生物化学基础靳利娥第9章核酸代谢

第九章 核酸代谢 Metabolism of Nucleotides 重点内容 核苷酸的分解与合 成过程 DNA、RNA分解与 合成过过程 DNA、RNA的代谢谢 机制 目 录 第一节 概述 第二节 核苷酸的分解代谢 第三节 核苷酸的生物合成 第四节 DNA的生物合成 第五节 RNA的合成 第六节 基因工程 复 习 核苷酸是核酸的基本结构单位。 核苷酸的生物学功能： 作为核酸合成的原料（主要功能） 体内能量的主要利用形式（ATP 、GTP等） 参与代谢和生理调节（cAMP、cGMP） 组成辅酶（NAD 、 FAD、NADP+、HSCoA等） 活化中间代谢物（UDPG、CDP-胆碱、SAM等） 核苷酸不属营养物质；食物来源嘌呤和嘧啶碱很少 被机体利用 第一节 核苷酸的来源与分解吸收 1. 自身合成（主要途径） 2. 食物（次要） 磷酸戊糖 途径或重 合成核酸 分解为尿 素及其他 核苷酸及水解产物（碱基、磷酸）均可被细胞吸 收，但绝大部分在肠粘膜细胞中被进一步分解而 排出体外。 分解产生的戊糖被吸收而参与体内磷酸戊糖代谢 通路。 AMP 体内核苷酸的主要存在形式 尼克酰胺腺嘌呤二 核苷酸(NAD+) ATP 核酸组成 单位 核酸分解相关的酶类 酶的名称底物作用方式 核糖核酸酶 ribonuclease RNA水解核酸为单核苷酸 脱氧核糖核酸酶 deoxyribonuclease DNA水解脱氧核糖核酸为单核苷酸 核酸内切酶 ndonuclease DNA或 RNA特异性的磷酸二酯酶 核酸外切酶 exonuclease DNA或 RNA非特异性的磷酸二酯酶 核苷水解酶 nucleotidyl hydrolase 单核苷（DNA 与RNA特异） 水解单核苷酸为碱基和磷酸核糖， 不可逆 核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶 nucloside phosphorylase 单核苷酸磷酸解单核苷酸为嘌呤碱、嘧啶碱 和戊糖-1-磷酸，反应可逆 限制性内切酶 restriction endonuclease 特异DNA 顺序 水解特定核苷酸序列处，使DNA断 裂或产生缺口 定义义：特定核苷酸序列处处切开核苷酸之间间3,5-磷酸二酯酯 键键，使DNA断裂或产产生缺口。 如果识别识别 序列的碱基经过经过 修饰饰，限制性内切酶就不作用 。通常寄主DNA在特定核苷酸序列处处被甲基化而得到保 护护，但外源DNA则则被分解。 型限制性内切酶既能催化宿主DNA的甲基化，又催化非 甲基化的DNA的水解； 型限制性内切酶只催化非甲基化的DNA的水解。 限制性内切酶 限制性内切酶 举举例 命名规则规则 ：以微生物属名的第一个字母和种名的 前两个字母组组成，第四个字母表示菌株(品系) 如大肠肠杆菌R菌株中分离的第一种限制酶（ EcoRI）识别识别 切割顺顺序： C T T A A G A A T T C G 切割位点 切割位点 第二节 核苷酸的分解代谢 核苷酸 核苷+磷酸 碱基+1-P-戊糖 核苷酸酶核苷磷酸化酶 碱基 + 戊糖 核苷酶 一、 嘌呤碱基的分解 分解主要器官：肝 肾 小肠 嘌呤 核苷酸 核苷 酸酶 嘌呤核 苷磷酸 化酶 嘌呤 核苷 磷酸 嘌呤水解、脱氨及 氧化作用生成尿酸 核糖 嘌呤碱 嘌呤核苷酸 补救合成途径 1-磷酸核糖5-磷酸核糖 磷酸戊糖途径 尿酸（终产物） 嘌呤碱基的分解 腺嘌呤分解 第一步：腺嘌呤脱氨酶催化脱氨生成次黄嘌呤； 第二步：次黄嘌呤由黄嘌呤氧化酶氧化为黄嘌呤 鸟 嘌呤由鸟嘌呤脱氢酶催化脱氨生成黄嘌呤 第三步：黄嘌呤氧化为尿酸 注意：动物组织中腺嘌呤脱氨酶含量极少，腺嘌呤核苷脱氨酶和腺 嘌呤核苷酸脱氨酶的活性极高，因此脱氨分解应在核苷和核苷酸水 平上进行，再水解为次黄嘌呤。