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1、第7章 核酸代谢,7.1 核苷酸的分解代谢7.2 核苷酸的合成代谢7.3 核酸的合成代谢,7.1.1 核酸的降解与消化吸收,核酸的降解：核酸在酶的作用下先水解成多核苷酸或单核苷酸。核苷酸在核苷酸酶的催化下可继续水解成核苷和磷酸。核苷在酶的催化下分解，得到碱基。,核酸酶水解核酸的酶,核酸酶,核糖核酸酶,脱氧核糖核酸酶,按作用底物（DNA或RNA）分类,核酸酶水解核酸的酶,核酸酶,核酸内切酶,核酸外切酶,按作用方式分类：水解分子内磷酸二酯键或水解分子外磷酸二酯键,核酸酶水解核酸的酶,外切酶：如蛇毒磷酸二酯酶和牛脾磷酸二酯酶，蛇毒磷酸二酯酶从多核苷酸链的3端开始逐个水解核苷酸链，产物为5-核苷酸。牛
2、脾磷酸二酯酶从多核苷酸链的5端开始逐个水解核苷酸链，产物为3-核苷酸,核酸内切酶：将核酸分解成较小的核苷酸链，很多核酸内切酶无选择性。但在某些细菌和蓝藻中，存在一类特殊的核酸内切酶，称为限制性核酸内切酶。这类酶在双链DNA上能识别特殊的核苷酸序列。,核苷酸酶,生物体中核苷酸酶广泛存在，其中多数是非特异性的核苷酸酶，它们可催化所有的核苷酸水解。生物体中也存在特异性核苷酸酶，如3-核苷酸酶只能催化3-核苷酸水解，5-核苷酸酶只能催化5-核苷酸水解。,催化核苷分解的酶,核苷磷酸化酶存在广泛，它所催化的反应是可逆的。核苷水解酶主要存在于植物和微生物中，它只催化核糖核苷水解，对脱氧核糖核苷无作用，并且反
3、应不可逆。,核酸的消化吸收,核酸的分解产物碱基和戊糖可被直接吸收，未被分解的核苷也可以直接吸收。核酸的消化产物吸收后，由门静脉进入肝脏。戊糖可以被分解或合成体内的核酸肠道吸收的碱基只有很少量可以用于合成体内的核酸，绝大部分碱基被分解排除体外。虽然食物来源的碱基几乎不能掺入到组织的核酸中，但非肠道输入的化合物却可能掺入组织的核酸中。例如注射的脱氧胸苷可以掺入新合成的DNA中。,7.1.2 嘌呤的分解,嘌呤碱基的分解途径和分解产物随物种的不同而不同，人、灵长类动物、鸟及某些爬虫类可将嘌呤碱氧化成尿酸排除体外，在氧化的过程中经历次黄嘌呤和黄嘌呤等中间产物。,腺嘌呤的分解过程,鸟嘌呤的分解过程,尿酸的
4、形成与分解过程,痛风与核酸代谢,痛风的形成：由于体内过多的尿酸形成尿酸钠结晶造成的。尿酸钠或尿酸也可以在肾脏和输尿管中沉淀为结石，导致肾脏损伤和输尿管堵塞。,别嘌呤醇的结构与次黄嘌呤相似，是黄嘌呤氧化酶的竞争抑制剂，可以抑制黄嘌呤的氧化，减少尿酸的生成，所以别嘌呤醇用于缓解痛风的症状。,7.1.3 嘧啶的分解,动物体内的嘧啶分解与嘌呤不同，嘧啶环可以被打开生成易溶于水的二氧化碳、氨、-丙氨酸和-氨基异丁酸。在分解中胞嘧啶先脱去氨基生成尿嘧啶，尿嘧啶还原成二氢尿嘧啶，再水解开环，最终水解生成二氧化碳、氨和-丙氨酸。胸腺嘧啶的水解过程与尿嘧啶相似，还原成二氢胸腺嘧啶后，水解生成二氧化碳、氨和-氨基
5、异丁酸。,胸腺嘧啶的分解过程,尿嘧啶和胞嘧啶的分解过程,比较分解产物,共同产物：二氧化碳和氨气不同产物：-丙氨酸（T）-氨基异丁酸（C和U）,嘧啶分解产生的氨可转变成尿素排出体外，-丙氨酸经氨基酸代谢途径生成乙酰辅酶A，-氨基异丁酸可转化为琥珀酰辅酶A。乙酰辅酶A和琥珀酰辅酶A进入三羧循环进行代谢。也有部分-氨基异丁酸可经肾脏直接排除体外。,小结,一、核酸的降解核酸由磷酸二酯酶水解，有核糖核酸酶、脱氧核糖核酸酶、内切酶和外切酶之分。蛇毒磷酸二酯酶和牛脾磷酸二酯酶都是外切酶，但蛇毒磷酸二酯酶从3端水解，生成5-核苷酸；牛脾磷酸二酯酶从5端水解，生成3-核苷酸。细胞内还有限制性内切酶，可水解外源D
