核酸酶促降解和核苷酸代谢.ppt

,第十章核酸酶促降解和核苷酸代谢 核酸酶促降解产物为核苷酸及其衍生物，在代谢上非常重要，它们几乎参与细胞的所有生化过程。主要表现:合成新核酸。参与其它生物合成，ATP、GTP参与能量代谢；UDPG、ADPG参与淀粉、糖原的生物合成等。AMP是重要的辅因子(FAD、NAD、CoA等）的重要 组分。充当第二信使 cAMP、cGMP。其它含N代谢物。,第十章核酸酶促降解和核苷酸代谢,第一节 核酸酶促降解第二节 核苷酸的分解代谢第三节 核苷酸的合成代谢,第一节 核酸酶促降解 所有的细胞内均含有降解核酸的酶类,它们协同作用可把核酸彻底分解为嘌呤、嘧啶、戊糖和磷酸。核酸的降解 水解核酸3，5-磷酸二酯键的酶，称为核酸酶。核酸酶分为核酸内切酶和核酸外切酶：内切酶；从核酸的内部切断磷酸二酯键。外切酶：从核苷酸链的3-未端或5-未端逐个水解切 下单核苷酸。,根据核酸酶对底物的专一性将其分为三类:1.核糖核酸酶(RNase)2.脱氧核糖核酸酶(DNase)DNase只能水解DNA的磷酸二酯键。胰DNase I 可切割双链和单链DNA，产物为5-磷酸寡核苷酸、牛脾DNaseII降解DNA则产生3-磷酸为未端的寡核苷酸。3.非特异性核酸酶 RNA、DNA均可水解。例如：小球菌核酸酶是内切酶，可作用RNA或变性DNA，产生3-P-核苷酸，而蛇毒磷酸二酯酶则能从RNA链或DNA链的3-羟基末端逐个切割核苷酸，生成5-P-核苷酸。牛胰核酸酶5-外切酶产物为3-P-核苷酸。,限制性内切酶,生物功能:在于防止病毒感染宿主细胞或者用于降解外面侵入的DNA，但不降解自身细胞中的DNA，因为在自身DNA的酶切位点上经甲基化修饰受到保护。分类：限制性内切酶有三种类型I、II、III。I和III型限制性内切酶水解DNA需要消耗ATP。可通过在碱基上以甲基化对DNA进行化学修饰。II型限制性内切酶水解DNA不需要消耗ATP，不以甲基化对DNA进行化学修饰，能识别DNA的特异核苷酸序列，并在所识别的特异核苷酸顺序内或附近切割DNA。,产物：粘性末端 平齐末端,分子刀-DNA限制性内切酶,识别特定的核苷酸序列46个碱基对形成粘性末端或平端,重组DNA分子的操作,基因体外重组,The formation of a recombinant DNA molecule,限制性内切酶名称的第一个字母取自获得此内切酶的细菌属名的第一个字母，用大写。名称的第二、三个字母取自该细菌种名的头二个字母，用小写字母。如果该细菌还有不同的株系，则另加第四个代表株系的字母或数字；最后是用罗马字大写的数字，代表同一菌株中不同限制性内切酶的编号。如Hind 代表从流感噬血杆菌d株（haemophilus influenzae）中分离到的第三种内切酶。,限制内切酶的命名,一、核苷酸的降解 核苷酸在核苷酸酶的作用下水解为磷酸和核苷。核苷酸酶有两类：一类是非特异核苷酸酶，对2,3或5核苷酸均可水解，另一类是特异性强的核苷酸酶，有3-核苷酸酶，5-核苷酸酶。核苷经核苷酶作用后，产生嘌呤、嘧啶和核糖。这类酶也有两类:一类是核苷磷酸化酶，它催化核苷水解产生碱基和磷酸核糖;另一类是核苷水解酶，它分解核苷产生碱基和核糖。