Degradation of nucleic acid & metabolism of nucleotides

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1 Degradation of nucleic acid & metabolism of nucleotides
生物化学 P387 第七章 核酸分解与核苷酸代谢 Degradation of nucleic acid & metabolism of nucleotides

2 核酸降解代谢 GAATTCGAATTC CTTAAGCTTAAG CO2, H2O, NH3

3 第一节 核酸降解 P387 核酸在生物体内可以被降解； 外源核酸在动物体内的小肠被降解； 胰nuclease
第一节 核酸降解 P387 核酸在生物体内可以被降解； 外源核酸在动物体内的小肠被降解； 胰nuclease 肠粘膜释放的phosphodiest-erase(磷酸二酯酶) 降解的产物在小肠内被转化和吸收； 核酸降解一般不为生物提供能量；

4 核酸酶(Nuclease) 5’ 3’ P OH P P P P P P P
核酸酶是作用于核酸中磷酸二酯键的水解酶，包括核糖核酸酶(RNase)和脱氧核糖核酸酶(DNase) 水解核酸分子内部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)。 A T C G A T C G 5’ 3’ P OH P P P P P P P 牛脾磷酸二酯酶 蛇毒磷酸二酯酶

5 常见的核酸酶专一性

6 常见的核酸酶专一性 核酸内切酶

7 AP核酸内切酶的作用 AP核酸内切酶能识别去除了碱基的核苷酸（AP核苷酸：无嘌呤酸、无嘧啶酸 ）磷酸二酯键，并切除糖基，使核酸链断开。

8 限制性核酸内切酶 限制性核酸内切酶是一类高度专一性的DNases，它们是顺序专一性，或结构专一性的核酸内切酶。
G CTTAA AATTC

9 以限制性内切酶及连结酶进行核酸剪接 EcoRI DNA Ligase GAATTC CTTAAG GAATTC CTTAAG G CTTAA
EcoRI sticky end EcoRI sticky end DNA Ligase G CTTAA AATTC Juang RH (2004) BCbasics

10 第二节 核苷酸、核苷与碱基的分解代谢 2.1 核苷酸的分解 肠粘膜细胞中有nucleotidase，水解Nt为Ns和Pi。
第二节 核苷酸、核苷与碱基的分解代谢 2.1 核苷酸的分解 肠粘膜细胞中有nucleotidase，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。 Nucleoside 核苷 Nucleotide 核苷酸

11 2.1 核苷酸的分解 2.1.1 核苷酸降解为核苷 核苷酸(Nt) ＋ H2O 核苷 (Ns) ＋ Pi 磷酸酯酶 或核苷酸酶
生物体普遍存在的磷酸单酯酶或核苷酸酶可催化2’-, 3’-和5’-核苷酸的水解，而特异性强的磷酸单酯酶只能水解3’-核苷酸或5’-核苷酸，对不同的碱基也有选择性。

12 2.1 核苷酸的分解 2.1.2 核苷酸中糖苷键的断裂 核苷酸 ＋ H2O 碱基 ＋ 戊糖-Pi 催化该反应的酶称为核苷酸核苷酶；
主要在微生物（细菌）中存在；

13 2.1 核苷酸的分解 2.1.3 核苷酸的脱氨反应与核苷酸转换 带氨基的核苷酸在核苷酸脱氨酶的作用下可脱掉氨基而转变成另一种核苷酸。
核苷酸的脱氨反应与核苷酸转换 带氨基的核苷酸在核苷酸脱氨酶的作用下可脱掉氨基而转变成另一种核苷酸。 核苷酸的脱氨反应较为普遍,如: 5’-AMP 5’-IMP (次黄嘌呤) + NH3 嘌呤核苷酸循环中 IMP (次黄嘌呤)

