生物化學：第九章 核苷酸代謝

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1、生物化學生物化學 Biochemistry第第 九九 章章核酸的酶促降解與核酸的酶促降解與核核 苷苷 酸酸 代代 謝謝生物化學生物化學 Biochemistry第一節(jié)第一節(jié) 核酸的核酸的酶促酶促降解降解第二節(jié)第二節(jié) 核苷酸的分解代謝核苷酸的分解代謝第三節(jié)第三節(jié) 核苷酸的合成代謝核苷酸的合成代謝主要內(nèi)容主要內(nèi)容生物化學生物化學 Biochemistry第一節(jié)第一節(jié) 核酸的酶促降解核酸的酶促降解一、降解方式一、降解方式 3, 5磷酸二酯鍵被水解磷酸二酯鍵被水解生物化學生物化學 Biochemistry二、核酸酶二、核酸酶水解核酸鏈中磷酸二酯鍵的酶稱為水解核酸鏈中磷酸二酯鍵的酶稱為核酸酶核酸酶( (

2、nuclease) )生物化學生物化學 Biochemistry5 5 33 核酸外切酶：核酸外切酶：從5端開始逐個水解核苷酸。2、核酸外切酶、核酸外切酶3 3 55 核酸外切酶：核酸外切酶：從3端開始逐個水解核苷酸。 能從能從DNA 或或RNA 鏈的一端逐個水解下單核苷酸鏈的一端逐個水解下單核苷酸 的核酸酶，稱為核酸外切酶。的核酸酶，稱為核酸外切酶。5 p p p pOHB p p p p3 BBBBBBB牛脾磷酸二酯酶牛脾磷酸二酯酶3 - -核苷酸核苷酸蛇毒磷酸二酯酶蛇毒磷酸二酯酶5- -核苷酸核苷酸生物化學生物化學 Biochemistry3 3、核酸內(nèi)切酶、核酸內(nèi)切酶 特異地水解多核苷

3、酸鏈內(nèi)部各鍵。特異地水解多核苷酸鏈內(nèi)部各鍵。特異性磷酸二酯酶。特異性磷酸二酯酶。如如牛胰核酸酶牛胰核酸酶作用于嘧啶核苷酸的磷酸二酯鍵（作用于嘧啶核苷酸的磷酸二酯鍵（左邊左邊為嘧啶為嘧啶）。其專一作用于）。其專一作用于RNA，對，對DNA及其他磷酸二及其他磷酸二酯化合物不作用或作用活性很低。酯化合物不作用或作用活性很低。4 4、內(nèi)切兼外切酶、內(nèi)切兼外切酶 例：例：核酸酶核酸酶P1 P1 先內(nèi)切再外切。先內(nèi)切再外切。 生物化學生物化學 Biochemistry 原核生物中存在著一類能識別外源原核生物中存在著一類能識別外源DNA雙螺旋中雙螺旋中4-8個堿基對個堿基對的特異序列，并在此序列的某位點水解

4、的特異序列，并在此序列的某位點水解DNA雙螺旋鏈，產(chǎn)生雙螺旋鏈，產(chǎn)生粘性末端粘性末端或或平齊末端平齊末端，這類酶，這類酶稱為稱為限制性內(nèi)切酶（限制性內(nèi)切酶（ristriction endonuclease）。）。 具有很強的專一性，具有很強的專一性， 有特異的識別位點，通有特異的識別位點，通常具有二重旋轉(zhuǎn)對稱性的常具有二重旋轉(zhuǎn)對稱性的回文序列?；匚男蛄小Ｏ拗菩詢?nèi)切酶限制性內(nèi)切酶EcoRINGAATTCN3535NGAATTCNNG53AATTCNAATTCN35NG粘性末端：粘性末端：經(jīng)限制性內(nèi)切酶水解后形成的線狀雙鏈經(jīng)限制性內(nèi)切酶水解后形成的線狀雙鏈DNADNA中有一條單鏈的末端帶有長于另一

5、條單鏈的幾個中有一條單鏈的末端帶有長于另一條單鏈的幾個識別順序中的幾個互補堿基，這樣的末端稱為粘性識別順序中的幾個互補堿基，這樣的末端稱為粘性末端。末端。生物化學生物化學 Biochemistry 常用的常用的DNA限制性內(nèi)切酶的識別與切割位點限制性內(nèi)切酶的識別與切割位點生物化學生物化學 Biochemistry 限制性內(nèi)切酶是限制性內(nèi)切酶是分析染色體結(jié)構(gòu)、分析染色體結(jié)構(gòu)、制作制作DNA限制圖譜、限制圖譜、基因體外重組等研基因體外重組等研究中不可缺少的工究中不可缺少的工具，譽為具，譽為“分子手分子手術(shù)刀術(shù)刀”，用來切割，用來切割DNA分子。與連接分子。與連接酶酶、修飾酶和聚合修飾酶和聚合酶等被

