生物化学-核酸分解代谢.ppt

第十一章核酸的酶促降解和核第十一章核酸的酶促降解和核苷酸代谢苷酸代谢l第一节第一节 核苷酸的分解代谢核苷酸的分解代谢l第二节第二节 核苷酸生物合成核苷酸生物合成第十一章、核苷酸代谢第十一章、核苷酸代谢第一节、核苷酸的分解代谢第一节、核苷酸的分解代谢 生生物物体体普普遍遍存存在在的的磷磷酸酸单单酯酯酶酶或或核核苷苷酸酸酶酶可可催催化化核核苷苷酸酸的的水水解解，而而特特异异性性强强的的磷磷酸酸单单酯酯酶酶只能水解只能水解3-Nt或或5-Nt。催催化化核核苷苷水水解解的的酶酶有有2类类，即即核核苷苷磷磷酸酸化化酶酶和和核苷水解酶核苷水解酶 Ns phosphorylaseNs+PiPu or Py+pentose-1-P Ns hydrolaseNs+H2OPu or Py+pentoseNs phosphorylase存在广泛，反应可逆存在广泛，反应可逆Ns hydrolase主要存在于植物和微生物，只对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。核糖核苷起作用，对脱氧核糖核苷无作用。核酸酶核酸酶(Nuclease)核酸酶是作用于核酸磷酸二酯键的水核酸酶是作用于核酸磷酸二酯键的水解酶，包括：解酶，包括：1、核糖核酸酶、核糖核酸酶(RNase)，2、脱氧核糖核酸酶脱氧核糖核酸酶(DNase)，其中能水解核，其中能水解核酸分子内磷酸二酯键的酶又称为核酸内酸分子内磷酸二酯键的酶又称为核酸内切酶切酶(endonuclease)，从核酸的一端逐，从核酸的一端逐个水解下核苷酸的酶称为核酸外切酶个水解下核苷酸的酶称为核酸外切酶(exonuclease)。食物核酸与蛋白结合为核蛋白体食物核酸与蛋白结合为核蛋白体（Nucleoproteins）的形式，在胃中受胃酸）的形式，在胃中受胃酸作用水解为作用水解为NAs和和Proteins，NA在小肠被在小肠被胰胰nuclease（包括（包括DNase、RNase）降解为）降解为Pu-Nt、Py-Nt和和Oligonucleotide。肠黏膜。肠黏膜释放的释放的phosphodiesterase并协同胰核酸酶并协同胰核酸酶进行消化，水解为单核苷酸肠黏膜细胞中进行消化，水解为单核苷酸肠黏膜细胞中还有还有nucleotidase(phosphomonoesterase)，水解，水解Nt为为Ns和和Pi。脾、肝等组织中的。脾、肝等组织中的nucleosidase进一步水解进一步水解Ns为戊糖和碱基。为戊糖和碱基。一一、核核苷苷酸酸分分解解二、核苷酸三级水平的降解二、核苷酸三级水平的降解三、嘌呤核苷酸分解的三级脱氨三、嘌呤核苷酸分解的三级脱氨（一）、嘌呤碱的分解（一）、嘌呤碱的分解不同生物嘌呤碱的分解能力不同，代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）嘌的动物（鸟类、某些爬行类和昆虫）嘌呤的代谢产物为尿酸。呤的代谢产物为尿酸。1、嘌呤分解中的脱氨作用、嘌呤分解中的脱氨作用嘌嘌呤呤碱碱的的分分解解首首先先在在各各种种脱脱氨氨酶酶的的作作用用下下水水解解脱脱氨氨，脱脱氨氨作作用用也也可可以以在在核核苷苷或或核核苷苷酸酸的的水水平平上上进进行行。