14 2.2 核苷的分解代谢 核苷的代谢去路： 核苷-N-转糖苷作用 （主要脱氧核苷) 脱氨反应

15 2.2 核苷的分解代谢 2.2.1 核苷的水解作用： 核苷 + H2O Pu(嘌呤) or Py(嘧啶) + pentose
2.2 核苷的分解代谢 核苷的水解作用： 核苷 + H2O Pu(嘌呤) or Py(嘧啶) + pentose 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。 Ns hydrolase 核苷的磷酸解作用： 核苷 + Pi Pu or Py + pentose-1-P Ns phosphorylase存在广泛，反应可逆，糖的构型由β-型转变为α-型； Ns phosphorylase

16 2.2 核苷的分解代谢 2.2.3 核苷的相互转换 核苷-N-转糖苷作用 主要发生在脱氧核苷中 脱氨反应 嘌呤互换
2.2 核苷的分解代谢 核苷的相互转换 核苷-N-转糖苷作用 主要发生在脱氧核苷中 脱氨反应 带氨基的核苷在核苷脱氨酶的作用下脱掉氨基而转变成另一种核苷 核苷的排泄 主要为修饰核苷酸，不被分解，也不被利用 嘌呤互换 嘧啶互换

17 2.3 核苷酸三级水平的降解 脱氨作用主要发生在核苷酸和核苷水平 P388 核苷酸 核苷 碱基

18 2.4 碱基的分解代谢 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。 鸟嘌呤脱氨主要在碱基水平下进行 O2 + H2O H2O2 尿酸

19 嘌呤核苷酸的分解 次黄嘌呤 黄嘌呤 尿酸

20 黄嘌呤氧化酶 (Xanthine Oxidase)
催化次黄嘌呤和黄嘌呤氧化产生尿酸。 该酶为复合黄素酶，由两个相同的亚基组成，每个亚基含一个FAD、一个钼原子［Mo(IV) ↔Mo(VI)］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。

21 不同生物中嘌呤核苷酸的 分解产物不同 灵长类/鸟类等 多数哺乳动物 尿囊素 多骨[刺]鱼 尿囊酸 两栖动物等 无脊椎动物

22 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，沉积于关节部位,引起疼痛或灼痛—痛风。如果发生HGPRT的缺陷，不能以补救途径合成嘌呤核苷酸，吸收或合成的嘌呤碱不完全降解，导致大量尿酸积累，也引起肾结石和痛风。 HGPRT：次黄嘌呤鸟嘌呤转磷酸核糖酶

23 2.4 碱基的分解代谢 2.4.2 嘧啶碱基的分解 不同生物对嘧啶碱的分解过程不一样；
2.4 碱基的分解代谢 嘧啶碱基的分解 不同生物对嘧啶碱的分解过程不一样； 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。

24 2.4 碱基的分解代谢 2.4.2 嘧啶碱基的分解 CMP UMP dTMP CR UR dTR C U T NH3 还原分解 氧化分解
2.4 碱基的分解代谢 嘧啶碱基的分解 CMP UMP dTMP NH3 CR UR dTR C U T 还原分解 氧化分解 只在微生物中发现

25 2.4 碱基的分解代谢 嘧啶碱基分解的还原途径

26 2.4 碱基的分解代谢 嘧啶碱基分解的氧化途径

27 Biosynthesis of nucleotides
第三节 核苷酸的生物合成 Biosynthesis of nucleotides 3.1 核苷酸合成的基本途径 可以通过两条完全不同的途径进行: 由非核苷和碱基的前体小分子化合物从头合成——De novo Synthesis ； 由现成的Pu, Py, Pentose及Pi在酶的作用下直接合成核苷酸——“补救合成途径Salvage Pathway ” 。

