核酸的酶促降解及核苷酸代谢

1、第第1313章章 核酸的酶促降解核酸的酶促降解和核苷酸代谢和核苷酸代谢基本内容：基本内容：（1）核酸的酶促降解（2）核苷酸的分解代谢（3）核苷酸的合成代谢基本要求：基本要求： （1）掌握常见核酸酶、核苷酸的合成代谢（2）理解核苷酸的合成的补救途径（3）了解核苷酸的分解代谢教学重点及难点：教学重点及难点：（1）限制性内切酶（2）核苷酸的合成代谢核苷核苷核酸的酶促降解核酸的酶促降解核苷酸水解核苷酸水解嘌呤分解嘌呤分解嘧啶分解嘧啶分解核酸核酸核苷酸核苷酸戊糖戊糖 碱基碱基磷酸磷酸一、核酸的酶促降解一、核酸的酶促降解 生物体内存在多种降解核酸的酶类，统称为核酸生物体内存在多种降解核酸的酶类，统称为核酸

2、酶酶(nuclease) ,(nuclease) ,在核酸降解和周转中起着重要作在核酸降解和周转中起着重要作用。水解连接核苷酸的用。水解连接核苷酸的磷酸二酯键磷酸二酯键。 根据对底物作用位点的选择性不同分：根据对底物作用位点的选择性不同分： 核酸外切酶核酸外切酶(exonuclease)(exonuclease) 核酸内切酶核酸内切酶(endonuclease)(endonuclease) 根据底物的选择性不同分：根据底物的选择性不同分： 脱氧核糖核酸酶脱氧核糖核酸酶(dexyribonuclease(dexyribonuclease，DNase)DNase) 核糖核酸酶核糖核酸酶(ribon

3、uclease(ribonuclease，RNase)RNase) 限制性内切酶限制性内切酶(restriction endonuclease(restriction endonuclease）1.1.核酸外切酶核酸外切酶 核酸外切酶作用于核酸链一端，逐个水解下核苷核酸外切酶作用于核酸链一端，逐个水解下核苷酸。酸。 蛇毒磷酸二酯酶蛇毒磷酸二酯酶游离游离3 -羟基端开始；羟基端开始； 牛脾磷酸二酯酶牛脾磷酸二酯酶游离游离 5 -羟基端开始羟基端开始2.2.核酸内切酶核酸内切酶 核酸内切酶水解核酸分子内部磷酸二酯键。核酸内切酶水解核酸分子内部磷酸二酯键。 牛胰核酸酶（牛胰牛胰核酸酶（牛胰RNase

4、, RNase），），124aa组组成。作用于嘧啶核苷酸磷酸二酯键，生成成。作用于嘧啶核苷酸磷酸二酯键，生成3 -嘧啶嘧啶核苷酸或末端为核苷酸或末端为3 -嘧啶核苷酸的寡核苷酸。嘧啶核苷酸的寡核苷酸。 牛胰牛胰核酸酶专一作用于核酸酶专一作用于RNA，对，对DNA及其它磷酸二酯及其它磷酸二酯化合物不作用或作用活性很低。化合物不作用或作用活性很低。 RNaseTl，由，由105个个aa组成。专一水解鸟苷酸二组成。专一水解鸟苷酸二酯键，产生酯键，产生 3 -GMP或以或以3 -GMP为末端的寡核苷为末端的寡核苷酸。酸。3.3.内切兼外切核酸酶内切兼外切核酸酶 核酸酶核酸酶P1P1，核酸酶，核酸酶BA

5、LBAL既可内切，有可外切核酸。既可内切，有可外切核酸。 核酸酶核酸酶P1P1还可作用于单核苷酸还可作用于单核苷酸3 3- -磷酸单酯键。磷酸单酯键。4.4.核糖核酸酶核糖核酸酶 只能水解只能水解RNARNA磷酸二酯键的酶称核糖核酸酶。磷酸二酯键的酶称核糖核酸酶。 牛胰核糖核酸酶（牛胰核糖核酸酶（RNaseRNase） 核糖核酸酶核糖核酸酶T1T1（RNaseT1RNaseT1）4.4.脱氧核糖核酸酶脱氧核糖核酸酶 只能水解只能水解DNADNA磷酸二酯键的酶称核糖核酸酶。磷酸二酯键的酶称核糖核酸酶。 牛胰脱氧核糖核酸酶（牛胰脱氧核糖核酸酶（DNaseDNase），外切产生），外切产生5-5-磷

