1、由胸苷酸合成酶和二氢叶酸还原酶催化的dUMP合成dTMP772、二氢叶酸还原酶、二氢叶酸还原酶2、二氢叶酸还原酶783、胸苷酸合成酶与二氢、胸苷酸合成酶与二氢叶酸还原酶叶酸还原酶3、胸苷酸合成酶与二氢叶酸还原酶79氟尿嘧啶氟尿嘧啶氟尿嘧啶804、胸苷酸合成和叶酸代谢作为、胸苷酸合成和叶酸代谢作为化学治疗的靶位点化学治疗的靶位点4、胸苷酸合成和叶酸代谢作为化学治疗的靶位点815、dUMP到到dTMP的转变及的转变及FdUMP的抑制的抑制5、dUMP到dTMP的转变及FdUMP的抑制82五、五、dNTP的生成的生成五、dNTP的生成83六、六、NAD的合成的合成六、NAD的合成84七、七、NAD的合成过程的合成过程七、NAD的合成过程85八、八、FAD的合成的合成返回八、FAD的合成返回86