28 3.1 核苷酸合成的基本途径

29 3.2 嘌呤核苷酸的从头生物合成 嘌呤环元素的来源: 甲酸

30 3.2 嘌呤核苷酸的从头生物合成

31 次黄嘌呤的合成是在核苷酸水平进行的，即产物是核苷酸R
嘌呤核苷酸的全程合成总图 次黄嘌呤的合成是在核苷酸水平进行的，即产物是核苷酸R

32 磷酸核糖基焦磷酸（PRPP）

33 嘌呤核苷酸的全程合成（反应1） PRPP转酰胺酶 5-磷酸核糖胺(PRA) 构象由a–构型转变为b–构型

34 嘌呤核苷酸的全程合成（反应2） 甘氨酰胺核苷酸合成酶 甘氨酰胺核苷酸(GAR)

35 嘌呤核苷酸的全程合成（反应3） 甘氨酰胺核苷酸转氨甲酰酶 甲酰甘氨酰胺核苷酸(FGAR)

36 嘌呤核苷酸的全程合成（反应4） 甲酰甘氨脒核苷酸合成酶 甲酰甘氨眯核苷酸(FGAM)

37 嘌呤核苷酸的全程合成（反应5） 氨基咪唑核苷酸合成酶 5-氨基咪唑核苷酸

38 嘌呤核苷酸的全程合成（反应6） 氨基咪唑核苷酸羧化酶

39 嘌呤核苷酸的全程合成（反应7） 5-氨基咪唑-4-羧酸核苷酸

40 嘌呤核苷酸的全程合成（反应8） 氨基咪唑琥珀基氨甲酰核苷酸合成酶 5-氨基咪唑-4-(N-琥珀基)甲酰胺核苷酸

41 嘌呤核苷酸的全程合成（反应9） 腺苷酸琥珀酸裂解酶 5-氨基咪唑-4-氨甲酰胺核苷酸

42 嘌呤核苷酸的全程合成(反应10) 氨基咪唑氨甲酰核苷酸转甲酰基酶 5-甲酰胺基咪唑-4-氨甲酰胺核苷酸

43 嘌呤核苷酸的全程合成（反应11） 次黄嘌呤核苷酸合酶 嘌呤核苷酸的合成一直是在核苷酸的水平上进行的，不是分解的逆过程。
反应需要5(或6)ATP 次黄嘌呤核苷酸

44 嘌呤核苷酸的全程合成总图 合成次黄嘌呤核苷酸

45 由IMP合成AMP和GMP 腺苷酸琥珀酸合成酶 次黄嘌呤核苷酸脱氢酶 鸟嘌呤核苷酸合成酶 黄嘌呤氧化酶

46 嘌呤核苷酸合成的调节 ATP GTP Purine nucleotide is regulated by feedback inhibition. Three major feedback mechanisms cooperate in regulating the overall rate of de novo purine nucleotide synthesis and relative rates of formation of the two end products. P396

47 合成的反馈控制机制 PRPP合成酶 PRPP转酰胺酶 P396
Regulatory mechanisms in the biosynthesis of adenine and guanine nucleotides in E. coli. Regulation of these pathways differs in other organisms. PRPP转酰胺酶 腺苷酸琥珀酸合成酶 次黄嘌呤核苷酸脱氢酶 P396

48 3.3 嘧啶核苷酸的生物合成 嘧啶环元素的来源： From aspartate

49 3.3 嘧啶核苷酸的生物合成 嘧啶环合成在碱基水平上，而不是在核苷酸水平，这不同于嘌呤的合成

50 氨甲酰磷酸的合成

51 氨甲酰磷酸的合成 碳酸 氨基甲酸

52 氨甲酰磷酸的合成

53 氨甲酰磷酸合成氨甲酰Asp ATCase 天冬氨酸转氨甲酰酶 氨甲酰天冬氨酸

54 乳清酸的合成 二氢乳清酸脱氢酶的辅酶在不同的生物中是不同的，有的是NAD＋，有的是FMN, FAD，或同时含有黄素辅酶和NAD＋。
二氢乳清酸酶 二氢乳清酸 二氢乳清酸脱氢酶 乳清酸

