生物化学：第28章 核酸的降解和核苷酸代谢

28章核酸的降解和核苷酸代谢学习重点：核酸/核苷酸/核苷/碱基的分解：终产物名称核苷酸/核苷/碱基的从头合成过程（原料、主要过程、嘌呤间或嘧啶间转换关系）Tip:对照核酸/核苷酸/核苷/碱基的结构认识其分解或合成核酸的种类和分布核酸核糖核酸（RNA）脱氧核糖核酸（DNA）转移RNA信使RNA核糖体RNA特殊功能RNA小分子细胞核RNA染色质RNA反义RNA双链RNA细胞质小RNA有催化活性的RNA各种病毒RNA功能：参与遗传信息的表达。功能：遗传信息的载体，负责遗传信息的贮存和发布。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。人和动物所需的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。核酸的分子组成核酸（nucleicacid)核苷酸(nucleotide)磷酸(phosphoricacid)核苷(nucleoside)

戊糖(pentose)碱基(base)

核酸（DNA和RNA）是一种线性多聚核苷酸，它的基本结构单元是核苷酸。核苷酸本身由核苷和磷酸组成,而核苷则由戊糖和碱基形成。DNA的一级结构ATP(腺嘌呤核糖核苷三磷酸)结构①合成核酸②是生物合成的活性中间物：糖原合成，UDP-Glc。磷脂合成，CDP-乙醇胺，CDP-二脂酰甘油。③生物能量的载体ATP、GTP④腺苷酸是三种重要辅酶的组分：

NAD、FAD、CoA⑤信号分子cAMP、cGMPAndmore…

核苷酸的主要功能核酸的分解核酸、核苷酸的分解代谢：核酸核酸酶核苷酸核苷酸酶核苷+磷酸核苷磷酸化酶碱基+戊糖-1-磷酸核苷酸合成（本章）核酸的合成（见DNA复制和RNA转录）核酸合成（一）核酸的酶促降解一、核酸和核苷酸的分解代谢核酸是核苷酸以3’，5’-磷酸二酯键连成的高聚物，核酸分解代谢的第一步就是分解为核苷酸，作用于磷酸二酯键的磷酸二酯酶称核酸酶。

根据对底物的专一性可分为：

核糖核酸酶

脱氧核糖核酸酶

非特异性核酸酶

根据酶的作用方式分：

内切酶

外切酶1.核糖核酸酶只水解RNA磷酸二酯键的酶（RNase），不同的RNase专一性不同。牛胰核糖核酸酶（RNaseI），作用位点是嘧啶核苷-3’-磷酸与其它核苷酸间的连接键。核糖核酸酶T1（RNaseT1），作用位点是3’-鸟苷酸与其它核苷酸的5’-OH间的键。牛胰脱氧核糖核酸酶（DNaseI）可切割双链和单链DNA。产物是以5’-磷酸为末端的寡核苷酸。

限制性核酸内切酶：细菌体内能识别并水解外源双源DNA的核酸内切酶，产生3ˊ-OH和5ˊ-P。2.脱氧核糖核酸酶:只能水解DNA磷酸二酯键的酶。3.非特异性核酸酶：既可水解RNA，又可水解DNA磷酸二酯键的核酸酶。内切酶：小球菌核酸酶，可作用于RNA或变性的DNA，产生3’-核苷酸或寡核苷酸。外切酶：蛇毒磷酸二酯酶和牛脾磷酸二脂酶，蛇毒磷酸二酯酶能从RNA或DNA链的游离的3’-OH逐个水解，生成5’-核苷酸。牛脾磷酸二脂酶从游离的5’-OH开始逐个水解，生成3’核苷酸。图磷酸二酯酶只能水解3’核苷酸或5’核苷酸（3’核苷酸酶、5’核苷酸酶）1.核苷酸酶（磷酸单脂酶）水解核苷酸，产生核苷和磷酸。非特异性磷酸单酯酶：不论磷酸基在戊糖的2’、3’、5’，都能水解下来。特异性磷酸单酯酶：核苷酸在核苷酸酶作用下，水解为核苷和磷酸。核苷在核苷磷酸化酶的作用下，分解为碱基和戊糖-1-磷酸；核苷在核苷水解酶的作用下，水解为碱基和戊糖。（二）核苷酸的降解核苷+磷酸核苷磷酸化酶

