生物化學(xué)核酸分解代謝

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1、第十一章核酸的酶促降解和核苷酸代謝,第一節(jié) 核苷酸的分解代謝 第二節(jié) 核苷酸生物合成,第十一章、核苷酸代謝,第一節(jié)、核苷酸的分解代謝,生物體普遍存在的磷酸單酯酶或核苷酸酶可催化核苷酸的水解，而特異性強(qiáng)的磷酸單酯酶只能水解3-Nt或5-Nt。 催化核苷水解的酶有2類，即核苷磷酸化酶和核苷水解酶 Ns phosphorylase Ns+PiPu or Py+pentose-1-P Ns hydrolase Ns+H2OPu or Py+pentose Ns phosphorylase存在廣泛，反應(yīng)可逆 Ns hydrolase主要存在于植物和微生物，只對(duì)核糖核苷起作用，對(duì)脫氧核糖核苷無(wú)

2、作用。,核酸酶(Nuclease) 核酸酶是作用于核酸磷酸二酯鍵的水解酶，包括：1、核糖核酸酶(RNase)，2、脫氧核糖核酸酶(DNase)，其中能水解核酸分子內(nèi)磷酸二酯鍵的酶又稱為核酸內(nèi)切酶(endonuclease)，從核酸的一端逐個(gè)水解下核苷酸的酶稱為核酸外切酶(exonuclease)。,食物核酸與蛋白結(jié)合為核蛋白體（Nucleoproteins）的形式，在胃中受胃酸作用水解為NAs和Proteins，NA在小腸被胰nuclease（包括DNase、RNase）降解為Pu-Nt、Py-Nt和Oligonucleotide。腸黏膜釋放的phosphodiesterase并協(xié)同胰核酸

3、酶進(jìn)行消化，水解為單核苷酸腸黏膜細(xì)胞中還有nucleotidase (phosphomonoesterase)，水解Nt為Ns和Pi。脾、肝等組織中的nucleosidase進(jìn)一步水解Ns為戊糖和堿基。,一、核苷酸分解,二、核苷酸三級(jí)水平的降解,三、嘌呤核苷酸分解的三級(jí)脫氨,（一）、嘌呤堿的分解,不同生物嘌呤堿的分解能力不同，代謝產(chǎn)物也不同，人和猿類及一些排尿酸的動(dòng)物（鳥(niǎo)類、某些爬行類和昆蟲(chóng)）嘌呤的代謝產(chǎn)物為尿酸。,1、嘌呤分解中的脫氨作用,嘌呤堿的分解首先在各種脫氨酶的作用下水解脫氨，脫氨作用也可以在核苷或核苷酸的水平上進(jìn)行。動(dòng)物組織腺嘌呤脫氨酶含量極少，而腺嘌呤核苷脫氨酶及腺嘌呤核苷酸脫氨

4、酶的活性較高，因此腺嘌呤的脫氨分解主要在核苷或核苷酸水平上進(jìn)行。鳥(niǎo)嘌呤脫氨酶分布廣，脫氨分解主要在該酶的作用下進(jìn)行。,（1）、鳥(niǎo)嘌呤脫氨,（2）、黃嘌呤的分解,（3）、尿酸生成,（二）、嘌呤核苷酸的分解,1、不同生物嘌呤核苷酸的分解產(chǎn)物不同,鳥(niǎo)、昆蟲(chóng)、人類,非靈長(zhǎng)類哺乳動(dòng)物,硬骨魚(yú),魚(yú)、兩棲類,甲殼類、無(wú)脊椎,2、黃嘌呤氧化酶(Xanthine Oxidase),催化次黃嘌呤和黃嘌呤氧化生產(chǎn)尿酸。酶為復(fù)合黃素酶，由兩個(gè)相同的亞基組成，分子量260,000，每個(gè)亞基含一個(gè)FAD、一個(gè)鉬原子和一個(gè)Fe4S4中心。反應(yīng)要求分子氧作為電子受體，還原產(chǎn)物是H2O2，進(jìn)入尿酸的氧來(lái)自水。底物與酶結(jié)合后，M

5、o(VI)被還原為Mo(IV)，電子經(jīng)黃素、鐵硫中心等傳給O2，與氫離子生成H2O2，Mo(IV)氧化為Mo(VI)。,3、痛風(fēng)(Gout),嘌呤堿分解代謝產(chǎn)生過(guò)多的尿酸，由于其溶解性很差，易形成尿酸鈉結(jié)晶，沉積于男性的關(guān)節(jié)部位引起疼痛或灼痛痛風(fēng)和腎結(jié)石。,痛風(fēng)的尿酸鈉晶體,4、別嘌呤醇與次黃嘌呤,（1）、別嘌呤醇的作用,別嘌呤醇,別黃嘌呤,（2）、別嘌呤醇的作用機(jī)理,（3）、自殺底物(Suicide Substrate),結(jié)構(gòu)與次黃嘌呤很相似的別嘌呤醇(allopurinol)，在黃嘌呤氧化酶的作用下氧化為別黃嘌呤(alloxanthine)，后者與酶中心的Mo(IV)牢固結(jié)合，使Mo(IV