55 乳清酸合成UMP 乳清酸 乳清苷酸 尿嘧啶核苷酸

56 UMP的合成小结

57 由UMP合成UTP UMP CTP

58 由UTP合成CTP 在E. coli 中也可以以NH3为氮源 CTP合成酶

59 嘧啶核苷酸合成的调节 合成的反馈控制机制 Pyrimidine nucleotide biosynthesis is regulated by feedback inhibition: Regulation of the rate of pyrimidine nucleotide synthesis in bacteria occurs in large part through the enzyme aspartate transcarbamoylase (ATCase) ATP 天冬氨酸转氨甲酰酶 P398

60 CTP和ATP对天门冬氨酸羧转氨甲酰酶的变构调节

61 3.4 核苷酸合成的补救途径 Salvage Synthesis of Nts
利用食物吸收或自身核酸降解产生的碱基和核苷通过磷酸核糖基转移酶（APRT)或核苷激酶,实现核苷酸的合成。这一途径称之为补救合成途径，或回收利用途径。 人体细胞大多为全程合成，但在某些特殊类型的细胞中如在脑细胞中主要通过补救途径合成。

62 嘌呤核苷酸的补救合成 途径1： 碱基→核苷酸（主要途径） 腺嘌呤转磷酸戊糖酶 次黄嘌呤鸟嘌呤转磷酸核糖酶 HGPRT

63 嘌呤核苷酸的补救合成 途径1： 碱基→核苷酸（主要途径） Acid +

64 自毁容貌综合症机理 Lesch-Nyhan Syndrome
HGPRT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。 HGPRT：次黄嘌呤鸟嘌呤转磷酸核糖酶

65 Adenine + R-a-1-P —— Adenosine + Pi Adenosine + ATP ———— AMP + ADP
嘌呤核苷酸的补救合成 途径2：碱基→核苷→核苷酸 核苷磷酸化酶 Adenine + R-a-1-P —— Adenosine + Pi Adenosine + ATP ———— AMP + ADP 糖构型转为β-型 核苷激酶

66 Uracil + R-α-1-P ——— Uridine + Pi Uridine + ATP ——— UMP + ADP
嘧啶核苷酸的补救合成 途径2：碱基→核苷→核苷酸 Uracil + R-α-1-P ——— Uridine + Pi Uridine + ATP ——— UMP + ADP Uracil + PRPP ————— UMP + PPi Cytosine不能与PRPP作用。 尿嘧啶磷酸化酶 尿苷激酶 UMP磷酸核糖基转移酶

67 PRPP与核苷酸的合成 PRPP Gln Guanine Orotidelate Hypoxanthine Glu Adenine
Uracil PRA 5-磷酸核糖胺 OMP GMP AMP IMP UMP XMP SAMP 腺苷琥珀酸 Cytosine X CMP

68 3.5 脱氧核糖核苷酸的合成 以核糖核苷酸为原料，通过核糖核苷酸还原酶(Nt-reductase)将核糖分子还原为脱氧核糖。
3.5 脱氧核糖核苷酸的合成 以核糖核苷酸为原料，通过核糖核苷酸还原酶(Nt-reductase)将核糖分子还原为脱氧核糖。 多数生物中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。 少数生物在三磷酸核苷酸的水平上还原为脱氧核苷酸。

69 Ribonucleotide reductase
3.5 脱氧核糖核苷酸的合成 脱氧核苷酸的合成除需还原酶外，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)。 Ribonucleotide reductase 核糖核苷酸还原酶

70 核苷二磷酸水平的还原 形成的产物dNDP 在激酶的作用下形成相应的dNTP。 p399

71

72

73 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
H2O 硫氧还蛋白 谷氧还蛋白

74 3.5.2 核苷三磷酸水平的还原 核苷三磷酸水平的还原主要在乳酸菌、根瘤菌梭、梭状芽孢杆菌、眼虫等生物里存在； 还原途径需要辅酶B12；
核苷三磷酸水平的还原 核苷三磷酸水平的还原主要在乳酸菌、根瘤菌梭、梭状芽孢杆菌、眼虫等生物里存在； 还原途径需要辅酶B12； 氢的传递方式与NDP还原是相似的. 辅酶B12