碱基+戊糖-1-磷酸2.核苷酶①

核苷磷酸化酶：主要存在于植物、微生物中，只水解核糖核苷，不可逆。广泛存在，反应可逆。②核苷水解酶：

核苷

+H2O核苷水解酶

碱基

+戊糖

首先在各种脱氨酶的作用下水解脱氨(脱氨反应可发生在嘌呤碱、核苷及核苷酸水平上)。终产物：尿素或氨/CO2（三）嘌呤碱的分解

O次灵长类鸟类昆虫哺乳动物硬骨鱼类多数鱼类两栖类甲壳类和咸水瓣鳃类

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）。不同种类的生物分解嘌呤碱的能力不同，因此，终产物也不同（了解）。尿酸的分解灵长类、鸟类、爬虫类、昆虫哺乳动物、腹足类硬骨鱼大多数鱼类、两栖类和甲壳类和咸水瓣鳃类（四）嘧啶碱的分解

嘧啶碱的分解终产物：胞嘧啶/尿嘧啶：丙氨酸，NH3，CO2胸腺嘧啶：氨基异丁酸，NH3，CO2两种途径二、核苷酸的合成（一）嘌呤核苷酸的合成1.从头合成由5’-磷酸核糖-1’-焦磷酸（5’-PRPP）开始，先合成次黄嘌呤核苷酸，然后由次黄嘌呤核苷酸（IMP）转化为腺嘌呤核苷酸和鸟嘌呤核苷酸。

嘌呤环合成的前体：

CO2、甲酸盐、Gln、Asp、Gly

起始物：5’-PRPPOverviewofNucleotidebiosynthesis:denovopathway嘌呤环的元素来源12甲酸盐97天冬氨酸甘氨酸谷氨酰胺（酰胺基）A.Gln提供-NH2：N9B.Gly：C4、C5、N7C.10-甲酰FH4：C8D.Gln提供-NH2：N3闭环E.CO2：C6F.Asp提供-NH2：N1G.10-甲酰FH4：C2

按反应步骤：Animation:TheMetabolicPathwayforthedenovoBiosynthesisofIMP1）次黄嘌呤核苷酸的合成（IMP）

磷酸核糖焦磷酸激酶

5-磷酸核糖+ATP

5`-磷酸核糖焦磷酸

+AMP5-磷酸核糖焦磷酸5-磷酸核糖胺（1）磷酸核糖焦磷酸转酰胺酶（转氨）

5-磷酸核糖焦磷酸+Gln→5-磷酸核糖胺+Glu+ppi

甘氨酰胺核苷酸5-磷酸核糖胺（2）甘氨酰胺核苷酸合成酶5-磷酸核糖胺+Gly+ATP→

甘氨酰胺核苷酸+ADP+Pi甘氨酰胺核苷酸甲酰甘氨酰胺核苷酸N10-甲酰四氢叶酸（3）甘氨酰胺核苷酸转甲酰基酶甘氨酰胺核苷酸+

N10-甲酰FH4+H2O→

甲酰甘氨酰胺核苷酸+FH4甲酰基可由甲酸或氨基酸供给。甲酰甘氨酰胺核苷酸甲酰甘氨脒核苷酸（4）甲酰甘氨脒核苷酸合成酶甲酰甘氨酰胺核苷酸+Gln+ATP+H2O→

甲酰甘氨脒核苷酸+Glu+ADP+pi此反应受重氮丝氨酸和6-重氮-5-氧-正亮氨酸不可逆抑制。甲酰甘氨脒核苷酸5-氨基咪唑核苷酸（5）甲酰甘氨脒核苷酸环化酶甲酰甘氨脒核苷酸

→5-氨基咪唑核苷酸N5-羧基-5-氨基咪唑酸核苷酸第二阶段反应（6）

氨基咪唑核苷酸羧化酶5-氨基咪唑核苷酸+CO2→5-氨基咪唑-4羧酸核苷酸5-氨基咪唑-4-羧酸核苷酸N5-羧基-5-氨基咪唑酸核苷酸（7）氨基咪唑琥珀基氨甲酰核苷酸合成酶5-氨基咪唑-4-羧酸核苷酸+Asp+ATP→5-氨基咪唑4-（N-琥珀基）氨甲酰核苷酸5-氨基咪唑-4-（N-琥珀基）氨甲酰核苷酸5-氨基咪唑4-羧酸核苷酸

5-氨基咪唑4-氨甲酰核苷酸5-氨基咪唑-4-（N-琥珀基）氨甲酰核苷酸（8）腺苷酸琥珀酸裂解酶5-氨基咪唑-4-（N-琥珀基）氨甲酰核苷酸→5-氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸+延胡索酸

5-甲酰氨基咪唑4-氨甲酰核苷酸5-氨基咪唑4-氨甲酰核苷酸（9）氨基咪唑氨甲酰核苷酸转甲酰基酶5-氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸+N10-甲酰FH4→5-甲酰胺基咪唑-4-氨甲酰核苷酸+FH4次黄嘌呤核苷酸