鸟嘌呤脱氨酶的分布较广，可催化 鸟嘌呤脱氨生成黄嘌呤，黄嘌呤再氧化成尿酸 次黄嘌呤 核苷酸 腺嘌呤核苷 酸脱氨酶 腺嘌呤核苷酸腺嘌呤核苷 腺嘌呤 次黄嘌呤 核苷 次黄嘌呤 腺嘌呤 脱氨酶 腺嘌呤核 苷脱氨酶 核苷酸酶 核苷酸酶 核苷磷酸化酶 核苷磷酸化酶 H2O NH3 H2O NH3 H2O Pi H2O Pi Pi 核糖-1-P Pi 核糖-1-P H2O NH3 鸟嘌呤H2O 鸟嘌呤脱氨酶 黄嘌呤NH3 H2O + O2 H2O2 黄嘌呤氧化酶 尿酸的生成 尿素 尿囊素 尿囊酸 尿酸 尿酸氧化酶 尿囊素酶 尿囊酸酶 尿素酶 尿酸尿酸人，灵长类，短毛狗，鸟类、爬虫类、软人，灵长类，短毛狗，鸟类、爬虫类、软 体动物、海鞘类、昆虫体动物、海鞘类、昆虫 尿囊素尿囊素哺乳动物（灵长类除外）、腹足类哺乳动物（灵长类除外）、腹足类 尿囊酸尿囊酸硬骨鱼硬骨鱼 尿素尿素大多数鱼类、两栖类、淡水瓣鳃类大多数鱼类、两栖类、淡水瓣鳃类 氨氨甲壳类、咸水瓣鳃类甲壳类、咸水瓣鳃类 鸟嘌呤鸟嘌呤/ /黄嘌呤黄嘌呤蜘蛛、猪蜘蛛、猪 尿酸的排泄方式 医学相关痛风风症（男性多发发） 正常生理情况下，尿酸生成与排泄恒定。正常人 血浆浆中尿酸含量 0.120.36mmol/L。 当体内核酸大量分解(白血病、恶恶性肿肿瘤等)或食 入高嘌呤食物时时，血中尿酸水平升高，当超过过 0.48mmol/L(8mg/dl)时时，尿酸盐盐沉积积于关节节、软软 组织组织 、软软骨及肾肾等处处，而导导致关节节炎、尿路结结 石及肾肾疾患，称为为痛风风症。 痛风症的治疗机制别嘌呤醇 次黄嘌呤 黄嘌呤尿酸 黄嘌呤氧化酶 黄嘌呤氧化酶 别嘌呤醇 别嘌呤醇与次黄嘌呤结构类似，可被黄嘌呤氧化酶氧化成别 黄嘌呤，强烈抑制黄嘌呤氧化酶，成为酶的灭活物，从而抑 制尿酸的生成。 腺苷脱氨酶(adenosine deaminase, ADA)的遗传遗传 性 缺乏，导导致酶活性下降，细细胞免疫和体液免疫下 降，可选择选择 性清除淋巴细细胞，导导致严严重联联合免疫 缺陷病 (Severe combined immunodeficiency disease, SCID)。 医学相关SCID 二、嘧啶碱基的分解 嘧啶碱 1-磷酸核糖 嘧啶核苷酸核苷 核苷酸酶 PPi 核苷磷酸化酶 -丙氨酸、-丙氨酸 -氨基异丁酸 CO2 + NH3 嘧啶分解特点 嘧啶分解在肝脏中进行，分解为NH3、H2O及CO2 嘧啶可开环，分解过程为脱氨基、氧化、还原及脱羧基等 反应步骤: 1. 胞嘧啶脱氨基转变为尿嘧啶 2. 尿嘧啶嘧啶 和胸腺嘧啶嘧啶 在二氨尿嘧啶嘧啶 脱氢氢酶催化下，分别还别还 原 为为二氢氢尿嘧啶嘧啶 和二氢氢胸腺嘧啶嘧啶 。 3. 二氢嘧啶氢嘧啶 酶催化嘧啶环嘧啶环 水解，生成-丙氨酸和-氨基异丁酸 4. -丙氨酸生成乙酰酰CoA、-氨基异丁酸生成琥珀酰酰CoA进进入 TAC。 