6、NA。,小结,二、核苷酸的降解核苷酸由磷酸单酯酶水解成核苷和磷酸，特异性强的酶只水解5-核苷酸，称为5-核苷酸酶，或相反。核苷磷酸化酶将核苷分解为碱基和戊糖-1-磷酸，核苷水解酶生成碱基和戊糖。,小结,三、嘌呤的分解（一）腺嘌呤生成次黄嘌呤，鸟嘌呤生成黄嘌呤。（二）次黄嘌呤生成黄嘌呤，再氧化生成尿酸。（三）尿酸氧化生成尿素。而某些生物可将尿酸继续氧化分解为氨和CO2。别嘌呤醇可防止尿酸钠沉积，用于治疗痛风。,小结,四、嘧啶的分解胞嘧啶先脱氨生成尿嘧啶，再还原成二氢尿嘧啶，然后开环，水解生成-丙氨酸，可转氨参加有机酸代谢。,7.2 核苷酸的合成代谢,7.2.1 嘌呤核糖核苷酸的合成7.2.2 嘧
7、啶核糖核苷酸的合成7.2.3 脱氧核糖核苷酸的合成,7.2.1 嘌呤核糖核苷酸的合成,生物体都能合成核苷酸，研究表明生物体合成核苷酸有两种途径，即“从头合成”途径和“补救”合成途径。,7.2.1.2 从头合成途径,生物体用从头合成途径合成核苷酸，不是先合成碱基再与核糖和磷酸结合成核苷酸，而是直接合成核苷酸，游离碱基不是合成的中间产物。,7.2.1.1合成原料,不同生物体，如酵母、鸽子和人都有完全相同的嘌呤核苷酸的合成途径。生物体利用天冬氨酸、谷氨酰胺、甘氨酸、甲酸盐和二氧化碳为原料合成嘌呤环。,嘌呤核苷酸合成的起始物质是5-磷酸核糖-1-焦磷酸（PRPP），它是由磷酸戊糖途径的产物5-磷酸核糖
8、转化而成的，催化此反应的酶是磷酸核糖焦磷酸激酶。5-磷酸核糖-1-焦磷酸参与各种核苷酸的合成，此反应需要消耗ATP，是合成核苷酸的关键反应之一。,合成次黄嘌呤核苷酸（IMP）,由5-磷酸核糖-1-焦磷酸开始合成次黄嘌呤核苷酸，也称肌苷酸（IMP），经过10步反应，反应可分为两个阶段。第一阶段由5-磷酸核糖-1-焦磷酸与谷氨酰胺反应生成1-氨基-5-磷酸核糖，再与甘氨酸结合，经甲酰化和转移谷氨酰胺的氮原子，然后闭合成环生成5-氨基咪唑核苷酸。第二阶段由5-氨基咪唑核苷酸羧化，进一步获得天冬氨酸的氨基，再甲酰化，最后脱水闭合成环生成次黄嘌呤核苷酸。上述十步反应中有四步消耗ATP。,第一阶段,第二阶
9、段,IMP转变为AMP和GMP,7.2.1.3 补救合成途径,在大多数细胞核酸的转化中，特别是某些RNA的转化释放出腺嘌呤、鸟嘌呤和次黄嘌呤。这些嘌呤碱基通过“补救途径”重新转变成相应的核苷酸。,哺乳动物的肝脏是嘌呤核苷酸合成的主要部位，它向无合成能力的组织提供嘌呤及其核苷用于“补救”合成。脑、红细胞和骨髓多利用“补救合成”途径。与从头合成途径比，补救合成途径更简单而且不需要消耗能量。,在哺乳动物中，嘌呤核苷酸大部分是通过两种不同的酶催化反应进行“补救”。一种是在腺嘌呤磷酸核糖转移酶催化下，腺嘌呤生成AMP，另一种是在次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖转移酶的催化下，次黄嘌呤和鸟嘌呤发生相类似的反应生成I
10、MP和GMP。,7.2.2 嘧啶核糖核苷酸的合成,嘧啶核糖核苷酸的生物合成原料：天冬氨酸谷氨酰胺碳酸与嘌呤核苷酸的合成不同，嘧啶核苷酸是先合成嘧啶环。,谷氨酰胺和碳酸,7.2.2.1 UMP和CTP的合成,7.2.3 脱氧核糖核苷酸的合成,脱氧核糖核苷酸是构成DNA的组成成分，它由相应的核苷酸还原得到。还原反应发生在二磷酸核苷的水平上（NDP），ADP、GDP、CDP和UDP被分别还原为dADP、dGDP、dCDP和dUDP。,核糖核苷酸还原酶,核糖核苷酸还原酶是由细菌和动物组织已分离到催化此还原反应的酶系。核糖核苷酸还原酶由两个亚基组成，两个亚基分开时没有活性，只有合在一起并有镁离子时才有活
