核酸分解与核苷酸代谢

第七章核酸分解与核苷酸代谢 P387 核酸降解代谢 CO2 H2O NH3 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 胰核酸酶肠粘膜释放的磷酸二酯酶降解的产物在小肠内被转化和吸收 核酸降解一般不为生物提供能量 第一节核酸降解 P387 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 RNase 和脱氧核糖核酸酶 DNase 水解核酸分子内部磷酸二酯键的酶又称为核酸内切酶 endonuclease 从核酸的一端逐个水解下核苷酸的酶称为核酸外切酶 exonuclease 核酸酶 Nuclease P OH 5 3 P P P P P P P 蛇毒磷酸二酯酶 牛脾磷酸二酯酶 常见的核酸酶专一性 常见的核酸酶专一性 核酸内切酶 AP核酸内切酶的作用 AP核酸内切酶能识别去除了碱基的核苷酸 AP核苷酸 无嘌呤酸 无嘧啶酸 磷酸二酯键 并切除糖基 使核酸链断开 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 或结构专一性的核酸内切酶 它们不是与DNA降解代谢有关的酶 是基因重组用酶 是胞内DNA的 卫士 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 限制性核酸内切酶 以限制性内切酶及连结酶进行核酸剪接 EcoRI DNALigase EcoRIstickyend EcoRIstickyend JuangRH 2004 BCbasics 2 1核苷酸的分解肠粘膜细胞中有核苷酸酶 水解核苷酸 Nt 为核苷 Ns 和Pi 脾 肝等组织中核苷酶进一步水解核苷为戊糖和碱基 第二节核苷酸 核苷与碱基的分解代谢 2 1 1核苷酸降解为核苷核苷酸 Nt H2O核苷 Ns Pi 磷酸酯酶 或核苷酸酶 生物体普遍存在的磷酸单酯酶或核苷酸酶可催化2 3 和5 核苷酸的水解 而特异性强的磷酸单酯酶只能水解3 核苷酸或5 核苷酸 对不同的碱基也有选择性 2 1核苷酸的分解 核苷酸 H2O碱基 戊糖 Pi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 2 1 2核苷酸中糖苷键的断裂 2 1核苷酸的分解 2 1 3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 如 5 AMP 5 IMP 次黄嘌呤 NH3 嘌呤核苷酸循环中 2 1核苷酸的分解 IMP 次黄嘌呤 核苷的代谢去路 核苷 N 转糖苷作用 主要脱氧核苷 脱氨反应 2 2核苷的分解代谢 2 2 2核苷的磷酸解作用 核苷 Pi嘌呤or嘧啶 戊糖 1 P核苷磷酸水解酶存在广泛 反应可逆 糖的构型由 型转变为 型 2 2 1核苷的水解作用 核苷 H2O嘌呤or嘧啶 戊糖核苷水解酶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 核苷水解酶 核苷磷酸水解酶 2 2核苷的分解代谢 2 2 3核苷的相互转换核苷 N 转糖苷作用主要发生在脱氧核苷中脱氨反应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2 2 4核苷的排泄主要为修饰核苷酸 不被分解 也不被利用 嘌呤互换嘧啶互换 2 2核苷的分解代谢 脱氨作用主要发生在核苷酸和核苷水平 2 3核苷酸三级水平的降解 P388 核苷酸 核苷 碱基 NH3 NH3 NH3 不同生物嘌呤碱的分解能力不同 代谢产物也不同 人和猿类及一些排尿酸的动物 鸟类 某些爬行类和昆虫 嘌呤的代谢产物为尿酸 O2 H2O H2O2 尿酸 鸟嘌呤脱氨主要在碱基水平下进行 2 4 1嘌呤碱的分解 2 4碱基的分解代谢 嘌呤核苷酸的分解 次黄嘌呤 黄嘌呤 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 每个亚基含一个FAD 一个钼原子 Mo IV Mo VI 和一个Fe4S4中心 反应要求分子氧作为电子受体 还原产物是H2O2 进入尿酸的氧来自水 黄嘌呤氧化酶 XanthineOxidase 不同生物中嘌呤核苷酸的分解产物不同 尿囊素 尿囊酸 灵长类 鸟类等 多数哺乳动物 多骨 刺 鱼 两栖动物等 无脊椎动物 