核酸分解与核苷酸代谢

第七章核酸分解与核苷酸代谢Chpert7Degradationofnuclicacid&metablismofnucleotides第一节核酸降解•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nuclease–肠粘膜释放的phosphodiesterase•降解的产物在小肠内被转化和吸收；•核酸的降解一般不为生物提供能量；核酸酶(Nuclease)•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)–能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)。常见的核酸酶专一性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•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。2.1核苷酸的分解•肠粘膜细胞中有nucleotidase(phosphomonoesterase)，水解Nt为Ns和Pi。•脾、肝等组织中的nucleosidase进一步水解Ns为戊糖和碱基。第二节核苷酸、核苷与碱基的分解代谢N－R－P2.1.1核苷酸降解为核苷核苷酸＋H2O核苷＋Pi磷酸酯酶或核苷酸酶N－R－P•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。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N－R－P2.1.3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；例：5’-AMP5’-IMP+NH3嘌呤核苷酸循环中2.2核苷的分解代谢核苷的代谢去路：核苷-N-转糖苷作用（主要脱氧核苷)脱氨反应2.2.1核苷的水解作用：核苷+H2OPuorPy+pentose•Nshydrolase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。NshydrolaseNsphosphorylase2.2.2核苷的磷酸解作用：核苷+PiPuorPy+pentose-1-P•Nsphosphorylase存在广泛，反应可逆，糖的构型由β-型转变为α-型；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2.3核苷酸三级水平的降解脱氨作用主要发生在核苷酸和核苷水平2.4碱基的分解代谢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:嘌呤核苷酸的分解黄嘌呤氧化酶(XanthineOxidase)•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。不同生物中嘌呤核苷酸的分解产物不同尿囊素尿囊酸痛风(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。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2.4.2嘧啶碱基的分解•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。UCMPCRURUMPCdTMPdTRT氧化分解还原分解2.4.2嘧啶碱基的分解只在微生物中发现2.4.2.1嘧啶碱基分解的还原途径2.4.2.2嘧啶碱基分解的氧化途径第三节核苷酸的生物合成Biosynthesisofnucleotides3.1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Pu,Py,Pentose及Pi在酶的作用下直接合成核苷酸——“补救合成途径SalvagePathway”。3.2嘌呤核苷酸的从头生物合成嘌呤环元素的来源:1嘌呤核苷酸的全程合成总图磷酸核糖基焦磷酸（PRPP）嘌呤核苷酸的全程合成（反应1）构象由α–构型转变为β–构型PRPP转酰胺酶嘌呤核苷酸的全程合成（反应2）甘氨酰胺核苷酸合成酶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嘌呤核苷酸的全程合成（反应4）甲酰甘氨脒核苷酸合成酶嘌呤核苷酸的全程合成（反应5）氨基咪唑核苷酸合成酶嘌呤核苷酸的全程合成（反应6）氨基咪唑核苷酸羧化酶嘌呤核苷酸的全程合成（反应7）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嘌呤核苷酸的全程合成（反应9）腺苷酸琥珀酸裂解酶嘌呤核苷酸的全程合成(反应10)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11）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由IMP合成AMP和GMP嘌呤核苷酸合成的调节ATPGTP嘧啶环元素的来源：3.3嘧啶核苷酸的生物合成Fromaspartate氨甲酰磷酸的合成氨甲酰磷酸合成氨甲酰Asp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＋。乳清酸合成UMP由UMP合成UTP和CTP由UMP合成UTP和CTP在E.coli中也可以以HN3为氮源嘧啶核苷酸合成的调节UTPATPCTP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SalvageSynthesisofNts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）自毁容貌综合症机理Lesch-NyhanSyndromeHGPRT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-α-1-P————AR+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3.4.2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PRPPAMPIMPGMPOMPUMPXMPSAMPAdenineHypoxanthineGlnGluPRAGuaninexanthineOrotidelateUracilPRPP与核苷酸的合成3.5脱氧核糖核苷酸的合成•以核糖核苷酸为原料，通过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3.5.1核苷二磷酸水平的还原ATP,Mg2+形成的产物dNDP在激酶的作用下形成相应的dNTP。核糖核苷酸还原酶催化核糖核苷酸还原为脱氧核糖核苷酸H2O3.5.2核苷三磷酸水平的还原•核苷三磷酸水平的还原主要在乳酸菌、根瘤菌梭、梭状芽孢杆菌、眼虫等生物里存在；•还原途径需要辅酶B12；•氢的传递方式与NDP还原是相似的3.5.3dTMP的生物合成N5,N10-methyleneTHFATHFA3.5.4脱氧核苷酸的补救合成•脱氧核苷酸的补救合成只有一条途径：碱基→脱氧核苷→脱氧核苷酸•以dTMP合成为例：Thymine+deoxyribose-1-P——————dTdT+ATP—————dTMP+ADPThymidylatephosphorylasedTkinase3.5.4脱氧核苷酸合成的调节第四节辅酶核苷酸的合成常见的辅酶核苷酸：•烟酰胺核苷酸•黄素核苷酸•辅酶A•辅酶B12辅酶Ⅰ（NAD+）辅酶Ⅱ（NADP+）FMNFADNAD的合成NAD的合成过程ATPADP黄素激酶FAD焦磷酸化酶ATPPPiFAD的合成第五节核苷酸合成的抑制作用•核苷酸合成的抑制剂主要是人工合成的化学药物；•这些抑制剂作用于核苷酸合成途径的不同位点；•所有抑制剂对细胞都有毒性；•主要用于癌症与细菌感染的治疗药物抑制剂类型抑制剂抑制反应氨基酸类似物抑制剂重氮丝氨酸抑制Gln参与的反应，抑制嘌呤环的合成6-重氮-5-氧-正亮氨酸羽田杀菌素强烈抑制腺苷琥珀酸合成酶一碳单位载体类似物磺胺类药物氨甲酰蝶呤三甲氧苄二氨嘧啶抑制叶酸合成抑制二氢叶酸还原酶抑制剂类型抑制剂抑制反应氨基酸类似物抑制剂重氮丝氨酸抑制Gln参与的反应，抑制嘌呤环的合成6-重氮-5-氧-正亮氨酸羽田杀菌素强烈抑制腺苷琥珀酸合成酶一碳单位载体类似物磺胺类药物氨甲酰蝶呤三甲氧苄二氨嘧啶抑制叶酸合成抑制二氢叶酸还原酶碱基类似物抑制剂5-氟尿嘧啶5-氟-脱氧尿嘧啶抑制胸苷酸的合成6-巯基嘌呤6-甲硫嘌呤抑制嘌呤核苷酸合成6-氮尿苷转变成的5’-核苷酸抑制OMP脱羧酶，从而阻断UMP的合成核糖核苷酸还原酶抑制剂羟基脲重氮丝氨酸等Gln类似物主要抑制嘌呤环的合成，也抑制嘧啶环的合成氨甲蝶呤