核酸代谢 主要内容：核酸的分解代谢核苷酸的生物合成课件.ppt

1、第五章 核酸代谢核糖核酸（核糖核酸（RNA）脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNA）核酸核酸核苷酸核苷酸核苷核苷磷酸磷酸戊糖戊糖碱基碱基核核 酸酸 的的 组组 成成核酸酶水解核酸酶水解核苷酸链的书写方法核苷酸链的书写方法 核酸的酶促降解核酸的酶促降解核酸核酸酶核酸酶单核苷酸核酸酶核酸酶核酸内切酶核酸内切酶核酸外切酶核酸外切酶磷酸单脂酶磷酸单脂酶核苷嘧啶（嘌呤） 核糖（脱氧核糖）核苷酶核苷酶核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶嘧啶（嘌呤）核糖-1-磷酸脱氧核糖-1-磷酸核糖-5-磷酸磷酸戊糖途径磷酸戊糖途径醛缩酶醛缩酶乙醛甘油醛-3-磷酸第一节第一节 核酸的酶促降解核酸的酶促降解 一、核酸外切酶一、核酸外切酶

2、（exonuclease） 作用于核酸链的末端，逐个水解下核苷酸。 DNA外切酶：只作用于DNA。 RNA外切酶：只作用于RNA。 同时作用于DNA和RNA的外切酶。 核糖核酸酶核糖核酸酶(RNase)和脱氧核糖核酸酶和脱氧核糖核酸酶(DNase) 从核酸链的3端开始切，生成5核苷酸。 从核酸链的5端开始切，生成3核苷酸。 同时切核酸链的3端和5端。 外切核酸酶对核酸的水解位点外切核酸酶对核酸的水解位点5 p p p pOHB p p p p3 BBBBBBB牛脾磷酸二酯酶牛脾磷酸二酯酶（ 5 5 端外切端外切5 5得得3 3）蛇毒磷酸二酯酶蛇毒磷酸二酯酶（ 3 3 端外切端外切3 3得得5

3、5） 二、核酸内切酶二、核酸内切酶（endonuclease） 水解多核苷酸链内部的磷酸二酯键。 DNA内切酶：只作用于DNA。 RNA内切酶：只作用于RNA。 同时作用于DNA和RNA的内切酶。 内切核酸酶对内切核酸酶对RNA的水解位点示意图的水解位点示意图5 p p p pOHPyPuPyPy1 p p pGACU p p pGA3 RNAase IRNAase IRNAase T1RNAase T1Pu ：嘌呤：嘌呤 Py：嘧啶：嘧啶 限制性内切酶限制性内切酶 （ 对某些碱基顺序专一的核酸内切酶。 生物学功能： 1、识别双链DNA上的特定位点即“回文结构”（长度在48个碱基对范围内，从前

4、往后读和从后往前读完全一样的碱基序列），切割后错开的切口会产生互补的单链末端（粘性末端、平末端）。 2、降解外面侵入的DNA，但不降解自身细胞的DNA，因为自身DNA的酶切位点上经甲基化修饰而得到保护。常用的常用的DNA限制性内切酶的专一性限制性内切酶的专一性酶酶辨认的序列和切口辨认的序列和切口说明说明 A G C T T C G A G G A T C C C C T A G G A G A T C T T C T A G A G A A T T C C T T A A G A A G C T T T T C G A A G T C G A C C A G C T G C C C G G G

5、 G G G C C C Bam H IAlu IBgl IEco R IHind Sal ISma I四核苷酸，平端切口四核苷酸，平端切口六核苷酸，平端切口六核苷酸，平端切口六核苷酸，粘端切口六核苷酸，粘端切口六核苷酸，粘端切口六核苷酸，粘端切口六核苷酸，粘端切口六核苷酸，粘端切口六核苷酸，粘端切口六核苷酸，粘端切口六核苷酸，粘端切口六核苷酸，粘端切口5GAATTC33CTTAAG55G TTAAC33CAATT G5粘性末端EcoR 第二节第二节 核苷酸的生物降解核苷酸的生物降解 一、核苷酸的降解一、核苷酸的降解 核苷酸酶核苷酸 核苷 （磷酸单酯酶） 磷酸 核苷磷酸化酶 嘌呤碱或嘧啶碱+1

