第十章 核酸的酶促降解和核苷酸代谢

1、第十章 核酸的酶促降解和核苷酸代谢,第一节 核酸的酶促降解,核酸酶,依据底物不同分类,依据切割位点不同分类,核酸 内切酶,核酸 外切酶,RNA酶(RNase):专一降解RNA的酶,DNA酶(DNase):专一降解DNA的酶,一、核酸酶 水解核酸链中磷酸二酯键的酶, 核酸酶既可作用于RNA，也可作用于DNA 。 （一）核酸外切酶 作用于核苷酸链的一端，逐个水解下核苷酸。 是非特异性的磷酸二酯键,3-核酸外切酶：从3-OH 端开始，生成5- 单 核苷酸，如蛇毒磷酸二酯酶。,5-核酸外切酶：从5-OH 端开始，生成3-单核苷酸，如牛脾磷酸二酯酶。,外切核酸酶对核酸的水解位点,5,OH,B,3,B,B

2、,B,B,B,B,B,牛脾磷酸二酯酶 （ 5端外切产生3-核苷酸）,蛇毒磷酸二酯酶 （ 3端外切产生5-核苷酸）,特异地水解多核苷酸链内部各键,（二）核酸内切酶,特异性磷酸二酯酶,内切核酸酶对RNA的水解位点示意图,RNAase I,RNAase I,RNAase T1,RNAase T1,Pu ：嘌呤 Py：嘧啶,牛胰核酸酶（牛胰 RNase） 作用于嘧啶核苷酸的磷酸二酯键，其专一作用于 RNA，对 DNA 不作用。,核酸酶促水解作用部位,脱氧核糖核酸酶专一水解 DNA ，作用方式作为内切酶，切断双链，或切断单链，作为外切酶有 5 3切割或是 3 5切割。,二、脱氧核糖核酸酶,如牛胰脱氧核糖

3、核酸酶 ( DNase），可切割双链和单链 DNA ，产物为 5-磷酸为末端的寡核苷酸。,三、限制性内切酶,限制性内切酶主要是从细菌中分离得到，能识别特定的核苷酸顺序，细菌自身的DNA序列已被甲基化（甲基化酶），不会被水解。因此这些酶仅限于水解外源 DNA 以保护自身，故称为“限制性”酶。,限制酶具有很强的专一性。对DNA有特异的识别位点（或称识别序列）。这些位点的长度一般在 4-8 碱基对范围内。通常具有回文结构，切割后形成粘性末端或平齐末端。,限制性内切酶,识别未甲基化修饰的双链DNA上的特殊靶序列（多数是回文序列），切开双链DNA。形成粘性末端或平齐末端。 当一种限制性内切酶在一个特异性

4、的碱基序列处切断DNA时，就可在切口处留下几个未配对的核苷酸片断，即5突出。这些片断可以通过重叠的5末端形成的氢键相连，或者通过分子内反应环化。因此称这些片断具有粘性，叫做粘性末端。,粘性末端（sticky ends，cohensive ends）,环状或线状的双链 DNA 分子经限制酶作用后都形成线状双链 DNA ，每条单链的一端带有识别顺序中的几个互补碱基，这样的末端称为粘性末端，分两种类型：,（1）5端凸出（如EcoR I切点）,GAATTC,CTTAA G,G AATTC,CTTAAG,5-,-3,3-,-5,5-,-3,3-,-5,CTGCAG,（2）3端凸出（如Pst I切点）,G

5、ACGTC,5-,-3,3-,-5,5-,-3,3-,-5,CTGCA G,G ACGTC,酶,识别序列和切口,说明, A G C T T C G A , G G A T C C C C T A G G , A G A T C T T C T A G A , G A A T T C C T T A A G , A A G C T T T T C G A A , G T C G A C C A G C T G , C C C G G G G G G C C C ,Bam H I,Alu I,Bgl I,Eco R I,Hind ,Sal I,Sma I,四核苷酸，平端切口,六核苷酸，平端切口,六

6、核苷酸，粘端切口,六核苷酸，粘端切口,六核苷酸，粘端切口,六核苷酸，粘端切口,六核苷酸，粘端切口,常用的DNA限制性内切酶的专一性,限制性内切酶的命名,Eco R I,序号,属名,种名,株名,例：EcoR I，这是从大肠杆菌（Ecoli）R菌珠中分离出的一种限制性内切酶,核苷 + H2O 嘌呤（或嘧啶）+戊糖,核苷酸 + H2O 核苷+Pi,一、核苷酸的降解,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体内，并且只能对核糖核苷起作用，对脱氧核糖核苷不起作用。）,（核苷磷酸化酶存在广泛）,第二节 核苷酸分解代谢,二、嘌呤

