核酸的降解和核苷酸代謝20101

第八章核酸的降解和核苷酸代謝Chapter8DEGRADATIONOFNUCLEICACIDSANDMETABOLISMOFNUCLEOTIDES

◆熟悉堿基合成時(shí)，嘌呤環(huán)和嘧啶環(huán)上各個(gè)原子的來源

◆了解嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸從頭合成的過程以及最初產(chǎn)物。二者合成途徑的差異

◆了解核苷酸補(bǔ)救合成途徑的重要意義

◆了解核苷酸降解的過程和終產(chǎn)物，尿酸堆積引起的疾病和治療方法

◆了解生物體內(nèi)幾種重要的輔酶核苷酸，包括NAD（NADP）、FAD（FMN）和CoA等的合成學(xué)習(xí)目標(biāo)第八章核酸的降解和核苷酸代謝

◆本章內(nèi)容包括核酸的降解，以及其降解產(chǎn)物各種核苷酸、核苷、嘌呤堿基和嘧啶堿基的分解及合成代謝。

◆核苷酸生物合成需要磷酸核糖焦磷酸(5-PRPP)。

◆嘌呤核苷酸從頭合成的最初產(chǎn)物是次黃嘌呤核苷酸（嘌呤環(huán)上各個(gè)原子的來源）,最后形成嘌呤環(huán).◆嘧啶核苷酸的從頭合成途徑的最初產(chǎn)物是UMP,先合成嘧啶環(huán)

◆核苷酸可以通過補(bǔ)救途徑合成.

◆嘌呤核苷酸降解產(chǎn)生尿酸.◆嘧啶可以降解生成乙酰CoA和琥珀酰CoA.

◆生物體內(nèi)幾種重要的輔酶核苷酸，包括NAD（NADP）、FAD和CoA等都是AMP的衍生物.內(nèi)容提要第八章核酸的降解和核苷酸代謝

一核酸和核苷酸的分解代謝二核苷酸的生物合成三輔酶核苷酸的生物合成主要內(nèi)容第八章核酸的降解和核苷酸代謝

核苷酸的生物學(xué)作用:(1)核苷酸是核酸的基本結(jié)構(gòu)單位(2)核苷酸衍生物是許多生物合成的活性中間物，UDP-葡萄糖，CDP-二脂酰甘油等(3)ATP是通用高能化合物。核苷酸也可以氧化供能(4)AMP是多種重要輔酶的組分：NAD+,NADP+,FAD和CoA-SH(5)參與代謝和生理調(diào)節(jié)：cAMP,cGMP，(p)ppGpp第八章核酸的降解和核苷酸代謝

(一)核酸的降解(二)核苷酸的降解(三)嘌呤堿的分解(四)嘧啶堿的分解一核酸和核苷酸的分解代謝

一核酸和核苷酸的分解代謝(一)核酸的降解:食物（核蛋白）胃胃酸核酸+蛋白質(zhì)小腸腸液、胰液降解核苷酸核酸酶：作用于核酸的磷酸二酯酶

核糖核酸酶(RNase)：作用于RNA脫氧核糖核酸酶(DNase)：作用于DNA

非特異性核酸酶：作用于DNA和RNA

核酸內(nèi)切酶(endonuclease)：水解核酸分子內(nèi)磷酸二酯鍵核酸外切酶(exonuclease)：從核酸鏈的一端逐個(gè)水解核苷酸

課后復(fù)習(xí)

1非專一性核酸酶類：作用于DNA和RNA

(1)蛇毒磷酸二酯酶（venomphosphodiesterase,VPDase）從3’-OH端逐一切割，產(chǎn)生5’-核苷酸(2)牛脾磷酸二酯酶（Sedoheptulosediphosphatase,SDPase）從5’-OH端逐一切割，產(chǎn)生3’-核苷酸