动动物物组组织织腺腺嘌嘌呤呤脱脱氨氨酶酶含含量量极极少少，而而腺腺嘌嘌呤呤核核苷苷脱脱氨氨酶酶及及腺腺嘌嘌呤呤核核苷苷酸酸脱脱氨氨酶酶的的活活性性较较高高，因因此此腺腺嘌嘌呤呤的的脱脱氨氨分分解解主主要要在在核核苷苷或或核核苷苷酸酸水水平平上上进进行行。鸟鸟嘌嘌呤呤脱脱氨氨酶酶分分布布广广，脱氨分解主要在该酶的作用下进行。脱氨分解主要在该酶的作用下进行。（1）、鸟嘌呤脱氨）、鸟嘌呤脱氨（2）、黄黄嘌嘌呤呤的的分分解解（3）、尿酸生成）、尿酸生成（二二）、嘌嘌呤呤核核苷苷酸酸的的分分解解1、不不同同生生物物嘌嘌呤呤核核苷苷酸酸的的分分解解产产物物不不同同鸟、昆虫、鸟、昆虫、人类人类非灵长类非灵长类哺乳动物哺乳动物 硬骨鱼硬骨鱼鱼、两栖鱼、两栖类类甲壳类、甲壳类、无脊椎无脊椎2、黄嘌呤氧化酶、黄嘌呤氧化酶(Xanthine Oxidase)催化次黄嘌呤和黄嘌呤氧化生产尿酸。催化次黄嘌呤和黄嘌呤氧化生产尿酸。酶为复合黄素酶，由两个相同的亚基组酶为复合黄素酶，由两个相同的亚基组成，分子量成，分子量260,000，每个亚基含一个，每个亚基含一个FAD、一个钼原子和一个、一个钼原子和一个Fe4S4中心。反中心。反应要求分子氧作为电子受体，还原产物应要求分子氧作为电子受体，还原产物是是H2O2，进入尿酸的氧来自水。底物与，进入尿酸的氧来自水。底物与酶结合后，酶结合后，Mo(VI)被还原为被还原为Mo(IV)，电，电子经黄素、铁硫中心等传给子经黄素、铁硫中心等传给O2，与氢离，与氢离子生成子生成H2O2，Mo(IV)氧化为氧化为Mo(VI)。3、痛风、痛风(Gout)嘌呤碱分解代谢产生过多的尿酸，由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，于其溶解性很差，易形成尿酸钠结晶，沉积于男性的关节部位引起疼痛或灼痛沉积于男性的关节部位引起疼痛或灼痛痛风和肾结石。痛风和肾结石。痛痛风风的的尿尿酸酸钠钠晶晶体体4、别嘌呤醇与次黄嘌呤、别嘌呤醇与次黄嘌呤（1）、别嘌呤醇的作用）、别嘌呤醇的作用别嘌呤醇别嘌呤醇别黄嘌呤别黄嘌呤（2）、别嘌呤醇的作用机理）、别嘌呤醇的作用机理（3）、自杀底物）、自杀底物(Suicide Substrate)结结构构与与次次黄黄嘌嘌呤呤很很相相似似的的别别嘌嘌呤呤醇醇(allopurinol)，在在黄黄嘌嘌呤呤氧氧化化酶酶的的作作用用下下氧氧化化为为别别黄黄嘌嘌呤呤(alloxanthine)，后后者者 与与 酶酶 中中 心心 的的 Mo(IV)牢牢 固固 结结 合合，使使Mo(IV)不不易易转转变变成成Mo(VI)而而成成为为酶酶的的灭灭活活物物，这这种种底底物物类类似似物物被被称称为为自自杀杀作作用用（底）物（底）物，这种作用被称为，这种作用被称为自杀作用自杀作用。四、嘧啶碱的分解四、嘧啶碱的分解 不同生物嘧啶碱的分解过程也不一样，不同生物嘧啶碱的分解过程也不一样，一般情况下含氨基的嘧啶要先水解脱去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氨基，脱氨基也可以在核苷或核苷酸水平上进行。平上进行。