6、稱為基因工酶等被稱為基因工程的工具酶。程的工具酶。生物化學生物化學 Biochemistry第二節(jié)第二節(jié) 核苷酸的分解代謝核苷酸的分解代謝一、核苷酸的酶促降解一、核苷酸的酶促降解三、嘧啶的降解三、嘧啶的降解二、嘌呤的降解二、嘌呤的降解生物化學生物化學 Biochemistry一、核苷酸的酶促降解一、核苷酸的酶促降解（一）核苷的水解（一）核苷的水解只在植物、微生物中存在，催化的反應(yīng)不可逆。只在植物、微生物中存在，催化的反應(yīng)不可逆。（二）核苷的磷酸解（二）核苷的磷酸解廣泛存在，催化的反應(yīng)可逆廣泛存在，催化的反應(yīng)可逆生物化學生物化學 Biochemistry核苷的水解示意圖核苷的水解示意圖 戊糖和戊

7、糖和1-1-磷酸磷酸- -戊糖可進入糖代謝分解或重新利戊糖可進入糖代謝分解或重新利用，嘌呤和嘧啶堿基也可以繼續(xù)分解。用，嘌呤和嘧啶堿基也可以繼續(xù)分解。生物化學生物化學 Biochemistry二、二、 嘌呤的降解嘌呤的降解u嘌呤的分解還可在核苷或核苷酸的水平上進行。嘌呤的分解還可在核苷或核苷酸的水平上進行。u生物進化程度愈高，則分解嘌呤的能力愈差。生物進化程度愈高，則分解嘌呤的能力愈差。 尿尿生物化學生物化學 BiochemistryAMPGMPH（次黃嘌呤）（次黃嘌呤）X（黃嘌呤）（黃嘌呤）黃嘌呤氧化酶黃嘌呤氧化酶黃嘌呤氧化酶黃嘌呤氧化酶脫氨酶脫氨酶脫氨酶脫氨酶痛風癥痛風癥人血清中尿酸含量為

8、人血清中尿酸含量為20-60mg/L20-60mg/L，當超過，當超過80mg/L80mg/L時，時，尿酸鹽晶體在關(guān)節(jié)、軟組織、軟骨、腎等處沉淀，尿酸鹽晶體在關(guān)節(jié)、軟組織、軟骨、腎等處沉淀，導(dǎo)致痛風、尿路結(jié)石及腎疾病。導(dǎo)致痛風、尿路結(jié)石及腎疾病。生物化學生物化學 Biochemistry痛風癥的治療機制痛風癥的治療機制鳥嘌呤鳥嘌呤次黃嘌呤次黃嘌呤黃嘌呤黃嘌呤尿酸尿酸黃嘌呤氧化酶黃嘌呤氧化酶黃嘌呤氧化酶黃嘌呤氧化酶別嘌呤醇別嘌呤醇HNHCNCCCNHCHNOHypoxanthineHNHCNCCCNHNHCOAllopurinol別嘌呤醇別嘌呤醇次黃嘌呤次黃嘌呤生物化學生物化學 Biochemi

9、stry每每100g食物含嘌呤的食物含嘌呤的mg數(shù)：數(shù)：生物化學生物化學 Biochemistry三、嘧啶核苷酸的分解代謝三、嘧啶核苷酸的分解代謝H2OH2OH2NCH2CH2CO O HH2NCH2CHCO O HCH3NNHONH2H2ONH3HNNHOOCH2CH2NH2NHOHO O CHNNHOOCH3CH2CHNH2NHOHO O CCH3胞 嘧 啶尿 嘧 啶胸 腺 嘧 啶-脲 基 丙 酸CO2 + NH3-丙 氨 酸-氨 基 異 丁 酸-脲 基 異 丁 酸生物化學生物化學 Biochemistry第三節(jié)第三節(jié) 核苷酸的合成代謝核苷酸的合成代謝一、嘌呤核苷酸的合成一、嘌呤核苷酸的合

