核酸的降解和核苷酸代谢20101

第八章核酸的降解和核苷酸代谢Chapter8DEGRADATIONOFNUCLEICACIDSANDMETABOLISMOFNUCLEOTIDES

◆熟悉碱基合成时，嘌呤环和嘧啶环上各个原子的来源

◆了解嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸从头合成的过程以及最初产物。二者合成途径的差异

◆了解核苷酸补救合成途径的重要意义

◆了解核苷酸降解的过程和终产物，尿酸堆积引起的疾病和治疗方法

◆了解生物体内几种重要的辅酶核苷酸，包括NAD（NADP）、FAD（FMN）和CoA等的合成学习目标第八章核酸的降解和核苷酸代谢

◆本章内容包括核酸的降解，以及其降解产物各种核苷酸、核苷、嘌呤碱基和嘧啶碱基的分解及合成代谢。

◆核苷酸生物合成需要磷酸核糖焦磷酸(5-PRPP)。

◆嘌呤核苷酸从头合成的最初产物是次黄嘌呤核苷酸（嘌呤环上各个原子的来源）,最后形成嘌呤环.◆嘧啶核苷酸的从头合成途径的最初产物是UMP,先合成嘧啶环

◆核苷酸可以通过补救途径合成.

◆嘌呤核苷酸降解产生尿酸.◆嘧啶可以降解生成乙酰CoA和琥珀酰CoA.

◆生物体内几种重要的辅酶核苷酸，包括NAD（NADP）、FAD和CoA等都是AMP的衍生物.内容提要第八章核酸的降解和核苷酸代谢

一核酸和核苷酸的分解代谢二核苷酸的生物合成三辅酶核苷酸的生物合成主要内容第八章核酸的降解和核苷酸代谢

核苷酸的生物学作用:(1)核苷酸是核酸的基本结构单位(2)核苷酸衍生物是许多生物合成的活性中间物，UDP-葡萄糖，CDP-二脂酰甘油等(3)ATP是通用高能化合物。核苷酸也可以氧化供能(4)AMP是多种重要辅酶的组分：NAD+,NADP+,FAD和CoA-SH(5)参与代谢和生理调节：cAMP,cGMP，(p)ppGpp第八章核酸的降解和核苷酸代谢

(一)核酸的降解(二)核苷酸的降解(三)嘌呤碱的分解(四)嘧啶碱的分解一核酸和核苷酸的分解代谢

一核酸和核苷酸的分解代谢(一)核酸的降解:食物（核蛋白）胃胃酸核酸+蛋白质小肠肠液、胰液降解核苷酸核酸酶：作用于核酸的磷酸二酯酶

核糖核酸酶(RNase)：作用于RNA脱氧核糖核酸酶(DNase)：作用于DNA

非特异性核酸酶：作用于DNA和RNA

核酸内切酶(endonuclease)：水解核酸分子内磷酸二酯键核酸外切酶(exonuclease)：从核酸链的一端逐个水解核苷酸

课后复习

1非专一性核酸酶类：作用于DNA和RNA

(1)蛇毒磷酸二酯酶（venomphosphodiesterase,VPDase）从3’-OH端逐一切割，产生5’-核苷酸(2)牛脾磷酸二酯酶（Sedoheptulosediphosphatase,SDPase）从5’-OH端逐一切割，产生3’-核苷酸

课后复习外切核酸酶对核酸的水解位点5´

p

p

pOHB

p

p

p

p3´BBBBBBB牛脾磷酸二酯酶（从5’-OH端逐一切割得3’-核苷酸）蛇毒磷酸二酯酶（从3’-OH端逐一切割得5’-核苷酸）HO

课后复习2核糖核酸酶类：只作用于RNA(1)牛胰核糖核酸酶（EC2.7.7.16)：

RNaseA

或RNaseI，专一性的内切酶，生成3’-嘧啶核苷酸（3’-Py）或以3’-嘧啶核苷酸结尾的寡核苷酸。(2)核糖核酸酶T1（EC3.1.4.8)

