生物化學：第28章 核酸的降解和核苷酸代謝

28章核酸的降解和核苷酸代謝學習重點：核酸/核苷酸/核苷/堿基的分解：終產(chǎn)物名稱核苷酸/核苷/堿基的從頭合成過程（原料、主要過程、嘌呤間或嘧啶間轉換關系）Tip:對照核酸/核苷酸/核苷/堿基的結構認識其分解或合成核酸的種類和分布核酸核糖核酸（RNA）脫氧核糖核酸（DNA）轉移RNA信使RNA核糖體RNA特殊功能RNA小分子細胞核RNA染色質RNA反義RNA雙鏈RNA細胞質小RNA有催化活性的RNA各種病毒RNA功能：參與遺傳信息的表達。功能：遺傳信息的載體，負責遺傳信息的貯存和發(fā)布。食物中的核酸，經(jīng)腸道酶系降解成各種核苷酸，再在相關酶作用下，分解產(chǎn)生嘌呤、嘧啶、核糖、脫氧核糖和磷酸，然后被吸收。吸收到體內(nèi)的嘌呤和嘧啶，大部分被分解，少部分可再利用，合成核苷酸。人和動物所需的核酸無須直接依賴于食物，只要食物中有足夠的磷酸鹽、糖和蛋白質，核酸就能在體內(nèi)正常合成。核酸的分子組成核酸（nucleicacid)核苷酸(nucleotide)磷酸(phosphoricacid)核苷(nucleoside)

戊糖(pentose)堿基(base)

核酸（DNA和RNA）是一種線性多聚核苷酸，它的基本結構單元是核苷酸。核苷酸本身由核苷和磷酸組成,而核苷則由戊糖和堿基形成。DNA的一級結構ATP(腺嘌呤核糖核苷三磷酸)結構①合成核酸②是生物合成的活性中間物：糖原合成，UDP-Glc。磷脂合成，CDP-乙醇胺，CDP-二脂酰甘油。③生物能量的載體ATP、GTP④腺苷酸是三種重要輔酶的組分：

NAD、FAD、CoA⑤信號分子cAMP、cGMPAndmore…

核苷酸的主要功能核酸的分解核酸、核苷酸的分解代謝：核酸核酸酶核苷酸核苷酸酶核苷+磷酸核苷磷酸化酶堿基+戊糖-1-磷酸核苷酸合成（本章）核酸的合成（見DNA復制和RNA轉錄）核酸合成（一）核酸的酶促降解一、核酸和核苷酸的分解代謝核酸是核苷酸以3’，5’-磷酸二酯鍵連成的高聚物，核酸分解代謝的第一步就是分解為核苷酸，作用于磷酸二酯鍵的磷酸二酯酶稱核酸酶。

根據(jù)對底物的專一性可分為：

核糖核酸酶

脫氧核糖核酸酶

非特異性核酸酶

根據(jù)酶的作用方式分：

內(nèi)切酶

外切酶1.核糖核酸酶只水解RNA磷酸二酯鍵的酶（RNase），不同的RNase專一性不同。牛胰核糖核酸酶（RNaseI），作用位點是嘧啶核苷-3’-磷酸與其它核苷酸間的連接鍵。核糖核酸酶T1（RNaseT1），作用位點是3’-鳥苷酸與其它核苷酸的5’-OH間的鍵。牛胰脫氧核糖核酸酶（DNaseI）可切割雙鏈和單鏈DNA。產(chǎn)物是以5’-磷酸為末端的寡核苷酸。

限制性核酸內(nèi)切酶：細菌體內(nèi)能識別并水解外源雙源DNA的核酸內(nèi)切酶，產(chǎn)生3ˊ-OH和5ˊ-P。2.脫氧核糖核酸酶:只能水解DNA磷酸二酯鍵的酶。3.非特異性核酸酶：既可水解RNA，又可水解DNA磷酸二酯鍵的核酸酶。內(nèi)切酶：小球菌核酸酶，可作用于RNA或變性的DNA，產(chǎn)生3’-核苷酸或寡核苷酸。外切酶：蛇毒磷酸二酯酶和牛脾磷酸二脂酶，蛇毒磷酸二酯酶能從RNA或DNA鏈的游離的3’-OH逐個水解，生成5’-核苷酸。牛脾磷酸二脂酶從游離的5’-OH開始逐個水解，生成3’核苷酸。圖磷酸二酯酶只能水解3’核苷酸或5’核苷酸（3’核苷酸酶、5’核苷酸酶）1.核苷酸酶（磷酸單脂酶）水解核苷酸，產(chǎn)生核苷和磷酸。非特異性磷酸單酯酶：不論磷酸基在戊糖的2’、3’、5’，都能水解下來。特異性磷酸單酯酶：核苷酸在核苷酸酶作用下，水解為核苷和磷酸。核苷在核苷磷酸化酶的作用下，分解為堿基和戊糖-1-磷酸；核苷在核苷水解酶的作用下，水解為堿基和戊糖。（二）核苷酸的降解核苷+磷酸核苷磷酸化酶

