《生物化学(第2版)》教学课件12核酸的降解和核苷酸代谢

第十二章

核酸的降解及核苷酸代谢核苷酸在代谢中的作用核苷酸不仅用于DNA和RNA的合成，还在代谢中的许多环节起重要作用：ATP通用能量货币。UDP-葡萄糖和CDP-胆胺、CDP-胆碱和CDP-甘油二酯分别是合成糖原和磷酸甘油酯的前体。腺苷酸-多种辅酶的组成成分。核苷酸代谢调节剂:CAMP(第二信使)；ATP对多种酶的共价修饰改变其活性。一些核苷酸类似物是重要的药物。（延伸阅读）本章主要讲述核酸酶、核苷酸的分解与合成第一节核酸水解酶与核酸的降解

一、核酸酶及其分类二、核酸的降解

核苷酸核酸酶核酸一、核酸酶及其分类1.核酸酶:也叫核酸水解酶磷酸单酯酶：磷酸二酯酶：N-糖苷酶：通常情况下，专一水解核酸链中3′,5′-磷酸二酯键的磷酸二酯酶被称为核酸酶。磷酸单酯键、磷酸二酯键、糖苷键2.核酸酶的分类（2）根据断裂磷酸二酯键

的位置不同靠近二酯键5′端水解（1）根据对底物的专一性分为核糖核酸酶(RNase)脱氧核糖核酸酶(DNase)非特异性核酸酶（3）根据切割位点分为核酸内切酶核酸外切酶靠近二酯键3′端水解3.几种核酸酶水解核酸的位点5´

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pOHB

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p3´BBBBBBB牛脾磷酸二酯酶（5´端外切5得3）蛇毒磷酸二酯酶（3´端外切3得5）磷酸单酯酶桔青霉磷酸二酯酶（3´端外切3得5）（1）核酸外切酶（作用于DNA单链或RNA）：（2）核酸内切酶对RNA的水解位点举例示意图5´

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pOHNPy（嘧啶）NU1´

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pNA3´RNAaseIRNAaseT1RNAaseT2RNAaseI注意：课本上的箭头标记有误。脱氧核糖核酸酶5´

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pNA3´脱氧核糖核酸酶Ⅰ:来源于牛胰腺。是将单链（Mn2+存在下）或双链（Mg2+存在下）DNA同等程度地随机水解，生成具有5′-P末端寡核苷酸的脱氧核糖核酸内切酶。脱氧核糖核酸酶II:来自脾脏细胞。同时切开DNA的两条链，切口处留下3ˊ-P和5ˊ-OH末端。牛胰DNaseⅠ牛脾DNaseII限制性内切酶1.概念：原核生物中存在着一类能识别外源DNA双螺旋中4-8个碱基对所组成的特异的具有二重旋转对称性的回文序列，并在此序列的某位点水解DNA双螺旋链，产生粘性末端或平末端，这类酶称为限制性内切酶（ristrictionendonuclease）。回文序列：DNA一条链上的核苷酸顺序旋转1800后，与其互补链上对应的一段核苷酸顺序相重复。例如：已知一段序列:5′——ACC3′3′5′

写出其回文序列：ACCCCA5′5′3′3′GGTTGG2、常用的DNA限制性内切酶的专一性酶辨认的序列和切口‥‥AGCT‥‥‥‥TCGA‥‥‥‥GGATCC‥‥‥‥CCTAGG‥‥‥‥AGATCT‥‥‥‥TCTAGA‥‥‥‥GAATTC‥‥‥‥CTTAAG‥‥‥‥AAGCTT‥‥‥‥TTCGAA‥‥‥‥GTCGAC‥‥‥‥CAGCTG‥‥‥‥CCCGGG‥‥‥‥GGGCCC‥‥BamHIAluIBglIEcoRIHindⅢSalISmaI粘性末端：DNA限制性内切酶将DNA两条链交错切开，形成5′或3′单链突出的末端。

平末端：剪切发生在对称回文序列的中心位置，没有形成单链突出的DNA片段。即将DNA两条链对应的酯键切开形成平末端。

二、核酸的降解1.食物中核酸的降解（消化）2.细胞内核酸降解（类似消化过程）核苷酸不同于氨基酸，其不属于营养必需物质？-P358第二节核苷酸的分解代谢二、嘧啶的降解一、嘌呤的降解核苷酸核苷+磷酸碱基+1-P-戊糖碱基+戊糖核苷水解酶核苷酸酶核苷磷酸化酶一、嘌呤的分解代谢H脱去嘌呤环上的氨基反应可以在碱基、核苷或核苷酸的水平上进行。小结1．不同生物分解嘌呤碱基的能力不一样，因而代谢产物亦各不相同。2.嘌呤碱基的分解首先是在各种酶的作用下水解脱去嘌呤环上的氨基。脱氨反应可以在碱基、核苷或核苷酸的水平上进行。3.次黄嘌呤和黄嘌呤在黄嘌呤氧化酶的作用下氧化生成尿酸4.人体内嘌呤碱基的分解代谢主要在肝脏、小肠及肾脏中进行，最终产物为尿酸。二、嘌呤核苷酸分解代谢异常与疾病1.痛风症（高尿酸血症）

