第11章核酸的降解和核苷酸代谢

１第十一章核酸的降解和核苷酸代谢核酸的生物功能DNA、RNA核苷酸的生物功能①合成核酸②是多种生物合成的活性中间物糖原合成，UDP-Glc。磷脂合成，CDP-乙醇胺，CDP-二脂酰甘油。③生物能量的载体ATP、GTP④腺苷酸是三种重要辅酶的组分NAD、FAD、CoA⑤信号分子cAMP、cGMP食物中的核酸，经肠道酶系降解成各种核苷酸，再在相关酶作用下，分解产生嘌呤、嘧啶、核糖、脱氧核糖和磷酸，然后被吸收。吸收到体内的嘌呤和嘧啶，大部分被分解，少部分可再利用，合成核苷酸。人和动物所需的核酸无须直接依赖于食物，只要食物中有足够的磷酸盐，、糖和蛋白质，核酸就能在体内正常合成。核酸的分解代谢：第一节核酸和核苷酸的分解代谢一、核酸的酶促降解核酸是核苷酸以3’、5’-磷酸二酯键连成的高聚物，核酸分解代谢的第一步就是分解为核苷酸，作用于磷酸二酯键的酶称核酸酶（实质是磷酸二脂酶）。根据对底物的专一性可分为：核糖核酸酶、脱氧核糖核酸酶、非特异性核酸酶。根据酶的作用方式分：内切酶、外切酶。1、核糖核酸酶只水解RNA磷酸二酯键的酶（RNase），不同的RNase专一性不同。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。图2、脱氧核糖核酸酶只能水解DNA磷酸二酯键的酶。DNase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。牛胰脱氧核糖核酸酶（DNaseⅠ），降解产物为3’-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3ˊ-OH和5ˊ-P。图PstⅠ切割后，形成3ˊ-OH单链粘性末端。EcoRⅠ切割后，形成5ˊ-P单链粘性末端。核酸核酸酶核苷酸核苷酸酶核苷+磷酸核苷磷酸化酶碱基+戊糖-1-磷酸２3、非特异性核酸酶既可水解RNA，又可水解DNA磷酸二酯键的核酸酶。小球菌核酸酶是内切酶，可作用于RNA或变性的DNA，产生3’-核苷酸或寡核苷酸。蛇毒磷酸二酯酶和牛脾磷酸二脂酶属于外切酶。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。二、核苷酸的降解1、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）2、核苷酶两种：核苷磷酸化酶：广泛存在，反应可逆。②核苷水解酶：主要存在于植物、微生物中，只水解核糖核苷，不可逆三、嘌呤碱的分解P301图18-2嘌呤碱的分解首先在各种脱氨酶的作用下水解脱氨，脱氨反应可发生在嘌呤碱、核苷及核苷酸水平上。P299反应式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）。四、嘧啶碱的分解P302图18-3嘧啶碱的分解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。核糖核苷+H2O核苷水解酶碱基+核糖核苷+磷酸核苷磷酸化酶碱基+戊糖-1-磷酸３第二节嘌呤核苷酸的合成一、从头合成由5’-磷酸核糖-1’-焦磷酸（5’-PRPP）开始，先合成次黄嘌呤核苷酸，然后由次黄嘌呤核苷酸（IMP）转化为腺嘌呤核苷酸和鸟嘌呤核苷酸。嘌呤环合成的前体：CO2、甲酸盐、Gln、Asp、GlyP303图18-4嘌呤环的元素来源及掺入顺序A.Gln提供-NH2：N9B.Gly：C4、C5、N7C.5.10-甲川FHFA：C8D.Gln提供-NH2：N3闭环ECO2：C6F.Asp提供-NH2：N1G10-甲酰THFA：C21、次黄嘌呤核苷酸的合成（IMP）P306图18-5（1）、磷酸核糖焦磷酸转酰胺酶（转氨）5-磷酸核糖焦磷酸+Gln→5-磷酸核糖胺+Glu+ppi使原来α-构型的核糖转化成β构型（2）、甘氨酰胺核苷酸合成酶5-磷酸核糖胺+Gly+ATP→甘氨酰胺核苷酸+ADP+Pi（3）、甘氨酰胺核苷酸转甲酰基酶甘氨酰胺核苷酸+N5N10-甲川FH4+H2O→甲酰甘氨酰胺核苷酸+FH4甲川基可由甲酸或氨基酸供给。