6、酸为末端的寡聚核苷酸。磷酸为末端的寡聚核苷酸。 牛脾脱氧核糖核酸酶（牛脾脱氧核糖核酸酶（DNaseDNase），内切产生），内切产生3-磷酸为末端的寡聚核苷酸。磷酸为末端的寡聚核苷酸。5.5.限制性内切酶限制性内切酶19791979年，年，W. Arber, H. SmithW. Arber, H. Smith和和D. NathansD. Nathans等发等发现某些细菌细胞内存在一类能现某些细菌细胞内存在一类能识别一定序列识别一定序列并并水水解外源解外源dsDNAdsDNA的内切核酸酶。的内切核酸酶。限制性内切酶是具有高度专一性限制性内切酶是具有高度专一性DNADNA内切酶，是内切酶，是DN

7、ADNA分子操作中必不可少的工具酶。分子操作中必不可少的工具酶。能识别双链能识别双链DNADNA分子上特定的位点，将两条链切断，分子上特定的位点，将两条链切断，形成粘性末端或平齐末端的核酸内切酶，称为限形成粘性末端或平齐末端的核酸内切酶，称为限制性内切酶制性内切酶(restriction endonuclease)(restriction endonuclease)或或 限制酶限制酶(restriction enzyme)(restriction enzyme)。 DNADNA 序列中，以某一中心区域为对称轴，其两侧的碱序列中，以某一中心区域为对称轴，其两侧的碱基对顺序正读和反读都相同。即对称

8、轴一侧的片段旋基对顺序正读和反读都相同。即对称轴一侧的片段旋转转 180180后，与另一侧片段对称重复。后，与另一侧片段对称重复。 粘性末端：指限制性内切酶的切割部位不在识别序粘性末端：指限制性内切酶的切割部位不在识别序列的中心轴，在断段产生一个短的单股突伸出来的列的中心轴，在断段产生一个短的单股突伸出来的不齐末端。不齐末端。平齐末端：在识别序列对称处同时切开平齐末端：在识别序列对称处同时切开 DNA DNA 分子两分子两条链，产生的平齐末端结构。条链，产生的平齐末端结构。常用限制性内切酶如：常用限制性内切酶如：EcoRIEcoRI、HindHind、PstIPstI等。等。 修饰酶使该部位上

9、碱基甲基化，从而使限修饰酶使该部位上碱基甲基化，从而使限制性内切酶对这种修饰过的制性内切酶对这种修饰过的DNADNA不再起作用。不再起作用。 在细胞中，限制性内切酶可降解外源侵入在细胞中，限制性内切酶可降解外源侵入的的DNADNA，但不降解经修饰酶，但不降解经修饰酶甲基化甲基化保护的自保护的自身身DNADNA。限制性内切酶命名限制性内切酶命名 ( (以以EcoR IEcoR I为例为例) )第第1 1个大写个大写E E：大肠杆菌属名：大肠杆菌属名( (EscherichiaEscherichia) )第第1 1个字母；个字母；第第2,32,3小写小写coco：种名：种名(coli)(coli)

10、的头两个字母；的头两个字母；第第4 4个大写个大写R R： 所用大肠杆菌的菌株；所用大肠杆菌的菌株；第第5 5个罗马字：从该细菌中分离出来这一类酶的编号。个罗马字：从该细菌中分离出来这一类酶的编号。二、核苷酸的分解代谢二、核苷酸的分解代谢1.1.核苷酸的水解核苷酸的水解 核苷酸经核苷酸酶核苷酸经核苷酸酶(nucleotidase)(nucleotidase)或称磷酸单酯或称磷酸单酯酶（酶（phosphomonoesterasephosphomonoesterase）催化，水解为核苷）催化，水解为核苷及无机磷酸。及无机磷酸。 非特异性的核苷酸酶，能作用于一切核苷酸。非特异性的核苷酸酶，能作用于一