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 肝 尿素 甲基丙二酸单酰CoA 琥珀酰CoA TAC 糖异生 二氢尿嘧啶脱氢酶 二氢胸腺嘧啶酶 二氢尿嘧啶酶 二氢胸腺嘧啶脱氢酶 第三节 核苷酸的合成代谢 一、嘌呤核苷酸的合成 二、嘧啶核苷酸的合成 三、核苷酸的抗代谢物 四、脱氧核糖核苷酸的生成 一、合成途径与核糖的来源 核苷酸合成途径: 从头头合成与补补救合成 核糖来源于磷酸戊糖途径 5-磷酸核糖在磷酸核糖焦磷酸激酶催化下，与 ATP作用生成5-磷酸核糖焦磷酸(PRPP)，然后用 于单单核苷酸的合成。 二、嘌呤核苷酸的合成代谢 一、从头合成途径 (de novo synthesis pathway) 定义：利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及二 氧化碳等原料，经一系列酶促反应合成嘌呤核苷 酸的途径。主要部位:：肝、小肠和胸腺（脑和骨 髓不进行） 二、补救合成途径(salvage synthesis pathway) 定义：脑和骨髓中利用体内游离嘌呤或嘌呤核 苷，合成嘌呤核苷酸的过程，称为重新利用途径 。 1、嘌呤碱的元素来源 CO2 甲酰基 （一碳单位） 甲酰基 （一碳单位） 天冬氨酸 谷氨酰胺 （酰胺基） 甘氨酸 （一）从头合成过程 R-5-P （5-磷酸核糖） ATPAMP PRPP合成酶 PP-1-R-5-P （磷酸核糖焦磷酸） IMP H2N-1-R-5-P （5-磷酸核糖胺） 谷氨酰胺 谷氨酸 酰胺转移酶 2、次黄嘌呤核苷酸（IMP）的合成 IMP合成共11步 以磷酸核糖为起始物，逐步加原 子形成IMP 需5个ATP，6个高能磷酸键 2、IMP的合成 第一至三步： 1. 腺嘌呤 与 PRPP反应为5-磷酸核糖胺 酶： 磷酸核糖焦磷酸酰氨转移酶（别构酶 ） 2. 5-磷酸核糖胺与甘氨酸反应为甘氨酰胺核 苷酸 酶：甘氨酰胺核苷酸合成酶 3. 甘氨酰胺核苷酸与亚甲四氢叶酸反应为甲 酰甘氨酰胺核苷酸 酶： 甘氨酰胺核苷酸甲酰基转移酶 IMP合成四至六步 4. 甲酰甘氨酰胺核苷酸与谷氨酰胺反应为 甲酰甘氨咪唑核苷酸 酶： 甲酰甘氨咪唑核苷酸合成酶 5.甲酰甘氨咪唑核苷酸脱水环化为5-氨基 咪唑核苷酸（ 生成嘌呤完整五元环） 6. 5-氨基咪唑核苷酸与羧化生成5-氨基咪 唑-4-羧酸核苷酸 酶： 氨基咪唑核苷酸羧化酶 IMP合成七至十步 7. 5-氨基咪唑-4-羧酸核苷酸与天冬氨酸缩 合为5-氨基咪唑-4-氢酸核苷酸 酶： 氨基咪唑琥珀到氨甲基核苷酸合成酶 8. 5-氨基咪唑-4-氢酸核苷酸脱去延胡索酸 生成5-氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸 酶：腺苷酸裂解酶 9-10 . 5-氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸接受甲酰 四氢叶酸甲酰基，并脱水环化为IMP 酶：水解酶、甲酰转移酶 IMP生成总反应过程 催化反应的四个酶 腺苷酸琥珀酸合成酶 IMP脱氢酶 腺苷酸琥珀酸裂解酶 GMP合成酶 3 AMP和GMP的生成 AMPADPATP ADPATP 腺苷二磷酸激酶 ADPATP 激酶 GMPGDP GTP ADPATP 鸟苷二磷酸激酶 ADPATP 激酶 4 ATP和GTP的生成 （二）嘌呤核苷酸的补救合成途径 1、补救合成特点 l某些组织器官，如白细胞、血小板、脑、骨 髓等只能进行补救合成。 