11、性。还原二磷酸核苷的核糖需要的氢由NADPH提供，参与氢传递的还有FAD、含巯基的硫氧还蛋白和含谷胱甘肽的谷氧还蛋白。硫氧还蛋白和谷氧还蛋白的作用是还原核糖核苷酸还原酶，使酶重新变成还原型，以催化核糖核苷酸转变成脱氧核苷酸。,胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸 合成,一是由尿嘧啶核苷二磷酸还原成尿嘧啶脱氧核苷二磷酸，经磷酸化成尿嘧啶脱氧核苷三磷酸（dUTP），再转化成尿嘧啶脱氧核苷一磷酸。另一种途径是由胞嘧啶转化成尿嘧啶脱氧核苷一磷酸。,dUMP向dTMP的转化由胸苷酸合酶催化，需要的甲基由N5，N10-亚甲基四氢叶酸提供，反应中N5，N10-亚甲基四氢叶酸被氧化成二氢叶酸。,某些叶酸结构的类似物如氨基蝶
12、呤、氨甲基蝶呤等，能与二氢叶酸还原酶发生不可逆结合，结果阻止了四氢叶酸的生成，从而抑制四氢叶酸参加的各种一碳单位的转移反应。利用氨甲基蝶呤可以抑制dTMP合成的性质，将氨甲基蝶呤类物质作为抗肿瘤药物。但这类药物抑制肿瘤细胞DNA合成的同时，也影响正常细胞，所以毒性较大，限制了它们在临床上的应用。,小结,一、嘌呤核糖核苷酸的合成（一）从头合成途径1.嘌呤环的元素来源2.IMP的合成3.AMP的合成：4.GMP的合成：（二）补救途径：1.在特异的核苷磷酸化酶催化下生成核苷，再由其核苷磷酸激酶生成核苷酸。2.嘌呤与PRPP在磷酸核糖转移酶催化下生成核苷酸。有腺嘌呤磷酸核糖转移酶和次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸
13、核糖转移酶。,小结,二、嘧啶核糖核苷酸的合成（一）尿嘧啶核苷酸的合成：谷氨酰胺与碳酸氢根在氨甲酰磷酸合成酶催化下生成氨甲酰磷酸，氨甲酰磷酸与天冬氨酸生成氨甲酰天冬氨酸，闭环氧化生成乳清酸，再与PRPP生成乳清苷酸，脱羧生成UMP。（二）CMP的合成：UMP先与2分子ATP反应生成UTP，在CTP合成酶催化下与谷氨酰胺、ATP生成CTP。（三）补救途径：尿嘧啶可与PRPP生成UMP，也可与1-磷酸核糖生成尿苷，再被尿苷激酶催化生成UMP。胞嘧啶不能与PRPP反应，但胞苷可被尿苷激酶催化生成CMP。,小结,三、脱氧核糖核苷酸的合成（一）核糖核苷酸的还原：由核糖核苷酸还原酶体系催化，可将NDP还原为
14、dNDP，需镁和ATP。各种核苷一磷酸酸可被特异的核苷一磷酸激酶催化生成核苷二磷酸，核苷二磷酸激酶特异性很低，可催化核苷二磷酸和核苷三磷酸的相互转变。（二）碱基和脱氧核糖-1-磷酸可由磷酸化酶合成脱氧核糖核苷，再由脱氧核糖核苷激酶生成脱氧核糖核苷酸。,7.3 核酸的合成代谢,7.3.1 DNA的生物合成7.3.2 DNA的修复 7.3.3 RNA的生物合成,7.3.1 DNA的生物合成,所谓复制是指以原来的DNA分子为模板合成出相同分子的过程。现已证明DNA复制过程的基本性质和酶催化反应的机制在各种生物中基本上是相同的。在沃森（Watson）和克里克(Crick)提出提出了DNA的半保留复制假