（4）、甲酰甘氨脒核苷酸合成酶甲酰甘氨酰胺核苷酸+Gln+ATP+H2O→甲酰甘氨脒核苷酸+Glu+ADP+pi此步反应受重氮丝氨酸和6-重氮-5-氧-正亮氨酸不可逆抑制，这两种抗菌素与Gln有类似结构。P304结构式：重氮丝氨酸、6-重氮-5-氧-正亮氨酸（5）、氨基咪唑核苷酸合成酶甲酰甘氨脒核苷酸+ATP→5-氨基咪唑核苷酸+ADP+Pi（1）~（5）第一阶段，合成第一个环5-磷酸核糖+ATP磷酸核糖焦磷酸激酶5`-PRPP+AMP４（6）、氨基咪唑核苷酸羧化酶5-氨基咪唑核苷酸+CO2→5-氨基咪唑-4羧酸核苷酸（7）、氨基咪唑琥珀基氨甲酰核苷酸合成酶5-氨基咪唑-4-羧酸核苷酸+Asp+ATP→5-氨基咪唑4-（N-琥珀基）氨甲酰核苷酸（8）、腺苷酸琥珀酸裂解酶5-氨基咪唑-4-（N-琥珀基）氨甲酰核苷酸→5-氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸+延胡索酸（9）、氨基咪唑氨甲酰核苷酸转甲酰基酶5-氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸+N10-甲酰FH4→5-甲酰胺基咪唑-4-氨甲酰核苷酸+FH4（10）、次黄嘌呤核苷酸环水解酶5-甲酰胺基咪唑-4-氨甲酰核苷酸→次黄嘌呤核苷酸+H2O总反应式：5-磷酸核糖+CO2+甲川THFA+甲酰THFA+2Gln+Gly+Asp+5ATP→IMP+2THFA+2Glu+延胡索酸+4ADP+1AMP+4Pi+PPi2、腺嘌呤核苷酸的合成（AMP）P306图18-5从头合成：CO2、2个甲酸盐、2个Gln、1个Gly、（1+1）个Asp、（6+1）个ATP，产生2个Glu、（1+1）个延胡索酸。Asp的结构类似物羽田杀菌素，可强烈抑制腺苷酸琥珀酸合成酶的活性，阻止AMP生成。羽田杀菌素：N-羟基-N-甲酰-Gly（P307）3、鸟嘌呤核苷酸的合成（P307结构式）4、AMP、GMP生物合成的调节P309图18-65-磷酸核糖焦磷酸转酰胺酶是关键酶，可被终产物AMP、GMP反馈抑制。AMP过量可反馈抑制自身的合成。GMP过量可反馈抑制自身的合成。5、药物对嘌呤核苷酸合成的影响筛选抗肿瘤药物，肿瘤细胞核酸合成速度快，药物能抑制。①羽田杀菌素IMP+Asp+GTPAMP+延胡索酸腺苷酸琥珀酸合成酶腺苷酸琥珀酸+GDP+Pi腺苷酸琥珀酸裂解酶IMP+NAD++H2OIMP脱氢酶黄嘌呤核苷酸+NADH+H+黄嘌呤核苷酸+Gln（或NH4+）+ATP+H2OGMP合成酶GMP+Glu+AMP+PPi５与Asp竞争腺苷酸琥珀酸合成酶，阻止次黄嘌呤核苷酸转化成AMP。②重氮乙酰丝氨酸、6-重氮-5-氧正亮氨酸，是Gln的结构类似物，抑制Gln参与的反应。③氨基蝶呤、氨甲蝶呤结构P314叶酸的结构类似物，能与二氢叶酸还原酶发生不可逆结合，阻止FH4的生成，从而抑制FH4参与的各种一碳单位转移反应。二、补救途径利用已有的碱基和核苷合成核苷酸1、磷酸核糖转移酶途径（重要途径）嘌呤碱和5-PRPP在特异的磷酸核糖转移酶的作用下生成嘌呤核苷酸2、核苷激酶途径（但在生物体内只发现有腺苷激酶）腺嘌呤在核苷磷酸化酶作用下转化为腺嘌呤核苷，后者在核苷磷酸激酶的作用下与ATP反应，生成腺嘌呤核苷酸。嘌呤核苷酸的从头合成与补救途径之间存在平衡。Lesch-Nyan综合症就是由于次黄嘌呤：鸟嘌呤磷酸核糖转移酶缺陷，AMP合成增加，大量积累尿酸，肾结石和痛风。