第13章核酸降解与核苷酸代谢

,第十三章核酸分解与核苷酸代谢,掌握核酸的酶促降解,了解核苷酸的生物合成,熟悉核苷酸的分解,【目的与要求】,食物中的核酸，经肠道酶系降解成各种核苷酸，再在相关酶作用下，分解产生嘌呤/嘧啶、核糖/脱氧核糖和磷酸，然后被吸收。吸收到体内的嘌呤和嘧啶，大部分被分解，少部分可再利用，合成核苷酸。人和动物所需核酸无须直接依赖于食物，只要食物中有足够的磷酸盐，、糖和蛋白质，核酸就能在体内正常合成。,核酸,核酸酶,单核苷酸,磷酸单脂酶（核苷酸酶）,核苷,嘧啶/嘌呤,核糖/脱氧核糖,核苷酶,核苷磷酸化酶,嘧啶/嘌呤,核糖-1-磷酸,脱氧核糖-1-磷酸,核糖-5-磷酸,磷酸戊糖途径,醛缩酶,乙醛,甘油醛-3-磷酸,一、核酸外切酶,核酸酶：作用于核酸的磷酸二酯酶称为核酸酶,按其作用位置分为:,脱氧核糖核酸外切酶：只作用于DNA核糖核酸外切酶:只作用于RNA,作用于核酸链的末端（3端或5端），逐个水解下核苷酸。,第一节核酸的酶促降解,某些核酸外切酶对RNA、DNA均有作用：,牛脾磷酸二酯酶产生3-核苷酸,蛇毒磷酸二酯酶产生5-核苷酸,限制性内切酶细菌细胞内存在的一类能识别并水解外源双链DNA的核酸内切酶，可用于特异切割DNA，常作为工具酶。,二、核酸内切酶:,从核酸分子内部切断3,5-磷酸二酯键。,限制性内切酶Restrictionendonuclease,限制酶-识别回文序列-只降解异源DNA,核苷+H2O嘌呤（或嘧啶）+戊糖,核苷酸+H2O核苷+Pi,一、核苷酸的分解,核苷+H3PO4嘌呤（或嘧啶）+1-磷酸戊糖,核苷酸酶,核苷水解酶,核苷磷酸解酶,（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，对脱氧核糖核苷不起作用。）,（核苷磷酸化酶存在广泛）,第二节核苷酸的分解降解,核苷酸,合成,DNA/RNA,活性中间物,如UDPG,能量载体,如ATP等,辅酶/基,如FAD、NAD、CoA等,调节物质,如cAMP等,降解,嘌呤核苷酸的结构,GMP,AMP,二、嘌呤核苷酸的降解,嘌呤碱的最终代谢产物,AMP,GMP,H(I)（次黄嘌呤）,G,X（黄嘌呤）,黄嘌呤氧化酶,黄嘌呤氧化酶,嘌呤类在核苷酸、核苷和碱基三个水平上的降解,某些生物体内，嘌呤的脱氨基和氧化作用可在核苷酸、核苷和碱基三个水平上进行。,尿酸在不同生物体内的继续分解,嘌呤代谢的最终产物,痛风症,别嘌呤醇,-尿酸沉积,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,三、嘧啶核苷酸的分解,排泄，进入TCA,因此，核酸不是必要营养成分,第三节核苷酸的生物合成,从头合成途径-利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及CO2等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成核苷酸的途径。补救合成途径-利用体内游离的碱基或核苷，经过简单的反应过程，合成核苷酸的途径。