7、的降解,生物进化程度愈高，则分解嘌呤的能力愈差。高等生物具有完善的排泄系统，可以直接将代谢废物排出体外。,嘌呤的分解,嘌呤类在核苷酸、核苷和碱基三个水平上的降解,什么是痛风症？,痛风症：由于体内嘌呤核苷酸分解代谢异常，可致血中尿酸水平升高，以尿酸钠晶体沉积于软骨、关节、软组织及肾脏，临床上表现为皮下结节，关节疼痛等。,三、嘧啶的降解,核苷酸是核酸合成的原料，常见的合成途径有两条：,第三节 核苷酸的生物合成,从头合成：,救补途径：,利用氨基酸、磷酸戊糖等简单的化 合物合成核苷酸。,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。,核苷酸合成的两条途径,核糖、氨基酸、CO2等,核糖

8、核苷酸,脱氧核苷酸,辅酶,RNA,核苷,碱基,脱氧核苷,DNA,补救途径 从头合成,一、嘌呤核苷酸的合成,（一）嘌呤环组成成分来源,（二）合成过程,IMP 合成过程从 5-磷酸核糖，合成要点如下： 嘌呤核苷酸的合成直接形成 IMP。 5-磷酸核糖-l-焦磷酸（PRPP）是核苷酸中核糖磷酸部分的供体。 嘌呤的各个原子是在 PRPP 的 C-1 位置上逐渐加上去的。,最先合成的是次黄嘌呤核苷酸（IMP），再由 IMP 生成 AMP 和 GMP。,甘氨酸和甲川四氢叶酸先后提供 C 和 N 形成甲酰甘氨酰胺，嘌呤环骨架的4、5、7、8、9 位形成。 谷酰胺的酰胺基提供第 3 位 N 原子，形成甲酰甘氨

9、脒核苷酸，进而形成 5-氨基咪唑核苷酸。 CO2、天冬氨酸、甲酰四氢叶酸先后提供六元环上的其他原子，最后形成 IMP。,R-5-P （5-磷酸核糖）,PP-1-R-5-P 5-磷酸核糖-l-焦磷酸（PRPP）,在谷氨酰胺、甘氨酸、甲川四氢叶酸、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）,IMP合成过程 简易流程图,IMP的合成,甲酰化,缩合,延胡索酸,酰,腺苷酸代琥珀酸合成酶 IMP脱氢酶 腺苷酸代琥珀酸裂解酶 GMP合成酶,2. GMP 和 AMP 的合成,黄嘌呤核苷酸,（一）嘧啶环组成成分来源,二、嘧啶核苷酸的生物合成,嘧啶环的合成从氨甲酰磷酸的合成

10、开始。,（二）合成过程,嘧啶核苷酸的合成是先形成嘧啶环，再由 PRPP提供磷酸核糖生成嘧啶核苷酸。 从氨甲酰磷酸合成开始，到尿嘧啶核苷酸生成为止需多个步骤。,1.尿嘧啶核苷酸的生物合成,尿嘧啶核苷酸生物合成过程（从头合成）,胞嘧啶核苷酸是在尿苷三磷酸水平上由 Gln 提供氨基转变而成。,2.胞嘧啶核苷酸的生物合成,在 DNA 中的胸腺嘧啶脱氧核苷酸（dTMP)，它由dUMP 在 dTMP 合成酶的催化下甲基化生成。,3.胸腺嘧啶核苷酸的生物合成,三、核苷酸合成的补救途径,生物体中存在许多催化嘌呤碱基和嘧啶碱基合成单核苷酸的酶，这样可以使核酸降解产物或外源补充的碱基得到直接利用。 1.嘌呤碱的直

11、接利用 催化嘌呤直接转化成核苷酸的酶主要有两种: 腺嘌呤磷酸核糖转移酶 次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶,合 成 过 程,腺嘌呤磷酸核糖转移酶,次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖转移酶,补 救 合 成 的 生 理 意 义,补救合成途径可以节省从头合成途径时所需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。 自毁损伤：大脑中次黄嘌呤核苷酸和鸟嘌呤核苷酸的合成主要依赖补救合成途径，患者由于脑组织中缺乏次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖转移酶，使补救合成途径受阻，导致中枢神经系统功能失常，自我损伤。,在尿嘧啶磷酸核糖转移酶的催化下，可将尿嘧啶转变成尿苷酸：,2.嘧啶碱的直接利用,尿嘧啶+PRPP

12、 UMP+PPi,尿嘧啶磷酸核糖转移酶,目前还未发现有胞嘧啶磷酸核糖转移酶，可能不能通过此途径合成胞苷酸。,核苷可直接转变成核苷酸加以利用。碱基也可以通过核苷磷酸化酶生成核苷，再转变成核苷酸。,3.核苷的直接利用,生物体内存在各种核苷激酶催化各种核苷生成核苷酸。,碱基 + R-1-P 核苷+Pi,核苷磷酸化酶,腺苷 + ATP AMP + ADP,腺苷激酶,尿(胞)苷 + (d)NTP UMP(CMP) + (d)NDP,尿苷-胞苷激酶,在生物体内，核苷酸往往以核苷二磷酸、核苷三磷酸的形式参与合成反应。 这些 (d)NDP 或 (d)NTP 的生成是在 (d)NMP 水平上，由 ATP 提供磷酸根，由相应专一的激酶所催化合成。,四. 一