11、切核苷酸。 特异性强的核苷酸酶只能水解特异性强的核苷酸酶只能水解3 3 - -核苷酸或核苷酸或5 5 - -核核苷酸，分别称为苷酸，分别称为3 3 - -核苷酸酶或核苷酸酶或5 5 - -核苷酸酶。核苷酸酶。2.2.核苷的水解核苷的水解2.1 2.1 核苷酶核苷酶2.2 2.2 核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶 存在于植物、微生物中存在于植物、微生物中, ,只作用于核糖核苷只作用于核糖核苷, ,反应不反应不可逆。可逆。 广泛存在于生命机体中，催化反应可逆。广泛存在于生命机体中，催化反应可逆。3.3.嘌呤的降解嘌呤的降解次黄嘌呤次黄嘌呤人类嘌呤碱的最终人类嘌呤碱的最终代谢产物代谢产物AMPAMPGMPG

12、MPH H（次黄嘌呤）（次黄嘌呤）G GX X（黄嘌呤）（黄嘌呤）黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶黄嘌呤黄嘌呤氧化酶氧化酶 在植物中，嘌呤分解主要是在衰老的叶在植物中，嘌呤分解主要是在衰老的叶子及储藏性的胚乳组织中。子及储藏性的胚乳组织中。 衰老的叶子中，嘌呤分解为尿囊酸后，衰老的叶子中，嘌呤分解为尿囊酸后，运出储藏。运出储藏。4.4.嘧啶的降解嘧啶的降解三、核苷酸的合成代谢三、核苷酸的合成代谢 利用核酸降解或进食等从外界补充的含利用核酸降解或进食等从外界补充的含氮碱基或核苷合成新的核苷酸。氮碱基或核苷合成新的核苷酸。从头合成从头合成(de novo synthesis)(de novo synthe

13、sis)利用磷酸戊糖、氨基酸、一碳单位等简利用磷酸戊糖、氨基酸、一碳单位等简单的化合物合成核苷酸。单的化合物合成核苷酸。 救补途径救补途径(salvage pathway)(salvage pathway)合成途径合成途径1.1.核糖核苷酸的生物合成核糖核苷酸的生物合成1.1 1.1 嘌呤核苷酸从头合成嘌呤核苷酸从头合成从头合成途径的全过程从头合成途径的全过程IMPIMP的合成的合成AMPAMP和和GMPGMP的生成的生成R-5-P（5-磷酸核糖）磷酸核糖）ATPAMPPRPP合成酶合成酶PP-1-R-5-P（磷酸核糖焦磷酸）（磷酸核糖焦磷酸）在谷氨酰胺、甘氨酸、在谷氨酰胺、甘氨酸、一碳单位、

14、二氧化碳及一碳单位、二氧化碳及天冬氨酸的逐步参与下天冬氨酸的逐步参与下IMP AMP GMPH2N-1-R-5 -P（5 -磷酸核糖胺）磷酸核糖胺）谷氨酰胺谷氨酰胺谷氨酸谷氨酸磷酸核糖酰磷酸核糖酰胺转移酶胺转移酶次黄嘌呤核苷酸的合成次黄嘌呤核苷酸的合成1磷酸核糖焦磷酸激酶磷酸核糖焦磷酸激酶次黄嘌呤核苷酸的合成次黄嘌呤核苷酸的合成5 5磷酸核糖焦磷酸磷酸核糖焦磷酸5 5磷酸核糖胺磷酸核糖胺磷酸核糖酰胺基转移酶磷酸核糖酰胺基转移酶次黄嘌呤核苷酸的合成次黄嘌呤核苷酸的合成5 5磷酸核糖胺磷酸核糖胺甘氨酰胺核苷酸（甘氨酰胺核苷酸（GARGAR）GARGAR合成酶合成酶次黄嘌呤核苷酸的合成次黄嘌呤核苷酸

15、的合成甘氨酰胺核苷酸（甘氨酰胺核苷酸（GARGAR）甲酰甘氨酰胺核苷酸甲酰甘氨酰胺核苷酸GARGAR转甲酰基酶转甲酰基酶次黄嘌呤核苷酸的合成次黄嘌呤核苷酸的合成甲酰甘氨酰胺核苷酸甲酰甘氨酰胺核苷酸甲酰甘氨咪唑核苷酸（甲酰甘氨咪唑核苷酸（FGAMFGAM）FGAMFGAM合成酶合成酶次黄嘌呤核苷酸的合成次黄嘌呤核苷酸的合成甲酰甘氨咪唑核苷酸甲酰甘氨咪唑核苷酸5 5氨基咪唑核苷酸氨基咪唑核苷酸6AIRAIR合酶合酶次黄嘌呤核苷酸的合成次黄嘌呤核苷酸的合成5 5氨基咪唑氨基咪唑4 4羧酸核苷酸羧酸核苷酸5 5氨基咪唑核苷酸氨基咪唑核苷酸AIRAIR羧化酶羧化酶次黄嘌呤核苷酸的合成次黄嘌呤核苷酸的合成

