生物化学下第33章核酸的降解与核苷酸代谢.ppt

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,第33章 核酸的降解和核苷酸代谢,核酸的降解和核苷酸代谢,第一节 核酸和核苷酸的分解代谢,第二节 核苷酸的合成代谢,（一）核酸的解聚,核酸,磷酸,核苷酸,核苷,水 解,一、核酸和核苷酸的分解代谢,糖基,碱基,1、 降解核酸的酶 按分解底物：核糖核酸酶和脱氧核糖核酸酶 按专一性：非特异性和特异性两种。 按水解方式：内切和外切两种方式。 外切：3 -外切、5 -外切,内切酶,按水解部位有：水解3-OH和磷酸的酯键和5-OH和磷酸的酯键的酶，产物分别为5-磷酸寡聚核苷酸和3-磷酸寡聚核苷酸,水解DNA和RNA 3或5末端的磷酸二酯键 如：蛇毒磷酸二酯酶：3-端外切酶，产物：5-核苷酸 牛脾磷酸二酯酶：5-端外切酶，产物：3-核苷酸,2、核酸外切酶,催化水解多核苷酸链内部的磷酸二酯键 1）非特异性 （1） 核酸酶：以DNA和RNA为底物 产物：3-磷酸寡聚核苷酸（小球菌核酸酶）或5-磷酸寡聚核苷酸（链孢霉菌核酸酶）。,3、核酸内切酶,（2）脱氧核糖核酸酶： 以DNA为底物 产物：3-磷酸寡聚核苷酸（牛胰脱氧核糖核酸酶）或5-磷酸寡聚核苷酸（牛脾核糖核酸酶）,（3）核糖核酸酶：水解RNA的磷酸二酯键，产物为3-磷酸寡核苷酸（牛胰核糖核酸酶）或5-磷酸寡核苷酸（核糖核酸酶T1）。 2）特异性酶 限制性内切酶：可识别DNA上的碱基序列专一性位点，其碱基长度是48个碱基，将两条链同时切开形成粘性末端(如EcoRI)和非粘性末端（如 HaeIII ）。,（二）核苷酸的分解,磷酸-戊糖,碱基,核苷酸,分解 合成,？,再利用,一、嘌呤碱的分解代谢,GMP,AMP,（一）嘌呤碱的分解过程,1、代谢场所,代谢场所：肝脏、小肠及肾脏 生物体内嘌呤的分解可分别在碱基、核苷、核苷酸水平上进行，进行的反应有脱氨、氧化等。,2、代谢过程,嘌呤碱在各种脱氨酶的作用下水解脱去氨基，反应可以在碱基、核苷及核苷酸的水平上进行。,腺嘌呤核苷酸,腺嘌呤核苷,腺嘌呤,次黄嘌呤核苷酸,次黄嘌呤核苷,次黄嘌呤,核苷酸酶,核苷磷酸化酶,核苷酸酶,核苷磷酸化酶,腺嘌呤核苷酸 脱氨酶,腺嘌呤核苷 脱氨酶,腺嘌呤 脱氨酶,鸟嘌呤,黄嘌呤,鸟嘌呤脱氨酶,黄嘌呤和次黄嘌呤可继续被分解，不同生物降解的产物不同。,黄嘌呤氧化酶,尿酸氧化酶,次黄嘌呤,黄嘌呤,尿酸（排尿酸动物）,黄嘌呤氧化酶,尿囊素 （除人猿外的哺乳动物）,尿囊酸 （硬骨鱼类）,尿囊素酶,尿素+乙醛酸 （鱼类、两栖类）,尿囊酸酶,氨+二氧化碳 （低等动物）,I,嘌呤碱的最终 代谢产物,小结,3、代谢产物,排尿酸动物：灵长类、鸟类、昆虫、排尿酸爬虫类 排尿囊素动物：哺乳动物（灵长类除外）、腹足类 排尿囊酸动物：硬骨鱼类 排尿素动物：大多数鱼类、两栖类 某些低等动物能将尿素进一步分解成NH3和CO2排出。 植物分解嘌呤的途径与动物相似，产生各种中间产物（尿囊素、尿囊酸、尿素、NH3）。 微生物分解嘌呤类物质，生成NH3、CO2及有机酸（甲酸、乙酸、乳酸、等）。