5-甲酰氨基咪唑4-氨甲酰核苷酸（10）次黄嘌呤核苷酸环水解酶

5-甲酰胺基咪唑-4-氨甲酰核苷酸→次黄嘌呤核苷酸+H2O次黄嘌呤核苷酸的合成次黄嘌呤核苷酸的合成总反应式：5-磷酸核糖+CO2+2甲酰THFA+2Gln+Gly+Asp+6ATP→IMP+2THFA+2Glu+延胡索酸+5ADP+1AMP+4Pi+PPi

2）AMP、GMP的合成第一阶段反应的第一步5-磷酸核糖焦磷酸转酰胺酶是关键酶，可被终产物AMP、GMP反馈抑制。

AMP/GMP过量可反馈抑制自身的合成。3.AMP、GMP生物合成的调节4）药物对嘌呤核苷酸合成的影响（了解）筛选抗肿瘤药物，肿瘤细胞核酸合成速度快，药物能抑制。①羽田杀菌素与Asp竞争腺苷酸琥珀酸合成酶，阻止次黄嘌呤核苷酸转化成AMP。②重氮乙酰丝氨酸、6-重氮-5-氧正亮氨酸，是Gln的结构类似物，抑制Gln参与的反应。③氨基蝶呤、氨甲蝶呤（与二氢叶酸还原酶不可逆结合，阻止四氢叶酸的生成。）Asp的结构类似物羽田杀菌素，可强烈抑制腺苷酸琥珀酸合成酶的活性，阻止AMP生成。羽田杀菌素：N-羟基-N-甲酰-Gly（了解）图氨基蝶呤、氨甲蝶呤叶酸的结构类似物，能与二氢叶酸还原酶不可逆结合，阻止FH4的生成，从而抑制FH4的合成，阻止各种一碳单位转移反应。2.补救途径（注意与从头合成的区别）利用已有的碱基和核苷合成核苷酸。1）磷酸核糖转移酶途径（重要途径）

嘌呤碱和5-PRPP在特异的磷酸核糖转移酶的作用下生成嘌呤核苷酸。

腺嘌呤

+5-PRPP腺嘌呤磷酸核糖转移酶AMP+PPi次黄嘌呤+5-PRPP（或鸟嘌呤）次黄嘌呤：鸟嘌呤磷酸核糖转移酶

IMP+PPi（orGMP）嘌呤核苷+磷酸核苷磷酸化酶嘌呤碱

+戊糖-1-磷酸腺嘌呤在核苷磷酸化酶作用下转化为腺嘌呤核苷，后者在核苷磷酸激酶的作用下与ATP反应，生成腺嘌呤核苷酸。嘌呤核苷酸的从头合成与补救途径之间存在平衡。碱基+核糖-1-磷酸核苷磷酸化酶核苷

+Pi核苷+ATP核苷酸+ADP核苷磷酸激酶2）核苷激酶途径（在生物体内只发现有腺苷激酶）1.从头合成：与嘌呤核苷酸合成不同，在合成嘧啶核苷酸时，先合成嘧啶环，再与磷酸核糖结合，生成尿嘧啶核苷酸，然后由尿嘧啶核苷酸转化为胞嘧啶核苷酸和胸腺嘧啶脱氧核苷酸。

合成前体：氨甲酰磷酸、Asp（二）

嘧啶核苷酸的合成嘧啶环的来源Animation:ThedenovoSynthesisofUMP图嘧啶环的来源Animation:ThedenovoSynthesisofUMP1）氨甲酰磷酸的合成2）尿嘧啶核苷酸的合成天冬氨酸转氨甲酰酶二氢乳清酸酶二氢乳清酸脱氢酶／FAD、FMN乳清苷酸焦磷酸化酶／Mg2+乳清苷酸脱羧酶UMP+ATP尿嘧啶核苷酸激酶／Mg2+UDP+ADPUDP+ATP核苷二磷酸激酶／Mg2+UTP+ADPCTP合成酶UTP+Gln+ATP+H2（NH4+）CTP+Glu+ADP+Pi3）胞嘧啶核苷酸的合成由尿嘧啶脱氧核苷酸（dUMP）经甲基化生成。Ser提供甲基，NADPH提供还原当量。胸腺嘧啶核苷酸合成酶dUMP+N5,N10-亚甲基THFAdTMP+二氢叶酸二氢叶酸还原酶7,8-二氢叶酸+NADPH+H+5,6,7,8-THFA+NDAP+Ser羟甲基转移酶Ser+THFAGly+N5,N10-亚甲基THFA+H2O4）胸腺嘧啶核苷酸的合成胸腺嘧啶核苷酸的合成核苷酸还原酶核苷二磷酸激酶脱氨(基)酶5）