,核苷酸的从头合成概况,5-磷酸核糖,PRPP,Asp,CO2+Gln,氨基甲酰磷酸,乳清酸,UMP,dTMP,UTP,CTP,GTP,ATP,AMP,GMP,IMP,Gln,Gly,Gln,一碳单位,一碳单位,CO2,Asp,一、嘌呤核苷酸的合成,（一）从头合成,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,环上原子来源,合成过程,1.IMP（inosinemonophosphate）的合成,2.AMP和GMP的生成,R-5-P（5-磷酸核糖）,PP-1-R-5-P（磷酸核糖焦磷酸）,在谷氨酰胺、甘氨酸、一碳单位、二氧化碳及天冬氨酸的逐步参与下,IMP,H2N-1-R-5-P（5-磷酸核糖胺）,四氢叶酸（FH4）是一碳单位的载体PRPP是5-磷酸核糖的活性供体,嘌呤核苷酸合成特点,先形成IMP，然后在单磷酸的水平上转变成AMP、GMP。,IMP合成从5-P-核糖开始的，在ATP参与下先形成PRPP,各个原子在PRPP的C1上逐渐加上去的。先形成右环，再形成左环。,1.IMP的合成,5-磷酸核糖焦磷酸,5-磷酸核糖胺,甘氨酸,甘氨酰胺核苷酸,甲酰甘氨酰胺核苷酸,甲酰甘氨咪核苷酸,5-氨基咪唑核苷酸,5-氨基咪唑-4-羧核苷酸,IMP生物合成,5-氨基咪唑-4-琥珀基-甲酰胺核苷酸,5-氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸,5-甲酰氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸,次黄嘌呤核苷酸（IMP）,甲酰THFA,IMP生成总反应过程,2.AMP和GMP的生成,AMP，则抑制本途径，激活另一途径-交叉调节,AMP,ADP,ATP,GMP,GDP,GTP,ADP,ATP,激酶,ADP,ATP,激酶,IMP的合成需5个ATP，6个高能磷酸键。AMP或GMP的合成又需1个ATP。,嘌呤核苷酸从头合成的能量代谢,3.从头合成的调节-反馈调节和交叉调节,既满足需要，又不致于浪费。维持ATP与GTP浓度的平衡。,（二）嘌呤核苷酸的补救合成,腺嘌呤磷酸核糖转移酶（APRT）次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶（HGPRT）腺苷激酶（TK）,参与补救合成的酶,补救合成过程,补救合成的生理意义,补救合成节省从头合成时的能量和一些氨基酸的消耗。体内某些组织器官，如脑、骨髓等只能进行补救合成。,（三）嘌呤核苷酸的相互转变,（四）嘌呤核苷酸的抗代谢物,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。主要以竞争性抑制干扰或阻断嘌呤核苷酸的合成代谢，从而进一步阻止核酸以及蛋白质的生物合成。,次黄嘌呤(H),6-巯基嘌呤(6-MP),嘌呤类似物：主要有6-巯基嘌呤(6-Mercaptopurine，6-MP),6-MP,6-MP核苷酸,从头合成途径,补救合成途径,HGPRT,PRPP酰胺转移酶,IMP,AMP和GMP,6-MP核苷酸是IMP的类似物,氨基酸类似物：,氮杂丝氨酸(AS)是Gln的类似物-抑制氨基化,叶酸类似物：,氨蝶呤(AP)和甲氨蝶呤(MTX)-抑制一碳单位转移,（一）嘧啶核苷酸的从头合成,主要是肝细胞胞液,合成部位,二、嘧啶核苷酸的合成代谢,嘧啶合成的元素来源,氨基甲酰磷酸,先由氨甲酰磷酸与天冬氨酸形成嘧啶环，再与核糖磷酸（PRPP）结合形成UMP其关键中间产物是乳清酸。胞苷酸则由尿苷酸在三磷酸的水平上转变而来。,嘧啶核苷酸合成特点,1.