堿基+戊糖-1-磷酸2.核苷酶①

核苷磷酸化酶：主要存在于植物、微生物中，只水解核糖核苷，不可逆。廣泛存在，反應可逆。②核苷水解酶：

核苷

+H2O核苷水解酶

堿基

+戊糖

首先在各種脫氨酶的作用下水解脫氨(脫氨反應可發(fā)生在嘌呤堿、核苷及核苷酸水平上)。終產(chǎn)物：尿素或氨/CO2（三）嘌呤堿的分解

O次靈長類鳥類昆蟲哺乳動物硬骨魚類多數(shù)魚類兩棲類甲殼類和咸水瓣鰓類

排尿酸動物：靈長類、鳥類、昆蟲、排尿酸爬蟲類排尿囊素動物：哺乳動物（靈長類除外）、腹足類排尿囊酸動物：硬骨魚類排尿素動物：大多數(shù)魚類、兩棲類某些低等動物能將尿素進一步分解成NH3和CO2排出。植物分解嘌呤的途徑與動物相似，產(chǎn)生各種中間產(chǎn)物（尿囊素、尿囊酸、尿素、NH3）。微生物分解嘌呤類物質，生成NH3、CO2及有機酸（甲酸、乙酸、乳酸、等）。不同種類的生物分解嘌呤堿的能力不同，因此，終產(chǎn)物也不同（了解）。尿酸的分解靈長類、鳥類、爬蟲類、昆蟲哺乳動物、腹足類硬骨魚大多數(shù)魚類、兩棲類和甲殼類和咸水瓣鰓類（四）嘧啶堿的分解

嘧啶堿的分解終產(chǎn)物：胞嘧啶/尿嘧啶：丙氨酸，NH3，CO2胸腺嘧啶：氨基異丁酸，NH3，CO2兩種途徑二、核苷酸的合成（一）嘌呤核苷酸的合成1.從頭合成由5’-磷酸核糖-1’-焦磷酸（5’-PRPP）開始，先合成次黃嘌呤核苷酸，然后由次黃嘌呤核苷酸（IMP）轉化為腺嘌呤核苷酸和鳥嘌呤核苷酸。

嘌呤環(huán)合成的前體：

CO2、甲酸鹽、Gln、Asp、Gly

起始物：5’-PRPPOverviewofNucleotidebiosynthesis:denovopathway嘌呤環(huán)的元素來源12甲酸鹽97天冬氨酸甘氨酸谷氨酰胺（酰胺基）A.Gln提供-NH2：N9B.Gly：C4、C5、N7C.10-甲酰FH4：C8D.Gln提供-NH2：N3閉環(huán)E.CO2：C6F.Asp提供-NH2：N1G.10-甲酰FH4：C2

按反應步驟：Animation:TheMetabolicPathwayforthedenovoBiosynthesisofIMP1）次黃嘌呤核苷酸的合成（IMP）

磷酸核糖焦磷酸激酶

5-磷酸核糖+ATP

5`-磷酸核糖焦磷酸

+AMP5-磷酸核糖焦磷酸5-磷酸核糖胺（1）磷酸核糖焦磷酸轉酰胺酶（轉氨）

5-磷酸核糖焦磷酸+Gln→5-磷酸核糖胺+Glu+ppi

甘氨酰胺核苷酸5-磷酸核糖胺（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甘氨酰胺核苷酸甲酰甘氨酰胺核苷酸N10-甲酰四氫葉酸（3）甘氨酰胺核苷酸轉甲酰基酶甘氨酰胺核苷酸+

N10-甲酰FH4+H2O→

甲酰甘氨酰胺核苷酸+FH4甲酰基可由甲酸或氨基酸供給。甲酰甘氨酰胺核苷酸甲酰甘氨脒核苷酸（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此反應受重氮絲氨酸和6-重氮-5-氧-正亮氨酸不可逆抑制。甲酰甘氨脒核苷酸5-氨基咪唑核苷酸（5）甲酰甘氨脒核苷酸環(huán)化酶甲酰甘氨脒核苷酸

→5-氨基咪唑核苷酸N5-羧基-5-氨基咪唑酸核苷酸第二階段反應（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5-氨基咪唑-4-羧酸核苷酸N5-羧基-5-氨基咪唑酸核苷酸（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5-氨基咪唑-4-（N-琥珀基）氨甲酰核苷酸5-氨基咪唑4-羧酸核苷酸

