1、第七章第七章 核酸分解与核苷酸代谢核酸分解与核苷酸代谢Chpert 7Degradation of nuclic acid & metablism of nucleotides第一节第一节 核酸降解核酸降解 核酸在生物体内可以被降解；核酸在生物体内可以被降解； 外源核酸在动物体内的小肠被降解；外源核酸在动物体内的小肠被降解； 胰胰nuclease 肠粘膜释放的肠粘膜释放的phosphodiesterase 降解的产物在小肠内被转化和吸收；降解的产物在小肠内被转化和吸收； 核酸的降解一般不为生物提供能量；核酸的降解一般不为生物提供能量；核酸酶核酸酶(Nuclease) 核酸酶是作用于核酸中磷酸二
2、酯键的水解酶，核酸酶是作用于核酸中磷酸二酯键的水解酶，包括核糖核酸酶包括核糖核酸酶(RNase)和脱氧核糖核酸酶和脱氧核糖核酸酶(DNase) 能水解核酸分子内部磷酸二酯键的酶又称为核能水解核酸分子内部磷酸二酯键的酶又称为核酸内切酶酸内切酶(endonuclease) 从核酸的一端逐个水解下核苷酸的酶称为核酸从核酸的一端逐个水解下核苷酸的酶称为核酸外切酶外切酶(exonuclease)。 常见的核酸酶专一性常见的核酸酶专一性AP核酸内切酶的作用核酸内切酶的作用AP核酸内切酶能识别去除了碱基的核酸核酸内切酶能识别去除了碱基的核酸（无嘌呤酸、无嘧啶酸（无嘌呤酸、无嘧啶酸 ）磷酸二酯键，并）磷酸二酯
3、键，并切除糖基，使核酸链断开。切除糖基，使核酸链断开。限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶 限制性核酸内切酶是一类高度专一性的限制性核酸内切酶是一类高度专一性的DNases，它们是顺序专一性，或结构专一性，它们是顺序专一性，或结构专一性的核酸内切酶。的核酸内切酶。 它们不是与它们不是与DNA降解代谢有关的酶；降解代谢有关的酶； 是基因重组用酶，是胞内是基因重组用酶，是胞内DNA的的“卫士卫士”。它们是分子生物学的工具酶，在分子生物学它们是分子生物学的工具酶，在分子生物学中占有非常重要的地位。中占有非常重要的地位。2.1 核苷酸的分解核苷酸的分解 肠 粘 膜 细 胞 中 有肠 粘 膜 细 胞 中 有
4、 n u c l e o t i d a s e (phosphomonoesterase)，水解，水解Nt为为Ns和和Pi。 脾、肝等组织中的脾、肝等组织中的nucleosidase进一步水进一步水解解Ns为戊糖和碱基。为戊糖和碱基。 第二节第二节 核苷酸、核苷与碱基的分解代谢核苷酸、核苷与碱基的分解代谢NRP2.1.1 核苷酸降解为核苷核苷酸降解为核苷 核苷酸核苷酸 H2O 核苷核苷 Pi磷酸酯酶磷酸酯酶或核苷酸酶或核苷酸酶NRP生物体普遍存在的磷酸单酯酶或核苷酸酶可生物体普遍存在的磷酸单酯酶或核苷酸酶可催化催化2-, 3-和和5-核苷酸的水解，而特异性强的核苷酸的水解，而特异性强的磷酸单
5、酯酶只能水解磷酸单酯酶只能水解3-核苷酸或核苷酸或5-核苷酸，核苷酸，对不同的碱基也有选择性。对不同的碱基也有选择性。核苷酸核苷酸 H2O 碱基碱基 戊糖戊糖-Pi 催化该反应的酶称为核苷酸核苷酶；催化该反应的酶称为核苷酸核苷酶； 主要在微生物（细菌）中存在；主要在微生物（细菌）中存在；2.1.2 核苷酸中糖苷键的断裂核苷酸中糖苷键的断裂NRP2.1.3 核苷酸的脱氨反应与核苷酸转换核苷酸的脱氨反应与核苷酸转换 带氨基的核苷酸在核苷酸脱氨酶的作用带氨基的核苷酸在核苷酸脱氨酶的作用下可脱掉氨基而转变成另一种核苷酸。下可脱掉氨基而转变成另一种核苷酸。 核苷酸的脱氨反应较为普遍；核苷酸的脱氨反应较为