15、说。,半保留复制,指分别以DNA分子中的两条互补链为模板，合成两个DNA分子的过程。DNA分子在半保留复制过程中，首先碱基间氢键断开并使双螺旋链解旋和分开，然后每条链可以作为模板在其上合成新的互补链（图7-7）。这样新生成的两个DNA分子与原来的DNA分子的碱基顺序完全相同，每个新生成的DNA分子含有一条原来的脱氧核苷酸链和一条新的脱氧核苷酸链。,DNA复制起始点和复制叉,7.3.1.2 DNA复制酶系统,我们将参与DNA复制的酶和蛋白质因子称为DNA复制酶系统。DNA复制酶系统较重要的有DNA聚合酶、解旋酶、拓扑异构酶、引物酶和连接酶等。,（1）DNA聚合酶,DNA聚合酶在所有的生物中都存在
16、，它主要有三个功能：DNA链的延伸、持续合成能力和校对功能。在DNA的复制中，DNA聚合酶以三磷酸脱氧核苷为底物，按碱互补原则，将脱氧核苷酸加到DNA链末端3-羟基上，形成3，5-磷酸二酯键，同时三磷酸脱氧核苷脱下焦磷酸。焦磷酸水解放出能量，促进DNA复制反应的进行。这样的反应重复进行，DNA链就沿5至3的方向延长。,大肠杆菌DNA聚合酶的性质,*仅聚合活性亚基。DNA聚合酶、有许多辅助亚基。,（2）解旋酶,在细胞核中DNA是以超螺旋结构存在的，在复制时DNA的超螺旋和双螺旋必须解除，形成单链才能作为复制的模板。解开螺旋的过程需要解旋酶的参与。解旋酶使DNA双螺旋的两条互补链分开形成单链，所需
17、要的能量由ATP提供。解链酶对单链DNA有亲合力，当DNA有缺口时，解链酶与缺口结合使双螺旋链分开。,（3）其它酶,螺旋状DNA解旋后会产生应力，超螺旋结构也需要解开，这主要由DNA拓扑异构酶来完成，拓扑异构酶通过切开DNA双螺旋链，使双螺旋链变为松弛状态。,在DNA复制的开始需要有RNA引物存在，引物是在引物酶的催化下合成的。,DNA连接酶：DNA链合成后引物被切除，并被DNA替代。此时DNA链上仍存在缺口，DNA连接酶会催化形成磷酸二酯键，将断裂的缺口连上，形成完整的DNA链。,DNA连接酶,5 G-C-T-C-T-G-C-A G-G-A-G 3,3 C-G-A-G A-C-G-T-C-C
18、-T-C 5,OH,P,OH,P,5 G-C-T-C-T-G-C-A-G-G-A-G 3,3 C-G-A-G-A-C-G-T-C-C-T-C 5,nick,nick,7.3.1.3 DNA 的复制过程,DNA的复制过程可分为三个阶段，即复制的起始阶段、DNA链的延伸和DNA链的终止阶段。,起始,延伸,在DNA复制中，DNA新链的合成是沿53的方向进行的。由于DNA分子的两条链是反向平行的，所以分别以两条链为模板的DNA链的复制方式是不同的。DNA的一条链复制以35DNA母链为模板，DNA链的复制是沿53的方向连续进行的，称为前导链。另一条以53DNA母链为模板，DNA链的复制不能连续进行，称为
19、后随链，后随链的合成方向与前导链相反。后随链合成的是不连续的DNA片段，称为冈崎片段。,细菌DNA的复制速度较快,终止,在细菌环状DNA复制的最后，会遇到起终止作用的特殊的核苷酸系列，这时DNA的复制就终止。如果复制是双向复制，哪个方向的复制叉先遇到终止系列，哪个复制叉就停止复制。真核线型DNA复制的停止与细菌不同，它包括在DNA末端合成特殊的端粒结构的过程。,7.3.2 DNA的修复,DNA是遗传信息的携带者，在细胞中，维持DNA信息的完整性是细胞必须遵守的准则。在某些物理化学因素的影响下，DNA的结构受到损伤，就会引起遗传信息的改变。在长期的进化过程中，生物体获得了一种自我保护功能，能使损
