第十三章核酸代谢.ppt
第十三章 核酸代谢 预备知识 第一节 核酸的降解和核苷酸代谢 第二节 DNA的复制和修复 第三节 RNA的生物合成和加工 本节小结 DNA与RNA 核酸的生物功能 DNA是主要的遗传物质 RNA参与蛋白质的生物合成 三类RNA共同控制着蛋白质的生物合成 RNA功能的多样性 核苷酸的功用 合成核酸的原料 体内能量的利用形式：ATP,GTP,CTP,UTP 参与代谢和生理调节：cAMP,cGMP 组成辅酶：FAD,NAD+,NADP+ 活化中间代谢物： UDPG，CDP-DG，SAM 核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸 腺嘌呤核苷酸 （5-AMP） NN NH2 N N O HH OHHO HH CH2OP O¯ O¯ O 5´ 胞嘧啶脱氧核苷酸 (5-dCMP) N O HH HHO HH CH2 5´ O NH2 N OP O¯ O¯ O 5 5 均为 -糖 苷键 磷酸酯键 作用于核酸分子中磷酸二酯键的酶. 1. 根据对底物的专一性可分为： (1)核糖核酸酶(Nase): (2)脱氧核糖核酸酶Nase （3）非特异性核酸酶 2. 根据酶的作用方式分：核酸内切酶、核酸外切酶 。 核酸酶 U(或C ） 5 P 3 U(或C ） P 3 G 5 3 U(或C、A ） P 3 牛胰核糖核酸酶（RNaseI）-作用位点是嘧啶 核苷-3-磷酸与其它核苷酸间的连接键。 核糖核酸酶T1（RNaseT1）-作用位点是3 -鸟 苷酸与其它核苷酸的5-OH间的键。 (1)核糖核酸酶(Nase): (2)脱氧核糖核酸酶Nase 牛胰脱氧核糖核酸酶（DNaseI）可切割双链和 单链DNA。产物是以5-磷酸为末端的寡核苷酸。 限制性核酸内切酶：细菌体内能识别并水解外 源双源DNA的核酸内切酶，产生3-OH和5-P。 （3）非特异性核酸酶 蛇毒磷酸二酯酶能从RNA或DNA链的游离的3- OH 逐个水解，生成5-核苷酸。 牛脾磷酸二脂酶从游离的5-OH开始逐个 水解，生成3核苷酸。 2. 根据酶的作用方式分：核酸内切酶、核酸外切酶。 核苷酸酶 （磷酸单脂酶） 水解核苷酸，产生核苷和磷酸 非特异性磷酸单酯酶：不论磷酸基在戊糖的2、3、 5 ，都能水解下来。 特异性磷酸单酯酶： 只能水解3核苷酸或5核苷酸 （3 核苷酸酶、5核苷酸酶） 核苷酶 核苷磷酸化酶：广泛存在，反应可逆。 核苷水解酶：主要存在于植物、微生物中，只水解核 糖核苷，不可逆 第一节 核酸的降解和核苷酸代谢 一、核酸的酶促降解 二、嘌呤碱和嘧啶碱的分解 三、核苷酸的生物合成 核酸 磷酸 核苷酸 核苷 磷酸-戊糖碱基 水 解 核酸酶 核苷酸酶 核苷磷酸化酶 何处去？ 进入磷酸戊糖途径 或重新合成核酸 ？ 分解 合成 一、核酸的酶促降解 nucleic acid nucleotide phosphate (磷酸二酯酶) （磷酸单酯酶) base purine pyrimidine DNA RNARNA 外切酶外切酶 内切酶内切酶 特定部位的特定部位的限制性内切酶限制性内切酶 反应部位：主要肝、肾、小肠 代谢终产物：尿酸 重要的酶：黄嘌呤氧化酶 血浆中尿酸含量（正常值）： 0.12-0.36mmol/L， (2-6mg%) （一）嘌呤核苷酸的分解代谢 嘌呤核苷酸的分解代谢历程 Uric acid 嘌呤代谢异常的一种疾病 代谢异常的突出表现是尿酸生成过多， 使血尿酸 临床表现：尿酸含量过高，血中尿酸含 量升高，难溶性的尿酸盐沉积于关节和软 骨及肾等处，导致关节炎、尿路结石及肾 疾病。 