6、普遍；例：例： 5-AMP 5-IMP + NH3 嘌呤核苷酸循环中嘌呤核苷酸循环中2.2 核苷的分解代谢核苷的分解代谢核苷的代谢去路：核苷的代谢去路：核苷核苷-N-转糖苷作用转糖苷作用 （主要脱氧核苷（主要脱氧核苷) 脱氨反应脱氨反应2.2.1 核苷的核苷的水解水解作用：作用： 核苷核苷 + H2O Pu or Py + pentose Ns hydrolase主要存在于植物和微生物，只对主要存在于植物和微生物，只对核糖核苷起作用，对脱氧核糖核苷无作用。核糖核苷起作用，对脱氧核糖核苷无作用。 Ns hydrolaseNs phosphorylase2.2.2 核苷的磷酸解作用：核苷的磷酸解作
7、用： 核苷核苷 + Pi Pu or Py + pentose-1-P Ns phosphorylase存在广泛，反应可逆，糖的存在广泛，反应可逆，糖的 构型构型由由-型转变为型转变为-型型；2.2.3 核苷的相互转换核苷的相互转换 核苷核苷-N-转糖苷作用转糖苷作用 主要发生在脱氧核苷中主要发生在脱氧核苷中 脱氨反应脱氨反应 带氨基的核苷在核苷脱氨酶的作用下脱掉氨带氨基的核苷在核苷脱氨酶的作用下脱掉氨基而转变成另一种核苷基而转变成另一种核苷2.2.4 核苷的排泄核苷的排泄 主要为修饰核苷酸，不被分解，也不被利用主要为修饰核苷酸，不被分解，也不被利用嘌呤互换嘌呤互换嘧啶互换嘧啶互换2.3 核苷
8、酸三级水平的降解核苷酸三级水平的降解脱氨作用主要发生在核苷酸和核苷水平脱氨作用主要发生在核苷酸和核苷水平2.4 碱基的分解代谢碱基的分解代谢不同生物嘌呤碱的不同生物嘌呤碱的分解能力不同，代分解能力不同，代谢产物也不同，人谢产物也不同，人和猿类及一些排尿和猿类及一些排尿酸的动物（鸟类、酸的动物（鸟类、某些爬行类和昆虫）某些爬行类和昆虫）嘌呤的代谢产物为嘌呤的代谢产物为尿酸。尿酸。O2 + H2OH2O2尿酸尿酸鸟嘌呤脱氨主要在碱鸟嘌呤脱氨主要在碱基水平下进行基水平下进行2.4.1 嘌呤碱的分解嘌呤碱的分解:嘌呤核苷酸的分解嘌呤核苷酸的分解黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶(Xanthine Oxidase
9、) 催化次黄嘌呤和黄嘌呤氧化产生尿酸。催化次黄嘌呤和黄嘌呤氧化产生尿酸。 该酶为复合黄素酶，由两个相同的亚基组成，该酶为复合黄素酶，由两个相同的亚基组成，每个亚基含一个每个亚基含一个FAD、一个钼原子、一个钼原子Mo(IV) Mo(VI)和一个和一个Fe4S4中心。中心。 反应要求反应要求分子氧作为电子受体，还原产物是分子氧作为电子受体，还原产物是H2O2，进入尿酸的氧来自水。，进入尿酸的氧来自水。不同生物中嘌呤核苷酸不同生物中嘌呤核苷酸的的分解产物不同分解产物不同尿囊素尿囊素尿囊酸尿囊酸痛风痛风(Gout)嘌呤碱分解代谢产生过多的尿酸，由于其嘌呤碱分解代谢产生过多的尿酸，由于其溶解性很差，易
10、形成尿酸钠结晶，沉积于关溶解性很差，易形成尿酸钠结晶，沉积于关节部位节部位,引起疼痛或灼痛引起疼痛或灼痛痛风。如果发生痛风。如果发生HGPRT的缺陷，不能以补救途径合成嘌呤核的缺陷，不能以补救途径合成嘌呤核苷酸，吸收或合成的嘌呤碱不完全降解，导苷酸，吸收或合成的嘌呤碱不完全降解，导致大量尿酸积累，也引起肾结石和痛风。致大量尿酸积累，也引起肾结石和痛风。 HGPRT：次黄嘌呤鸟嘌呤转磷酸核糖酶：次黄嘌呤鸟嘌呤转磷酸核糖酶2.4.2 嘧啶碱基的分解嘧啶碱基的分解 不同生物对嘧啶碱的分解过程不一样；不同生物对嘧啶碱的分解过程不一样； 一般情况下含氨基的嘧啶要先水解脱去一般情况下含氨基的嘧啶要先水解脱