：

RNaseT1

，专一性比RNaseA高，产物是3’-鸟苷酸（3’-G）或以3’-鸟苷酸结尾的寡核苷酸。

课后复习内切核酸酶对RNA的水解位点示意图5´

p

p

p

pOHPyPuPyPy1´

p

p

pGACU

p

p

pGA3´RNaseIRNaseIRNaseT1RNaseT1Py：嘧啶

Pu：嘌呤PyrimidinePurine

课后复习3脱氧核糖核酸酶类：只作用于DNA(1)牛胰脱氧核糖核酸酶(EC3.1.4.5)：

DNaseI,切断双链DNA和单链DNA，成为5’-磷酸为末端的寡聚核苷酸，平均长度4nt(2)牛脾脱氧核糖核酸酶(EC3.1.4.6)：

DNaseII,降解DNA成为以3’-磷酸为末端的寡聚核苷酸，平均长度6nt(3)限制性内切酶(EC3.1.4.5)：专一性切割特定DNA序列，产生粘性或平头末端。基因工程工具酶。

课后复习核酸胰核酸酶核苷酸核苷酸核苷酶碱基+戊糖-5-P（磷酸二酯酶）磷酸单酯酶（核苷酸酶）核苷+Pi

核苷磷酸化酶嘌呤碱或嘧啶碱+戊糖-1-P核苷酶（nuleosidase）：催化降解核苷

核苷磷酸化酶：水解核苷成为碱基和磷酸戊糖,广泛存在

核苷水解酶：水解核苷成为碱基和戊糖

存在于植物、微生物，且只作用于核糖核苷(二)核苷酸的降解：

嘌呤分解首先脱氨，可以在核苷酸、核苷或碱基不同水平上进行。嘌呤代谢产物：尿酸、尿囊素、尿囊酸、尿素、氨(三)嘌呤碱的分解:

嘌呤碱的分解:人、猿、排尿酸动物(某些爬虫类、鸟类和昆虫)除人、猿以外的哺乳动物硬骨鱼类多种鱼类和两栖类低等动物

kcat型不可逆抑制剂嘌呤代谢异常：高尿酸血症，痛风（gout）。

课后复习嘌呤代谢异常：高尿酸血症，痛风（gout）。治疗痛风药物：别嘌呤醇（allopurinol）别嘌呤醇别黄嘌呤，抑制黄嘌呤氧化酶

Mo(Ⅳ)Mo(Ⅳ)→Mo(Ⅵ)

自杀性底物(suicidesubstrate):底物类似物经酶作用后成为酶的灭活物.kcat型不可逆抑制剂黄嘌呤氧化酶次黄嘌呤类似物黄嘌呤类似物

课后复习(四)嘧啶碱的分解:脱氨后进入TCA循环；或直接随尿排出哺乳类动物主要在肝脏中进行具有氨基的嘧啶碱需要先水解脱氨，可以在碱基、核苷或核苷酸不同水平上进行。

课后阅读

二核苷酸的生物合成

123456789

从头合成(一)嘌呤核糖核苷酸的合成：在各种生物体内都能合成前体：

二氧化碳甲酸盐GlnAspGly1从头合成（denovosynthesis）(1)次黄嘌呤核苷酸（IMP）的合成：首先由磷酸核糖焦磷酸激酶催化ATP与5-磷酸核糖反应形成5-磷酸核糖焦磷酸(5-PRPP,5-phosphoribosylpyrophosphate)：5-磷酸核糖+ATP磷酸核糖焦磷酸激酶5-磷酸核糖焦磷酸+AMP核苷酸中首先合成的是次黄嘌呤核苷酸，随后再转变为其它嘌呤核苷酸。IMP的从头合成步骤共分为十步：

IMP

AMPGMP型型(1)（2）（3）(4)N9N3ATP5-PRPP5-磷酸核糖AMP两个高能磷酸键

腺苷酸琥珀酸裂解酶（5）（6）（7）（8）（9）（10）5-磷酸核糖→IMP需6个高能磷酸键

1234657核糖-5-P

(2)腺嘌呤核苷酸的合成

Asp结构类似物：羽田杀菌素可强烈抑制腺苷酸琥珀酸合成酶的活性。抗癌苷

(3)鸟嘌呤核苷酸的合成：

补救途径：利用体内已有的碱基和核苷合成核苷酸两条补救途径：1。核苷磷酸化酶+腺苷激酶途径2。磷酸核糖转移酶途径(重要途径)嘌呤+1-P-核糖嘌呤核苷

AMPATP

ADP腺苷激酶核苷磷酸化酶

磷酸核糖转移酶2嘌呤核苷酸合成的补救途径(salvage)(adeninephosohoribosyltransferase)(hypoxanthine-guaninephosohoribosyltransferase)