課后復(fù)習(xí)外切核酸酶對(duì)核酸的水解位點(diǎn)5′

p

p

pOHB

p

p

p

p3′BBBBBBB牛脾磷酸二酯酶（從5’-OH端逐一切割得3’-核苷酸）蛇毒磷酸二酯酶（從3’-OH端逐一切割得5’-核苷酸）HO

課后復(fù)習(xí)2核糖核酸酶類：只作用于RNA(1)牛胰核糖核酸酶（EC2.7.7.16)：

RNaseA

或RNaseI，專一性的內(nèi)切酶，生成3’-嘧啶核苷酸（3’-Py）或以3’-嘧啶核苷酸結(jié)尾的寡核苷酸。(2)核糖核酸酶T1（EC3.1.4.8)

：

RNaseT1

，專一性比RNaseA高，產(chǎn)物是3’-鳥苷酸（3’-G）或以3’-鳥苷酸結(jié)尾的寡核苷酸。

課后復(fù)習(xí)內(nèi)切核酸酶對(duì)RNA的水解位點(diǎn)示意圖5′

p

p

p

pOHPyPuPyPy1′

p

p

pGACU

p

p

pGA3′RNaseIRNaseIRNaseT1RNaseT1Py：嘧啶

Pu：嘌呤PyrimidinePurine

課后復(fù)習(xí)3脫氧核糖核酸酶類：只作用于DNA(1)牛胰脫氧核糖核酸酶(EC3.1.4.5)：

DNaseI,切斷雙鏈DNA和單鏈DNA，成為5’-磷酸為末端的寡聚核苷酸，平均長(zhǎng)度4nt(2)牛脾脫氧核糖核酸酶(EC3.1.4.6)：

DNaseII,降解DNA成為以3’-磷酸為末端的寡聚核苷酸，平均長(zhǎng)度6nt(3)限制性內(nèi)切酶(EC3.1.4.5)：專一性切割特定DNA序列，產(chǎn)生粘性或平頭末端?；蚬こ坦ぞ呙?。

課后復(fù)習(xí)核酸胰核酸酶核苷酸核苷酸核苷酶堿基+戊糖-5-P（磷酸二酯酶）磷酸單酯酶（核苷酸酶）核苷+Pi

核苷磷酸化酶嘌呤堿或嘧啶堿+戊糖-1-P核苷酶（nuleosidase）：催化降解核苷

核苷磷酸化酶：水解核苷成為堿基和磷酸戊糖,廣泛存在

核苷水解酶：水解核苷成為堿基和戊糖

存在于植物、微生物，且只作用于核糖核苷(二)核苷酸的降解：

嘌呤分解首先脫氨，可以在核苷酸、核苷或堿基不同水平上進(jìn)行。嘌呤代謝產(chǎn)物：尿酸、尿囊素、尿囊酸、尿素、氨(三)嘌呤堿的分解:

嘌呤堿的分解:人、猿、排尿酸動(dòng)物(某些爬蟲類、鳥類和昆蟲)除人、猿以外的哺乳動(dòng)物硬骨魚類多種魚類和兩棲類低等動(dòng)物

kcat型不可逆抑制劑嘌呤代謝異常：高尿酸血癥，痛風(fēng)（gout）。

課后復(fù)習(xí)嘌呤代謝異常：高尿酸血癥，痛風(fēng)（gout）。治療痛風(fēng)藥物：別嘌呤醇（allopurinol）別嘌呤醇別黃嘌呤，抑制黃嘌呤氧化酶

Mo(Ⅳ)Mo(Ⅳ)→Mo(Ⅵ)

自殺性底物(suicidesubstrate):底物類似物經(jīng)酶作用后成為酶的滅活物.kcat型不可逆抑制劑黃嘌呤氧化酶次黃嘌呤類似物黃嘌呤類似物

課后復(fù)習(xí)(四)嘧啶堿的分解:脫氨后進(jìn)入TCA循環(huán)；或直接隨尿排出哺乳類動(dòng)物主要在肝臟中進(jìn)行具有氨基的嘧啶堿需要先水解脫氨，可以在堿基、核苷或核苷酸不同水平上進(jìn)行。