6、P戊糖 核苷酶 嘌呤或嘧啶+戊糖 二二 嘌嘌 呤呤 的的 降降 解解 不同生物分解嘌呤碱的最终产物不同不同生物分解嘌呤碱的最终产物不同： 人类和灵长类动物：止于尿酸 灵长类以外的哺乳动物：尿囊素 大多数鱼类：尿素 一些海洋无脊椎动物：氨 植物的嘌呤的分解主要是在衰老叶子及储藏性的胚乳组织内，在胚和幼苗内不发生嘌呤的分解。当叶子进入衰老期，核酸发生分解，生成的嘌呤碱进一步分解为尿囊酸，然后从叶子内运输出并储藏起来，供来年生长用。这表明植物与动物不同，植物有保存并植物有保存并利用同化氮的能力利用同化氮的能力 痛风痛风(Gout) 嘌呤碱分解代谢产生过多的尿酸嘌呤碱分解代谢产生过多的尿酸正常人血浆中

7、尿酸含量为20-60mg/L，超过80mg/L时，由于，由于其溶解性很差，易形成尿酸钠结晶，沉积于男性其溶解性很差，易形成尿酸钠结晶，沉积于男性的关节的关节、软组织、软骨、肾等部位部位,导致关节炎、尿路结石以及肾脏疾病，引起疼痛或灼痛引起疼痛或灼痛,即“痛风症”。 摄取大量嘌呤食物或尿酸排泄障碍时易患痛摄取大量嘌呤食物或尿酸排泄障碍时易患痛风症。风症。痛风的尿酸钠晶体痛风的尿酸钠晶体 临床上用“别嘌别嘌呤醇呤醇”治疗痛风症，机理：别嘌呤醇的结构与次黄嘌呤相似，是黄嘌呤氧化酶的竞争性抑制剂。因为黄嘌呤氧化酶催化次黄嘌呤生成尿酸。NNNHNOH别嘌呤醇别嘌呤醇NNNHNOH次黄嘌呤次黄嘌呤三种嘧啶

8、核苷酸降解至三种嘧啶核苷酸降解至 尿嘧啶和胸腺嘧啶尿嘧啶和胸腺嘧啶三三嘧嘧啶啶的的降降解解尿嘧啶和胸腺嘧啶分别降解尿嘧啶和胸腺嘧啶分别降解至乙酰至乙酰CoA和琥珀酰和琥珀酰CoA第三节第三节 核苷酸的生物合成核苷酸的生物合成 核苷酸的合成途径一般有两条： 1、从头合成：从最简单的原料如CO2、氨基酸、甲酸盐等开始组装碱基环。 2、补救途径：从来自核酸降解的中间产物或外源核苷、碱基直接合成核苷酸，不需组装碱基环。 一、核糖核苷酸的生物合成一、核糖核苷酸的生物合成 （一）嘌呤核糖核苷酸的合成（一）嘌呤核糖核苷酸的合成 1 1、从头合成路线、从头合成路线 原料：CO2、甲酸盐、甘氨酸、天冬氨酸、谷氨

9、酰胺 核糖碳架来源：5P核糖+ATP 5磷酸核糖1焦磷酸 （PRPP） 过程：先直接合成次黄嘌呤核苷酸（IMP，肌苷酸），不先形成嘌呤环，再转变为腺苷酸AMP、黄苷酸XMP、鸟苷酸GMP。 IMP的合成 （1）5-磷酸核糖焦磷酸（PRPP）的生成起始步骤 磷酸核糖焦磷酸合成酶催化5-磷酸核糖和ATP生成。 （2）5-磷酸核糖焦磷酸与谷氨酰胺反应生成5-磷酸核糖胺、谷氨酸和无机焦磷酸。催化此反应的酶是磷酸核糖焦磷酸酰胺基转移酶。 （3）5-磷酸核糖胺在ATP参与下与甘氨酸合成甘氨酰胺核苷酸。催化此反应的酶是甘氨酰胺核苷酸合成酶。 （4）甘胺酰胺核苷酸在甘胺酰胺核苷酸甲酰基转移酶作用下生成甲酰甘胺

10、酰胺核苷酸。 （5）甲酰甘胺酰胺核苷酸与谷氨酰胺、ATP作用，闭环之前在第3位上加上氮原子。催化此反应的酶是甲酰甘氨咪唑核苷酸合成酶。 （6）闭环 在氨基咪唑核苷酸合成酶作用下生成5-氨基咪唑核苷酸。 （7）六员环的合成开始 在氨基咪唑核苷酸羧化酶催化下， 5-氨基咪唑核苷酸与二氧化碳生成5-氨基咪唑-4-羧酸核苷酸。 （8）嘌呤环的第1位氮的固定 在氨基咪唑琥珀酸氨甲酰核苷酸合成酶催化下， 5-氨基咪唑-4-羧酸核苷酸与天冬氨酸和ATP生成5-氨基咪唑-4-琥珀酸甲酰胺核苷酸。 （9）脱掉延胡索酸 反应由腺甘酸裂解酶催化。生成5-氨基咪唑-4-甲酰胺核苷酸和延胡索酸。 （10）嘌呤环上最后的