从头合成途径与补救途径之间存在动态平衡Lesch-NyhanSyndrome

AbsenceofHGPRTaseX-linked(GeneonX)OccursprimarilyinmalesCharacterizedby:IncreaseduricacidSpasticityNeurologicaldefectsAggressivebehaviorSelf-mutilation●别嘌呤醇无效

3嘌呤核苷酸生物合成的调节三个控制点：5-P-核糖胺合成（转酰胺酶，IMP合成的第一步)：受产物IMP、GMP和AMP反馈调节。IMP腺苷酸琥珀酸（腺苷酸琥珀酸合成酶）是IMP合成AMP的第一步：AMP（-）IMPXMP（IMP脱氢酶）

IMP合成GMP的第一步:GMP（-）

②①③

腺苷酸琥珀酸合成酶Gln转酰胺酶(二)

1尿嘧啶核苷酸的合成：前体：CO2

Gln

提供NH3氨甲酰磷酸

Asp首先由氨甲酰磷酸合成酶II催化Gln将酰胺基氨和HCO3-合成氨甲酰磷酸。Gln+2ATP+HCO3-氨甲酰磷酸合成酶II氨甲酰磷酸

2ADP+Pi+Glu(二)嘧啶核糖核苷酸的合成

UMP

CMPTMP

2ADP课后阅读尿嘧啶核苷酸的合成反应历程：需4个高能磷酸键,生成1个NADH

2胞嘧啶核苷酸的合成必须在UTP的水平上进行。UTP→CTPUMP尿嘧啶核苷酸激酶

UDP核苷二磷酸激酶

UTP

ATP

Mg2+

ADPATPMg2+ADP哺乳动物：

UTP+

Gln+ATP+H2OCTP合成酶

CTP+Glu+ADP+Pi

E.coli中由UTP合成CTP的氨来自NH4+

3.嘧啶核苷酸合成的补救途径（salvagepathway）

：

由嘧啶碱和核苷合成核苷酸.

两条补救途径：

1。核苷磷酸化酶+尿苷激酶途径(重要途径)

2。磷酸核糖转移酶途径尿苷磷酸化酶UraR-1-PPiU（尿苷）尿苷激酶UMPATPADP尿嘧啶磷酸核糖转移酶

UraPRPPPPi脱氧核糖核苷酸：脱氧核糖核苷激酶4嘧啶核苷酸生物合成的调节三个控制点:氨甲酰磷酸合成酶II：受UMP反馈抑制Asp转氨甲酰酶(ATCase)（主要调节位点）：受CTP反馈抑制，ATP激活CTP合成酶：受CTP反馈抑制

CTP合成酶ATCase氨甲酰磷酸合成酶II

课后阅读(三)脱氧核糖核苷酸的合成1核糖核苷酸的还原：在核苷二磷酸的水平上被还原：AMP,GMP,核苷一磷酸激酶

ADP,GDP,CMP,UMP

ATPADP

CDP,UDP

核糖核苷酸还原酶

dADP,dGDP,dCDP,dUDP

核糖核苷酸还原酶：有I~IV四种类型I型核糖核苷酸还原酶:在大肠杆菌中二亚基酶（R1和R2）：共4条肽链R1有两个别构调节位点：(1)酶活性调节位点：

ATP（+）和dATP（-）(2)底物特异性位点：不同核苷酸之间协调、平衡

ATP(或dATP)结合：促进UDP和CDP还原

dTTP结合：促进GDP还原，抑制UDP、CDP还原dGTP结合：促进ADP还原，抑制UDP、CDP、GDP还原

Mg2+I型核糖核苷酸还原酶示意图

TyrMg2+氢供体：NADPH。由氢携带蛋白转移给还原酶，再传递给底物分子。氢携带蛋白：巯基蛋白

硫氧还蛋白（FAD为辅基的硫氧还蛋白还原酶催化得到氢）

谷氧还蛋白（以谷胱甘肽为辅酶的谷氧还蛋白还原酶催化）酶活性调节位点底物特异性位点底物结合位R1和R2交界处：有一个底物结合位。R2还有一个催化位：Tyr双核铁（Fe3+）辅因子

(binuclearironcofactor)