由于嘌呤代谢紊乱或者尿酸排泄减少导致高尿酸血症，而尿酸钠结晶沉积到关节或者关节周围所引起的急性或慢性病变称为痛风。原发性尿酸增高：（先天性某种酶的缺失）继发性尿酸增高：(疾病造成的尿酸排出减少)原发性尿酸增多与嘌呤代谢中某种酶的

遗传性缺陷有关①PRPP合成酶活性增加，引起PRPP合成过多，嘌呤核苷酸从头合成加强，也导致嘌呤分解产物-尿酸产生过多。遗传特征为X染色体隐性携带。②HGPRT（次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶）部分缺少，停止了嘌呤的补救合成，嘌呤不能再利用造成积累，同时，引起PRPP堆积……导致尿酸产生过多。遗传特征为X染色体隐性携带。女性为携带者，男性发病。（自毁容貌症-P370页）嘌呤(G)+PRPPGMP+PPi次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶别嘌呤醇：别嘌呤醇与次黄嘌呤结构相似，可以竞争性抑制黄嘌呤氧化酶，缓解痛风症。次黄嘌呤别嘌呤醇2.嘌呤核苷酸代谢异常与免疫疾病(了解)（1）腺苷脱氨酶(ADA)基因缺陷：是一种常染色体隐性遗传病，由于单个基因突变造成该酶活性下降或消失，常导致dATP蓄积。dATP是核糖核苷酸还原酶的别构抑制剂，能减少dGDP、dCDP和dTTP合成，从而使DNA合成受阻。由于正常情况下淋巴细胞中腺苷酸脱氨酶活性较高，而当ADA基因缺陷时，可造成严重损害，导致细胞免疫和体液免疫反应均下降，即严重联合免疫缺陷症（SCID）。（2）嘌呤核苷磷酸化酶(PNP)基因缺陷是一种罕见的常染色体隐性遗传病。(了解)

纯合子PNP基因缺陷的患儿表现为T细胞免疫缺陷，原因是PNP不能发挥正常作用，最终造成dGTP堆积。dGTP是核糖核苷酸还原酶的别构抑制剂，导致dCDP及dCTP下降，最终DNA合成不足，影响胸腺细胞增殖，造成T细胞免疫缺陷。二、嘧啶的分解※与嘌呤碱基的分解产物尿酸不同，嘧啶碱基的降解终产物均为开环的化合物，并易溶于水，生成的产物可直接随尿排出或进一步降解。所以，嘧啶代谢异常的疾病较少。脱氨酶二氢尿嘧啶脱氢酶水解酶水解酶水解酶脱氢酶例题：在人体内能分解为β-丙氨酸的核苷酸是（）（1）TMP（2）AMP

（3）UMP

（4）GMP第三节核苷酸的合成代谢一、核糖核苷酸的生物合成二、脱氧核糖核苷酸的生物合成三、各种核苷酸的相互转变核糖核苷酸合成的两条途径：(一)从头合成途径（主要途径）（二）补救途径

是利用磷酸核糖、某些氨基酸、C02和NH3等简单物质为原料，经一系列酶促反反应合成核苷酸。此途径并不经过碱基、核苷的中间阶段，称从头合成途径(denovosynthesis)。是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，称补救途径(Salvagepathway)。一、嘌呤核苷酸的从头合成途径和补救合成3.IMP转变为AMP和GMP1.合成嘌呤碱基的前体物质2.IMP的从头合成（一）嘌呤核苷酸的从头合成4.嘌呤核苷酸从头合成的调节嘌呤环上各原子的来源N3N9N7N1C2C6C4C5C8来自谷氨酰胺的酰胺氮N10-CHO-FH4N10-CHO-FH4来自天冬氨酸来自甘氨酸来自CO2IMP的生物合成过程1.先合成PRPP：在5′-磷酸核糖基础上进行磷酸核糖焦磷酸激酶2.在PRPP的基础上，由谷酰胺提供-NH2，合成5′-磷酸核糖胺，并由α-变为β-型。谷酰胺-PRPP-酰胺基转移酶3.在-NH2上叠加原子，先合成右边的咪唑环，再合成左边的大环，最终形成中间产物IMP4.由IMP形成AMP和GMPN3N9N7N1C2C6C4C5C8甘氨酸N10-CHO-FH4谷酰胺闭环CO2羧化天冬氨酸脱水环化形成咪唑环（右）C6N1

