核酸的降解与核苷酸代谢.ppt
第十一章 核酸的降解与核苷酸代谢,内容第一节 核酸的酶促降解第二节 核苷酸的分解代谢第三节 核苷酸的合成代谢,教学目的和要求,1、了解核酸的酶促降解及降解所用的酶；2、掌握嘌呤核苷酸、嘧啶核苷酸的分解代谢；3、掌握嘌呤核苷酸、嘧啶核苷酸从头合成途径、补救合成途径及其生理意义。,核酸酶的定义及分类核酸酶是指作用于核酸的磷酸二酯键的酶 依据底物不同分类DNA酶(deoxyribonuclease,DNase)：专一降解DNARNA酶(ribonuclease,RNase)：专一降解RNA,一、概述,第一节 核酸的酶促降解,依据切割部位不同 核酸内切酶：分为限制性核酸内切酶和非特异性限制性核酸内切酶。限制性内切酶：在细菌细胞内存在的一类能识别并水解外源双链DNA的核酸内切酶，可用于特异切割DNA，常作为工具酶。核酸外切酶：53或35核酸外切酶,一、核酸外切酶（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(RNase)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,5,OH,B,3,B,B,B,B,B,B,B,牛脾磷酸二酯酶（5端外切5得3）,蛇毒磷酸二酯酶（3端外切3得5）,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。,1、非特异性内切酶（P285）,（1）核酸酶（2）核糖核酸酶（3）脱氧核糖核酸酶,2、限制性内切酶（ristriction endonuclease）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4-8个碱基对范围内，从前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。,限制性内切酶类型,I型：分子量大于105，多亚基，需S-线苷蛋氨酸、ATP和Mg2+，识别位点与切割位点相差甚远，产物为异质，是限制与修饰相排斥的多功能酶.,型：分子量小于105，需Mg2+，切割位点位于识别 位点上，产物为专一性片段，不具修饰酶功能。现在分子生物学研究所用的限制性内切酶均为此类。,I型：识别位点为5-7bp的非对称序列，切割位点在顺序之外离识别 序列5-10bp，切割双链，个别也切割单链。是限制与修饰相多功能酶.,常用的DNA限制性内切酶的专一性,酶,辨认的序列和切口,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 G G G C C C,Bam H I,Alu I,Bgl I,Eco R I,Hind,Sal I,Sma I,四核苷酸，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,限制性内切酶的命名和意义,Eco R I,序号,属名,种名,株名,例：Eco R I，这是从大肠杆菌（Ecoli）R菌珠中分离出的一种限制性内切酶,限制性内切酶是分析染色体结构、制作DNA限制图谱、进行DNA序列测定和基因分离、基因体外重组等研究中不可缺少的工具，是一把天赐的神刀，用来解剖纤细的DNA分子。,粘性末端,EcoR,核酸,磷酸,核苷酸,核苷,磷酸-戊糖,碱基,水解,何处去？,进入磷酸戊糖途径或重新合成核酸,？,分解合成,第二节 核苷酸的分解代谢,（1）、嘌呤的降解,不同种类的生物分解嘌呤碱的能力不同，因此，终产物也不同。排尿酸动物：灵长类、鸟类、昆虫、排尿酸爬虫类排尿囊素动物：哺乳动物（灵长类除外）、腹足类排尿囊酸动物：硬骨鱼类排尿素动物：大多数鱼类、两栖类某些低等动物能将尿素进一步分解成NH3和CO2排出。植物分解嘌呤的途径与动物相似，产生各种中间产物（尿囊素、尿囊酸、尿素、NH3）。微生物分解嘌呤类物质，生成NH3、CO2及有机酸（甲酸、乙酸、乳酸、等）。,（2）、嘧啶的降解,胞嘧啶,NH3,尿嘧啶,二氢尿嘧啶,H2O,CO2+NH3,-丙氨酸,胸腺嘧啶,-脲基异丁酸,-氨基异丁酸,H2O,丙二酸单酰CoA,乙酰CoA,TCA,肝,尿素,甲基丙二酸单酰CoA,琥珀酰CoA,TCA,糖异生,核苷酸的合成途径一般有两条：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。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。,第三节 核苷酸的合成代谢,一、核糖核苷酸的生物合成（一）嘌呤核糖核苷酸的合成 1、从头合成路线 原料：CO2、甲酸盐、甘氨酸、天冬氨酸、谷氨酰胺 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、尿苷酸GMP。,嘌呤环上各原子的来源,来自谷氨酰胺的酰胺氮,来自“甲酸盐”,来自天冬氨酸,来自甘氨酸,来自CO2,来自“甲酸盐”,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-磷酸核糖焦磷酸,5-磷酸核糖胺,甘氨酸,甘氨酰胺核苷酸,甲酰甘氨酰胺核苷酸,甲酰甘氨咪核苷酸,5-氨基咪唑核苷酸,5-氨基咪唑-4-羧核苷酸,IMP的 生物合成,5-氨基咪唑-4-琥珀基-甲酰胺核苷酸,5-氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸,5-甲酰氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸,次黄嘌呤核苷酸（IMP）,甲酰THFA,IMP转变为GMP和AMP,反应要点：,（1）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核苷酸再转变为其他嘌呤核苷酸。