,4、与嘌呤分解代谢有关的病症痛风症,由于体内嘌呤核苷酸分解代谢异常，可致血中尿酸水平升高，以尿酸钠晶体沉积于软骨、关节、软组织及肾脏，临床上表现为皮下结节、关节疼痛等。,高嘌呤饮食 体内核酸大量分解 肾疾病 嘌呤核苷酸代谢酶缺陷,血中尿酸含量升高,鸟嘌呤,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,练习题：,1、GMP和AMP分解过程中产生的共同中间产物是（ ）？,AXMP B黄嘌呤（X） C腺嘌呤（A） D鸟嘌呤（G） ECO2,2、痛风症患者血中含量升高的物质是（ ）？,A尿素 BNH3 C胆红素 D尿酸 E肌酸,3、动物体内直接催化尿酸生成的酶是（）？,A尿酸氧化酶 B腺苷酸脱氨酶 C黄嘌呤氧化酶 D次黄嘌呤氧化酶 E以上均不是,4、人体内嘌呤核苷酸分解代谢的主要终产物是,A尿素 B肌酸 C肌酸酐 D尿酸 E-丙氨酸,二、嘧啶碱的分解代谢,胞嘧啶需要先脱氨生成尿嘧啶后才继续被分解。,-脲基丙酸,DHU,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,小结,练习题：,嘧啶核苷酸分解代谢产物有( )?,ANH3 B尿酸 CCO2 D-丙氨酸 E-氨基异丁酸,第二节 核苷酸的合成代谢,从头合成途径(de novo synthesis pathway) 利用氨基酸等作为原料合成 补救合成途径(salvage synthesis pathway) 利用体内游离的碱基或核苷合成,核苷酸生物合成的基本途径,一、嘌呤核苷酸的合成,（一）嘌呤碱的元素来源,谷氨酰胺（酰胺氮）,一碳基团 （甲酸盐）,一碳基团 （甲酸盐）,甘氨酸,二氧化碳,天冬氨酸,CO2,天冬氨酸,甲酸盐 （一碳单位）,甘氨酸,甲酸盐 （一碳单位）,谷氨酰胺 （酰胺基）,“甘氨酸中间站，谷碳坐两边。 左上天冬氨， 头顶二氧化碳”。,嘌呤环上的四个氮原子来源于（ ）？ A.天冬氨酸、谷氨酰胺、甘氨酸 B.天冬氨酸、谷氨酰胺、氨 C.天冬氨酸、甘氨酸 D.甘氨酸、谷氨酰胺、氨 E. 尿素、氨,（二）嘌呤核苷酸的合成,1、 从头合成的概念及部位,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，合成嘌呤核苷酸的途径。,肝是体内从头合成嘌呤核苷酸的主要器官，其次是小肠和胸腺，而脑、骨髓则无法进行此合成途径。,合成部位,定义,2、 从头合成的过程,1）合成原料：天冬氨酸、谷氨酰胺、甘氨酸、一碳基团、CO2、磷酸核糖。 2）合成特点：磷酸核糖为起始物，逐步加原料合成嘌呤环，形成重要中间产物 IMP（次黄嘌呤核苷酸），再转变为AMP和GMP。 3）合成过程,合成过程,IMP的合成,AMP和GMP的生成,I. 