6、)不易轉(zhuǎn)變成Mo(VI)而成為酶的滅活物，這種底物類似物被稱為自殺作用（底）物，這種作用被稱為自殺作用。,四、嘧啶堿的分解,不同生物嘧啶堿的分解過(guò)程也不一樣，一般情況下含氨基的嘧啶要先水解脫去氨基，脫氨基也可以在核苷或核苷酸水平上進(jìn)行。,（一）、嘧啶還原途徑的分解,（二）、嘧啶氧化途徑的分解,1、尿嘧啶、胞嘧啶分解,2、胸腺嘧啶的分解,返回,第二節(jié)、核苷酸生物合成,可以通過(guò)兩條完全不同的途徑進(jìn)行，1、從頭合成途徑：由磷酸戊糖先和尚未完成的Pu或Py環(huán)結(jié)合，在未完成的環(huán)上添加必要的部分，然后閉合成環(huán)。 2、補(bǔ)救途徑：由現(xiàn)成的Pu,Py,Pentose及Pi在酶的作用下直接合成核苷酸（NtSalv

7、age Pathway）；,一、嘌呤核苷酸的從頭合成途徑,碳14標(biāo)記的HCOOH和氮15標(biāo)記的氨基酸與鴿肝勻漿物共培養(yǎng)，得到Pu各元素的來(lái)源，1950s由J.Buchanan和G.Robert Greenberg提出Hypoxanthine de novo synthesis假說(shuō)，并證明Hypoxanthine Nt是Ade-Nt及Gua-Nt合成的前體。,一、嘌呤核苷酸的從頭合成途徑,合成所需物質(zhì)： -D-ribose-5-P, ATP, Gln, Asp, GTP, N5,N10-methylene THFA, CO2。 另需輔助因子： Mg2+, Mn2+, NAD+, THFA-CHO

8、 合成中先生成IMP，然后轉(zhuǎn)變?yōu)锳MP和GMP。,1、嘌呤環(huán)元素的來(lái)源,2、嘌呤核苷酸的全程合成總圖,嘌呤核苷酸的全程合成（反應(yīng)1）,5-磷酸核糖焦磷酸,5-磷酸核糖胺,嘌呤核苷酸的全程合成（反應(yīng)2）,,甘氨酰胺核甘酸,5-磷酸核糖胺,嘌呤核苷酸的全程合成（反應(yīng)3）,1,甲酰甘氨酰胺核甘酸,甘氨酰胺核甘酸,嘌呤核苷酸的全程合成（反應(yīng)4）,甲酰甘氨酰胺核甘酸,甲酰甘氨咪唑核甘酸,嘌呤核苷酸的全程合成（反應(yīng)5）,甲酰甘氨咪唑核甘酸,5-氨基咪唑核甘酸,嘌呤核苷酸的全程合成（反應(yīng)6）,5-氨基咪唑4-羧基 核甘酸,5-氨基咪唑4-N琥珀酸氨甲酰核甘酸,嘌呤核苷酸的全程合成（反應(yīng)7）,5-氨基咪唑4-

9、N琥珀酸氨甲酰核甘酸,11,5-氨基咪唑甲酰胺核甘酸,嘌呤核苷酸的全程合成(反應(yīng)8),5-氨基咪唑甲酰胺核甘酸,5-甲酰胺基咪唑-4-氨甲酰核甘酸,嘌呤核苷酸的全程合成（反應(yīng)9）,5-甲酰胺基咪唑-4-氨甲酰核甘酸,次黃嘌呤核甘酸,3、由IMP合成AMP和GMP,磷酸核糖基焦磷酸（PRPP）,,5、嘌呤核苷酸合成的調(diào)節(jié),（1）、大腸桿菌腺苷酸和鳥(niǎo)苷酸合成的調(diào)節(jié),（2）、氨甲蝶呤,（3）氮絲氨酸等Gln類似物,二、補(bǔ)救途徑,利用現(xiàn)成的嘌呤、嘧啶堿基、核甘通過(guò)腺嘌呤磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶（APRT)及次黃嘌呤鳥(niǎo)嘌呤磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶（HGPRT)實(shí)現(xiàn)AMP、IMP、GMP的補(bǔ)救合成。 人體細(xì)胞大多為全程合