（一）、（一）、嘧啶还原途径的分解嘧啶还原途径的分解（二）、嘧啶氧化途径的分解（二）、嘧啶氧化途径的分解1、尿嘧啶、胞嘧啶分解、尿嘧啶、胞嘧啶分解2、胸胸腺腺嘧嘧啶啶的的分分解解返回第二节、核苷酸生物合成第二节、核苷酸生物合成可以通过两条完全不同的途径进行，可以通过两条完全不同的途径进行，1、从头合成途径：、从头合成途径：由磷酸戊糖先和尚未由磷酸戊糖先和尚未完成的完成的Pu或或Py环结合，在未完成的环上环结合，在未完成的环上添加必要的部分，然后闭合成环。添加必要的部分，然后闭合成环。2、补救途径：、补救途径：由现成的由现成的Pu,Py,Pentose及及Pi在酶的作用下直接合成核苷酸（在酶的作用下直接合成核苷酸（NtSalvage Pathway）；）；一、一、嘌呤核苷酸的从头合成途径嘌呤核苷酸的从头合成途径碳碳14标记的标记的HCOOH和氮和氮15标记的氨标记的氨基酸与鸽肝匀浆物共培养，得到基酸与鸽肝匀浆物共培养，得到Pu各元各元素的来源，素的来源，1950s由和由和G.Robert Greenberg提出提出Hypoxanthine de novo synthesis假说，并证明假说，并证明Hypoxanthine Nt是是Ade-Nt及及Gua-Nt合成的前体。合成的前体。一、一、嘌呤核苷酸的从头合成途径嘌呤核苷酸的从头合成途径合成所需物质：合成所需物质：-D-ribose-5-P,ATP,Gln,Asp,GTP,N5,N10-methylene THFA,CO2。另需辅助因子：另需辅助因子：Mg2+,Mn2+,NAD+,THFA-CHO合成中先生成合成中先生成IMP，然后转变为，然后转变为AMP和和GMP。1、嘌呤环元素的来源、嘌呤环元素的来源2、嘌嘌呤呤核核苷苷酸酸的的全全程程合合成成总总图图嘌嘌呤呤核核苷苷酸酸的的全全程程合合成成（反反应应1）5-磷酸核糖焦磷酸磷酸核糖焦磷酸5-磷酸核糖胺磷酸核糖胺嘌嘌呤呤核核苷苷酸酸的的全全程程合合成成（反反应应2）甘氨酰胺核甘酸甘氨酰胺核甘酸5-磷酸核糖胺磷酸核糖胺嘌嘌呤呤核核苷苷酸酸的的全全程程合合成成（反反应应3）1甲酰甘氨酰胺核甘酸甲酰甘氨酰胺核甘酸甘氨酰胺核甘酸甘氨酰胺核甘酸嘌嘌呤呤核核苷苷酸酸的的全全程程合合成成（反反应应4）甲酰甘氨酰胺核甲酰甘氨酰胺核甘酸甘酸甲酰甘氨咪唑核甲酰甘氨咪唑核甘酸甘酸嘌嘌呤呤核核苷苷酸酸的的全全程程合合成成（反反应应5）甲酰甘氨咪唑核甘酸甲酰甘氨咪唑核甘酸5-氨基咪唑核甘酸氨基咪唑核甘酸嘌嘌呤呤核核苷苷酸酸的的全全程程合合成成（反反应应6）5-氨基咪唑氨基咪唑4-羧基羧基核甘酸核甘酸 5-氨基咪唑氨基咪唑4-N琥珀酸琥珀酸氨甲酰核甘酸氨甲酰核甘酸嘌呤核苷酸的全程合成（反应嘌呤核苷酸的全程合成（反应7）5-氨基咪唑氨基咪唑4-N琥珀酸氨甲酰琥珀酸氨甲酰核甘酸核甘酸11 5-氨基咪唑甲酰胺核甘酸氨基咪唑甲酰胺核甘酸嘌呤核苷酸的全程合成嘌呤核苷酸的全程合成(反应反应8)5-氨基咪唑甲酰胺核甘酸氨基咪唑甲酰胺核甘酸5-甲酰胺基咪唑甲酰胺基咪唑-4-氨甲酰核甘氨甲酰核甘酸酸嘌呤核苷酸的全程嘌呤核苷酸的全程合成（反应合成（反应9）5-甲酰胺基咪唑甲酰胺基咪唑-4-氨甲酰核甘氨甲酰核甘酸酸次黄嘌呤核甘酸次黄嘌呤核甘酸3、由、由IMP合成合成AMP和和GMP磷磷酸酸核核糖糖基基焦焦磷磷酸酸（PRPP）5、嘌呤核苷酸合成的调节、嘌呤核苷酸合成的调节（1）、大大肠肠杆杆菌菌腺腺苷苷酸酸和和鸟鸟苷苷酸酸合合成成的的调调节节（2）、氨甲蝶呤）、氨甲蝶呤（3）氮氮丝丝氨