10、成二、嘧啶核苷酸的合成二、嘧啶核苷酸的合成三、脫氧核苷酸的合成三、脫氧核苷酸的合成生物化學生物化學 Biochemistry核苷酸的合成途徑核苷酸的合成途徑l從頭合成途徑從頭合成途徑是指利用磷酸核糖、氨基酸、一碳單位及是指利用磷酸核糖、氨基酸、一碳單位及COCO2 2等簡單物質(zhì)為原料，經(jīng)過一系列酶促反應(yīng)，等簡單物質(zhì)為原料，經(jīng)過一系列酶促反應(yīng)，合成核苷酸的途徑。合成核苷酸的途徑。l補救合成途徑補救合成途徑利用體內(nèi)游離的堿基或核苷，經(jīng)過簡單的反利用體內(nèi)游離的堿基或核苷，經(jīng)過簡單的反應(yīng)過程，合成核苷酸的途徑。應(yīng)過程，合成核苷酸的途徑。生物化學生物化學 Biochemistry生物化學生物化學 Bio

11、chemistry 嘌呤堿合成的元素來源嘌呤堿合成的元素來源一、嘌呤核苷酸的合成一、嘌呤核苷酸的合成(一一) 從頭合成途徑從頭合成途徑1、從頭合成過程、從頭合成過程HNNNNOR- 5-PPRPP(PRA)( IMP )R-5-PATP AM PPRPP合 成 酶G ln G lu酰 胺 轉(zhuǎn) 移 酶5-磷 酸 核 糖 胺9 步 反 應(yīng)次 黃 嘌 呤 核 苷 酸磷酸核糖磷酸核糖焦磷酸焦磷酸腺苷酸腺苷酸(AMP)鳥苷酸鳥苷酸(GMP)以以PRPPPRPP為基礎(chǔ)，在其上逐漸形成嘌呤環(huán)。先形成咪唑環(huán)后形為基礎(chǔ)，在其上逐漸形成嘌呤環(huán)。先形成咪唑環(huán)后形成嘧啶環(huán)。成嘧啶環(huán)。AMP和和GMP的生成的生成HNN

12、NNNHCHHOOCCH2COOHHNNHNNOOHNNHNNOHNNNNNH2HNNNNH2NOIMPXMPH2OGlnGluATPAMPGTPAspNADH + H+腺苷酸代琥珀酸（AMPS）AMPS 裂解酶延胡索酸GMP 合成酶NAD+ + H2OR-5-PR-5-PR-5-PR-5-PGMPR-5-PAMPS合成酶IMP脫氫酶黃嘌呤黃嘌呤核苷酸核苷酸次黃嘌呤次黃嘌呤核苷酸核苷酸鳥苷酸鳥苷酸腺苷酸腺苷酸生物化學生物化學 Biochemistry嘌呤核苷酸的相互轉(zhuǎn)變嘌呤核苷酸的相互轉(zhuǎn)變IMPAMP腺苷酸代腺苷酸代琥珀酸琥珀酸XMPGMPNH3腺苷酸脫氨酶腺苷酸脫氨酶鳥苷酸還原酶鳥苷酸還原酶

13、NADPH+H+ NADP+NH3次黃嘌呤次黃嘌呤核苷酸核苷酸黃嘌呤黃嘌呤核苷酸核苷酸生物化學生物化學 BiochemistryAMPADPATPADPATP激酶激酶ADPATP激酶激酶GMPGDPGTPADPATP激酶激酶ADPATP激酶激酶生物化學生物化學 Biochemistry 由由5-5-磷酸核糖焦磷酸磷酸核糖焦磷酸（PRPPPRPP）供給核苷酸的磷酸）供給核苷酸的磷酸與核糖部分；與核糖部分； 嘌呤堿的合成是以嘌呤堿的合成是以PRPPPRPP為基礎(chǔ)，添加原子或基團，為基礎(chǔ)，添加原子或基團，形成嘌呤的基本框架結(jié)構(gòu)；形成嘌呤的基本框架結(jié)構(gòu)； 嘌呤的合成先由嘌呤的合成先由GlnGln、Gl