第三节嘧啶核苷酸的合成一、从头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。合成前体：氨甲酰磷酸、Asp（P309图18-7嘧啶环的元素来源）碱基+核糖-1-磷酸核苷磷酸化酶核苷+Pi腺嘌呤+5-PRPP腺嘌呤磷酸核糖转移酶AMP+PPi嘌呤核苷+磷酸核苷磷酸化酶嘌呤碱+戊糖-1-磷酸次黄嘌呤（鸟嘌呤）+5-PRPP次黄嘌呤：鸟嘌呤磷酸核糖转移酶IMP（GMP）+PPi腺苷+ATP腺苷激酶腺苷酸+ADP６1、尿嘧啶核苷酸的合成P310图18-8氨甲酰磷酸的合成天冬氨酸转氨甲酰酶二氢乳清酸酶二氢乳清酸脱氢酶（辅基：FAD、FMN）乳清苷酸焦磷酸化酶乳清苷酸脱羧酶2、胞嘧啶核苷酸的合成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。Gln+HCO3-+2ATP氨甲酰磷酸合成酶氨甲酰磷酸+Glu+2ADP+Pi天冬氨酸转氨甲酰酶氨甲酰磷酸+Asp氨甲酰天冬氨酸+Pi二氢乳清酸酶氨甲酰天冬氨酸二氢乳清酸+H2O二氢乳清酸脱氢酶／FAD、FMN二氢乳清酸+NAD+乳清酸+NADH+H+乳清苷酸焦磷酸化酶／Mg2+乳清酸+PRPP乳清苷酸+PPi乳清苷酸脱羧酶乳清苷酸UMP+CO2UMP+ATP尿嘧啶核苷酸激酶／Mg2+UDP+ADPUDP+ATP核苷二磷酸激酶／Mg2+UTP+ADPCTP合成酶UTP+Gln（NH4+）+ATP+H2OCTP+Glu+ADP+Pi７3、嘧啶核苷酸生物合成的调节（大肠杆菌）P311图18-9大肠杆菌嘧啶核苷酸生物合成的调节氨甲酰磷酸合成酶：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、药物对嘧啶核苷酸合成的影响有多种嘧啶类似物可抑制嘧啶核苷酸的合成。5-氟尿嘧啶抑制胸腺嘧啶脱氧核苷酸的合成。5-氟尿嘧啶在人体内转变成相应的核苷酸，再转变成脱氧核苷酸，可抑制脱氧胸腺嘧啶核酸合成酶，干扰尿嘧啶脱氧核苷酸经甲基化生成脱氧胸苷的过程，DNA合成受阻。二、补救途径嘧啶核苷激酶途径（重要途径）嘧啶碱与1-磷酸核糖生成嘧啶核苷，然后由尿苷激酶催化尿苷和胞苷形成UMP和CMP。磷酸核糖转移酶途径（胞嘧啶不行）第四节脱氧核苷酸的合成脱氧核糖核苷酸是由相应的核糖核苷酸衍生而来的。（1）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。（2）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。一、核糖核苷酸的还原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。还原反应一般在核苷二磷酸（NDP）水平上进行，ATP、dATP、dTTP、dGTP是还原酶的变构效应物，个别微生物（赖氏乳菌杆菌）在核苷三磷酸水平上还原（NTP）。1、核苷酸还原酶系P312图示由硫氧还蛋白、硫氧还蛋白还原酶和核苷酸还原酶（B1、B2）三部分组成。B1、B2亚基结合后，才具有催化活性。嘧啶碱+1-磷酸核糖核苷磷酸化酶嘧啶核苷+Pi尿嘧啶磷酸核糖转移酶尿嘧啶+5-PRPPUMP+PPi尿苷（胞苷）+ATP尿苷激酶／Mg2+UMP（CMP）+ADP８B1上的巯基和B2上的酪氨酸残基是活性中心的催化基因。另外核苷酸还原酶所需的还原当量还可来自谷胱甘肽。图①硫氧还蛋白-SH②硫氧还蛋白还原酶、辅酶FAD③谷胱甘肽氧还蛋白（酶）④谷胱甘肽还原酶-SH⑤核苷酸还原酶（RR）-SH2、核苷酸还原酶结构模型及催化机理（1）、结构模型图B1亚基上有两个调节部位，一个影响整个酶的活性（一级调节部位），另一个调节对底物的专一性（底物结合部位）一级调节部位：ATP是生物合成的信号分子，而dATP是核苷酸被还原的信号。底物调节部位