嘧啶核苷酸生物合成的调节（大肠杆菌）

大肠杆菌嘧啶核苷酸生物合成的调节。氨甲酰磷酸合成酶：受UMP反馈抑制天冬氨酸转氨甲酰酶：受CTP反馈抑制

CTP合成酶：受CTP反馈抑制6）药物对嘧啶核苷酸合成的影响：有多种嘧啶类似物可抑制嘧啶核苷酸的合成。

5-氟尿嘧啶抑制胸腺嘧啶脱氧核苷酸的合成。5-氟尿嘧啶在人体内转变成相应的核苷酸，再转变成脱氧核苷酸，可抑制脱氧胸腺嘧啶核酸合成酶，干扰尿嘧啶脱氧核苷酸经甲基化生成脱氧胸苷的过程，DNA合成受阻。嘧啶碱与1-磷酸核糖生成嘧啶核苷，然后由尿苷激酶催化尿苷和胞苷生成UMP和CMP。2.补救途径1）嘧啶核苷激酶途径（重要途径）核苷磷酸化酶嘧啶碱

+1-磷酸核糖嘧啶核苷

+Pi尿苷+ATP

（胞苷）

尿苷激酶／Mg2+

UMP+ADP

（CMP）

尿嘧啶磷酸核糖转移酶尿嘧啶

+5-PRPPUMP+PPi

2）磷酸核糖转移酶途径（胞嘧啶不行）脱氧核糖核苷酸是由相应的核糖核苷酸衍生的；还原反应一般在核苷二磷酸（NDP）水平上进行。个别微生物（赖氏乳菌杆菌）在核苷三磷酸水平上还原（NTP）；ADP、GDP、CDP、UDP均可分别被还原成相应的脱氧核糖核苷酸：dADP、dGDP、dCDP、dUDP等；dTDP经dUDP甲基化而成；ATP、dATP、dTTP、dGTP是还原酶的变构效应物。(Animation)1.核糖核苷酸的还原（三）脱氧核苷酸的合成ADP→还原→dADPGDP→还原→dGDPCDP→还原→dCDPUDP→还原→dUDP→甲基化→dTDP还原反应一般在核苷二磷酸（NDP）水平上进行，ATP、dATP、dTTP、dGTP是还原酶的变构效应物，个别微生物（赖氏乳菌杆菌）在核苷三磷酸水平上还原（NTP）。1）核糖核苷酸的还原脱氧核苷酸的合成2）

核苷酸还原酶系主要由硫氧还蛋白、硫氧还蛋白还原酶和核苷酸还原酶（B1、B2）三部分组成。

①硫氧还蛋白-SH

②硫氧还蛋白还原酶、辅酶FAD③谷胱甘肽氧还蛋白（酶）④谷胱甘肽还原酶-SH

⑤核苷酸还原酶（RR）-SHB1、B2亚基结合后，才具有催化活性。B1上的巯基和B2上的酪氨酸残基是活性中心的催化基因。核苷酸还原酶所需的还原力还可来自谷胱甘肽。

核苷酸还原酶结构模型及催化机理（了解）

结构模型

B1亚基上有两个调节部位，一个影响整个酶的活性（一级调节部位），另一个调节对底物的专一性（底物结合部位）一级调节部位：ATP是生物合成的信号分子，而dATP是核苷酸被还原的信号。底物调节部位：①与ATP结合，可促进嘧啶类的UDP、CDP还原成dUDP、dCDP；②与dTTP或dGTP结合，可促使GDP（ADP）还原成dGDP（dADP）

核苷酸还原酶系调节酶活性促进嘧啶核苷酸还原促进嘌呤核苷酸还原3）核苷酸还原酶的作用机制4）脱氧核苷酸生物合成的调控4）脱氧核苷酸生物合成的调控脱氧核苷酸也能利用已有的碱基或核苷进行合成（补救途径），但只有脱氧核苷激酶途径，不存在类似的磷酸核糖转移酶途径。核苷磷酸化酶碱基+脱氧核糖-1-磷酸脱氧核苷+磷酸脱氧核苷激酶脱氧核苷

+ATP脱氧核苷酸

+ADP2.脱氧核苷酸的补救途径（脱氧核苷激酶途径）核苷酸合成总结

（一）烟酰胺核苷酸的合成（NAD、NADP）NAD、NADP是脱氢辅酶，在生物氧化还原系统中传递氢。合成途径：（1）烟酸单核苷酸焦磷酸化酶（2）脱酰胺-NAD焦磷酸化酶