核苷磷酸化酶 核苷+磷酸=碱基+磷酸核糖动物、反应可逆核苷水解酶核苷+H2O=碱基+核糖 植物和微生物、不可逆,第二节 核苷酸的分解代谢,二、嘌呤的降解 不同的生物对嘌呤的分解能力不同,因而具有不同的代谢终点（分解终产物不同）。,AI 黄嘌呤-尿酸 人类和灵长类G 尿囊素 其它哺乳动物 尿囊酸 植物 尿素+乙醛酸 大多鱼类 NH3+CO2 海洋无脊椎动物或微生物,脱氨酶,脱氨酶,尿囊素酶,尿酸氧化酶,脲酶,尿素酸酶,黄嘌呤氧化酶,黄嘌呤氧化酶,三、嘧啶的降解 一般具有氨基的嘧啶碱需要水解脱去氨基，如胞嘧啶生成尿嘧啶，尿嘧啶或胸腺嘧啶经还原生成二氢尿嘧啶或二氢胸腺嘧啶。DHU经水解使环裂开，生成-脲基丙酸,再水解生成CO2、NH3和-丙氨酸。DHT也发生类似水解反应，先生成-脲基异丁酸，后者水解生成CO2、NH3和-氨基异丁酸。,嘧啶碱的分解代谢,第三节 核苷酸的合成代谢 植物、动物和微生物，一般都能够合成各种嘌呤和嘧啶核苷酸，它们的合成途径大致相同。通常核苷酸的生物合成有两条主要途径:从头合成 利用简单的原料如氨基酸、甲酸盐和CO2等合 成核苷酸。补救途径 利用核酸降解的中间产物或外源的核苷与嘌呤 碱和嘧啶碱直接合成新的核苷酸。,核苷酸合成的两条途径,核糖、氨基酸、CO2、NH3,核糖核苷酸,脱氧核苷酸,辅酶,RNA,核苷,碱基,脱氧核苷,DNA,补救途径 从头合成,一、嘌呤核苷酸的生物合成1、从头合成 以5-磷酸核糖-1-焦磷酸(PRPP)提供核糖,在此基础上逐步进行嘌呤环的“组装”。首先形成IMP（次黄嘌呤核苷酸）,以后再转化为其它各种嘌呤核苷酸。,嘌呤环上各原子的来源,次黄嘌呤核苷酸(IMP)的合成途径所需酶,1、PRPP合成酶2、酰胺磷酸核糖转移酶 3、磷酸核糖甘氨酰胺合成酶 4、磷酸核糖甘氨酰胺转甲酰基酶 5、磷酸核糖甲酰甘氨脒合成酶 6、氨基咪唑核苷酸合成酶 7、氨基咪唑核苷酸羧化酶 8、氨基咪唑琥珀基氨甲酰核苷酸合成酶9、腺苷酸琥珀酸裂合酶 10、磷酸核糖氨基咪唑甲酰胺转甲酰基酶 11、次黄嘌呤核苷酸环水解酶,IMP的合成途径：PRPP经11 Step合成IMP,ATP,甘氨酸,ADPPi,CO2,IMP转变为GMP和AMPIMP的C6=O 氨基化生成AMP：Asp延胡索酸，留下-NH2；IMP的C2氨基化生成GMP：+H2O，脱HC2=O，Gln提供-NH2GTP和ATP的形成 激酶 激酶AMP（GMP）+ATP ADP（GDP）ATP（GTP）,嘌呤核苷酸合成的要点,嘌呤核苷酸的合成并不是先形成游离的嘌呤，然后再生成核苷酸，而是直接形成次黄嘌呤再转变为其他核苷酸。PRPP是核苷酸中磷酸核糖的供体，PRPP是ATP和5-磷酸核糖合成的。嘌呤的各个原子在PRPP的C1位置逐渐加上去的，其关键步骤是从PRPP和谷氨酰胺形成5-磷酸核糖胺。在5-磷酸核糖胺的氨基位置，由Gly和甲酰四氢叶酸先后提供C和N原子形成甲酰甘氨酰胺，至此嘌呤骨架的4,5,7,8,9位顺序已形成。由谷氨酰胺的酰胺基提供第3位N原子，形成甲酰甘氨脒核苷酸，接着脱水闭环成5-氨基咪唑核苷酸，反应所需能量来自ATP。最后，由CO2、Asp，甲酰四氢叶酸先后提供六元环上的其他原子，生成IMP。,嘌呤核苷酸生物合成的反馈调节,2、补救合成途径a.A+PRPP-AMP+PPi G(或I)+PRPP-GMP+PPib.嘌呤在核苷磷酸化酶作用下生成嘌呤核苷,后者在激酶作用下与ATP反应生成嘌呤核苷酸。