氨酸酸等等Gln类类似似物物二、补救途径二、补救途径利用现成的嘌呤、嘧啶碱基、核甘通利用现成的嘌呤、嘧啶碱基、核甘通过腺嘌呤磷酸核糖基转移酶（过腺嘌呤磷酸核糖基转移酶（APRT)及次及次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖基转移酶黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖基转移酶（HGPRT)实现实现AMP、IMP、GMP的补救的补救合成。合成。人体细胞大多为全程合成，但脑中多人体细胞大多为全程合成，但脑中多通过补救途径合成。通过补救途径合成。（一）、（一）、嘌呤核苷酸的补救合成嘌呤核苷酸的补救合成（二）、（二）、Lesch-Nyhan Syndrome（自毁容貌综合症）自毁容貌综合症）HGPRT（次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核（次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖基转移酶）缺陷的男性儿童表现为一糖基转移酶）缺陷的男性儿童表现为一种自毁容貌综合症，为先天性遗传疾病种自毁容貌综合症，为先天性遗传疾病（缺乏（缺乏HGPRT)，行为对立，侵略性强，行为对立，侵略性强，自咬手指、脚趾、嘴唇等，智力低下。自咬手指、脚趾、嘴唇等，智力低下。自毁容貌综合症机理自毁容貌综合症机理三、嘧啶核苷酸的合成l从头合成途径从头合成途径 生物有机体利用生物有机体利用CO2、NH3及天冬氨酸合成核苷酸的途径。及天冬氨酸合成核苷酸的途径。l嘧啶核苷酸的合成包括：嘧啶核苷酸的合成包括：l补救途径补救途径 生物有机体利用碱基或核苷和生物有机体利用碱基或核苷和磷酸核糖合成核苷酸的途径。磷酸核糖合成核苷酸的途径。（一）、从头合成途径l1、嘧啶环元素的来源、嘧啶环元素的来源2、氨甲酰磷酸合成氨甲酰、氨甲酰磷酸合成氨甲酰Asp3、乳乳清清酸酸的的合合成成4、乳清酸合成、乳清酸合成UMP5、嘧嘧啶啶核核苷苷酸酸的的全全程程合合成成：由由乳乳清清酸酸合合成成UTP和和CTP6、UTP合成合成CTP7、嘧嘧啶啶核核苷苷酸酸合合成成的的调调节节8、嘧啶核苷酸的合成受到反馈、嘧啶核苷酸的合成受到反馈抑制的调节抑制的调节细菌嘧啶核苷酸合成速度的调节很大程度细菌嘧啶核苷酸合成速度的调节很大程度受到受到Asp羧甲基转移酶（羧甲基转移酶（ATCase）的调节，产物）的调节，产物CTP对反应为抑制作用。细菌对反应为抑制作用。细菌ATCase分子有分子有6个催化亚基和个催化亚基和6个调节亚基组成，催化亚基与个调节亚基组成，催化亚基与底物分子结合，变构调节亚基与变构调节物底物分子结合，变构调节亚基与变构调节物CTP结合。与亚基一样，整个酶分子有两种构结合。与亚基一样，整个酶分子有两种构象：活性形式和非活性形式，象：活性形式和非活性形式，CTP未与调节亚未与调节亚基结合时，酶的活性最大；基结合时，酶的活性最大；CTP积累并与调节积累并与调节亚基结合时，调节亚基构象改变并带动催化亚亚基结合时，调节亚基构象改变并带动催化亚基构象改变，酶变为无活性形式。基构象改变，酶变为无活性形式。ATP阻止由阻止由CTP所引起改变的改变。所引起改变的改变。