C2

N10-CHO-FH4IMPC4、C5、N7

N9

C8N3IMP转变为GMP和AMP加氧脱氢O嘌呤核苷酸的生物合成（从头合成）小结：嘌呤核苷酸的合成结果首先形成IMP，然后由IMP分别合成AMP和GMPIMP合成从5-P-核糖开始的，在ATP参与下先形成PRPP嘌呤的各个原子是在PRPP的C1上逐渐加上去的。由天冬氨酸、谷酰胺、甘氨酸、甲酸盐、CO2

提供N和C四氢叶酸（FH4）是一碳单位的载体由IMP合成AMP是由天冬氨酸提供氨基，GTP供能；由IMP合成GMP是由谷酰胺提供氨基，ATP供能。嘌呤核苷酸从头合成的调节（1）PRPP合成酶（2）谷氨酰胺-PRPP酰胺基转移酶限速酶（3）AMP与GMP的相互作用调控位点（二）嘌呤核苷酸合成补救途径腺嘌呤磷酸核糖转移酶嘌呤(A)+PRPPAMP+PPi

AMPATPADP1-P-核糖+腺嘌呤腺嘌呤核苷核苷磷酸化酶腺苷酸激酶H1.利用嘌呤碱与PRPP合成鸟嘌呤磷酸核糖转移酶嘌呤(G)+PRPPGMP+PPi2.利用嘌呤核苷合成缺失：自毁容貌症二、嘧啶核苷酸从头合成途径和补救途径3.UMP转变为CTP1.合成嘧啶碱基的前体物质2.UMP的从头合成（一）嘧啶核苷酸的从头合成4.嘧啶核苷酸从头合成的调节嘧啶环上各原子的来源来自天冬氨酸来自CO2谷酰胺NNCCCC654321尿嘧啶核苷酸（UMP）合成途径1.氨甲酰磷酸的合成

2.乳清酸的合成3.乳清酸+PRPP乳清酸核苷酸

UMP反应过程：谷酰胺+CO2+2ATP氨甲酰磷酸

2ADP+Pi谷氨酸CPS-II天冬氨酸转氨甲酰酶二氢乳清酸酶二氢乳清酸脱氢酶乳清苷酸焦磷酸化酶乳清苷酸脱羧酶UMP胞苷酸的生物合成：Mg2+CTP合成酶CTP+ADP+Pi(细菌体内)UTP+NH3+ATP在动物体内,由谷氨酰胺代替氨参加反应提供氨基CTP合成酶UTP+谷氨酰胺

+ATP+H2OCTP+谷氨酸

+ADP+Pi尿嘧啶核苷酸激酶核苷二磷酸激酶UDPUTPATPADPUMPATPADP嘧啶核苷酸的生物合成（从头合成）小结：嘧啶核苷酸的合成结果首先形成UMP，然后由UMP合成UTP，然后合成CTP，再合成CMP。UMP的合成与嘌呤核苷酸的合成不同，先利用小分子化合物形成嘧啶环，再与核糖磷酸（PRPP）结合形成UMP，其关键的中间产物是乳清酸；其他嘧啶核苷酸由尿苷酸转变而来。谷酰胺、CO2、天冬氨酸参与了嘧啶环的合成。嘧啶核苷酸从头合成的调节（1）天冬氨酸氨基甲酰转移酶（细菌CTP反馈抑制）（2）氨基甲酰磷酸合成酶Ⅱ（哺乳动物UMP反馈抑制）（3）PRPP合成酶，受AMP与GMP的协调反馈抑制调控位点细菌哺乳动物（二）嘧啶核苷酸合成补救途径

U（C）MPATPADP嘧啶+1-P-核糖尿（胞）苷+Pi核苷磷酸化酶核苷激酶1.利用嘧啶碱基和PRPP合成嘧啶+PRPP嘧啶磷酸核糖转移酶U（C）MP+PPi2.利用嘧啶核苷合成三、脱氧核苷酸的合成2.脱氧胸腺嘧啶核苷酸的合成1.脱氧核苷酸的合成脱氧核苷酸的合成硫氧还蛋白核糖核酸还原酶系硫氧还蛋白还原酶核糖核苷酸还原酶NADPH+H+FAD硫氧还蛋白（氧化型）SS硫氧还蛋白（还原型）SHSHNADP+硫氧还蛋白还原酶ATP、Mg2+核糖核苷酸还原酶OP-P-CH2NOHOH核糖核苷二磷酸（NDP）OP-P-CH2NOHH