10、成，但腦中多通過(guò)補(bǔ)救途徑合成。,（一）、嘌呤核苷酸的補(bǔ)救合成,（二）、Lesch-Nyhan Syndrome（自毀容貌綜合癥）,HGPRT（次黃嘌呤鳥(niǎo)嘌呤磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶）缺陷的男性兒童表現(xiàn)為一種自毀容貌綜合癥，為先天性遺傳疾?。ㄈ狈GPRT)，行為對(duì)立，侵略性強(qiáng)，自咬手指、腳趾、嘴唇等，智力低下。,自毀容貌綜合癥機(jī)理,三、嘧啶核苷酸的合成,從頭合成途徑 生物有機(jī)體利用CO2、NH3及天冬氨酸合成核苷酸的途徑。 嘧啶核苷酸的合成包括： 補(bǔ)救途徑 生物有機(jī)體利用堿基或核苷和磷酸核糖合成核苷酸的途徑。,（一）、從頭合成途徑,1、嘧啶環(huán)元素的來(lái)源,2、氨甲酰磷酸合成氨甲酰Asp,3、乳清酸的合成

11、,4、乳清酸合成UMP,5、嘧啶核苷酸的全程合成：由乳清酸合成UTP和CTP,6、UTP合成CTP,7、嘧啶核苷酸合成的調(diào)節(jié),8、嘧啶核苷酸的合成受到反饋抑制的調(diào)節(jié),細(xì)菌嘧啶核苷酸合成速度的調(diào)節(jié)很大程度受到Asp羧甲基轉(zhuǎn)移酶（ATCase）的調(diào)節(jié)，產(chǎn)物CTP對(duì)反應(yīng)為抑制作用。細(xì)菌ATCase分子有6個(gè)催化亞基和6個(gè)調(diào)節(jié)亞基組成，催化亞基與底物分子結(jié)合，變構(gòu)調(diào)節(jié)亞基與變構(gòu)調(diào)節(jié)物CTP結(jié)合。與亞基一樣，整個(gè)酶分子有兩種構(gòu)象：活性形式和非活性形式，CTP未與調(diào)節(jié)亞基結(jié)合時(shí)，酶的活性最大；CTP積累并與調(diào)節(jié)亞基結(jié)合時(shí)，調(diào)節(jié)亞基構(gòu)象改變并帶動(dòng)催化亞基構(gòu)象改變，酶變?yōu)闊o(wú)活性形式。ATP阻止由CTP所引起改

12、變的改變。,CTP和ATP對(duì)天門冬氨酸羧甲基轉(zhuǎn)移酶的變構(gòu)調(diào)節(jié),（二）、嘧啶核苷酸的補(bǔ)救合成,UMP磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶 Ura+PRPPUMP+PPi 尿嘧啶磷酸化酶 Ura+1-P-RUridine+Pi 尿苷激酶 Uridine+ATPUMP+ADP Cytosine不能與PRPP作用。,三、三磷酸核苷酸的合成,1 .AMP生成ATP 核甘酸激酶 AMP+ATP2ADP glycolytic enzymes or oxidative phosphorylation ADPATP 2 .ATP通過(guò)核苷單磷酸激酶生成其他NDP ATP+NMPADP+NDP 3.NT

13、P的生成 Ns diphosphate kinase NTPD+NDPANDPD+NTPA,四、脫氧核糖核苷酸的合成,以核糖核苷酸為原料，通過(guò)NDP還原酶將核糖分子還原為脫氧核糖。核糖核苷酸必須先行轉(zhuǎn)化為二磷酸核苷酸(NDP)水平，再還原為脫氧核苷二磷酸水平。 除需還原酶外，還需另兩種氧還蛋白參與，即硫氧還蛋白(thioredoxin)和谷氧還蛋白(glutaredoxin)。 產(chǎn)物為dNDP。 進(jìn)一步在激酶的作用下形成相應(yīng)的dNTP。,（一）、脫氧核苷酸的合成,1、核糖核苷酸還原酶催化核糖核苷酸還原為脫氧核糖核苷酸,2、核糖核苷酸還原酶,Tyr,,Fe2+,,,3、核糖核苷酸還原酶作

14、用的可能機(jī)制,4、脫氧核苷酸合成機(jī)理,5、硫氧還蛋白,7、硫氧還蛋白還原酶,8、谷氧還蛋白還原酶,9、脫氧核苷三磷酸對(duì)核糖核苷酸還原酶的調(diào)節(jié),（二）、dTMP的生物合成,存在兩種不同途徑：補(bǔ)救和全程合成 補(bǔ)救途徑以完成的Thy為原料，先生成dT，再形成dTMP。,1、胸苷酸的合成,2、dTMP的生物合成,全程合成途徑以dUMP為原料 N5,N10-methylene THFA為甲基供體，由dTMP synthetase 催化生成。,1、由胸苷酸合成酶和二氫葉酸還原酶催化的dUMP合成dTMP,2、二氫葉酸還原酶,3、胸苷酸合成酶與二氫葉酸還原酶,氟尿嘧啶,4、胸苷酸合成和葉酸代謝作為化學(xué)治療的靶位點(diǎn),5、dUMP到dTMP的轉(zhuǎn)變及FdUMP的抑制,五、dNTP的生成,六、NAD的合成,七、NAD的合成過(guò)程,八、FAD的合成,返回,