11、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进行。平上进行。 UCMPCRURUMPCdTMPdTRT氧化分解氧化分解还原分解还原分解2.4.2 嘧啶碱基的分解嘧啶碱基的分解只在微生只在微生物中发现物中发现2.4.2.1 嘧啶碱基分解的还原途径嘧啶碱基分解的还原途径2.4.2.2 嘧啶碱基分解的氧化途径嘧啶碱基分解的氧化途径第三节第三节 核苷酸的生物合成核苷酸的生物合成 Biosynthesis of nucleotides3.1 核苷酸合成的基本途径核苷酸合成的基本途径可以通过两条完全不同的途径进行可以通过两条完全不同的途径进行: 由非核苷和碱基的前体小分子化合
12、物由非核苷和碱基的前体小分子化合物从头从头合成合成De novo Synthesis ； 由现成由现成的的Pu, Py, Pentose及及Pi在酶的作用下在酶的作用下直接合成核苷酸直接合成核苷酸“补救合成途径补救合成途径Salvage Pathway ” 。3.2 嘌呤核苷酸的从头生物合成嘌呤核苷酸的从头生物合成嘌呤环元素的来源嘌呤环元素的来源:1嘌呤核苷酸的全程嘌呤核苷酸的全程合成总图合成总图磷酸核糖基焦磷酸磷酸核糖基焦磷酸（PRPP）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）构象由构象由构型构型转变为转变为 构型构型PRPP转转酰胺酶酰胺酶嘌呤核苷酸的全程嘌呤核苷酸的全程合
13、成（反应合成（反应2）甘氨酰胺甘氨酰胺核苷酸核苷酸合合成酶成酶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）甘氨酰胺甘氨酰胺核苷酸核苷酸转转氨甲酰酶氨甲酰酶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）甲酰甘氨甲酰甘氨脒核苷酸脒核苷酸合成酶合成酶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）氨基咪唑氨基咪唑核苷酸核苷酸合合成酶成酶嘌呤核苷酸的全程合成（反应嘌呤核苷酸的全程合成（反应6）氨基咪唑氨基咪唑核苷酸核苷酸羧羧化酶化酶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）嘌呤核苷酸的全程嘌呤核苷酸的全程合成（反应合成（反应8）氨基咪唑氨基咪唑琥珀基氨琥珀基
14、氨甲酰核苷甲酰核苷酸酸合成酶合成酶嘌呤核苷酸的全程合成（反应嘌呤核苷酸的全程合成（反应9）腺苷酸腺苷酸琥珀酸琥珀酸裂解酶裂解酶嘌呤核苷酸的全程合成嘌呤核苷酸的全程合成(反应反应10)氨基咪唑氨基咪唑氨甲酰核氨甲酰核苷酸苷酸转甲转甲酰基酶酰基酶嘌呤核苷酸的全程嘌呤核苷酸的全程合成（反应合成（反应11）嘌呤核苷酸的合成一嘌呤核苷酸的合成一直是在核苷酸的水平直是在核苷酸的水平上进行的，不是分解上进行的，不是分解的逆过程。的逆过程。反应需要反应需要5(或或6)ATP次黄嘌呤核次黄嘌呤核苷酸苷酸合酶合酶由由IMP合成合成AMP和和GMP嘌呤核苷酸合成的调节嘌呤核苷酸合成的调节ATPGTP嘧啶环元素的来源
15、：嘧啶环元素的来源：3.3 嘧啶核苷酸的生物合成嘧啶核苷酸的生物合成From aspartate氨甲酰磷酸的合成氨甲酰磷酸的合成氨甲酰磷酸合成氨氨甲酰磷酸合成氨甲酰甲酰Asp乳清酸的合成乳清酸的合成二氢乳清酸脱二氢乳清酸脱氢酶的辅酶在氢酶的辅酶在不同的生物中不同的生物中是不同的，有是不同的，有的是的是NAD，有的是有的是FMN, FAD，或同时，或同时含有黄素辅酶含有黄素辅酶和和NAD。乳清酸合成乳清酸合成UMP由由UMP合成合成UTP和和CTP由由UMP合成合成UTP和和CTP在在E. coli 中也可中也可以以以以HN3为氮源为氮源嘧啶核苷酸合成的调节嘧啶核苷酸合成的调节UTPATPCTP