14、yGly、一碳單位形成閉合的、一碳單位形成閉合的五元環(huán)，再由五元環(huán)，再由COCO2 2、天冬氨酸和一碳單位形成閉合、天冬氨酸和一碳單位形成閉合的六元環(huán)；的六元環(huán)； 嘌呤的合成嘌呤的合成首先合成次黃嘌呤核苷酸（首先合成次黃嘌呤核苷酸（IMPIMP），然，然后再轉(zhuǎn)變?yōu)楹笤俎D(zhuǎn)變?yōu)锳MPAMP和和GMPGMP。2、嘌呤核苷酸從頭合成特點、嘌呤核苷酸從頭合成特點（3）嘌呤核苷酸嘌呤核苷酸從頭合成的調(diào)節(jié)從頭合成的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)方式：調(diào)節(jié)方式：反饋調(diào)節(jié)和交叉調(diào)節(jié)反饋調(diào)節(jié)和交叉調(diào)節(jié)生物化學生物化學 Biochemistry（二）（二） 嘌呤核苷酸的補救合成嘌呤核苷酸的補救合成 腺嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶腺嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移

15、酶(APRT)(APRT) 次黃嘌呤次黃嘌呤- -鳥嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶鳥嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶(HGPRT)(HGPRT) 腺苷激酶腺苷激酶(adenosine (adenosine kinasekinase) )（1）參與補救合成的酶）參與補救合成的酶 細胞利用現(xiàn)成的嘌呤堿或嘌呤核苷重新合成細胞利用現(xiàn)成的嘌呤堿或嘌呤核苷重新合成嘌呤核苷酸的過程稱為補救合成。嘌呤核苷酸的過程稱為補救合成。 部位：動物的肝臟中部位：動物的肝臟中生物化學生物化學 Biochemistry （2）補救合成過程）補救合成過程腺腺嘌嘌呤呤核核苷苷AMPATPADP腺腺苷苷激激酶酶生物化學生物化學 Biochemistry先

16、天缺先天缺少次黃嘌呤少次黃嘌呤-鳥嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶（鳥嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶（HGPRT） 生物化學生物化學 Biochemistry（3 3）補救合成的生理意義）補救合成的生理意義l補救合成節(jié)省從頭合成時的能量和一些氨基補救合成節(jié)省從頭合成時的能量和一些氨基酸的消耗。酸的消耗。l體內(nèi)某些組織器官，如腦、骨髓等只能進行體內(nèi)某些組織器官，如腦、骨髓等只能進行補救合成。補救合成。生物化學生物化學 Biochemistry主要是主要是肝細胞胞液肝細胞胞液 合成部位合成部位二、嘧啶核苷酸的生物合成二、嘧啶核苷酸的生物合成先合成嘧啶環(huán)，再與磷酸核糖相連。先合成嘧啶環(huán)，再與磷酸核糖相連。先合成先合成UMPU

17、MP，再轉(zhuǎn)變成，再轉(zhuǎn)變成dTMPdTMP和和CTPCTP。 特點特點（一）嘧啶核苷酸的（一）嘧啶核苷酸的 從頭合成途徑從頭合成途徑生物化學生物化學 Biochemistry1 1、嘧啶合成的元素來源、嘧啶合成的元素來源氨基甲酰磷酸氨基甲酰磷酸NCNCCC123456AspCO2Gln生物化學生物化學 Biochemistry2. 從頭合成過程從頭合成過程（1）尿嘧啶核苷酸的合成）尿嘧啶核苷酸的合成氨甲酰磷酸合成酶2ATP2ADP+PiGluGlnHCO3-+(CPS-)氨甲酰磷酸COPO3H2H2NO+NCNCCC123456AspCO2GlnGlnCO2氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸HNNOOHNNO

18、OCOOHHNNHOOCOOHHNCNHCCH2COOCOOHHNH2CNHCCH2COOCOOHHHONH2CH2NCCH2COOCOOHHHOOP氨氨甲甲酰酰磷磷酸酸氨氨甲甲酰酰天天冬冬氨氨酸酸H2O二二氫氫乳乳清清酸酸酶酶NAD+NADH+H+PRPPPPiCO2 UMPPiR-5-PR-5-P天天冬冬氨氨酸酸氨氨甲甲酰酰轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移酶酶Asp二二氫氫乳乳清清酸酸脫脫氫氫酶酶 UTP磷磷酸酸核核糖糖轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移酶酶脫脫羧羧酶酶乳乳清清酸酸核核苷苷酸酸乳乳清清酸酸二二氫氫乳乳清清酸酸乳清酸尿癥患者乳清酸尿癥患者 生物化學生物化學 Biochemistry（2）CTP的合成的合成 是在三磷酸水平上進