20、伤的DNA得到修复。DNA的损伤修复系统主要有错配修复、切除修复和重组修复等。,7.3.2.1 错配修复,细胞修复系统能够区分“旧链”和“新链”,7.2.3.2 切除修复,切除修复是指在一系列酶的作用下，将DNA分子中受损伤部分切除，并以完整的那一条链为模板，合成切除的部分，使DNA恢复正常结构的过程。,7.2.3.3 重组修复,DNA合成时有些损伤部位可以先复制再修复。如含有嘧啶二聚体的DNA损伤仍然可以复制，在复制时复制酶跳过损伤部位进行复制，结果子代链在损伤部位留下缺口。这种遗传信息有缺损的子代DNA分子可通过遗传重组加以弥补，即从同源DNA的母链上将交相应核苷酸序列片段移至子链缺口处，
21、然后再用合成的序列来补上母链的空缺，此过程称为重组修复。,7.3.3 RNA的生物合成,RNA链的转录起始于DNA模板链的一个特定的起点，并在另一个终点处终止，此转录区域称为转录单位。一个转录单位可以是一个基因，也可以是多个基因。基因是遗传物质的最小功能单位，相当于DNA的一个片段。转录不需要引物，并且只转录特定的基因，DNA分子中的某些部分从来不转录。,（1）RNA聚合酶,RNA的转录是在DNA指导的RNA聚合酶的催化下进行的。此酶需要4种核苷三磷酸为底物，以适当的DNA为模板，同时还需要Mg2+。与DNA复制相似，RNA链的合成也是沿53的方向进行，第一个核苷酸带有3个磷酸基，其后每加入一
22、个核苷酸酸脱去一个焦磷酸，形成磷酸二酯键，反应是可逆的。RNA聚合酶不需要引物，它直接在DNA模板链上合成RNA。,大肠杆菌的RNA聚合酶由五个亚基组成的核心酶、亚基（因子）组成，其中还含有两个Zn原子。核心酶主要起与底物结合，催化RNA链的合成的作用，因子帮助核心酶更紧密的结合在DNA特定核苷酸序列上，起着在DNA链上识别转录起点的作用。,真核生物RNA聚合酶主要有三类，通常有8到14个亚基，并含有Zn2+。真核生物RNA聚合酶转录rRNA前体，聚合酶转录所有mRNA前体和大多数核内小RNA（snRNA），聚合酶转录tRNA、snRNA和不同的胞质小RNA等小分子转录物。,（2）RNA的转录
23、过程,转录过程可分为三个阶段：转录的起始、转录的延伸和转录的终止。,转录的起始阶段,核苷酸进入形成3，5-磷酸二酯键并脱下焦磷酸，在合成RNA链最初29个核苷酸后，亚基离开核心酶并脱离DNA模板。,延伸阶段,RNA聚合酶在DNA模板链上沿着35的方向移动，DNA双螺旋不断解开，同时以四种核苷酸为原料使RNA链沿着53的方向延长。RNA链的延长速度约为每秒50个核苷酸。,转录的终止阶段,7.3.3.2 RNA的转录后加工,在细胞内由RNA聚合酶合成的最初RNA需要经过一系列的变化，包括链的裂解、3与5端的切除和特殊结构的形成、核苷的修饰和糖苷键的改变以及拼接等过程，这些过程称为RNA转录后加工。
24、,rRNA的加工,在加工中这些RNA前体首先被甲基化，然后被切割成RNA片段，再去除一些核苷酸序列变成有活性的rRNA分子。,tRNA前体的加工,tRNA前体约有100个核苷酸，成熟的tRNA约有7080个核苷酸。在tRNA前体的加工中，从在3端和5端切除多余的核苷酸序列，切除需要核酸内切酶和核酸外切酶催化。切除后在核苷酰转移酶的催化下，以CTP和ATP为原料，在3端合成CCA序列，该序列可以与氨基酸结合。,mRNA前体的加工,细胞中新合成的mRNA前体分子量很大，在核内的加工过程中，它先形成分子大小不等的中间物，称为核内不均一RNA（hnRNA）。在哺乳动物中，约有25%的hnRNA经加工可以转化为成熟的mRNA进入细胞质。hnRNA转变为mRNA的加工过程包括：在5端形成称为“帽子”的特殊结构；在核苷酸链的3端形成一段多聚核苷酸（polyA）尾巴；通过拼接切除称为内含子的不含遗传信息的核苷酸序列；核苷酸链内碱基的甲基化。,
