生物化学-核酸分解代谢.ppt

第十一章核酸的酶促降解和核苷酸代谢,第一节 核苷酸的分解代谢第二节 核苷酸生物合成,第十一章、核苷酸代谢,第一节、核苷酸的分解代谢,生物体普遍存在的磷酸单酯酶或核苷酸酶可催化核苷酸的水解，而特异性强的磷酸单酯酶只能水解3-Nt或5-Nt。催化核苷水解的酶有2类，即核苷磷酸化酶和核苷水解酶 Ns phosphorylaseNs+PiPu or Py+pentose-1-P Ns hydrolaseNs+H2OPu or Py+pentoseNs phosphorylase存在广泛，反应可逆Ns hydrolase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。,核酸酶(Nuclease)核酸酶是作用于核酸磷酸二酯键的水解酶，包括：1、核糖核酸酶(RNase)，2、脱氧核糖核酸酶(DNase)，其中能水解核酸分子内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)。,食物核酸与蛋白结合为核蛋白体（Nucleoproteins）的形式，在胃中受胃酸作用水解为NAs和Proteins，NA在小肠被胰nuclease（包括DNase、RNase）降解为Pu-Nt、Py-Nt和Oligonucleotide。肠黏膜释放的phosphodiesterase并协同胰核酸酶进行消化，水解为单核苷酸肠黏膜细胞中还有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。,一、核苷酸分解,二、核苷酸三级水平的降解,三、嘌呤核苷酸分解的三级脱氨,（一）、嘌呤碱的分解,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。,1、嘌呤分解中的脱氨作用,嘌呤碱的分解首先在各种脱氨酶的作用下水解脱氨，脱氨作用也可以在核苷或核苷酸的水平上进行。动物组织腺嘌呤脱氨酶含量极少，而腺嘌呤核苷脱氨酶及腺嘌呤核苷酸脱氨酶的活性较高，因此腺嘌呤的脱氨分解主要在核苷或核苷酸水平上进行。鸟嘌呤脱氨酶分布广，脱氨分解主要在该酶的作用下进行。,（1）、鸟嘌呤脱氨,（2）、黄嘌呤的分解,（3）、尿酸生成,（二）、嘌呤核苷酸的分解,1、不同生物嘌呤核苷酸的分解产物不同,鸟、昆虫、人类,非灵长类哺乳动物,硬骨鱼,鱼、两栖类,甲壳类、无脊椎,2、黄嘌呤氧化酶(Xanthine Oxidase),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成，分子量260,000，每个亚基含一个FAD、一个钼原子和一个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。底物与酶结合后，Mo(VI)被还原为Mo(IV)，电子经黄素、铁硫中心等传给O2，与氢离子生成H2O2，Mo(IV)氧化为Mo(VI)。,3、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，沉积于男性的关节部位引起疼痛或灼痛痛风和肾结石。,痛风的尿酸钠晶体,4、别嘌呤醇与次黄嘌呤,（1）、别嘌呤醇的作用,别嘌呤醇,别黄嘌呤,（2）、别嘌呤醇的作用机理,（3）、自杀底物(Suicide Substrate),结构与次黄嘌呤很相似的别嘌呤醇(allopurinol)，在黄嘌呤氧化酶的作用下氧化为别黄嘌呤(alloxanthine)，后者与酶中心的Mo(IV)牢固结合，使Mo(IV)不易转变成Mo(VI)而成为酶的灭活物，这种底物类似物被称为自杀作用（底）物，这种作用被称为自杀作用。,四、嘧啶碱的分解,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氨基，脱氨基也可以在核苷或核苷酸水平上进行。,（一）、嘧啶还原途径的分解,（二）、嘧啶氧化途径的分解,1、尿嘧啶、胞嘧啶分解,2、胸腺嘧啶的分解,返回,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，1、从头合成途径：由磷酸戊糖先和尚未完成的Pu或Py环结合，在未完成的环上添加必要的部分，然后闭合成环。2、补救途径：由现成的Pu,Py,Pentose及Pi在酶的作用下直接合成核苷酸（NtSalvage Pathway）；,一、嘌呤核苷酸的从头合成途径,碳14标记的HCOOH和氮15标记的氨基酸与鸽肝匀浆物共培养，得到Pu各元素的来源，1950s由J.Buchanan和G.Robert Greenberg提出Hypoxanthine de novo synthesis假说，并证明Hypoxanthine Nt是Ade-Nt及Gua-Nt合成的前体。,一、嘌呤核苷酸的从头合成途径,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：Mg2+,Mn2+,NAD+,THFA-CHO合成中先生成IMP，然后转变为AMP和GMP。