血中尿酸含量：超过8mg% 痛风症 别嘌呤醇治疗痛风症的机理 （1）抑制黄嘌呤氧化酶，从而抑制尿酸的生成 （2）同时反馈抑制嘌呤核苷酸从头合成的酶系 核苷酸酶 核苷磷酸化酶 嘧啶核苷酸 核苷 嘧啶 C、U：CO2、NH3、 ß-丙氨酸 终产物 T：CO2、NH3、 ß-氨基异丁酸 （二）嘧啶核苷酸的分解代谢 嘧啶核苷酸的分解代谢历程 -丙氨酸 二、嘌呤和嘧啶的分解 在各种脱氨酶作用下水解脱去氨基。390页 脱氨基作用主要在核糖、核苷酸和碱基三个水平进行。 不同种类的生物分解嘌呤的能力不同，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）。 （一）嘌呤的分解 嘌呤碱的分解嘌呤碱的分解 嘌呤碱包括嘌呤碱包括: : A A- -腺嘌呤、腺嘌呤、G G- -鸟嘌呤鸟嘌呤 vvA-A-腺嘌呤的分解腺嘌呤的分解 不同种类动物将尿酸直排或进行不同程度的继续降解排出 体外。H2O2在SOD（超氧化物歧化酶）或过氧化氢酶作用 下分解为H2O。 在人体中嘌呤碱基的分解是不开环，而不断在环外不断加 氧氧化的过程。 vv G-G-鸟嘌呤分解与鸟嘌呤分解与A A类似类似 共同分解中产物为黄嘌呤，产物也是尿酸。 若浓度过高会引起尿结石、风湿性关节炎。 核糖 脱氨基酶 A-腺嘌呤 腺苷 次黄苷 核苷磷酸化酶 核糖-1-磷酸 次黄嘌呤 黄嘌呤氧化酶 H2O O2 黄嘌呤氧化酶 H2O O2 黄嘌呤黄嘌呤 尿酸 （二）嘧啶的分解 有氨基的首先水解脱氨基。391页 人和某些动物体内脱氨基过程有的发生在核苷或核苷酸上。 脱下的NH3可进一步转化成尿素排出。 嘧啶碱包括 ：U-U-尿嘧啶，C-C-胞嘧啶，T-T-胸腺嘧啶 嘧啶环在相应的水解酶催化下，从解开嘧啶环开始逐个的水 解各个骨架原子最终释放出CO2，NH3，同时生成相应的酸。 尿嘧啶与胞嘧啶的分解类似，分解产物为乙酸。 胸腺嘧啶分解终产物为-氨基异丁酸 胞嘧啶胞嘧啶 NH3 NH3 尿嘧啶尿嘧啶 NADPH+H+ NADPH+ 2 CO2 - -丙氨酸丙氨酸 NH3 CH3 CO2 乙酸乙酸 乙酸+3NH3+2CO2 胸腺嘧啶胸腺嘧啶 NADPH+H+ NADPH+ CO2+NH3 - - 氨基异丁酸氨基异丁酸 -氨基异丁酸 +CO2+NH3 排出体外或进入有机酸 代谢。 CO22 3 三、核苷酸的生物合成 1.从“头合成”途径：利用磷酸核糖、氨基利用磷酸核糖、氨基 酸及酸及COCO 2 2 等简单物质为原料，经一系列酶促等简单物质为原料，经一系列酶促 反应，合成嘌呤核苷酸的途径。反应，合成嘌呤核苷酸的途径。 2.2.补救合成途径：利用体内游离的嘌呤核苷补救合成途径：利用体内游离的嘌呤核苷 或嘧啶核苷，经过简单的反应过程，合成核或嘧啶核苷，经过简单的反应过程，合成核 苷酸的途径。苷酸的途径。 （一）核苷酸生物合成的基本途径 核苷酸生物合成途径概括 补救途径从头合成 核苷 辅酶 碱基 核糖核苷酸 核糖、氨基酸、CO2、NH3 脱氧核苷 脱氧核苷酸 RNA DNA （二） 嘌呤核苷酸的合成 甘氨坐中间，谷氮站两边，左手开天门，头顶二氧碳。 1.