16、和和ATP对天门冬对天门冬氨酸羧转氨甲酰酶的氨酸羧转氨甲酰酶的变构调节变构调节3.4 核苷酸合成的补救途径核苷酸合成的补救途径Salvage Synthesis of Nts利用食物吸收或自身核酸降解产生的碱基和利用食物吸收或自身核酸降解产生的碱基和核苷通过磷酸核糖基转移酶（核苷通过磷酸核糖基转移酶（APRT)或核苷激或核苷激酶实现核苷酸的合成。这一途径称之为补救合酶实现核苷酸的合成。这一途径称之为补救合成途径，或回收利用途径。成途径，或回收利用途径。人体细胞大多为全程合成，但在某些特殊类人体细胞大多为全程合成，但在某些特殊类型的细胞中如在脑细胞中主要通过补救途径合型的细胞中如在脑细胞中主要通
17、过补救途径合成。成。3.4.1 嘌呤核苷酸的补救合成嘌呤核苷酸的补救合成途径途径1： 碱基碱基核苷酸（主要途径）核苷酸（主要途径）自毁容貌综合症机理自毁容貌综合症机理Lesch-Nyhan Syndrome HGPRT缺陷的男性儿童表现为一种自毁容貌综合症，缺陷的男性儿童表现为一种自毁容貌综合症，为先天性遗传疾病（缺乏为先天性遗传疾病（缺乏HGPRT)，行为对立，侵，行为对立，侵略性强，自咬手指、脚趾、嘴唇等，智力低下。略性强，自咬手指、脚趾、嘴唇等，智力低下。HGPRT：次黄嘌呤鸟嘌呤转磷酸核糖酶：次黄嘌呤鸟嘌呤转磷酸核糖酶嘌呤核苷酸的补救合成嘌呤核苷酸的补救合成Adenine + R-1-
18、P AR + PiAdenosine + ATP AMP + ADP途径途径2：碱基：碱基核苷核苷核苷酸：核苷酸：核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶核苷激酶核苷激酶糖构型转为糖构型转为-型型3.4.2 嘧啶核苷酸的补救合成嘧啶核苷酸的补救合成Uracil + R-1-P Uridine + Pi Uridine + ATP UMP + ADPUracil + PRPP UMP + PPiCytosine不能与不能与PRPP作用。作用。尿嘧啶磷酸化酶尿嘧啶磷酸化酶尿苷激酶尿苷激酶UMP磷酸核糖基转移酶磷酸核糖基转移酶PRPPAMPIMPGMPOMPUMPXMPSAMPAdenineHypoxanthine
19、GlnGluPRAGuaninexanthineOrotidelateUracilPRPP与核苷酸的合成与核苷酸的合成3.5 脱氧核糖核苷酸的合成脱氧核糖核苷酸的合成 以核糖核苷酸为原料，通过以核糖核苷酸为原料，通过Nt-reductase将将核糖分子还原为脱氧核糖。核糖分子还原为脱氧核糖。 多数生物中核糖核苷酸必须先行转化为二磷多数生物中核糖核苷酸必须先行转化为二磷酸核苷酸酸核苷酸(NDP)水平，再还原为脱氧核苷二水平，再还原为脱氧核苷二磷酸水平。磷酸水平。 少数生物在三磷酸核苷酸的水平上还原为脱少数生物在三磷酸核苷酸的水平上还原为脱氧核苷酸。氧核苷酸。 脱氧核苷酸的合成除需还原酶外，还需脱
20、氧核苷酸的合成除需还原酶外，还需另两种氧还蛋白参与，即硫氧还蛋白另两种氧还蛋白参与，即硫氧还蛋白(thioredoxin)和谷氧还蛋白和谷氧还蛋白(glutaredoxin)。3.5 脱氧核糖核苷酸的合成脱氧核糖核苷酸的合成3.5.1 核苷二磷酸水平的还原核苷二磷酸水平的还原ATP, Mg2+形成的产物形成的产物dNDP在激酶的作在激酶的作用下形成相应的用下形成相应的dNTP。核糖核苷酸还原酶催化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还原为脱氧核糖核苷酸核糖核苷酸H2O3.5.2 核苷三磷酸水平的还原核苷三磷酸水平的还原核苷三磷酸水平的还原主要在乳酸菌、根瘤核苷三磷酸水平的还原主要