5-氨基咪唑4-氨甲酰核苷酸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

5-甲酰氨基咪唑4-氨甲酰核苷酸5-氨基咪唑4-氨甲酰核苷酸（9）氨基咪唑氨甲酰核苷酸轉甲?；?-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次黃嘌呤核苷酸

5-甲酰氨基咪唑4-氨甲酰核苷酸（10）次黃嘌呤核苷酸環(huán)水解酶

5-甲酰胺基咪唑-4-氨甲酰核苷酸→次黃嘌呤核苷酸+H2O次黃嘌呤核苷酸的合成次黃嘌呤核苷酸的合成總反應式：5-磷酸核糖+CO2+2甲酰THFA+2Gln+Gly+Asp+6ATP→IMP+2THFA+2Glu+延胡索酸+5ADP+1AMP+4Pi+PPi

2）AMP、GMP的合成第一階段反應的第一步5-磷酸核糖焦磷酸轉酰胺酶是關鍵酶，可被終產(chǎn)物AMP、GMP反饋抑制。

AMP/GMP過量可反饋抑制自身的合成。3.AMP、GMP生物合成的調節(jié)4）藥物對嘌呤核苷酸合成的影響（了解）篩選抗腫瘤藥物，腫瘤細胞核酸合成速度快，藥物能抑制。①羽田殺菌素與Asp競爭腺苷酸琥珀酸合成酶，阻止次黃嘌呤核苷酸轉化成AMP。②重氮乙酰絲氨酸、6-重氮-5-氧正亮氨酸，是Gln的結構類似物，抑制Gln參與的反應。③氨基蝶呤、氨甲蝶呤（與二氫葉酸還原酶不可逆結合，阻止四氫葉酸的生成。）Asp的結構類似物羽田殺菌素，可強烈抑制腺苷酸琥珀酸合成酶的活性，阻止AMP生成。羽田殺菌素：N-羥基-N-甲酰-Gly（了解）圖氨基蝶呤、氨甲蝶呤葉酸的結構類似物，能與二氫葉酸還原酶不可逆結合，阻止FH4的生成，從而抑制FH4的合成，阻止各種一碳單位轉移反應。2.補救途徑（注意與從頭合成的區(qū)別）利用已有的堿基和核苷合成核苷酸。1）磷酸核糖轉移酶途徑（重要途徑）

嘌呤堿和5-PRPP在特異的磷酸核糖轉移酶的作用下生成嘌呤核苷酸。

腺嘌呤

+5-PRPP腺嘌呤磷酸核糖轉移酶AMP+PPi次黃嘌呤+5-PRPP（或鳥嘌呤）次黃嘌呤：鳥嘌呤磷酸核糖轉移酶

IMP+PPi（orGMP）嘌呤核苷+磷酸核苷磷酸化酶嘌呤堿

+戊糖-1-磷酸腺嘌呤在核苷磷酸化酶作用下轉化為腺嘌呤核苷，后者在核苷磷酸激酶的作用下與ATP反應，生成腺嘌呤核苷酸。嘌呤核苷酸的從頭合成與補救途徑之間存在平衡。堿基+核糖-1-磷酸核苷磷酸化酶核苷

+Pi核苷+ATP核苷酸+ADP核苷磷酸激酶2）核苷激酶途徑（在生物體內(nèi)只發(fā)現(xiàn)有腺苷激酶）1.從頭合成：與嘌呤核苷酸合成不同，在合成嘧啶核苷酸時，先合成嘧啶環(huán)，再與磷酸核糖結合，生成尿嘧啶核苷酸，然后由尿嘧啶核苷酸轉化為胞嘧啶核苷酸和胸腺嘧啶脫氧核苷酸。

合成前體：氨甲酰磷酸、Asp（二）

嘧啶核苷酸的合成嘧啶環(huán)的來源Animation:ThedenovoSynthesisofUMP圖嘧啶環(huán)的來源Animation:ThedenovoSynthesisofUMP1）氨甲酰磷酸的合成2）尿嘧啶核苷酸的合成天冬氨酸轉氨甲酰酶二氫乳清酸酶二氫乳清酸脫氫酶／FAD、FMN乳清苷酸焦磷酸化酶／Mg2+乳清苷酸脫羧酶UMP+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+ATP+H2（NH4+）CTP+Glu+ADP+Pi3）胞嘧啶核苷酸的合成由尿嘧啶脫氧核苷酸（dUMP）經(jīng)甲基化生成。Ser提供甲基，NADPH提供還原當量。胸腺嘧啶核苷酸合成酶dUMP+N5,N10-亞甲基THFAdTMP+二氫葉酸二氫葉酸還原酶7,8-二氫葉酸+NADPH+H+5,6,7,8-THFA+NDAP+Ser羥甲基轉移酶Ser+THFAGly+N5,N10-亞甲基THFA+H2O4）胸腺嘧啶核苷酸的合成胸腺嘧啶核苷酸的合成核苷酸還原酶核苷二磷酸激酶脫氨(基)酶5）