从头合成途径,（1）尿嘧啶核苷酸的合成,鸟氨酸循环,线粒体,胞液,目录,氨甲酰磷酸合成酶和的区别,（2）CTP的合成,是在三磷酸水平上进行的。,动物体,细菌,（3）dTMP或TMP的生成,在一磷酸水平进行,2.从头合成的调节,大肠杆菌,（二）嘧啶核苷酸的补救合成,嘧啶+PRPP,嘧啶核苷酸+PPi,嘧啶磷酸核糖转移酶,尿嘧啶核苷+ATP,尿苷激酶,UMP+ADP,胸腺嘧啶核苷+ATP,胸苷激酶,TMP+ADP,细胞快速增值过程中，这些激酶活性很高，如骨髓细胞,（三）嘧啶核苷酸的抗代谢物,嘧啶类似物,胸腺嘧啶,5-氟尿嘧啶,5-氟尿嘧啶(5-FU)是胸腺嘧啶的类似物。,5-FU,5-FdUMP,5-FUTP,dUMP,dTMP,合成RNA,破坏RNA的结构,竞争性抑制TMP合酶,无正常的功能,氨基酸类似物抑制氨基化，抑制丝氨酸为FH4提供一碳单位,如氮杂丝氨酸抑制CTP的合成。,叶酸类似物-抑制一碳单位转移,如甲氨喋呤抑制dTMP的合成。,某些改变了核糖结构的核苷类似物抗癌作用,氮杂丝氨酸,阿糖胞苷,氨甲碟呤,氮杂丝氨酸,嘌啶核苷酸与嘧啶核苷酸合成的比较,相同点,1.原料基本相同,嘌啶核苷酸,嘧啶核苷酸,2.高等动物合成部位主要在肝脏,3.都有2种合成途径(从头和补救途径),4.都是先合成一个与之有关的核苷酸,然后在此基础上进一步合成核苷酸,不同点,1.在5-P-R基础上合成嘌呤环,2.最先合成的核苷酸是IMP,3.在IMP基础上完成AMP和GMP的合成,1.合成嘧啶环再与5-P-R结合,2.先合成UM,3.以UMP为基础,完成CTP,TMP的合成,三、脱氧核糖核苷酸的生成,体内脱氧核糖核苷酸是通过相应的核糖核苷酸还原生成的。这种还原反应是由核糖核苷酸还原酶催化，在二磷酸核苷（NDP）水平上进行的。,二磷酸脱氧核苷,NDP,dNDP,二磷酸核糖核苷,NADP+,NADPH+H+,核糖核苷酸还原酶，Mg2+,还原型硫氧化还原蛋白-(SH)2,氧化型硫氧化还原蛋白,硫氧化还原蛋白还原酶（FAD）,脱氧核苷酸的生成,脱氧核糖核苷酸的生成过程,活性部位,底物结合部位,调节部位,大肠杆菌核苷酸还原酶结构,核糖核苷酸还原酶的调节,四、核苷酸转化成核苷三磷酸,核苷酸激酶：专一性（ATP提供磷酸）；核苷二磷酸激酶：专一性低（NTP提供磷酸）。,嘌呤核苷酸合成小结,IMP,嘧啶核苷酸合成小结,UMP,核苷酸的合成及相互关系,总结,5-P-R,PRPP,IMP,dAMP,GMP,dGMP,AMP,dADP,GDP,dGDP,ADP,dATP,GTP,dGTP,ATP,UMP,CMP,dUMP,UDP,CDP,dUDP,UTP,CTP,dUTP,dTMP,dCMP,dTDP,dCDP,dTTP,dCTP,CO2+Gln,H2N-CO-P,OMP,核苷酸的从头合成过程总结,dUDP,dCMP,dUMP,五、辅酶核苷酸的生物合成,1、烟酰胺核苷酸的生物合成,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP）在生物氧化中起氢传递体的作用。由烟酸合成烟酰胺腺嘌呤二核苷酸需要三步反应。,NAD+ATP,NADP+ADP,NAD激酶,2、黄素核苷酸的生物合成,黄素单核苷酸（FMN）和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）在生物氧化中起氢和电子传递体的作用。,核黄素+ATP,FMN+ADP