,1、嘌呤环元素的来源,2、嘌呤核苷酸的全程合成总图,嘌呤核苷酸的全程合成（反应1）,5-磷酸核糖焦磷酸,5-磷酸核糖胺,嘌呤核苷酸的全程合成（反应2）,甘氨酰胺核甘酸,5-磷酸核糖胺,嘌呤核苷酸的全程合成（反应3）,1,甲酰甘氨酰胺核甘酸,甘氨酰胺核甘酸,嘌呤核苷酸的全程合成（反应4）,甲酰甘氨酰胺核甘酸,甲酰甘氨咪唑核甘酸,嘌呤核苷酸的全程合成（反应5）,甲酰甘氨咪唑核甘酸,5-氨基咪唑核甘酸,嘌呤核苷酸的全程合成（反应6）,5-氨基咪唑4-羧基核甘酸,5-氨基咪唑4-N琥珀酸氨甲酰核甘酸,嘌呤核苷酸的全程合成（反应7）,5-氨基咪唑4-N琥珀酸氨甲酰核甘酸,11,5-氨基咪唑甲酰胺核甘酸,嘌呤核苷酸的全程合成(反应8),5-氨基咪唑甲酰胺核甘酸,5-甲酰胺基咪唑-4-氨甲酰核甘酸,嘌呤核苷酸的全程合成（反应9）,5-甲酰胺基咪唑-4-氨甲酰核甘酸,次黄嘌呤核甘酸,3、由IMP合成AMP和GMP,磷酸核糖基焦磷酸（PRPP）,5、嘌呤核苷酸合成的调节,（1）、大肠杆菌腺苷酸和鸟苷酸合成的调节,（2）、氨甲蝶呤,（3）氮丝氨酸等Gln类似物,二、补救途径,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（APRT)及次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖基转移酶（HGPRT)实现AMP、IMP、GMP的补救合成。人体细胞大多为全程合成，但脑中多通过补救途径合成。,（一）、嘌呤核苷酸的补救合成,（二）、Lesch-Nyhan Syndrome（自毁容貌综合症）,HGPRT（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。,自毁容貌综合症机理,三、嘧啶核苷酸的合成,从头合成途径 生物有机体利用CO2、NH3及天冬氨酸合成核苷酸的途径。嘧啶核苷酸的合成包括：补救途径 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。,（一）、从头合成途径,1、嘧啶环元素的来源,2、氨甲酰磷酸合成氨甲酰Asp,3、乳清酸的合成,4、乳清酸合成UMP,5、嘧啶核苷酸的全程合成：由乳清酸合成UTP和CTP,6、UTP合成CTP,7、嘧啶核苷酸合成的调节,8、嘧啶核苷酸的合成受到反馈抑制的调节,细菌嘧啶核苷酸合成速度的调节很大程度受到Asp羧甲基转移酶（ATCase）的调节，产物CTP对反应为抑制作用。细菌ATCase分子有6个催化亚基和6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CTP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，CTP未与调节亚基结合时，酶的活性最大；CTP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基构象改变，酶变为无活性形式。ATP阻止由CTP所引起改变的改变。,CTP和ATP对天门冬氨酸羧甲基转移酶的变构调节,（二）、嘧啶核苷酸的补救合成,UMP磷酸核糖基转移酶Ura+PRPPUMP+PPi 尿嘧啶磷酸化酶Ura+1-P-RUridine+Pi 尿苷激酶 Uridine+ATPUMP+ADPCytosine不能与PRPP作用。,三、三磷酸核苷酸的合成,1.AMP生成ATP 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NDPATP+NMPADP+NDP3.NTP的生成 Ns diphosphate kinaseNTPD+NDPANDPD+NTPA,四、脱氧核糖核苷酸的合成,以核糖核苷酸为原料，通过NDP还原酶将核糖分子还原为脱氧核糖。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。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)。产物为dNDP。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,1、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,2、核糖核苷酸还原酶,Tyr,Fe2+,3、核糖核苷酸还原酶作用的可能机制,4、脱氧核苷酸合成机理,5、硫氧还蛋白,7、硫氧还蛋白还原酶,8、谷氧还蛋白还原酶,9、脱氧核苷三磷酸对核糖核苷酸还原酶的调节,（二）、dTMP的生物合成,存在两种不同途径：补救和全程合成补救途径以完成的Thy为原料，先生成dT，再形成dTMP。,1、胸苷酸的合成,2、dTMP的生物合成,全程合成途径以dUMP为原料N5,N10-methylene THFA为甲基供体，由dTMP synthetase 催化生成。,1、由胸苷酸合成酶和二氢叶酸还原酶催化的dUMP合成dTMP,2、二氢叶酸还原酶,3、胸苷酸合成酶与二氢叶酸还原酶,氟尿嘧啶,4、胸苷酸合成和叶酸代谢作为化学治疗的靶位点,5、dUMP到dTMP的转变及FdUMP的抑制,五、dNTP的生成,六、NAD的合成,七、NAD的合成过程,八、FAD的合成,返回,