从头合成 （1）嘌呤碱合成的元素来源 “从头合成”中碱基各原子来源 嘌嘌 呤呤 碱碱 天冬氨酸天冬氨酸 谷氨酰胺谷氨酰胺 甘氨酸甘氨酸 甲酸甲酸 甲酸甲酸 CO2 通过放射性同位素法推断 磷酸核糖C1上逐个安插成嘌呤碱成分，形成A(G)MP。 （2）从头合成途径 ATPAMP 5-磷酸核糖PRPP 焦磷酸激酶，镁离子。 磷酸核糖焦磷酸合成酶 PRPP 5-磷酸核糖胺 IMP AMP GMP PRPP R-5-P5-磷酸核糖 O OHOH CH2 O P OH ATP AMP PRPP 磷酸核糖焦磷酸 O OHOH CH2 O P O P Gln Glu PRA 1-氨基-5-磷酸核苷 O OHOH CH2 O PNH2 P ATP Gly 甘氨酰胺核苷酸 O OHOH CH2 O P NH C H2CNH2 O FH4 510 N ,N-CH=FH4 甲酰甘氨酰核苷酸 O OHOH CH2 O P NH C H2CNH O CHO GluGln 甲酰甘氨咪核苷酸 O OHOH CH2 O P NH C H2CNH CHO HN H2O 5-氨基咪唑核苷酸 O OHOH CH2 O P H2N H CH NC C N CO2 5-氨基咪唑-4-羧酸核苷酸 O OHOH CH2 O P O C H2N CH NC C N HO 5-甲酰氨基-4-氨基甲酰 咪唑核苷酸 (FAICAR) O OHOH CH2 O P O N C CH NC C N H H N HC O H2O IMP 次黄嘌呤核苷酸 O OHOH CH2 OP O N C CH NC C N H N HC N10-CHO-FH4 5-氨基咪唑-4 -甲酰胺核苷酸 O OHOH CH2 O P O NC H2N CH NC C N H H fumarate COOH HC H2C COOH O OHOH CH2 O P O C H2N CH N C C N NH 5-氨基咪唑-4(N-琥珀酸)? -甲酰胺核苷酸 Asp （3 3）嘌呤核苷酸从头合成的特点）嘌呤核苷酸从头合成的特点 合成原料：磷酸核糖、氨基酸、一碳单位和 CO2等简单物质 合成部位：主要在肝细胞液 是在5-磷酸核糖的基础上逐步合成嘌呤环，而 不是首先单独合成嘌呤碱，然后再与磷酸核糖结 合的 首先合成次黄嘌呤核苷酸，然后再转变成AMP ，GMP 重要的催化酶：PRPP合成酶、PRPP酰胺转移 酶（嘌呤核苷酸合成的重要调节点） （4 4）嘌呤核苷酸从头合成的调节）嘌呤核苷酸从头合成的调节 v 抑制部位的酶均为变构酶。 磷酸核糖焦磷酸转酰胺酶 腺苷酸转琥珀酸合成酶 次黄嘌呤核苷酸脱氢酶 v 原则之一：满足需求，防止供过于求 原则之二：交叉调解，相互调整，比例平衡 2.补救合成及生理意义 原料:已有的嘌呤碱、嘌呤核苷、PRPP 重要的酶： 腺嘌呤磷酸核糖转移酶（APRT） 次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖转移酶(HGPRT), 最重要 磷酸核糖供体：PRPP 节约能量和一些氨基酸的消耗。 有些组织（如脑、骨髓）不能从头合成嘌呤核苷酸，只能进 行嘌呤核苷酸的补救合成。 HGPRT完全缺失的患儿，表现为自毁容貌征。 缺乏补救途径会引起嘌呤核苷酸合成速度降低， 结 果大量积累尿酸，并导致肾结石和痛风。 自毁容貌症（Lesch-Nyhan综合症） 临床表现：智力发育障碍，攻击性性 格，肌肉痉挛，强制性自咬唇舌和指尖 ，尿中尿酸排出量过量，50mg/kg体重 /24hr。 