核酸的酶促降解及核苷酸代谢

第13章核酸的酶促降解和核苷酸代谢基本内容：（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：（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：（1）限制性内切酶（2）核苷酸的合成代谢核苷核酸的酶促降解核苷酸水解嘌呤分解嘧啶分解核酸核苷酸戊糖碱基磷酸一、核酸的酶促降解•生物体内存在多种降解核酸的酶类，统称为核酸酶(nuclease),在核酸降解和周转中起着重要作用。水解连接核苷酸的磷酸二酯键。•根据对底物作用位点的选择性不同分：核酸外切酶(exonuclease)核酸内切酶(endonuclease)•根据底物的选择性不同分：脱氧核糖核酸酶(dexyribonuclease，DNase)核糖核酸酶(ribonuclease，RNase)•限制性内切酶(restrictionendonuclease）1.核酸外切酶•核酸外切酶作用于核酸链一端，逐个水解下核苷酸。蛇毒磷酸二酯酶——游离3-羟基端开始；牛脾磷酸二酯酶——游离5-羟基端开始2.核酸内切酶•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RNase,RNaseⅠ），124aa组成。作用于嘧啶核苷酸磷酸二酯键，生成3-嘧啶核苷酸或末端为3-嘧啶核苷酸的寡核苷酸。牛胰核酸酶专一作用于RNA，对DNA及其它磷酸二酯化合物不作用或作用活性很低。•RNaseTl，由105个aa组成。专一水解鸟苷酸二酯键，产生3-GMP或以3-GMP为末端的寡核苷酸。3.内切兼外切核酸酶•核酸酶P1，核酸酶BAL既可内切，有可外切核酸。•核酸酶P1还可作用于单核苷酸3’-磷酸单酯键。4.核糖核酸酶•只能水解RNA磷酸二酯键的酶称核糖核酸酶。•牛胰核糖核酸酶（RNaseⅠ）•核糖核酸酶T1（RNaseT1）4.脱氧核糖核酸酶•只能水解DNA磷酸二酯键的酶称核糖核酸酶。•牛胰脱氧核糖核酸酶（DNaseⅠ），外切产生5′-磷酸为末端的寡聚核苷酸。•牛脾脱氧核糖核酸酶（DNaseⅡ），内切产生3′-磷酸为末端的寡聚核苷酸。5.限制性内切酶1979年，W.Arber,H.Smith和D.Nathans等发现某些细菌细胞内存在一类能识别一定序列并水解外源dsDNA的内切核酸酶。限制性内切酶是具有高度专一性DNA内切酶，是DNA分子操作中必不可少的工具酶。能识别双链DNA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，称为限制性内切酶(restrictionendonuclease)或限制酶(restrictionenzyme)。•DNA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。即对称轴一侧的片段旋转180°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。平齐末端：在识别序列对称处同时切开DNA分子两条链，产生的平齐末端结构。常用限制性内切酶如：EcoRI、HindⅢ、PstI等。•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DNA不再起作用。•在细胞中，限制性内切酶可降解外源侵入的DNA，但不降解经修饰酶甲基化保护的自身DNA。限制性内切酶命名(以EcoRI为例)第1个大写E：大肠杆菌属名(Escherichia)第1个字母；第2,3小写co：种名(coli)的头两个字母；第4个大写R：所用大肠杆菌的菌株；第5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1.核苷酸的水解•核苷酸经核苷酸酶(nucleotidase)或称磷酸单酯酶（phosphomonoesterase）催化，水解为核苷及无机磷酸。•非特异性的核苷酸酶，能作用于一切核苷酸。•特异性强的核苷酸酶只能水解3-核苷酸或5-核苷酸，分别称为3-核苷酸酶或5-核苷酸酶。2.