Cys等SHSHR1R1R2R22Fe3+TyrXH

核糖核苷酸的还原反应FAD核糖核苷酸还原酶Mg2+硫氧还蛋白SHSH硫氧还蛋白SS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谷氧还蛋白SS谷氧还蛋白SHSHNADP+NADPH+H+谷氧还蛋白还原酶OP-P-CH2NOHOHOP-P-CH2NOHHGSSG2GSH谷胱甘肽还原酶氢携带蛋白:

氢供体:N,N-亚甲基THF

FH5102胸腺嘧啶核苷酸合酶2胸腺嘧啶核苷酸的生物合成：由甲基化而成：dUMP→dTMP

水解（快）

dTMP合成的抑制剂●氨基蝶呤(aminopterin)氨甲蝶呤(methotrexate)甲氧苄啶(trimethoprim)均为叶酸类似物,竞争抑制二氢叶酸还原酶，抑制THF合成，从而抑制一碳单位转移反应，抑制胸苷酸合成，抗肿瘤●

5-氟尿嘧啶:→FdUMP，可抑制胸苷酸合酶，阻断dUMP合成dTMP

甲氧苄啶其他核苷酸合成的抑制剂：●

6-巯基嘌呤

6-巯基嘌呤→6-硫代次黄嘌呤核苷酸（即硫代肌苷酸），

抑制IMP→AMP及GMP

。●

重氮丝氨酸及6-重氮-5-氧正亮氨酸:类似Gln抑制嘌呤和嘧啶核苷酸的合成P393

高等动物在DP水平上脱氧，在MP水平上甲基化

(一)烟酰胺核苷酸的合成(二)黄素核苷酸的合成(三)辅酶A的合成三辅酶核苷酸的生物合成

(一)烟酰胺核苷酸的合成：（1）NAD（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸、辅酶I）：烟酸+5-PRPP

烟酸单核苷酸焦磷酸化酶

烟酸单核苷酸+PPi烟酸单核苷酸+ATP

脱酰胺-NAD焦磷酸化酶脱酰胺-NAD+PPi脱酰胺-NAD+Gln+ATPNAD合成酶

NAD+Glu+AMP+PPi（2）NADP（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸、辅酶II）：NAD+ATP

NAD激酶

NADP+ADP

P-核糖腺嘌呤-核糖–P–磷酸基连接在腺嘌呤核糖环的2’-OH上

(二)黄素核苷酸的合成：（1）FMN（异咯嗪单核苷酸）：核黄素+ATP

黄素激酶

FMN+ADP

（2）FAD（异咯嗪腺嘌呤二核苷酸）：FMN

+ATP

FAD焦磷酸化酶

FAD+PPi

Mg2+(三)辅酶A的合成：

泛酸+4ATP+CysCoA+CO2+3ADP+PPi+Pi

胺-巯基乙胺-泛酸-3’-P-ADP123AMP4核酸的酶促降解和核苷酸的代谢小结：

1核酸的酶促降解

核糖核酸酶、脱氧核糖核酸酶、限制性内切酶

2核苷酸的降解

3核苷酸的合成代谢（1）核糖核苷酸的生物合成嘌呤核苷酸的合成：从头合成和补救途径嘧啶核苷酸的合成：从头合成和补救途径（2）脱氧核苷酸的生物合成核糖核苷酸的还原脱氧胸腺嘧啶核苷酸的合成4辅酶核苷酸的生物合成

课后阅读复习题P404,1-7嘌呤和嘧啶生物合成以及降解有哪些异同。别嘌呤醇为什么能缓解痛风患者的症状？解释二氢叶酸在脱氧核苷酸合成中的作用。嘌呤和嘧啶碱基是真核生物的主要能源吗，为什么？用两组人作一个实验，一组人的饮食主要是肉食，另一组人主要是米饭。哪一组人发生痛风病的可能性大？为什么？从5-磷酸核糖开始合成一分子AMP需要多少能量（用ATP表示）？假设所有其它前体都存在.为什么一种嘌呤和嘧啶生物合成的抑制剂往往可以用作抗癌药和/或抗病毒药？

复习题5.答:在真核生物中，嘌呤和嘧啶不是主要的能源。脂肪酸和糖中碳原子能够被氧化产生ATP，相比较而言含氮的嘌呤和嘧啶没有合适的产