07核酸分解与核苷酸代谢.

生物化学第七章核酸分解与核苷酸代谢P387BaseSugarAcidGAATTCGAATTCCTTAAGCTTAAGNNNNHNH2核酸降解代谢CO2,H2O,NH3•核酸在生物体内可以被降解；•外源核酸在动物体内的小肠被降解；–胰核酸酶–肠粘膜释放的磷酸二酯酶•降解的产物在小肠内被转化和吸收；•核酸降解一般不为生物提供能量；第一节核酸降解P387•核酸酶是作用于核酸中磷酸二酯键的水解酶，包括核糖核酸酶(RNase)和脱氧核糖核酸酶(DNase)–水解核酸分子内部磷酸二酯键的酶又称为核酸内切酶(endonuclease)–从核酸的一端逐个水解下核苷酸的酶称为核酸外切酶(exonuclease)。核酸酶(Nuclease)ATCGATCGPOH5’3’PPPPPPP蛇毒磷酸二酯酶牛脾磷酸二酯酶常见的核酸酶专一性常见的核酸酶专一性核酸内切酶AP核酸内切酶的作用AP核酸内切酶能识别去除了碱基的核苷酸（AP核苷酸：无嘌呤酸、无嘧啶酸）磷酸二酯键，并切除糖基，使核酸链断开。•限制性核酸内切酶是一类高度专一性的DNases，它们是顺序专一性，或结构专一性的核酸内切酶。•它们不是与DNA降解代谢有关的酶；•是基因重组用酶，是胞内DNA的“卫士”。它们是分子生物学的工具酶，在分子生物学中占有非常重要的地位。限制性核酸内切酶GCTTAAAATTCG以限制性内切酶及连结酶进行核酸剪接GAATTCCTTAAGGAATTCCTTAAGGCTTAAAATTCGAATTCGGCTTAAGCTTAAAATTCGGCTTAAAATTCGGCTTAAAATTCGEcoRIDNALigaseEcoRIstickyendEcoRIstickyendJuangRH(2004)BCbasics2.1核苷酸的分解•肠粘膜细胞中有核苷酸酶，水解核苷酸（Nt）为核苷（Ns）和Pi。•脾、肝等组织中核苷酶进一步水解核苷为戊糖和碱基。第二节核苷酸、核苷与碱基的分解代谢BaseSugarAcidNucleotide核苷酸Nucleoside核苷BaseSugarAcidBaseSugarAcid2.1.1核苷酸降解为核苷核苷酸(Nt)＋H2O核苷(Ns)＋Pi磷酸酯酶或核苷酸酶•生物体普遍存在的磷酸单酯酶或核苷酸酶可催化2’-,3’-和5’-核苷酸的水解，而特异性强的磷酸单酯酶只能水解3’-核苷酸或5’-核苷酸，对不同的碱基也有选择性。2.1核苷酸的分解BaseSugarAcid核苷酸＋H2O碱基＋戊糖-Pi•催化该反应的酶称为核苷酸核苷酶；•主要在微生物（细菌）中存在；2.1.2核苷酸中糖苷键的断裂2.1核苷酸的分解BaseSugarAcid2.1.3核苷酸的脱氨反应与核苷酸转换•带氨基的核苷酸在核苷酸脱氨酶的作用下可脱掉氨基而转变成另一种核苷酸。•核苷酸的脱氨反应较为普遍,如:5’-AMP5’-IMP(次黄嘌呤)+NH3NNNNHNH2嘌呤核苷酸循环中2.1核苷酸的分解HNNNNHOIMP(次黄嘌呤)核苷的代谢去路：核苷-N-转糖苷作用（主要脱氧核苷)脱氨反应2.2核苷的分解代谢BaseSugarAcidBaseSugarAcidBaseSugarAcidBaseSugarAcidBaseSugarAcidBaseSugarAcid2.2.2核苷的磷酸解作用：核苷+Pi嘌呤or嘧啶+戊糖-1-P•核苷磷酸水解酶存在广泛，反应可逆，糖的构型由β-型转变为α-型；2.2.1核苷的水解作用：核苷+H2O嘌呤or嘧啶+戊糖•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，对脱氧核糖核苷无作用。核苷水解酶核苷磷酸水解酶2.2核苷的分解代谢2.2.3核苷的相互转换•核苷-N-转糖苷作用主要发生在脱氧核苷中•脱氨反应带氨基的核苷在核苷脱氨酶的作用下脱掉氨基而转变成另一种核苷2.2.4核苷的排泄主要为修饰核苷酸，不被分解，也不被利用嘌呤互换嘧啶互换2.2核苷的分解代谢脱氨作用主要发生在核苷酸和核苷水平2.3核苷酸三级水平的降解P388核苷酸核苷碱基NH3NH3NH3不同生物嘌呤碱的分解能力不同，代谢产物也不同，人和猿类及一些排尿酸的动物（鸟类、某些爬行类和昆虫）嘌呤的代谢产物为尿酸。