19、行的。是在三磷酸水平上進行的。UTPCTPGln + ATPGlu + ADP + PiCTP NNNH2OR5 PPPHNNOOR5 PPPCDPCMP磷酸酶磷酸酶生物化學生物化學 Biochemistry3 3、嘧啶核苷酸從頭合成的特點、嘧啶核苷酸從頭合成的特點l首先合成嘧啶環(huán)（區(qū)別于嘌呤核苷酸的合首先合成嘧啶環(huán)（區(qū)別于嘌呤核苷酸的合成）成），再與，再與PRPPPRPP結(jié)合；結(jié)合；l嘧啶環(huán)上的原子或基團來自嘧啶環(huán)上的原子或基團來自氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸和和天天冬氨酸冬氨酸；l首先合成首先合成UMPUMP，再由，再由UMPUMP轉(zhuǎn)化成其它核苷酸。轉(zhuǎn)化成其它核苷酸。生物化學生物化學 Bioche

20、mistry4、從頭合成的調(diào)節(jié)、從頭合成的調(diào)節(jié)氨氨基基甲甲酰酰磷磷酸酸氨基甲酰天冬氨酸UMPATP + CO2 + GlnPRPPUTPCTPATP + R-5-P嘌呤核苷酸嘧啶核苷酸哺乳動物細菌生物化學生物化學 Biochemistry（二）嘧啶核苷酸的補救合成（二）嘧啶核苷酸的補救合成嘧啶嘧啶 + + PRPP磷酸嘧啶核苷磷酸嘧啶核苷 + + PPi嘧啶磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶嘧啶磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶尿嘧啶核苷尿嘧啶核苷 + + ATP尿苷激酶尿苷激酶UMP +ADP胸腺嘧啶核苷胸腺嘧啶核苷 + + ATP胸苷激酶胸苷激酶TMP +ADP生物化學生物化學 Biochemistry三、三、 脫氧核糖核苷酸的

21、生成脫氧核糖核苷酸的生成l體內(nèi)脫氧核糖核苷酸是通過相應(yīng)的核糖核苷酸體內(nèi)脫氧核糖核苷酸是通過相應(yīng)的核糖核苷酸還原還原生成的。生成的。l這種還原反應(yīng)是由這種還原反應(yīng)是由核糖核苷酸還原酶核糖核苷酸還原酶催化，在催化，在二磷酸核苷（二磷酸核苷（NDP）水平）水平上進行的。上進行的。生物化學生物化學 BiochemistrySSH2OMg2+NADPHNADP+SHSH硫氧化還原蛋白核糖核苷酸還原酶 NDP（N=A, G, C, U）dNDPdNTPATPADP激酶O堿基CH2HOHOPPO堿基CH2OHOHOPPFAD硫氧化還原蛋白硫氧化還原蛋白還原酶+ H+1. 脫氧核糖核苷酸的生成過程脫氧核糖核苷

22、酸的生成過程生物化學生物化學 Biochemistry2. 脫氧胸苷酸的合成脫氧胸苷酸的合成 是在一磷酸水平上進行的是在一磷酸水平上進行的dUMPdUDPdCMPdTMPH2OPiH2ONH3NADPHNADP+thymidylate synthaseHNNOOR 5 PdCH3reductaseHNNOOR 5 Pd+ H+FH2胸腺嘧啶核苷酸合成酶胸腺嘧啶核苷酸合成酶生物化學生物化學 Biochemistry核苷酸的從頭核苷酸的從頭合成概況合成概況5-磷酸核糖磷酸核糖PRPPAspCO2 + Gln氨基甲酰磷酸氨基甲酰磷酸乳清酸乳清酸UMPdTMPUTPCTPGTPATPAMPGMPIMPGlnGlyGln一碳單位一碳單位一碳單位一碳單位CO2Asp磷酸核糖焦磷酸磷酸核糖焦磷酸生物化學生物化學 Biochemistry嘌呤核苷酸合成小結(jié)嘌呤核苷酸合成小結(jié)生物化學生物化學 Biochemistry嘧啶核苷酸合成小結(jié)嘧啶核苷酸合成小結(jié)生物化學生物化學 Biochemistry生物化學生物化學 Biochemistry復(fù)習題：復(fù)習題：1.討論核苷酸在體內(nèi)的主要生理功能。討論核苷酸在體內(nèi)的主要生理功能。 2. 討論討論PRPP（磷酸核糖焦磷酸）在核苷酸代（磷酸核糖焦磷酸）在核苷酸代謝中的重要性。謝中的重要性。3. 簡述嘌呤環(huán)和嘧啶環(huán)上各個原子來源。簡述嘌呤環(huán)和嘧啶環(huán)上各個原子來源。