課后閱讀

二核苷酸的生物合成

123456789

從頭合成(一)嘌呤核糖核苷酸的合成：在各種生物體內(nèi)都能合成前體：

二氧化碳甲酸鹽GlnAspGly1從頭合成（denovosynthesis）(1)次黃嘌呤核苷酸（IMP）的合成：首先由磷酸核糖焦磷酸激酶催化ATP與5-磷酸核糖反應(yīng)形成5-磷酸核糖焦磷酸(5-PRPP,5-phosphoribosylpyrophosphate)：5-磷酸核糖+ATP磷酸核糖焦磷酸激酶5-磷酸核糖焦磷酸+AMP核苷酸中首先合成的是次黃嘌呤核苷酸，隨后再轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌堰屎塑账?。IMP的從頭合成步驟共分為十步：

IMP

AMPGMP型型(1)（2）（3）(4)N9N3ATP5-PRPP5-磷酸核糖AMP兩個(gè)高能磷酸鍵

腺苷酸琥珀酸裂解酶（5）（6）（7）（8）（9）（10）5-磷酸核糖→IMP需6個(gè)高能磷酸鍵

1234657核糖-5-P

(2)腺嘌呤核苷酸的合成

Asp結(jié)構(gòu)類似物：羽田殺菌素可強(qiáng)烈抑制腺苷酸琥珀酸合成酶的活性?？拱┸?/p>

(3)鳥嘌呤核苷酸的合成：

補(bǔ)救途徑：利用體內(nèi)已有的堿基和核苷合成核苷酸兩條補(bǔ)救途徑：1。核苷磷酸化酶+腺苷激酶途徑2。磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶途徑(重要途徑)嘌呤+1-P-核糖嘌呤核苷

AMPATP

ADP腺苷激酶核苷磷酸化酶

磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶2嘌呤核苷酸合成的補(bǔ)救途徑(salvage)(adeninephosohoribosyltransferase)(hypoxanthine-guaninephosohoribosyltransferase)

從頭合成途徑與補(bǔ)救途徑之間存在動(dòng)態(tài)平衡Lesch-NyhanSyndrome

AbsenceofHGPRTaseX-linked(GeneonX)OccursprimarilyinmalesCharacterizedby:IncreaseduricacidSpasticityNeurologicaldefectsAggressivebehaviorSelf-mutilation●別嘌呤醇無效

3嘌呤核苷酸生物合成的調(diào)節(jié)三個(gè)控制點(diǎn)：5-P-核糖胺合成（轉(zhuǎn)酰胺酶，IMP合成的第一步)：受產(chǎn)物IMP、GMP和AMP反饋調(diào)節(jié)。IMP腺苷酸琥珀酸（腺苷酸琥珀酸合成酶）是IMP合成AMP的第一步：AMP（-）IMPXMP（IMP脫氫酶）

IMP合成GMP的第一步:GMP（-）

②①③

腺苷酸琥珀酸合成酶Gln轉(zhuǎn)酰胺酶(二)

1尿嘧啶核苷酸的合成：前體：CO2

Gln

提供NH3氨甲酰磷酸

Asp首先由氨甲酰磷酸合成酶II催化Gln將酰胺基氨和HCO3-合成氨甲酰磷酸。Gln+2ATP+HCO3-氨甲酰磷酸合成酶II氨甲酰磷酸

2ADP+Pi+Glu(二)嘧啶核糖核苷酸的合成

UMP

CMPTMP

2ADP課后閱讀尿嘧啶核苷酸的合成反應(yīng)歷程：需4個(gè)高能磷酸鍵,生成1個(gè)NADH

2胞嘧啶核苷酸的合成必須在UTP的水平上進(jìn)行。UTP→CTPUMP尿嘧啶核苷酸激酶

UDP核苷二磷酸激酶

UTP

ATP

Mg2+

ADPATPMg2+ADP哺乳動(dòng)物：

UTP+

Gln+ATP+H2OCTP合成酶

CTP+Glu+ADP+Pi

E.coli中由UTP合成CTP的氨來自NH4+

3.嘧啶核苷酸合成的補(bǔ)救途徑（salvagepathway）

：

由嘧啶堿和核苷合成核苷酸.