11、碳原子由甲酰基供给。催化此反应的酶是氨基咪唑酰胺核苷酸甲酰基转移酶。 （11）脱水环化 在次黄苷酸环水解酶作用下脱水环化生成次黄嘌呤核苷酸（IMP）。5-5-磷酸核糖焦磷酸磷酸核糖焦磷酸5-5-磷酸磷酸核糖胺核糖胺甘氨酸甘氨酸甘氨酰胺核苷酸甘氨酰胺核苷酸甲酰甘氨酰胺核苷酸甲酰甘氨酰胺核苷酸甲酰甘氨咪核苷酸甲酰甘氨咪核苷酸5-5-氨基咪唑核苷酸氨基咪唑核苷酸5-5-氨基咪唑氨基咪唑-4-4-羧核苷酸羧核苷酸IMP的的 生物合成生物合成5-5-氨基咪唑氨基咪唑-4-4-琥珀琥珀基基- -甲酰胺核苷酸甲酰胺核苷酸5-5-氨基咪唑氨基咪唑-4-4-氨甲酰核苷酸氨甲酰核苷酸5-5-甲酰氨基咪唑甲酰氨基咪

12、唑- -4-4-氨甲酰核苷酸氨甲酰核苷酸次黄嘌呤核苷酸次黄嘌呤核苷酸（IMPIMP）甲酰甲酰THFATHFAPurine ring de novo synthesisPRPPSynthetaseN10-FormylTHFTHFPRPPP-RibosePhosphoribosylamineGlycinamideribonucleotideN10-FormylTHFTHFAmidophosphoribosyltransferasePhosphoribosylglycinamidesynthetasePhosphoribosylglycinamideformyltransferasePhosphor

13、ibosylformylglycinamidinesynthetasePhosphoribosylaminoimidazolesynthetasePhosphoribosylaminoimidazolecarboxylasePhosphoribosylaminoimidazolesuccinocarboxamidesynthetaseAdenylosuccinate lyasePhosphoribosylaminoimidazolecarboxamideformyltransferaseIMPcyclohydrolaseIMPATPATPATPATPFormylglycinamideribon

14、ucleotideFormylglycinamidineribonucleotide5-aminoimidazoleribonucleotide5-aminoimidazole4-carboxylateribonucleotide5-aminoimidazole4-Nsuccinocarboxamideribonucleotide5-aminoimidazole4-carboxamideribonucleotide5-Formamidoimidazole4-carboxamideribonucleotideGlutamineGlutamic acidIMP转变为转变为GMP和和AMP嘌呤环上各

15、原子的来源嘌呤环上各原子的来源来自谷氨酰胺的酰胺氮来自谷氨酰胺的酰胺氮来自来自“甲酸盐甲酸盐”来自天冬氨酸来自天冬氨酸来自甘氨酸来自甘氨酸来自来自CO2来自来自“甲酸盐甲酸盐” 2 2、补救途径、补救途径 核苷磷酸化酶 磷酸激酶（1）嘌呤1磷酸核糖 嘌呤核苷Pi A（G）MP ATP ADP 核苷酸焦磷酸化酶（2）嘌呤5磷酸核糖焦磷酸（PRPP） A（G）MP+PPi 哺乳动物和微生物中存在哺乳动物和微生物中存在： 磷酸核糖转移酶嘌呤碱5磷酸核糖焦磷酸（PRPP） A（G）MP+ PPi 生理意义生理意义减少从头合成时能量和原料的消耗减少从头合成时能量和原料的消耗节省节省: 作为某些器官作为某

16、些器官(脑脑,骨髓和脾骨髓和脾)合成核苷酸的途径合成核苷酸的途径遗传疾病遗传疾病Lesch-Nyhan 莱莱-尼综合征尼综合征,自毁容貌综合征自毁容貌综合征HGPRT基因缺陷基因缺陷嘌呤合成过多，明显的高尿酸血症，痛风伴嘌呤合成过多，明显的高尿酸血症，痛风伴-罕见的性染色体罕见的性染色体X连锁遗传病连锁遗传病疾病生化本质疾病生化本质:行为行为, 称之为称之为自毁容貌综合征自毁容貌综合征.大脑瘫痪、智力减退、舞蹈手足综合征大脑瘫痪、智力减退、舞蹈手足综合征,身体身体和精神发育迟缓和精神发育迟缓, 有咬指咬唇的强迫性自残有咬指咬唇的强迫性自残（二）嘧啶核苷酸的生物合成（二）嘧啶核苷酸的生物合成 1