21、在乳酸菌、根瘤菌梭、梭状芽孢杆菌、眼虫等生物里存在；菌梭、梭状芽孢杆菌、眼虫等生物里存在；还原途径需要辅酶还原途径需要辅酶B12；氢的传递方式与氢的传递方式与NDP还原是相似的还原是相似的3.5.3 dTMP的生物合成的生物合成N5,N10-methylene THFATHFA3.5.4 脱氧核苷酸的补救合成脱氧核苷酸的补救合成 脱氧核苷酸的补救合成只有一条途径：碱基脱氧核苷酸的补救合成只有一条途径：碱基脱氧核苷脱氧核苷脱氧核苷酸脱氧核苷酸 以以dTMP合成为例：合成为例： Thymine + deoxyribose-1-P dTdT + ATP dTMP + ADPThymidylate p
22、hosphorylasedT kinase3.5.4 脱氧核苷酸合成的调节脱氧核苷酸合成的调节第四节第四节 辅酶核苷酸的合成辅酶核苷酸的合成常见的辅酶核苷酸：常见的辅酶核苷酸： 烟酰胺核苷酸烟酰胺核苷酸 黄素核苷酸黄素核苷酸 辅酶辅酶A 辅酶辅酶B12辅酶辅酶（NAD+）辅酶辅酶 （NADP+）FMNFADNAD的合成的合成NAD的合成过程的合成过程ATP ADP黄素激酶黄素激酶FAD焦磷酸化酶焦磷酸化酶ATPPPiFAD的合成的合成第五节第五节 核苷酸合成的抑制作用核苷酸合成的抑制作用 核苷酸合成的抑制剂主要是人工合成的化学药物；核苷酸合成的抑制剂主要是人工合成的化学药物； 这些抑制剂作用于
23、核苷酸合成途径的不同位点；这些抑制剂作用于核苷酸合成途径的不同位点； 所有抑制剂对细胞都有毒性；所有抑制剂对细胞都有毒性； 主要用于癌症与细菌感染的治疗药物主要用于癌症与细菌感染的治疗药物抑制剂类型抑制剂类型抑制剂抑制剂抑制反应抑制反应氨基酸类似物抑氨基酸类似物抑制剂制剂重氮丝氨酸重氮丝氨酸抑制抑制Gln参与参与的反应，抑制的反应，抑制嘌呤环的合成嘌呤环的合成6-重氮重氮-5-氧氧-正亮氨酸正亮氨酸羽田杀菌素羽田杀菌素强烈抑制腺苷强烈抑制腺苷琥珀酸合成酶琥珀酸合成酶一碳单位载体类一碳单位载体类似物似物磺胺类药物磺胺类药物氨甲酰蝶呤氨甲酰蝶呤三甲氧苄二氨嘧啶三甲氧苄二氨嘧啶抑制叶酸合成抑制叶酸合
24、成抑制二氢叶酸还抑制二氢叶酸还原酶原酶抑制剂类型抑制剂类型抑制剂抑制剂抑制反应抑制反应氨基酸类似物抑氨基酸类似物抑制剂制剂重氮丝氨酸重氮丝氨酸抑制抑制Gln参与参与的反应，抑制的反应，抑制嘌呤环的合成嘌呤环的合成6-重氮重氮-5-氧氧-正亮氨酸正亮氨酸羽田杀菌素羽田杀菌素强烈抑制腺苷强烈抑制腺苷琥珀酸合成酶琥珀酸合成酶一碳单位载体类一碳单位载体类似物似物磺胺类药物磺胺类药物氨甲酰蝶呤氨甲酰蝶呤三甲氧苄二氨嘧啶三甲氧苄二氨嘧啶抑制叶酸合成抑制叶酸合成抑制二氢叶酸还抑制二氢叶酸还原酶原酶碱基类似物抑制剂碱基类似物抑制剂5-氟尿嘧啶氟尿嘧啶5-氟氟-脱氧尿嘧啶脱氧尿嘧啶抑制胸苷酸的合抑制胸苷酸的合成成6-巯基嘌呤巯基嘌呤6-甲硫嘌呤甲硫嘌呤抑制嘌呤核苷酸抑制嘌呤核苷酸合成合成6-氮尿苷氮尿苷转变成的转变成的5-核苷核苷酸抑制酸抑制OMP脱羧脱羧酶，从而阻断酶，从而阻断UMP的合成的合成核糖核苷酸还原酶核糖核苷酸还原酶抑制剂抑制剂羟基脲羟基脲重氮丝氨酸等重氮丝氨酸等Gln类似物类似物主要抑制嘌主要抑制嘌呤环的合成，呤环的合成，也抑制嘧啶也抑制嘧啶环的合成环的合成氨甲蝶呤氨甲蝶呤