兩條補(bǔ)救途徑：

1。核苷磷酸化酶+尿苷激酶途徑(重要途徑)

2。磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶途徑尿苷磷酸化酶UraR-1-PPiU（尿苷）尿苷激酶UMPATPADP尿嘧啶磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶

UraPRPPPPi脫氧核糖核苷酸：脫氧核糖核苷激酶4嘧啶核苷酸生物合成的調(diào)節(jié)三個(gè)控制點(diǎn):氨甲酰磷酸合成酶II：受UMP反饋抑制Asp轉(zhuǎn)氨甲酰酶(ATCase)（主要調(diào)節(jié)位點(diǎn)）：受CTP反饋抑制，ATP激活CTP合成酶：受CTP反饋抑制

CTP合成酶ATCase氨甲酰磷酸合成酶II

課后閱讀(三)脫氧核糖核苷酸的合成1核糖核苷酸的還原：在核苷二磷酸的水平上被還原：AMP,GMP,核苷一磷酸激酶

ADP,GDP,CMP,UMP

ATPADP

CDP,UDP

核糖核苷酸還原酶

dADP,dGDP,dCDP,dUDP

核糖核苷酸還原酶：有I~IV四種類型I型核糖核苷酸還原酶:在大腸桿菌中二亞基酶（R1和R2）：共4條肽鏈R1有兩個(gè)別構(gòu)調(diào)節(jié)位點(diǎn)：(1)酶活性調(diào)節(jié)位點(diǎn)：

ATP（+）和dATP（-）(2)底物特異性位點(diǎn)：不同核苷酸之間協(xié)調(diào)、平衡

ATP(或dATP)結(jié)合：促進(jìn)UDP和CDP還原

dTTP結(jié)合：促進(jìn)GDP還原，抑制UDP、CDP還原dGTP結(jié)合：促進(jìn)ADP還原，抑制UDP、CDP、GDP還原

Mg2+I型核糖核苷酸還原酶示意圖

TyrMg2+氫供體：NADPH。由氫攜帶蛋白轉(zhuǎn)移給還原酶，再傳遞給底物分子。氫攜帶蛋白：巰基蛋白

硫氧還蛋白（FAD為輔基的硫氧還蛋白還原酶催化得到氫）

谷氧還蛋白（以谷胱甘肽為輔酶的谷氧還蛋白還原酶催化）酶活性調(diào)節(jié)位點(diǎn)底物特異性位點(diǎn)底物結(jié)合位R1和R2交界處：有一個(gè)底物結(jié)合位。R2還有一個(gè)催化位：Tyr雙核鐵（Fe3+）輔因子

(binuclearironcofactor)

Cys等SHSHR1R1R2R22Fe3+TyrXH

核糖核苷酸的還原反應(yīng)FAD核糖核苷酸還原酶Mg2+硫氧還蛋白SHSH硫氧還蛋白SS硫氧還蛋白還原酶核糖核苷二磷酸+H2O脫氧核糖核苷二磷酸FADH2谷氧還蛋白SS谷氧還蛋白SHSHNADP+NADPH+H+谷氧還蛋白還原酶OP-P-CH2NOHOHOP-P-CH2NOHHGSSG2GSH谷胱甘肽還原酶氫攜帶蛋白:

氫供體:N,N-亞甲基THF

FH5102胸腺嘧啶核苷酸合酶2胸腺嘧啶核苷酸的生物合成：由甲基化而成：dUMP→dTMP

水解（快）

dTMP合成的抑制劑●氨基蝶呤(aminopterin)氨甲蝶呤(methotrexate)甲氧芐啶(trimethoprim)均為葉酸類似物,競(jìng)爭(zhēng)抑制二氫葉酸還原酶，抑制THF合成，從而抑制一碳單位轉(zhuǎn)移反應(yīng)，抑制胸苷酸合成，抗腫瘤●

5-氟尿嘧啶:→FdUMP，可抑制胸苷酸合酶，阻斷dUMP合成dTMP

甲氧芐啶其他核苷酸合成的抑制劑：●

6-巰基嘌呤

6-巰基嘌呤→6-硫代次黃嘌呤核苷酸（即硫代肌苷酸），

抑制IMP→AMP及GMP

?！?/p>

重氮絲氨酸及6-重氮-5-氧正亮氨酸:類似Gln抑制嘌呤和嘧啶核苷酸的合成P393

高等動(dòng)物在DP水平上脫氧，在MP水平上甲基化

(一)煙酰胺核苷酸的合成(二)黃素核苷酸的合成(三)輔酶A的合成三輔酶核苷酸的生物合成

(一)煙酰胺核苷酸的合成：（1）NAD（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸、輔酶I）：煙酸+5-PRPP

煙酸單核苷酸焦磷酸化酶

煙酸單核苷酸+PPi煙酸單核苷酸+ATP

脫酰胺-NAD焦磷酸化酶脫酰胺-NAD+PPi脫酰胺-NAD+Gln+ATPNAD合成酶

NAD+Glu+AMP+PPi（2）NADP（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸、輔酶II）：NAD+ATP

NAD激酶

NADP+ADP

P-核糖腺嘌呤-核糖–P–磷酸基連接在腺嘌呤核糖環(huán)的2’-OH上

(二)黃素核苷酸的合成：（1）FMN（異咯嗪?jiǎn)魏塑账幔汉它S素+ATP

黃素激酶

FMN+ADP

（2）FAD（異咯嗪腺嘌呤二核苷酸）：FMN

+ATP

FAD焦磷酸化酶

FAD+PPi

Mg2+(三)輔酶A的合成：

泛酸+4ATP+CysCoA+CO2+3ADP+PPi+Pi

胺-巰基乙胺-泛酸-3’-P-ADP123AMP4核酸的酶促降解和核苷酸的代謝小結(jié)：

1核酸的酶促降解

核糖核酸酶、脫氧核糖核酸酶、限制性內(nèi)切酶

2核苷酸的降解

3核苷酸的合成代謝（1）核糖核苷酸的生物合成嘌呤核苷酸的合成：從頭合成和補(bǔ)救途徑嘧啶核苷酸的合成：從頭合成和補(bǔ)救途徑（2）脫氧核苷酸的生物合成核糖核苷酸的還原脫氧胸腺嘧啶核苷酸的合成4輔酶核苷酸的生物合成

課后閱讀復(fù)習(xí)題P404,1-7嘌呤和嘧啶生物合成以及降解有哪些異同。別嘌呤醇為什么能緩解痛風(fēng)患者的癥狀？解釋二氫葉酸在脫氧核苷酸合成中的作用。嘌呤和嘧啶堿基是真核生物的主要能源嗎，為什么？用兩組人作一個(gè)實(shí)驗(yàn)，一組人的飲食主要是肉食，另一組人主要是米飯。哪一組人發(fā)生痛風(fēng)病的可能性大？為什么？從5-磷酸核糖開始合成一分子AMP需要多少能量（用ATP表示）？假設(shè)所有其它前體都存在.為什么一種嘌呤和嘧啶生物合成的抑制劑往往可以用作抗癌藥和/或抗病毒藥？

復(fù)習(xí)題5.答:在真核生物中，嘌呤和嘧啶不是主要的能源。脂肪酸和糖中碳原子能夠被氧化產(chǎn)生ATP，相比較而言含氮的嘌呤和嘧啶沒有合適的產(chǎn)