核苷的水解2.1核苷酶2.2核苷磷酸化酶•存在于植物、微生物中,只作用于核糖核苷,反应不可逆。•广泛存在于生命机体中，催化反应可逆。3.嘌呤的降解次黄嘌呤人类嘌呤碱的最终代谢产物AMPGMPH（次黄嘌呤）GX（黄嘌呤）黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶•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。•衰老的叶子中，嘌呤分解为尿囊酸后，运出储藏。4.嘧啶的降解三、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氮碱基或核苷合成新的核苷酸。从头合成(denovosynthesis)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。救补途径(salvagepathway)合成途径1.核糖核苷酸的生物合成1.1嘌呤核苷酸从头合成从头合成途径的全过程IMP的合成AMP和GMP的生成R-5-P（5-磷酸核糖）ATPAMPPRPP合成酶PP-1-R-5-P（磷酸核糖焦磷酸）在谷氨酰胺、甘氨酸、一碳单位、二氧化碳及天冬氨酸的逐步参与下IMPAMPGMPH2N-1-R-5´-P（5´-磷酸核糖胺）谷氨酰胺谷氨酸磷酸核糖酰胺转移酶次黄嘌呤核苷酸的合成磷酸核糖基焦磷酸（PRPP）1磷酸核糖焦磷酸激酶次黄嘌呤核苷酸的合成5－磷酸核糖焦磷酸5－磷酸核糖胺磷酸核糖酰胺基转移酶次黄嘌呤核苷酸的合成5－磷酸核糖胺甘氨酰胺核苷酸（GAR）GAR合成酶次黄嘌呤核苷酸的合成甘氨酰胺核苷酸（GAR）甲酰甘氨酰胺核苷酸GAR转甲酰基酶次黄嘌呤核苷酸的合成甲酰甘氨酰胺核苷酸甲酰甘氨咪唑核苷酸（FGAM）FGAM合成酶次黄嘌呤核苷酸的合成甲酰甘氨咪唑核苷酸5－氨基咪唑核苷酸6AIR合酶次黄嘌呤核苷酸的合成5－氨基咪唑－4－羧酸核苷酸5－氨基咪唑核苷酸AIR羧化酶次黄嘌呤核苷酸的合成5－氨基咪唑－4－羧酸核苷酸5－氨基咪唑－4－N琥珀酰甲酰胺核苷酸SAICAR合成酶5－氨基咪唑－4－氨甲酰核苷酸次黄嘌呤核苷酸的合成腺苷酸琥珀酸裂解酶5－氨基咪唑－4－N琥珀酰甲酰胺核苷酸次黄嘌呤核苷酸的合成5－氨基咪唑－4－氨甲酰核苷酸5－甲酰氨基咪唑－4－氨甲酰核苷酸AICAR转甲酰基酶次黄嘌呤核苷酸的合成5－甲酰氨基咪唑－4－氨甲酰核苷酸次黄嘌呤核苷酸IMP环化水解酶①腺苷酸代琥珀酸合成酶③IMP脱氢酶②腺苷酸代琥珀酸裂解酶④GMP合成酶AMP和GMP的生成1.2嘧啶核苷酸从头合成氨甲酰磷酸天冬氨酸从头合成途径的全过程氨甲酰磷酸的生成乳清酸的合成UMP合成合成氨甲酰Asp乳清酸的合成氨甲酰Asp二氢乳清酸乳清酸乳清酸合成UMP乳清酸乳清苷酸CTP合成酶CTP合成UMPUDPUTPATPADPATPADP尿苷酸激酶尿苷二磷酸激酶TMP合成•胸腺嘧啶脱氧核苷酸，由dUMP在dTMP合成酶催化下甲基化生成,叶酸衍生物作为一碳单位供体和还原剂。1.3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。•体内有些组织器官，例如，脑、骨髓等由于缺乏有关的酶，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合成嘌呤核苷酸。•痛风（Gout），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。大量尿酸积累，引起肾结石和痛风。这些症状可通过别嘌呤醇对嘌呤氧化酶的抑制，而得到缓解，但对自残症状无效。1.4核苷二磷酸、核苷三磷酸的合成•生物体内核苷酸常以核苷二磷酸NDP，核苷三磷酸NTP形式参与合成反应。是在NMP水平上，ATP提供Pi，由相应专一激酶催化合成的。•核苷二磷酸激酶(nucleosidediphosphoatekinase)使核苷二磷酸和核苷三磷酸相互转变。2.脱氧核苷酸的合成核糖核苷酸还原酶胸腺嘧啶脱氧核苷酸，由dUMP在dTMP合成酶催化下甲基化生成,叶酸衍生物作为一碳单位供体和还原剂。胸腺嘧啶核苷酸的合成