CTP和和ATP对对天天门门冬冬氨氨酸酸羧羧甲甲基基转转移移酶酶的的变变构构调调节节（二）、（二）、嘧啶核苷酸的补救合成嘧啶核苷酸的补救合成 UMP磷酸核糖基转移酶磷酸核糖基转移酶Ura+PRPPUMP+PPi 尿嘧啶磷酸化酶尿嘧啶磷酸化酶Ura+1-P-RUridine+Pi 尿苷激酶尿苷激酶 Uridine+ATPUMP+ADPCytosine不能与不能与PRPP作用。作用。三、三磷酸核苷酸的合成三、三磷酸核苷酸的合成1.AMP生成生成ATP 核甘酸激酶核甘酸激酶AMP+ATP2ADP glycolytic enzymes or oxidative phosphorylationADPATP2.ATP通过核苷单磷酸激酶生成其他通过核苷单磷酸激酶生成其他NDPATP+NMPADP+NDP的生成的生成 Ns diphosphate kinaseNTPD+NDPANDPD+NTPA四、脱氧核糖核苷酸的合成四、脱氧核糖核苷酸的合成以核糖核苷酸为原料，通过以核糖核苷酸为原料，通过NDP还原还原酶将核糖分子还原为脱氧核糖。酶将核糖分子还原为脱氧核糖。核糖核核糖核苷酸必须先行转化为二磷酸核苷酸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。水平，再还原为脱氧核苷二磷酸水平。除需还原酶外，还需另两种氧还蛋白除需还原酶外，还需另两种氧还蛋白参与，即硫氧还蛋白参与，即硫氧还蛋白(thioredoxin)和谷和谷氧还蛋白氧还蛋白(glutaredoxin)。产物为产物为dNDP。进一步在激酶的作用下形成相应的进一步在激酶的作用下形成相应的dNTP。（一）、脱氧核苷酸的合成脱氧核苷酸的合成1、核核糖糖核核苷苷酸酸还还原原酶酶催催化化核核糖糖核核苷苷酸酸还还原原为为脱脱氧氧核核糖糖核核苷苷酸酸2、核糖核苷酸还原酶、核糖核苷酸还原酶TyrFe2+3、核核糖糖核核苷苷酸酸还还原原酶酶作作用用的的可可能能机机制制4、脱氧核苷酸合成机理、脱氧核苷酸合成机理5、硫硫氧氧还还蛋蛋白白7、硫氧还蛋白还原酶、硫氧还蛋白还原酶8、谷氧还蛋白还原酶、谷氧还蛋白还原酶9、脱氧核苷三磷酸对核糖核苷、脱氧核苷三磷酸对核糖核苷酸还原酶的调节酸还原酶的调节（二）、（二）、dTMP的生物合成的生物合成存在两种不同途径：补救和全程合成存在两种不同途径：补救和全程合成补救途径以完成的补救途径以完成的Thy为原料，先生为原料，先生成成dT，再形成，再形成dTMP。1、胸苷酸的合成、胸苷酸的合成2、dTMP的生物合成的生物合成 全程合成途径以全程合成途径以dUMP为原料为原料 N5,N10-methylene THFA为甲基供体，由为甲基供体，由dTMP synthetase 催化生成。催化生成。1、由由胸胸苷苷酸酸合合成成酶酶和和二二氢氢叶叶酸酸还还原原酶酶催催化化的的dUMP合合成成dTMP2、二二氢氢叶叶酸酸还还原原酶酶3、胸胸苷苷酸酸合合成成酶酶与与二二氢氢叶叶酸酸还还原原酶酶氟氟尿尿嘧嘧啶啶4、胸苷酸合成和叶酸代谢作为、胸苷酸合成和叶酸代谢作为化学治疗的靶位点化学治疗的靶位点5、dUMP到到dTMP的转变及的转变及FdUMP的抑制的抑制五、五、dNTP的生成的生成六、六、NAD的合成的合成七、七、NAD的合成过程的合成过程八八、FAD的的合合成成返回