核酸的降解和核苷酸代谢.docx
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核酸的降解和核苷酸代谢
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、GTP
④腺苷酸是三种重要辅酶的组分
NAD、FAD、CoA
⑤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。
3、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：
1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。
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、Gly
P303图18-4嘌呤环的元素来源及掺入顺序
A.Gln提供-NH2：
N9
B.Gly：
C4、C5、N7
C.5.10-甲川FHFA：
C8
D.Gln提供-NH2：
N3
闭环
ECO2：
C6
F.Asp提供-NH2：
N1
G10-甲酰THFA：
C2
1、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
（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+PPi
2、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18-6
5-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
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）
1、尿嘧啶核苷酸的合成P310图18-8
氨甲酰磷酸的合成
（1）天冬氨酸转氨甲酰酶
（2）二氢乳清酸酶
（3）二氢乳清酸脱氢酶（辅基：
FAD、FMN）
（4）乳清苷酸焦磷酸化酶
（5）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。
3、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
（1）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。
（2）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。
B1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-SH
②硫氧还蛋白还原酶、辅酶FAD
③谷胱甘肽氧还蛋白（酶）
④谷胱甘肽还原酶-SH
⑤核苷酸还原酶（RR）-SH
2、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：
.①与ATP结合，可促进嘧啶类的UDP、CDP还原成dUDP、dCDP；②与dTTP或dGTP结合，可促使GDP（ADP）还原成dGDP（dADP）
（2）、催化机理自由基催化转换模型。
3、脱氧核苷酸的补救（脱氧核苷激酶途径）
脱氧核苷酸也能利用已有的碱基或核苷进行合成（补救途径），但只有脱氧核苷激酶途径，不存在类似的磷酸核糖转移酶途径
二、胸腺嘧啶脱氧核苷酸的合成
由尿嘧啶脱氧核苷酸（dUMP）经甲基化生成。
Ser提供甲基，NADPH提供还原当量。
四氢叶酸是一碳的载体，参与嘌呤核苷酸和胸腺嘧啶脱氧核苷酸的合成。
氨基嘌呤、氨甲蝶呤是叶酸的类似物，能与二氢叶酸还原酶不可逆结合，阻止FH4的生成，从而抑制FH4参与的一碳单位的转移。
可用于抗肿瘤。
三、核苷酸合成总结P314图18-10
第五节辅酶核苷酸的生物合成
NAD、NADP、FMN、FAD、CoA
一、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。
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
图
NADP的合成：
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。
二、黄素核苷酸的合成（FMN、FAD）
图
三、辅酶A的合成
CoA-SHP317图18-11
前体：
腺苷酸、泛酸、巯基乙胺、磷酸
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
图
代谢途径的相互联系P420图22-1
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