嘌呤+1-P-核糖-嘌呤核苷Pi ATP 核苷磷酸激酶 嘌呤核苷酸ADP,腺嘌呤（或G）磷酸核糖转移酶,核苷磷酸化酶,二、嘧啶核苷酸的生物合成,1、从头合成 嘧啶核苷酸的从头合成和嘌呤核苷酸不同。首先形成的是嘧啶环，然后才与磷酸核糖结合为乳清酸核苷酸，再生成UMP，后者转变为其它的嘧啶核苷酸。嘧啶碱上原子的来源,氨甲酰磷酸,N1,N3,C2,C4,C6,C5,天冬氨酸,谷氨酰氨,尿嘧啶核苷酸（UMP）的合成,由氨甲酰磷酸与天冬氨酸合成氨甲酰天冬氨酸，闭环并被氧化成乳清酸。乳清酸与PRPP作用生成乳清酸核苷酸，乳清酸核苷酸脱羧后就成为尿嘧啶核苷酸。UMP合成过程可概括为：1）由氨甲酰磷酸与天冬氨酸反应，然后脱氢生成乳清酸。2）乳清酸与5磷酸核糖焦磷酸结合经脱羧后就成为尿嘧啶核苷酸（UMP）。,UMP的酶促合成途径,谷氨酰氨2ATPHCO3 氨甲酰磷酸2ADPPi谷氨酸,氨甲酰磷酸合成酶,UMP转变为CTP,UMPATP UDP+ADP CTP UTP,尿嘧啶核苷酸激酶,尿苷二磷酸激酶,ATP,ADP,嘧啶核苷酸生物合成的调节,2、补救合成途径对外源和自身代谢产生的嘧啶碱和核苷也可直接利用。(1)U+PRPP UMP+PPi（主要途径）尿苷激酶(2)U+1-P-核糖 尿嘧啶核苷+Pi Mg 2+ATP UMP+ADP,UMP磷酸核糖转移酶,三、脱氧核糖核苷酸的生物合成 脱氧核苷酸是由相应的核糖核苷酸还原生成的。、G、C这三种核糖核苷酸经还原，以氢代替2羟基，即成为相应的脱氧核糖核酸。但dTMP的形成需要两个步骤：首先由UMP还原成dUMP，然后尿嘧啶再经甲基化转变成胸腺嘧啶。ADP、UDP、GDP、CDP的生成是由相应的单核苷酸激酶催化生成的。NMP+ATP NDP+ADP,1.核糖核苷酸还原细菌与动物中，在核苷二磷酸水平上进行。还原酶系：核糖核苷酸还原酶、硫氧还蛋白、硫氧还蛋白还原酶。供氢体：NADPH NDP d NDP,核苷酸还原酶系,2dTMP的合成 由TMP合成酶催化dUMP经甲基化而生成，甲基供体是N5，N10亚甲基四氢叶酸。dUMP 甲基化 dTMP N5，N10亚甲基四氢叶酸 二氢叶酸 补救途径：TMP+脱氧核糖1磷酸 胸苷Pi 胸苷ATP dTMPADP,胸苷磷酸化酶,胸苷激酶,四、NTPs和dNTPs的合成,dNMP+ATP dNDP+ADPAMP+ATP 2ADPNDP+NTP NTPNDP,核苷单磷酸激酶,腺苷酸激酶,核苷二磷酸激酶,ATP,核苷酸之间的相互关系,五、核苷酸合成的抑制剂,1）Gln类似物 如重氮乙酰-L-丝氨酸与Gln氨基转移酶形成共价键(不可逆抑制)。2）叶酸及其底物类似物 磺胺、氨基蝶呤可抑制叶酸的合成。3）碱基或核苷类似物 5-氟尿嘧啶和5-氟脱氧尿嘧啶抑制胸苷酸合成酶；6-巯基嘌呤和6-甲基巯基嘌呤核苷抑制核苷酸的合成。,六、核苷酸辅酶的合成,辅酶有FMN、FAD、NAD、NADP和CoA。1.FMN、FAD的合成核黄素ATP FMNADPFMNATP FADPPi,黄素激酶,FAD焦磷酸化酶,2.NAD、NADP的合成,3.CoA的合成,复习思考题,1.举例说明降解核酸的酶的作用方式和特异性。2.生物体内嘌呤环和嘧啶环是如何合成的？有哪些氨基酸直接参与核苷酸的合成？3.什么是核苷酸的从头合成途径？什么是其补救途径？4.脱氧核苷酸是如何合成的？,