嘌呤碱分解代谢产生过多的尿酸 由于其溶解性很差 易形成尿酸钠结晶 沉积于关节部位 引起疼痛或灼痛 痛风 如果发生HGPRT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 痛风 Gout 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氨基 脱氨基也可以在核苷或核苷酸水平上进行 2 4碱基的分解代谢 2 4 2嘧啶碱基的分解 U CMP CR UR UMP C dTMP dTR T 氧化分解 还原分解 只在微生物中发现 2 4碱基的分解代谢 2 4 2嘧啶碱基的分解 NH3 2 4碱基的分解代谢 2 4 2 1嘧啶碱基分解的还原途径 2 4碱基的分解代谢 2 4 2 2嘧啶碱基分解的氧化途径 CO2 H2O NH3 核酸分解代谢小结 碱基的降解过程主要有两步 1 脱氨2 氧化开环 补救合成新的核苷酸 3 1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 由非核苷和碱基的前体小分子化合物从头合成 DenovoSynthesis 由现成的嘌呤 嘧啶 戊糖及Pi在酶的作用下直接合成核苷酸 补救合成途径 SalvagePathway 第三节核苷酸的生物合成 3 1核苷酸合成的基本途径 嘌呤环元素的来源 3 2嘌呤核苷酸的从头生物合成 甲酸 一碳单位 天冬氨酸 甘氨酸 谷氨酰胺 3 2嘌呤核苷酸的从头生物合成 嘌呤核苷酸的全程合成总图 次黄嘌呤的合成是在核苷酸水平进行的 即产物是核苷酸 而不是核苷或碱基 磷酸核糖基焦磷酸 PRPP 磷酸核糖基焦磷酸 PRPP 嘌呤核苷酸的全程合成 反应1 构象由a 构型转变为b 构型 PRPP转酰胺酶 5 磷酸核糖胺 PRA 嘌呤核苷酸的全程合成 反应2 甘氨酰胺核苷酸合成酶 甘氨酰胺核苷酸 GAR 嘌呤核苷酸的全程合成 反应3 甘氨酰胺核苷酸转氨甲酰酶 甲酰甘氨酰胺核苷酸 FGAR 嘌呤核苷酸的全程合成 反应4 甲酰甘氨脒核苷酸合成酶 甲酰甘氨眯核苷酸 FGAM 嘌呤核苷酸的全程合成 反应5 氨基咪唑核苷酸合成酶 5 氨基咪唑核苷酸 氨基咪唑核苷酸羧化酶 嘌呤核苷酸的全程合成 反应6 嘌呤核苷酸的全程合成 反应7 5 氨基咪唑 4 羧酸核苷酸 嘌呤核苷酸的全程合成 反应8 氨基咪唑琥珀基氨甲酰核苷酸合成酶 5 氨基咪唑 4 N 琥珀基 甲酰胺核苷酸 腺苷酸琥珀酸裂解酶 嘌呤核苷酸的全程合成 反应9 5 氨基咪唑 4 氨甲酰胺核苷酸 延胡索酸 氨基咪唑氨甲酰核苷酸转甲酰基酶 嘌呤核苷酸的全程合成 反应10 5 甲酰胺基咪唑 4 氨甲酰胺核苷酸 嘌呤核苷酸的合成一直是在核苷酸的水平上进行的 不是分解的逆过程 反应需要5 或6 ATP 次黄嘌呤核苷酸合酶 嘌呤核苷酸的全程合成 反应11 次黄嘌呤核苷酸 嘌呤核苷酸的全程合成总图 合成次黄嘌呤核苷酸 由IMP合成AMP和GMP 黄嘌呤氧化酶 次黄嘌呤核苷酸脱氢酶 鸟嘌呤核苷酸合成酶 腺苷酸琥珀酸合成酶 嘌呤核苷酸合成的调节 ATP GTP 嘌呤核苷酸的合成受到产物反馈抑制 嘌呤核苷酸从头合成的速率受到三种主要反馈机制的调节 主要受控于两种主要终产物的浓度 P396 5 磷酸核糖胺 大肠杆菌嘌呤核苷酸合成的调节机制 其它生物中这些代谢途径可能有所不同 P396 合成的反馈控制机制 PRPP转酰胺酶 PRPP合成酶 腺苷酸琥珀酸合成酶 次黄嘌呤核苷酸脱氢酶 PRPP转酰胺酶作用下形成5 磷酸核糖胺 嘧啶环元素的来源 Fromaspartate 3 3嘧啶核苷酸的生物合成 氨甲酰磷酸 天门冬氨酸 来源于氨甲酰磷酸 来源于天冬氨酸 3 3嘧啶核苷酸的生物合成 嘧啶环合成在碱基水平上 而不是在核苷酸水平 这不同于嘌呤的合成 氨甲酰磷酸的合成 氨甲酰磷酸 氨甲酰磷酸 氨甲酰磷酸的合成 氨基甲酸 碳酸 谷氨酰胺水解位点 碳酸磷酸化位点 氨基甲酸磷酸化位点 氨甲酰磷酸的合成 氨基甲酸 碳酸 氨甲酰磷酸 氨甲酰磷酸合成氨甲酰Asp 氨甲酰天冬氨酸 ATCase 天冬氨酸转氨甲酰酶 氨甲酰磷酸 乳清酸的合成 二氢乳清酸脱氢酶的辅酶在不同的生物中是不同的 有的是NAD 有的是FMN FAD 或同时含有黄素辅酶和NAD 二氢乳清酸 乳清酸 二氢乳清酸酶 二氢乳清酸脱氢酶 乳清酸合成UMP 乳清酸 乳清苷酸 尿嘧啶核苷酸 UMP的合成小结 Asp PRPP 由UMP合成UTP UMP CTP 