16、5 5氨基咪唑氨基咪唑4 4羧酸核苷酸羧酸核苷酸5 5氨基咪唑氨基咪唑4 4N N琥珀酰甲酰胺核苷酸琥珀酰甲酰胺核苷酸SAICARSAICAR合成酶合成酶5 5氨基咪唑氨基咪唑4 4氨甲酰核苷酸氨甲酰核苷酸次黄嘌呤核苷酸的合成次黄嘌呤核苷酸的合成腺苷酸琥珀酸裂解酶腺苷酸琥珀酸裂解酶5 5氨基咪唑氨基咪唑4 4N N琥珀酰甲酰胺核苷酸琥珀酰甲酰胺核苷酸次黄嘌呤核苷酸的合成次黄嘌呤核苷酸的合成5 5氨基咪唑氨基咪唑4 4氨甲酰核苷酸氨甲酰核苷酸5 5甲酰氨基咪唑甲酰氨基咪唑4 4氨甲酰核苷酸氨甲酰核苷酸AICARAICAR转甲酰基酶转甲酰基酶次黄嘌呤核苷酸的合成次黄嘌呤核苷酸的合成5 5甲酰氨基咪

17、唑甲酰氨基咪唑4 4氨甲酰核苷酸氨甲酰核苷酸次黄嘌呤核苷酸次黄嘌呤核苷酸IMPIMP环化水解酶环化水解酶腺苷酸代琥珀酸合成酶腺苷酸代琥珀酸合成酶 IMPIMP脱氢酶脱氢酶腺苷酸代琥珀酸裂解酶腺苷酸代琥珀酸裂解酶 GMPGMP合成酶合成酶AMPAMP和和GMPGMP的生成的生成1.2 1.2 嘧啶核苷酸从头合成嘧啶核苷酸从头合成氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸天冬氨酸天冬氨酸从头合成途径的全过程从头合成途径的全过程氨甲酰磷酸的生成氨甲酰磷酸的生成乳清酸的合成乳清酸的合成UMPUMP合成合成合成氨甲酰合成氨甲酰AspAsp乳清酸的合成乳清酸的合成氨甲酰氨甲酰AspAsp二氢乳清酸二氢乳清酸乳清酸乳清酸乳清酸合

18、成乳清酸合成UMPUMPCTPCTP合成酶合成酶CTPCTP合成合成UMPUDPUTPATPADPATPADP尿苷酸激酶尿苷酸激酶尿苷二磷酸激酶尿苷二磷酸激酶TMPTMP合成合成胸腺嘧啶脱氧核苷酸，由胸腺嘧啶脱氧核苷酸，由dUMPdUMP在在dTMPdTMP合成酶催化下合成酶催化下甲基化生成甲基化生成, , 叶酸衍生物作为一碳单位供体和还原叶酸衍生物作为一碳单位供体和还原剂。剂。1.3 1.3 核苷酸合成的补救途径核苷酸合成的补救途径 哺乳动物和微生物中，存在许多催化嘌呤和嘧啶哺乳动物和微生物中，存在许多催化嘌呤和嘧啶合成单核苷酸的酶，使核酸降解产物或外源补充合成单核苷酸的酶，使核酸降解产物或外源补充的碱基得到直接利用。的碱基得到直接利用。 体内有些组织器官，例如，体内有些组织器官，例如，脑、骨髓脑、骨髓等由于缺乏等由于缺乏有关的酶，不能从头合成嘌呤核苷酸，它们只能有关的酶，不能从头合成嘌呤核苷酸，它们只能利用从肝运送来的游离嘌呤碱及腺嘌呤核苷补救利用从肝运送来的游离嘌呤碱及腺嘌呤核苷补救合成嘌呤核苷酸。合成嘌呤核苷酸。 痛风（痛风（GoutGout），嘌呤碱分解代谢产生过多的尿酸，），嘌呤碱分解代谢