（2）5-磷酸核糖-1焦磷酸（PRPP）是核苷酸中核糖磷酸部分的供体，PRPP是由ATP和核糖-5-磷酸合成。（3）嘌呤的各个原子在PRPP的C1位置上逐渐加上去的，其关键步骤是PRPP和谷氨酰胺形成5-磷酸核糖胺。（4）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原子形成甲酰干酰胺，至此嘌呤骨架的4、5、7、8、9位顺序已形成。（5）由谷氨酰胺的酰胺基提供第三位N原子，形成甲酰甘氨脒核甘酸，接着脱水闭环形成5-氨基米唑核苷酸，反应所需能量来自ATP。（6）最后，由CO2、天冬氨酸、甲酰四氢叶酸先后提供六元环上的其他原子，最后生成次黄嘌呤核苷酸。,2、从头合成的调节,主要控制点有三个受到两个终产物AMP、GMP的反馈抑制,R-5-P PRPP PRA IMP,AMPGMP,磷酸核糖焦磷酸转酰胺酶,腺苷酸琥珀酸合成酶,次黄嘌呤核苷酸脱氢酶,腺苷酸琥珀酸裂解酶,鸟嘌呤核苷酸合成酶,腺苷酸琥珀酸黄嘌呤核苷酸,利用体内游离的嘌呤或嘌呤核苷，经过简单的反应，利用腺嘌呤磷酸核糖转移酶和次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖转移酶，合成嘌呤核苷酸的过程，称为补救合成（或重新利用）途径。,（二）、嘌呤核苷酸的补救合成途径,1.定义,原料:已有的嘌呤碱、PRPP重要的酶：腺嘌呤磷酸核糖转移酶 次黄嘌呤(鸟嘌呤)磷酸核糖转移酶磷酸核糖供体：PRPP意义,：碱基+1-磷酸核糖 核苷+Pi核苷+ATP 核苷酸+ADP,核苷激酶,核苷磷酸化酶,途径二,途径一,次黄嘌呤（鸟嘌呤）磷酸核糖转移酶 HGPRT,次黄嘌呤（鸟嘌呤）磷酸核糖转移酶 HGPRT,仅有腺苷激酶,2.补救合成的生理意义,补救合成途径可以节省从头合成途径时所需的能量和一些氨基酸的消耗。体内某些组织器官，如脑、骨髓等只能进行补救合成。自毁容貌征,大脑中次黄嘌呤核苷酸和鸟嘌呤核苷酸的合成主要依赖补救合成途径，患者由于脑组织中缺乏次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖转移酶，使补救合成途径受阻，导致中枢神经系统功能失常，自我损伤。,（二）嘧啶核苷酸的生物合成 1、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,天冬氨酸,CO2,NH3,N,N,C,C,C,C,6,5,4,3,2,1,氨甲酰磷酸,2、尿嘧啶核苷酸合成途径,天冬氨酸转氨甲酰酶,二氢乳清酸酶,二氢乳清酸脱氢酶,乳清酸磷酸核糖转移酶,乳清苷酸脱羧酶,UMP,尿嘧啶核苷三磷酸可直接与NH3（细菌）或Gln（植物）反应，生成胞嘧啶核苷三磷酸。,UMP+ATP,尿嘧啶核苷酸激酶Mg2+,UDP+ADP,UDP+ATP,核苷二磷酸激酶Mg2+,UTP+ADP,CTP合成酶,UTP+Gln（NH4+）+ATP+H2O,CTP+Glu+ADP+Pi,3、胞嘧啶核苷酸的合成,氨甲酰磷酸合成酶：受UMP反馈抑制天冬氨酸转氨甲酰酶：受CTP反馈抑制CTP合成酶：受CTP反馈抑制,4、嘧啶核苷酸生物合成的调节（大肠杆菌）,5.补救合成,原料:已有的嘧啶碱、PRPP、核苷重要的酶：核苷磷酸化酶、核苷激酶 磷酸核糖转移酶,胞嘧啶+1-磷酸核糖 胞嘧啶核苷+Pi胞嘧啶核苷+ATP 胞嘧啶核苷酸+ADP,胞苷磷酸化酶,尿苷激酶,途径一：尿嘧啶+1-磷酸核糖 尿嘧啶核苷+Pi尿嘧啶核苷+ATP 尿嘧啶核苷酸+ADP途径二：尿嘧啶+5-磷酸核糖焦磷酸 尿嘧啶核苷酸+PPi,UMP磷酸核糖转移酶,尿苷磷酸化酶,尿苷激酶,尿苷酸,胞苷酸,二 脱氧核糖核苷酸的合成,(一)、二磷酸脱氧核糖核苷的生成：,即：dADP、dGDP、dCDP、dUDP 需一步完成，dTDP需二步完成。,在生物体内，A、G、C、U四种核糖核苷酸均可被还原成相应的脱氧核糖核苷酸。通常核糖核苷酸是在核苷二磷酸水平上被还原的。其还原过程如下：,反应要点：1、反应类型：还原反应 2、反应水平：二磷酸核苷（NDP）水平 3、酶体系：二磷酸核糖核苷还原酶系。它包括四种蛋白质。4、辅助因子：NADPH+H+（还原剂）,(二)、脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）的生成：,DNA分子中碱基配对UT（dTMP），脱氧胸苷酸是如何合成的呢？一般需要两个步骤：（1）是尿嘧啶脱氧核糖核苷酸（dUMP）的形成；（2）dUMP 经甲基化生成 dTMP（脱氧胸腺嘧啶核苷酸）。,四、核苷三磷酸及脱氧核苷三磷酸的合成1、关于NMP与NTP的转变 NMP激酶Mg2 NDP激酶Mg2NMP NDP NTP ATP ADP ATP ADP,2、关于dNMP与dNTP的转变 脱氧核糖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,核苷酸的合成及相互关系,作业：简答题：1、那些氨基酸直接参与了核苷酸的合成2、核酸酶有那几种类型，作用特点如何？3、简述嘌呤核苷酸分子中各原子的来源及合成特点4、简述嘧啶核苷酸分子中各原子的来源及合成特点,