由UTP合成CTP 在E coli中也可以以NH3为氮源 CTP合成酶 嘧啶核苷酸合成的调节 ATP 嘧啶核苷酸的生物合成也是受到产物的反馈抑制 在细菌中嘧啶核苷酸合成速率的调节主要是通过天冬氨酸转氨甲酰酶 ATCase P398 合成的反馈控制机制 天冬氨酸转氨甲酰酶 CTP和ATP对天门冬氨酸羧转氨甲酰酶的变构调节 3 4核苷酸合成的补救途径 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 APRT 或核苷激酶 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 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成 3 4 1嘌呤核苷酸的补救合成 途径1 碱基 核苷酸 主要途径 HGPRT 腺嘌呤转磷酸戊糖酶 次黄嘌呤鸟嘌呤转磷酸核糖酶 3 4 1嘌呤核苷酸的补救合成 途径1 碱基 核苷酸 主要途径 嘌呤 自毁容貌综合症机理 HGPRT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HGPRT 行为对立 侵略性强 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 嘌呤核苷酸的补救合成 Adenine R a 1 P Adenosine PiAdenosine ATP AMP ADP 途径2 碱基 核苷 核苷酸 核苷磷酸化酶 核苷激酶 糖构型转为 型 3 4 2嘧啶核苷酸的补救合成 Uracil R 1 P Uridine PiUridine ATP UMP ADPUracil PRPP UMP PPiCytosine不能与PRPP作用 尿嘧啶磷酸化酶 尿苷激酶 UMP磷酸核糖基转移酶 途径2 碱基 核苷 核苷酸 PRPP AMP IMP GMP OMP UMP XMP SAMP Adenine Hypoxanthine Gln Glu PRA5 磷酸核糖胺 Guanine Xanthine Orotidelate Uracil PRPP与核苷酸的合成 腺苷琥珀酸 CytosineXCMP 3 5脱氧核糖核苷酸的合成 以核糖核苷酸为原料 通过核糖核苷酸还原酶 Nt reductase 将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酸核苷酸 NDP 水平 再还原为脱氧核苷二磷酸水平 少数生物在三磷酸核苷酸的水平上还原为脱氧核苷酸 脱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 thioredoxin 和谷氧还蛋白 glutaredoxin 3 5脱氧核糖核苷酸的合成 核糖核苷酸还原酶 3 5 1核苷二磷酸水平的还原 形成的产物dNDP在激酶的作用下形成相应的dNTP p399 核糖核苷酸还原酶 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 H2O 硫氧还蛋白 谷氧还蛋白 3 5 2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 根瘤菌梭 梭状芽孢杆菌 眼虫等生物里存在 还原途径需要辅酶B12 氢的传递方式与NDP还原是相似的 辅酶B12 3 5 3dTMP的生物合成 N5 N10 methyleneTHFA THFA 此步不是SAM提供一碳单位 3 5 3dTMP的生物合成 3 5 4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 脱氧核苷酸以dTMP合成为例 Thymine deoxyribose 1 P dTdT ATP dTMP ADP Thymidylatephosphorylase dTkinase 3 5 5脱氧核苷酸合成的调节 核糖核苷酸还原酶 抑制剂是产物dATP等 激活剂是底物NDP等及ATP 3 5 5脱氧核苷酸合成的调节 1 2 4 4 3 P399图33 10 Regulationofribonucleotidereductasebydeoxynucleosidetriphosphates 3 6核苷酸的生物合成 P401 PRPP PRPP Gln FH4 第四节辅酶核苷酸的合成 常见的辅酶核苷酸