次黄嘌呤核苷酸的合成,磷酸核糖焦磷酸激酶,1,5,5-磷酸核糖-1-焦磷酸（PRPP）,磷酸核糖焦磷酸激酶,（1） 第一阶段的反应,酰胺转移酶,5-磷酸核糖胺,谷氨酰胺,谷氨酸,PRPP,-构型,-构型,5-磷酸核糖胺,甘氨酰胺核苷酸,甘氨酰胺核糖 核苷酸合成酶,甘氨酰胺核苷酸,甲酰甘氨酰胺核苷酸,转甲酰基酶,来自甲酸（盐）,N10-甲酰四氢叶酸,四氢叶酸,甲酰甘氨酰胺核苷酸,甲酰甘氨脒核苷酸,合成酶,谷氨酰胺,谷氨酸,甲酰甘氨脒核苷酸,5-氨基-咪唑核苷酸,合成酶,（2） 第二阶段的反应,N5-羧基氨基咪唑核苷酸,5-氨基-咪唑核苷酸,氨基咪唑核苷酸 合成酶,5-氨基-4-羧酸咪唑核苷酸,N5-羧基氨基咪唑核苷酸,氨基咪唑核苷酸 变位酶,N-琥珀酸-5-氨基咪唑-4-羧酰胺核苷酸,5-氨基-4-羧酸咪唑核苷酸,合成酶,5-氨基咪唑-4-羧酰胺核苷酸,延胡索酸,N-琥珀酸-5-氨基咪唑-4-羧酰胺核苷酸,腺苷酸琥珀酸 裂合酶,N-甲酰氨基咪唑 -4-羧酰胺核苷酸,5-氨基咪唑 -4-羧酰胺核苷酸,N10-甲酰四氢叶酸,四氢叶酸,次黄嘌呤核苷酸,N-甲酰氨基咪唑 -4-羧酰胺核苷酸,II. AMP和GMP的合成,（1） AMP的合成,IMP,Asp,腺苷酸琥珀酸,延胡索酸,AMP,腺苷酸琥珀酸合成酶,腺苷酸琥珀酸裂合酶,（2）GMP的合成,IMP,次黄嘌呤核苷酸脱氢酶,XMP,黄嘌呤核苷酸,黄嘌呤核苷酸,鸟苷酸,细菌直接以氨作为氨基供体,鸟嘌呤核苷酸合成酶,小结：AMP和GMP的合成,黄嘌呤核苷酸,3、从头合成的特点,嘌呤核苷酸是在磷酸核糖分子上逐步合成的。 IMP的合成需6个ATP，7个高能磷酸键。 AMP或GMP的合成又需1个GTP或ATP。,4、嘌呤核苷酸合成代谢的调节,调节方式：反馈调节和交叉调节,PRPP,PRA,反馈调节,交叉调节：相互调整，比例平衡,GTP,1、嘌呤核苷酸从头合成的原料包括下列哪些物质？ A、磷酸核糖 B、CO2 C、一碳单位 D、谷氨酰胺和天冬氨酸,练习题：,2、关于嘌呤核苷酸的合成描述正确的是 （ ） A利用氨基酸、一碳单位和CO2为原料，首先合成嘌呤环再与5-磷酸核糖结合而成 B以一碳单位、CO2、NH3和5-磷酸核糖为原料直接合成 C5-磷酸核糖为起始物，在酶催化下与ATP作用生成PRPP，再与氨基酸、CO2和一碳单位作用，逐步形成嘌呤核苷酸 D在氨基甲酰磷酸的基础上，逐步合成嘌呤核苷酸,3、合成嘌呤核苷酸过程中首先合成的是（）？,AGMP BAMP CXMP DTMP EIMP,（三）由嘌呤碱和核苷酸合成核苷酸,“补救合成”-salvage synthesis,定义：利用体内游离的碱基或相应的核苷，经过简单的反应，合成核苷酸的过程，称为补救合成（或重新利用）途径。,1、定义,(脑和骨髓),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) 腺苷激酶(adenosine kinase),催化的主要酶：,2、合成机制,Lesch-Nyhan综合症（莱-尼综合症）：也称为自毁容貌症，是由于次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶的遗传缺陷引起的。缺乏该酶使得次黄嘌呤和鸟嘌呤不能转换为IMP和GMP，而是降解为尿酸，过量尿酸将导致Lesch-Nyhan综合症。手舞足蹈，咬指咬唇强迫自残。,5、嘌呤核苷酸 生物合成的调节,磷酸核糖焦磷酸激酶,转酰胺酶,腺苷酸琥珀酸 合成酶,次黄嘌呤核苷酸脱氢酶,抗代谢物的概念:在化学结构上与正常代谢物（底物或辅酶）结构相似，具有竞争性拮抗正常代谢的物质。 