分子基础：HGPRT先天缺陷（隐性X 性链锁遗传） 嘌呤核苷酸的补救合成 （HGPRTHGPRT受受IMPIMP、GMPGMP反馈抑制反馈抑制 ） 3.嘌呤核苷酸合成总结 IMP AMPGMP ADPGDP ATPGTP dADP dATP dGDP dGTP 抗代谢物：嘌呤、氨基酸、叶酸等的类似物 作用方式：以竞争性抑制，“以假乱真”干扰或 阻断嘌呤核苷酸的合成代谢 重要的抗代谢物 嘌呤类似物：6-巯基嘌呤（6MP） 叶酸类似物：氨蝶呤、甲氨蝶呤（MTX） 谷氨酰胺类似物：氮杂丝氨酸 4.4.嘌呤核苷酸的抗代谢物嘌呤核苷酸的抗代谢物 嘌呤核苷酸的抗代谢物-1 嘌呤核苷酸的抗代谢物-2 嘌呤核苷酸的抗代谢物-3 嘌呤核苷酸的抗代谢物的作用 6MP核苷酸反馈抑制PRPP酰胺转移酶 从而抑制嘌呤核苷酸的从头合成 6MP核苷酸抑制IMP转变为AMP和 GMP的反应 6MP直接抑制HGPRT，阻断嘌呤核苷 酸的补救合成 6MP6MP的作用部位及抗癌机理的作用部位及抗癌机理 （三） 嘧啶核苷酸的合成 与嘌呤核苷酸合成不同，在合成嘧啶核苷酸时，首先 合成嘧啶环，再与磷酸核糖结合，生成尿嘧啶核苷酸， 最后由尿嘧啶核苷酸转化为胞嘧啶核苷酸和胸腺嘧啶脱 氧核苷酸。关键的中间化合物是乳清酸。 合成前体：氨甲酰磷酸（或CO2,NH3）、Asp 嘧啶碱 天冬氨酸天冬氨酸 NHNH 3 3 COCO 2 2 嘧啶环合成后嘧啶环合成后+磷酸核糖C(U)MPC(U)MP 1.从头合成 原料：Gln、CO2、Asp、R-5-P等 合成部位：主要在肝细胞液 合成方式：先合成嘧啶环，再与磷酸核 糖相连 合成过程：先合成UMP，再转变成其他 嘧啶核苷酸 氨基甲酰磷酸合成酶的比较 氨基甲酰磷酸合成酶氨基甲酰磷酸合成酶IIII 氨基甲酰酸合成酶氨基甲酰酸合成酶I I 部部 位位 肝细胞液肝细胞液 肝线粒体肝线粒体 底底 物物 COCO 2 2 、谷氨酰胺、谷氨酰胺 COCO 2 2 、氨、氨 生成物生成物 合成嘧啶核苷酸合成嘧啶核苷酸 合成尿素合成尿素 调节物调节物 受受UMPUMP抑制抑制 AGAAGA为变构激活剂为变构激活剂 意意 义义：细胞增殖程度的指标细胞增殖程度的指标 肝细胞分化程度的指标肝细胞分化程度的指标 (1) (1) 重要的酶及反应重要的酶及反应 (2) 合成过程 CTP和TTP的合成 TMP合成的特点 v在胸苷酸合成酶催化下，由dUMP甲基化生成 v甲基供体；N5，N10-甲烯FH4 vdUMP来源：dUDP或dCMP 核苷酸转化成核苷三磷酸 核苷酸不直接参加核酸的生物合成而是先转化成相应 的核苷三磷酸后再参如RNA或DNA。 从核苷酸转化为核苷二磷酸的反应是由相应的激酶催 化的。这些激酶对碱基专一，对其底物含核糖或脱氧核 糖无特殊要求。 核苷二酸进一步转化为核苷三磷酸是由另一种激酶催 化的。此酶对碱基和戊糖都没有特殊的要求，磷酸供体 为ATP。 （d）NMP + ATP （d）NDP +ADP （d）NDP + ATP （d）NTP + ADP 主要调节酶 细菌：天冬氨酸氨基甲酰转移酶 哺乳类动物细胞：氨基甲酰磷酸合成酶II 多功能酶：受到阻遏或去阻遏调节 PRPP合成酶：同时受嘧啶和嘌呤核苷酸 反馈抑制 (3) 嘧啶核苷酸从头合成的调节 嘧啶核苷酸合成的调节 2.