O2+H2OH2O2尿酸鸟嘌呤脱氨主要在碱基水平下进行2.4.1嘌呤碱的分解:2.4碱基的分解代谢嘌呤核苷酸的分解次黄嘌呤黄嘌呤尿酸•催化次黄嘌呤和黄嘌呤氧化产生尿酸。•该酶为复合黄素酶，由两个相同的亚基组成，每个亚基含一个FAD、一个钼原子［Mo(IV)↔Mo(VI)］和一个Fe4S4中心。•反应要求分子氧作为电子受体，还原产物是H2O2，进入尿酸的氧来自水。黄嘌呤氧化酶(XanthineOxidase)不同生物中嘌呤核苷酸的分解产物不同尿囊素尿囊酸灵长类/鸟类等多数哺乳动物多骨[刺]鱼两栖动物等无脊椎动物嘌呤碱分解代谢产生过多的尿酸，由于其溶解性很差，易形成尿酸钠结晶，沉积于关节部位,引起疼痛或灼痛—痛风。如果发生HGPRT的缺陷，不能以补救途径合成嘌呤核苷酸，吸收或合成的嘌呤碱不完全降解，导致大量尿酸积累，也引起肾结石和痛风。HGPRT：次黄嘌呤鸟嘌呤转磷酸核糖酶痛风(Gout)•不同生物对嘧啶碱的分解过程不一样；•一般情况下含氨基的嘧啶要先水解脱去氨基，脱氨基也可以在核苷或核苷酸水平上进行。2.4碱基的分解代谢2.4.2嘧啶碱基的分解UCMPCRURUMPCdTMPdTRT氧化分解还原分解只在微生物中发现2.4碱基的分解代谢2.4.2嘧啶碱基的分解NH32.4碱基的分解代谢2.4.2.1嘧啶碱基分解的还原途径2.4碱基的分解代谢2.4.2.2嘧啶碱基分解的氧化途径BaseSugarAcidGAATTCGAATTCCTTAAGCTTAAGNNNNHNH2CO2,H2O,NH3核酸分解代谢小结碱基的降解过程主要有两步：1、脱氨2、氧化开环补救合成新的核苷酸3.1核苷酸合成的基本途径可以通过两条完全不同的途径进行:•由非核苷和碱基的前体小分子化合物从头合成——DenovoSynthesis；•由现成的嘌呤,嘧啶,戊糖及Pi在酶的作用下直接合成核苷酸——补救合成途径（SalvagePathway）第三节核苷酸的生物合成3.1核苷酸合成的基本途径嘌呤环元素的来源:3.2嘌呤核苷酸的从头生物合成甲酸一碳单位天冬氨酸甘氨酸谷氨酰胺3.2嘌呤核苷酸的从头生物合成嘌呤核苷酸的全程合成总图次黄嘌呤的合成是在核苷酸水平进行的，即产物是核苷酸，而不是核苷或碱基。磷酸核糖基焦磷酸（PRPP）磷酸核糖基焦磷酸（PRPP）嘌呤核苷酸的全程合成（反应1）构象由a–构型转变为b–构型PRPP转酰胺酶5-磷酸核糖胺(PRA)嘌呤核苷酸的全程合成（反应2）甘氨酰胺核苷酸合成酶甘氨酰胺核苷酸(GAR)嘌呤核苷酸的全程合成（反应3）甘氨酰胺核苷酸转氨甲酰酶甲酰甘氨酰胺核苷酸(FGAR)嘌呤核苷酸的全程合成（反应4）甲酰甘氨脒核苷酸合成酶甲酰甘氨眯核苷酸(FGAM)嘌呤核苷酸的全程合成（反应5）氨基咪唑核苷酸合成酶5-氨基咪唑核苷酸氨基咪唑核苷酸羧化酶嘌呤核苷酸的全程合成（反应6）嘌呤核苷酸的全程合成（反应7）5-氨基咪唑-4-羧酸核苷酸嘌呤核苷酸的全程合成（反应8）氨基咪唑琥珀基氨甲酰核苷酸合成酶5-氨基咪唑-4-(N-琥珀基)甲酰胺核苷酸腺苷酸琥珀酸裂解酶嘌呤核苷酸的全程合成（反应9）5-氨基咪唑-4-氨甲酰胺核苷酸延胡索酸氨基咪唑氨甲酰核苷酸转甲酰基酶嘌呤核苷酸的全程合成(反应10)5-甲酰胺基咪唑-4-氨甲酰胺核苷酸嘌呤核苷酸的合成一直是在核苷酸的水平上进行的，不是分解的逆过程。反应需要5(或6)ATP次黄嘌呤核苷酸合酶嘌呤核苷酸的全程合成（反应11）次黄嘌呤核苷酸嘌呤核苷酸的全程合成总图合成次黄嘌呤核苷酸由IMP合成AMP和GMP黄嘌呤氧化酶次黄嘌呤核苷酸脱氢酶鸟嘌呤核苷酸合成酶腺苷酸琥珀酸合成酶嘌呤核苷酸合成的调节ATPGTP•嘌呤核苷酸的合成受到产物反馈抑制。•嘌呤核苷酸从头合成的速率受到三种主要反馈机制的调节，主要受控于两种主要终产物的浓度。P3965-磷酸核糖胺大肠杆菌嘌呤核苷酸合成的调节机制，其它生物中这些代谢途径可能有所不同。