嘧啶核苷酸生物合成的調節(jié)（大腸桿菌）

大腸桿菌嘧啶核苷酸生物合成的調節(jié)。氨甲酰磷酸合成酶：受UMP反饋抑制天冬氨酸轉氨甲酰酶：受CTP反饋抑制

CTP合成酶：受CTP反饋抑制6）藥物對嘧啶核苷酸合成的影響：有多種嘧啶類似物可抑制嘧啶核苷酸的合成。

5-氟尿嘧啶抑制胸腺嘧啶脫氧核苷酸的合成。5-氟尿嘧啶在人體內(nèi)轉變成相應的核苷酸，再轉變成脫氧核苷酸，可抑制脫氧胸腺嘧啶核酸合成酶，干擾尿嘧啶脫氧核苷酸經(jīng)甲基化生成脫氧胸苷的過程，DNA合成受阻。嘧啶堿與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生成UMP和CMP。2.補救途徑1）嘧啶核苷激酶途徑（重要途徑）核苷磷酸化酶嘧啶堿

+1-磷酸核糖嘧啶核苷

+Pi尿苷+ATP

（胞苷）

尿苷激酶／Mg2+

UMP+ADP

（CMP）

尿嘧啶磷酸核糖轉移酶尿嘧啶

+5-PRPPUMP+PPi

2）磷酸核糖轉移酶途徑（胞嘧啶不行）脫氧核糖核苷酸是由相應的核糖核苷酸衍生的；還原反應一般在核苷二磷酸（NDP）水平上進行。個別微生物（賴氏乳菌桿菌）在核苷三磷酸水平上還原（NTP）；ADP、GDP、CDP、UDP均可分別被還原成相應的脫氧核糖核苷酸：dADP、dGDP、dCDP、dUDP等；dTDP經(jīng)dUDP甲基化而成；ATP、dATP、dTTP、dGTP是還原酶的變構效應物。(Animation)1.核糖核苷酸的還原（三）脫氧核苷酸的合成ADP→還原→dADPGDP→還原→dGDPCDP→還原→dCDPUDP→還原→dUDP→甲基化→dTDP還原反應一般在核苷二磷酸（NDP）水平上進行，ATP、dATP、dTTP、dGTP是還原酶的變構效應物，個別微生物（賴氏乳菌桿菌）在核苷三磷酸水平上還原（NTP）。1）核糖核苷酸的還原脫氧核苷酸的合成2）

核苷酸還原酶系主要由硫氧還蛋白、硫氧還蛋白還原酶和核苷酸還原酶（B1、B2）三部分組成。

①硫氧還蛋白-SH

②硫氧還蛋白還原酶、輔酶FAD③谷胱甘肽氧還蛋白（酶）④谷胱甘肽還原酶-SH

⑤核苷酸還原酶（RR）-SHB1、B2亞基結合后，才具有催化活性。B1上的巰基和B2上的酪氨酸殘基是活性中心的催化基因。核苷酸還原酶所需的還原力還可來自谷胱甘肽。

核苷酸還原酶結構模型及催化機理（了解）

結構模型

B1亞基上有兩個調節(jié)部位，一個影響整個酶的活性（一級調節(jié)部位），另一個調節(jié)對底物的專一性（底物結合部位）一級調節(jié)部位：ATP是生物合成的信號分子，而dATP是核苷酸被還原的信號。底物調節(jié)部位：①與ATP結合，可促進嘧啶類的UDP、CDP還原成dUDP、dCDP；②與dTTP或dGTP結合，可促使GDP（ADP）還原成dGDP（dADP）

核苷酸還原酶系調節(jié)酶活性促進嘧啶核苷酸還原促進嘌呤核苷酸還原3）核苷酸還原酶的作用機制4）脫氧核苷酸生物合成的調控4）脫氧核苷酸生物合成的調控脫氧核苷酸也能利用已有的堿基或核苷進行合成（補救途徑），但只有脫氧核苷激酶途徑，不存在類似的磷酸核糖轉移酶途徑。核苷磷酸化酶堿基+脫氧核糖-1-磷酸脫氧核苷+磷酸脫氧核苷激酶脫氧核苷

+ATP脫氧核苷酸

+ADP2.脫氧核苷酸的補救途徑（脫氧核苷激酶途徑）核苷酸合成總結

（一）煙酰胺核苷酸的合成（NAD、NADP）NAD、NADP是脫氫輔酶，在生物氧化還原系統(tǒng)中傳遞氫。合成途徑：（1）煙酸單核苷酸焦磷酸化酶（2）脫酰胺-NAD焦磷酸化酶