75 dTMP的生物合成 N5,N10-methylene THFA THFA 此步不是SAM提供一碳单位

76 dTMP的生物合成

77 dT + ATP ————— dTMP + ADP
脱氧核苷酸的补救合成 脱氧核苷酸的补救合成只有一条途径： 碱基→脱氧核苷→脱氧核苷酸 以dTMP合成为例： Thymine + deoxyribose-1-P—————— dT dT + ATP ————— dTMP + ADP Thymidylate phosphorylase dT kinase +  

78 脱氧核苷酸合成的调节 核糖核苷酸还原酶 抑制剂是产物dATP等 激活剂是底物NDP等及ATP

79 脱氧核苷酸合成的调节 Regulation of ribonucleotide reductase by deoxynucleoside triphosphates 3 2 4 . 4 1 P399图33-10

80 3.6 核苷酸的生物合成 PRPP PRPP Gln FH4 P401

81 第四节 辅酶核苷酸的合成 常见的辅酶核苷酸： 烟酰胺核苷酸 黄素核苷酸 辅酶A 辅酶B12 辅酶Ⅰ（NAD+） 辅酶Ⅱ （NADP+）
第四节 辅酶核苷酸的合成 常见的辅酶核苷酸： 烟酰胺核苷酸 黄素核苷酸 辅酶A 辅酶B12 辅酶Ⅰ（NAD+） 辅酶Ⅱ （NADP+） FMN FAD

82 NAD的合成

83 NAD的合成过程

84 FAD的合成 ATP ADP 黄素激酶 ATP PPi FAD焦磷酸化酶

85 第五节 核苷酸合成的抑制作用 核苷酸合成的抑制剂主要是人工合成的化学药物； 这些抑制剂作用于核苷酸合成途径的不同位点；
第五节 核苷酸合成的抑制作用 核苷酸合成的抑制剂主要是人工合成的化学药物； 这些抑制剂作用于核苷酸合成途径的不同位点； 所有抑制剂对细胞都有毒性； 主要用于癌症与细菌感染的治疗药物

86 抑制剂 抑制剂类型 抑制剂 抑制反应 氨基酸类似物抑制剂 重氮丝氨酸 抑制Gln参与的反应，抑制嘌呤环的合成 羽田杀菌素
6-重氮-5-氧-正亮氨酸 羽田杀菌素 强烈抑制腺苷琥珀酸合成酶 一碳单位载体类似物 磺胺类药物 氨甲酰蝶呤 三甲氧苄二氨嘧啶 抑制叶酸合成 抑制二氢叶酸还原酶 天冬氨酸

87 抑制剂 抑制剂类型 抑制剂 抑制反应 氨基酸类似物抑制剂 重氮丝氨酸 抑制Gln参与的反应，抑制嘌呤环的合成 羽田杀菌素
6-重氮-5-氧-正亮氨酸 羽田杀菌素 强烈抑制腺苷琥珀酸合成酶 一碳单位载体类似物 磺胺类药物 氨甲酰蝶呤 三甲氧苄二氨嘧啶 抑制叶酸合成 抑制二氢叶酸还原酶

88 转变成的5’-核苷酸抑制OMP脱羧酶，从而阻断UMP的合成
抑制剂 碱基类似物抑制剂 5-氟尿嘧啶 5-氟-脱氧尿嘧啶 抑制胸苷酸的合成 6-巯基嘌呤 6-甲硫嘌呤 抑制嘌呤核苷酸合成 6-氮尿苷 转变成的5’-核苷酸抑制OMP脱羧酶，从而阻断UMP的合成 核糖核苷酸还原酶抑制剂 羟基脲

89 重氮丝氨酸等Gln类似物 主要抑制嘌呤环的合成，也抑制嘧啶环的合成

90 核酸分解与核苷酸代谢小结