17、 1、从头合成途径、从头合成途径 原料：CO2、NH3、天冬氨酸 5磷酸核糖1焦磷酸 （PRPP ） 过程：先组装嘧啶环然后与PRPP结合生成尿苷酸UMP，再在UMP基础上合成胞苷酸CMP。 嘧啶环上各原子的来源嘧啶环上各原子的来源 天冬氨酸天冬氨酸CO2NH3NNCCCC654321H2N-CO-P氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸Pyrimidine ring de novo synthesisPRPPPhosphoribose2 ATPATPMitochondrionPRPPSynthetaseCarbamoyl phosphateSynthetase IIAspartatetranscarbamoy

18、laseDihydroorotaseOrotatephosphoribosyltransferaseOrotidine5-monophosphatedecarboxylaseUMPOrotidine5-monophosphateOrotateOrotateDihydroorotateDihydroorotateDihydroorotatedehydrogenaseCarbamoylaspartateCarbamoylphosphate 2 2、补救途径、补救途径 UMP磷酸核糖转移酶（1）尿嘧啶PRPP UMPPPi 尿苷磷酸化酶（2）尿嘧啶1磷酸核糖 尿苷Pi 尿苷激酶 尿苷 UMPADP

19、ATP ADP （三）关于（三）关于NMPNMP与与NTPNTP的转变的转变 NMP激酶Mg2 NDP激酶Mg2NMP NDP NTP ATP ADP ATP ADP 二、脱氧核糖核苷酸的合成二、脱氧核糖核苷酸的合成 1、由核糖核苷酸在NDP水平上经2位去O原子还原为dNDP。（dUMPdUMP除外）除外） 核糖核苷二磷酸还原酶系Mg2NDPNADPHH dNDPNADPH2O 脱氧核苷酸的合成脱氧核苷酸的合成dUMP除外，其合成途径为除外，其合成途径为：（1）dUMP可来自可来自dUDP、dUTP的水解：的水解： 核苷酸酶核苷酸酶dUDP+H2O dUMP+Pi dUTP酶酶dUTP+H2O

20、 dUMP+PPi（2 2）dUMPdUMP可来自于可来自于dCMPdCMP的脱氨作用的脱氨作用 dCMPdCMP脱氨酶脱氨酶 dCMP+H2O dUMP+NH3 2 2、脱氧胸腺嘧啶核苷酸的生成、脱氧胸腺嘧啶核苷酸的生成 (1)由dUMP甲 基化生成dTMP dTMP合成酶dUMPN5，N10亚甲基四氢叶酸 dTMP 脱氧胸腺嘧啶核苷酸的合成脱氧胸腺嘧啶核苷酸的合成 胸腺嘧啶核苷酸合成酶胸腺嘧啶核苷酸合成酶NADPH+H+SerNADP+Gly N5、N10CH2 FH4 FH2二氢叶酸二氢叶酸还原酶还原酶Ser羟甲基羟甲基转移酶转移酶ONHNOdR-PCH3ONHNOdR-P 3、脱氧核糖

21、核苷酸也可在相应的激酶的催化下，由ATP提供能量，发生脱氧一磷酸、二磷酸、三磷酸之间的转变。得到dNTP、dNDP、dNMP。 dNMP激酶Mg2 dNDP激酶Mg2dNMP dNDP dNTP ATP ADP ATP ADP （2 2）经补救途径合成）经补救途径合成 胸苷磷酸化酶胸苷磷酸化酶T+T+脱氧核糖脱氧核糖1 1P P 胸苷胸苷+Pi+Pi 胸苷激酶胸苷激酶胸苷胸苷+ATP dTMP+ADP+ATP dTMP+ADP1. DNA的合成机理三、 多聚核苷酸的合成（一）、（一）、DNA的生物合成（复制）的生物合成（复制）2.复制的基本规律 （1）半保留复制 （2）在特定的部位开始 原核一个/真核多个 （3）单向或双向 （4）从5 3方向进行 （5）半不连续复制 （6）需要RNA作为引物3、DNA聚合酶的作用机理 半保留复制（二）、RNA的生物合成（转录） 1.合成机理2、RNA的合成过程RNA聚合酶催化RNA的合成RNA的复制