l消耗能量少 l氨基酸消耗少 l同样由PRPP提供磷酸核糖 l相关疾病：自毁容颜症 腺嘌呤磷酸核糖转移酶 (adenine phosphoribosyl transferase,APRT) 次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶 (hypoxanthine- guanine phosphoribosyl transferase, HGPRT) 胞苷激酶 (kinase) 2、参与补救合成的酶 腺嘌呤 + PRPPAMP + PPi APRT 次黄嘌呤 + PRPPIMP + PPi HGPRT 鸟嘌呤 + PRPP HGPRT GMP + PPi 3 补救合成过程 腺嘌呤核苷 腺苷激酶 ATPADP AMP AMP合 成的两 条途径 IMP和 GMP的 合成 （三） 嘌呤合成的调节 调节方式：反馈调节和交叉调节 1. PRPP合成酶 2. 磷酸核糖酰胺转移酶 3. 于IMP向AMP和GMP的转变过程 4. 抗代谢物如： 6-巯基嘌呤、6-巯基鸟嘌呤等阻 断核苷酸的生成，是抗癌作用的节点所在 嘌 呤 合 成 调 节 机 制 嘌呤抗代谢物分子结构 嘌呤类似物 氨基酸类似物 叶酸类似物 三、嘧啶核苷酸的合成代谢 l 从头合成途径(de novo synthesis pathway) l 补救合成途径(salvage synthesis pathway) （一）嘧啶核苷酸的从头合成 l 定义：利用磷酸核糖、氨基酸、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，合成嘧啶核苷酸。 l 嘧啶环各元素来源 1 尿嘧啶核苷酸的从头合成过程 特点： 1. 先合成嘧啶环，再与磷酸核糖相连 2. 嘧啶环的合成开始于氨基甲酰磷酸 谷氨酰胺 + HCO3- 氨基甲酰磷酸 合成酶II 2ATP 2ADP + Pi 谷氨酸 + 氨基甲酰磷酸 氨基甲酰磷酸合成酶（CPS）的区别 尿嘧啶核苷酸从头合成 1. 经转酰、环化、脱水、脱氢等合成嘧啶环 2. 催化反应的酶为多功能酶 3. 共六步反应 第二步 限速步骤 第三步 环化 第四步 嘧啶环生成 反应部位：线粒体 第五步 获得磷酸核糖 第六步 产生生成 2 胞嘧啶核苷酸的合成 ATPADP 核苷酸激酶 UDP 核苷二磷酸激酶 ATP ADP UTP CTP合成酶 谷氨酰胺 ATP+ H2O 谷氨酸 ADP + Pi （二） 嘧啶核苷酸的补救合成 尿嘧啶 + PRPP磷酸嘧啶核苷 + PPi 嘧啶磷酸核糖转移酶 尿嘧啶核苷 + ATP 尿苷激酶 UMP +ADP l 定义：外源核酸及自身核苷酸分解产生的嘧啶及核苷的 重新利用 l 尿嘧啶补救合成的两条途径： 途径一合成关键酶是磷酸核糖转移酶 途径二催化反应的酶尿苷激酶 l 胞嘧啶可被尿苷激酶催化生成胞嘧啶核苷酸。 （三）嘧啶合成的调节 抑制抑制 ATP + CO2+ 谷氨酰胺 氨基甲酰磷酸 UMP 氨基甲酸天冬氨酸 UTPCTP 嘌呤核苷酸 ATP + 5-磷酸核糖 嘧啶核苷酸 PRPP 抑制抑制 抑制抑制 抑制抑制 5-氟尿嘧啶 阿糖胞苷 环胞苷 （四）嘧啶核苷酸抗代谢物 总结：两种核苷酸的生物合成 从头合成途径 嘌呤： 在磷酸核糖焦磷酸基础上合成嘌呤环 嘧啶：先形成嘧啶环，再与核糖环结合 补救合成途径 嘌呤： 磷酸核糖转移酶(重要) 嘌呤核苷激酶(次要) 嘧啶：嘧啶核苷激酶(重要) 磷酸核糖转移酶(次要) 特点： 1. 在核苷二磷酸水平上 直接还原 2. 需要ATP提供能量 3. 催化反应：硫氧还蛋白还原酶和核苷二磷酸还原酶 四、脱氧核苷酸的生成代谢 N代表A、G、U、C等碱基 （一）脱氧核