机制:竞争性抑制或“以假乱真”方式干扰或阻断核苷酸的合成代谢，进而阻止核酸及蛋白质的生物合成。 意义:抗肿瘤,嘌呤核苷酸合成的抗代谢物,嘌呤核苷酸的抗代谢物是一些嘌呤、氨基酸或叶酸等的类似物。,主要有6-巯基嘌呤(6-MP)、6-巯基鸟嘌呤、8-氮杂鸟嘌呤等,嘌呤类似物,6-MP,6-MP作用机制,6-巯基嘌呤,氨基酸类似物,主要有氮杂丝氨酸(AS)、 6-重氮-5-氧正亮氨酸等 化学结构与Gln相似,主要有氨蝶呤(AP)和甲氨蝶呤(MTX)等。 能竞争性抑制二氢叶酸还原酶，使叶酸不能还原成FH2和FH4。,叶酸类似物,1、嘌呤核苷酸补救合成途径的主要器官是 A脑组织 B肝脏 C肾脏 D小肠 E胸腺,练习题：,练习题：,2、自毁容貌症是由于基因缺陷而导致 完全缺失所致。,HGPRT,AMP,GMP,增加,增加,3、嘌呤核苷酸的合成中由IMP可转变成_和_，过量的ATP导致GMP合成_，过量的GTP导致AMP合成_。,二、嘧啶核苷酸的合成,（一）嘧啶碱的元素来源,氨甲酰磷酸,天冬氨酸右边站， 谷酰直往左上窜， 剩余废物二氧化碳,（二）嘧啶核苷酸的从头合成,主要是肝细胞胞液,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，合成嘧啶核苷酸的途径。,1、定义,2、合成部位,3、合成过程,合成原料：谷氨酰胺、天冬氨酸、CO2、磷酸核糖。 合成特点：用原料先合成嘧啶环，然后再与磷酸核糖连接生成嘧啶核苷酸。,（1）UMP的合成,（2）胞嘧啶核苷酸的合成,在核苷三磷酸的水平上形成CTP,（3）胸腺嘧啶核苷酸的合成,FH2,FH2还原酶,NADPH+H+,NADP,（三）嘧啶核苷酸的补救合成,胞嘧啶核苷 尿嘧啶核苷,（四）嘧啶核苷酸生物合成的调节,（五）嘧啶核苷酸合成的抗代谢物,1、嘧啶类似物,胸腺嘧啶(T),5-氟尿嘧啶(5-FU),通过对酶的竞争性抑制而干扰或抑制嘧啶核苷酸的合成。,d,dUMP,N5,N10-CH2-FH4,FH2,FH2还原酶,NADPH+H+,NADP,FH4,丝氨酸,甘氨酸,胸苷酸合成酶,5-FUF-dUMP，可竞争性抑制胸苷酸合成酶的活性，从而抑制胸苷酸的合成。,d,氮杂丝氨酸抑制CTP合成； 氨甲蝶呤抑制dTMP合成。,2、氨基酸和叶酸类似物,3、某些改变了核糖结构的核苷类似物抑制CDPdCDP。,氮杂丝氨酸,阿糖胞苷,氨甲碟呤,氮杂丝氨酸,小结：嘧啶核苷酸合成的抗代谢物调节机制,5-FU,小结：,三、脱氧核糖核苷酸的合成,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,ATP 、Mg2+,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,2、胸腺嘧啶核苷酸的合成,胸腺嘧啶核苷酸的合成,胸腺嘧啶核苷酸合成酶,NADPH+H+Ser,NADP+Gly,二氢叶酸还原酶,Ser羟甲基转移酶,O,N,HN,O,dR-P,CH3,O,N,HN,O,dR-P,嘌呤核苷酸合成小结,IMP,嘧啶核苷酸合成小结,UMP,dUTP,CDP,核苷酸的合成及相互关系,核苷酸的合成