P396合成的反馈控制机制PRPP转酰胺酶PRPP合成酶腺苷酸琥珀酸合成酶次黄嘌呤核苷酸脱氢酶PRPP转酰胺酶作用下形成5-磷酸核糖胺嘧啶环元素的来源：Fromaspartate3.3嘧啶核苷酸的生物合成氨甲酰磷酸天门冬氨酸来源于氨甲酰磷酸来源于天冬氨酸3.3嘧啶核苷酸的生物合成嘧啶环合成在碱基水平上，而不是在核苷酸水平，这不同于嘌呤的合成氨甲酰磷酸的合成氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸的合成氨基甲酸碳酸谷氨酰胺水解位点碳酸磷酸化位点氨基甲酸磷酸化位点氨甲酰磷酸的合成氨基甲酸碳酸氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸合成氨甲酰Asp氨甲酰天冬氨酸ATCase天冬氨酸转氨甲酰酶氨甲酰磷酸乳清酸的合成二氢乳清酸脱氢酶的辅酶在不同的生物中是不同的，有的是NAD＋，有的是FMN,FAD，或同时含有黄素辅酶和NAD＋。二氢乳清酸乳清酸二氢乳清酸酶二氢乳清酸脱氢酶乳清酸合成UMP乳清酸乳清苷酸尿嘧啶核苷酸UMP的合成小结AspPRPP由UMP合成UTPUMPCTP由UTP合成CTP在E.coli中也可以以NH3为氮源CTP合成酶嘧啶核苷酸合成的调节ATP嘧啶核苷酸的生物合成也是受到产物的反馈抑制：在细菌中嘧啶核苷酸合成速率的调节主要是通过天冬氨酸转氨甲酰酶（ATCase）P398合成的反馈控制机制天冬氨酸转氨甲酰酶CTP和ATP对天门冬氨酸羧转氨甲酰酶的变构调节3.4核苷酸合成的补救途径利用食物吸收或自身核酸降解产生的碱基和核苷通过磷酸核糖基转移酶（APRT)或核苷激酶,实现核苷酸的合成。这一途径称之为补救合成途径，或回收利用途径。人体细胞大多为全程合成，但在某些特殊类型的细胞中如在脑细胞中主要通过补救途径合成。3.4.1嘌呤核苷酸的补救合成途径1：碱基→核苷酸（主要途径）HGPRT腺嘌呤转磷酸戊糖酶次黄嘌呤鸟嘌呤转磷酸核糖酶3.4.1嘌呤核苷酸的补救合成途径1：碱基→核苷酸（主要途径）BaseSugarAcidBaseSugarAcidBaseSugarAcidAcidAcid+嘌呤自毁容貌综合症机理HGPRT缺陷的男性儿童表现为一种自毁容貌综合症，为先天性遗传疾病（缺乏HGPRT)，行为对立，侵略性强，自咬手指、脚趾、嘴唇等，智力低下。HGPRT：次黄嘌呤鸟嘌呤转磷酸核糖酶嘌呤核苷酸的补救合成Adenine+R-a-1-P——Adenosine+PiAdenosine+ATP————AMP+ADP途径2：碱基→核苷→核苷酸核苷磷酸化酶核苷激酶糖构型转为β-型BaseSugarAcidBaseSugarAcidBaseSugarAcid3.4.2嘧啶核苷酸的补救合成Uracil+R-α-1-P———Uridine+PiUridine+ATP———UMP+ADPUracil+PRPP—————UMP+PPiCytosine不能与PRPP作用。尿嘧啶磷酸化酶尿苷激酶UMP磷酸核糖基转移酶途径2：碱基→核苷→核苷酸PRPPAMPIMPGMPOMPUMPXMPSAMPAdenineHypoxanthineGlnGluPRA5-磷酸核糖胺GuanineXanthineOrotidelateUracilPRPP与核苷酸的合成腺苷琥珀酸CytosineXCMP3.5脱氧核糖核苷酸的合成•以核糖核苷酸为原料，通过核糖核苷酸还原酶(Nt-reductase)将核糖分子还原为脱氧核糖。•多数生物中核糖核苷酸必须先行转化为二磷酸核苷酸(NDP)水平，再还原为脱氧核苷二磷酸水平。•少数生物在三磷酸核苷酸的水平上还原为脱氧核苷酸。•脱氧核苷酸的合成除需还原酶外，还需另两种氧还蛋白参与，即硫氧还蛋白(thioredoxin)和谷氧还蛋白(glutaredoxin)。3.5脱氧核糖核苷酸的合成核糖核苷酸还原酶3.5.1核苷二磷酸水平的还原形成的产物dNDP在激酶的作用下形成相应的dNTP。p399核糖核苷酸还原酶核糖核苷酸还原酶