嘧啶核苷酸的补救合成途径 尿苷激酶 尿嘧啶核苷+ATP UMP+ADP 胸苷激酶正常肝活性低 再生肝：活性升高 恶性肿瘤：明显升高与恶性程度有关 脱氧胸苷+ATP dTMP+ADP 胸苷激酶 嘧啶类似物：5-F-尿嘧啶（5-FU ） 谷氨酰胺类似物：氨杂丝氨酸类 叶酸类似物：氨甲蝶呤（MTX） 核苷类似物：阿糖胞苷、环胞苷 3.嘧啶核苷酸的抗代谢物 嘧啶核苷酸的抗代谢物 5-FU在体内活化为FdUMP和FUTP FdUMP竞争性抑制dTMP合成酶， 使dTMP生成减少 FUTP以FUMP的形式掺入RNA分子 ，影响其代谢 5-FU5-FU的作用部位及抗癌机理的作用部位及抗癌机理 （四）脱氧核苷酸的合成 v 生物体中的脱氧核糖核苷酸是由相应的核糖核苷酸还原生 成的。 v 催化此反应的酶体系： 核糖核苷酸还原酶， 硫氧环蛋白， 硫氧还蛋白还原酶及FAD、NADP等辅助因子 v 腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶核糖核苷酸经还原，将核糖第二 位碳原子的氧脱去，即成为相应的脱氧核糖核苷酸。 v 胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸：先由尿嘧啶核糖核苷酸还原形 成尿嘧啶脱氧核糖核苷酸，然后尿嘧啶再经甲基化转变成胸 腺嘧啶。 v ADP、GDP、CDP、UDP均可分别被还原成相应的脱氧核糖 核苷酸：dADP、dGDP、dCDP、dUDP等，其中dUDP甲基化 ，生成dTDP。 v 动物组织、肿瘤细胞和高等植物的还原反应一般在核苷二磷 酸（NDP）水平上进行，以硫氧环蛋白为还原剂，ATP、dATP 、dTTP、dGTP是还原酶的变构效应物；个别微生物（枯草杆 菌、赖氏乳菌杆菌）在核苷三磷酸水平上还原（NTP），还原 剂是含维生素B12的一种辅酶。 v 胸苷酸脱氧尿苷酸甲基是由胸苷酸合成酶催化的。四氢叶酸 是甲基的供体，产物为脱氧胸苷酸（dTMP）和二氢叶酸。四 氢叶酸可以从二氢叶酸再生。还原反应经二氢叶酸还原酶催化 ，由NADPH供给氢。下一步反应由丝氨酸羟甲基转移酶催化。 UDP（d）UDP 还原型硫氧还蛋白氧化型硫氧还蛋白 NDP还原酶 NADPH + H+NADP+ 400页 （五） 辅酶核苷酸的生物合成 烟酰胺核苷酸的合成（NAD 、NADP） 黄素核苷酸的合成（FMN、FAD） 辅酶A的合成 烟酰胺核苷酸的合成（NAD 、NADP ） NAD、NADP是脱氢辅酶，在生物氧化还原系统中 传递氢。 NAD的合成途径： （1）烟酸单核苷酸焦磷酸化酶 （2）脱酰胺-NAD 焦磷酸化酶 （3）NAD合成酶 NAD激酶催化NAD与ATP反应，使 NAD的腺苷酸残基的核糖2-OH磷 酸化，生成NADP。 NADP的合成： 402页 黄素核苷酸的合成（FMN、FAD） 辅酶A的合成 途径： （1）泛酸激酶 （2）磷酸泛酰半胱氨酸合成酶 （3）磷酸泛酰半胱氨酸脱羧酶 （4）脱磷酸辅酶A焦磷酸化酶 （5）脱磷酸辅酶A激酶 前体：腺苷酸、泛酸、巯基乙胺、磷酸 本节小结 嘌呤核苷酸从头合成途径和补救合成途径；特点和补救 合成途径的生理意义； 掌握嘌呤合成时的元素来源、脱氧核苷酸生成和嘌呤核 苷酸合成的抗代谢物的作用环节；熟悉嘌呤核苷酸分解代 谢的终产物。 掌握嘧啶碱合成的元素来源和特点；了解嘧啶核苷酸的 合成过程；熟悉脱氧胸苷酸的生成及甲基的来源。 了解嘧啶核苷酸合成的抗代谢物作用环节和嘧啶核苷酸 分解代谢的终产物。 掌握PRPP在核苷酸代谢中的作用。 思考题：404页1,3，7
