生物化学第十章核酸代谢课件.ppt

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1、第十章 核苷酸代谢Nucleotide Metabolism,本章仅介绍核苷酸的分解代谢和生物合成DNA 和RNA的生物合成分章介绍,第一节 核酸的酶促降解,返回,第三节 核苷酸的合成代谢,第二节 核苷酸的分解代谢,第一节 核酸的酶促降解,一、核酸酶,二、限制性内切酶,核酸酶 核苷酸酶 核苷磷酸化酶 核酸 核苷酸 核苷 碱基+戊糖-1-P,磷酸,吸收方式：核苷、核苷酸吸收部位：小肠,一、核 酸 酶,1、核酸酶的分类,（1）根据对底物的 专一性分为,（2）根据切割位点分为,2、核酸酶的作用特点,外切核酸酶对核酸的水解位点,5,OH,B,3,B,B,B,B,B,B,B,牛脾磷酸二酯酶（5端外切5得

2、3）,蛇毒磷酸二酯酶（3端外切3得5）,内切核酸酶对RNA的水解位点示意图,RNAase I,RNAase I,RNAase T1,RNAase T1,Pu：嘌呤 Py：嘧啶,RNAase T2,二、限制性内切酶,类型 命名 意义,原核生物中存在着一类能识别外源DNA双螺旋中4-8个碱基对所组成的特异的具有二重旋转对称性的回文序列，并在此序列的某位点水解DNA双螺旋链，产生粘性末端或平末端，这类酶称为限制性内切酶（ristriction endonuclease）。,常用的DNA限制性内切酶的专一性,酶,辨认的序列和切口,说明,A G C T T C G A,G G A T C C C C T

3、 A G G,A G A T C T T C T A G A,G A A T T C C T T A A G,A A G C T T T T C G A A,G T C G A C C A G C T G,C C C G G G G G G C C C,Bam H I,Alu I,Bgl I,Eco R I,Hind,Sal I,Sma I,四核苷酸，平端切口,六核苷酸，平端切口,六核苷酸，粘端切口,六核苷酸，粘端切口,六核苷酸，粘端切口,六核苷酸，粘端切口,六核苷酸，粘端切口,限制性内切酶类型,I型：分子量大于105，多亚基，需S-腺苷蛋氨酸、ATP和Mg2+，识别位点与切割位点相差甚远，产

4、物为异质，是限制与修饰相排斥的多功能酶.,型：分子量小于105，需Mg2+，切割位点位于识别 位点上，产物为专一性片段，不具修饰酶功能。现在分子生物学研究所用的限制性内切酶均为此类。,III型：识别位点为5-7bp的非对称序列，切割位点在顺序之外离识别 序列5-10bp，切割双链，个别也切割单链。是限制与修饰相多功能酶.,限制性内切酶的命名和意义,Eco R I,序号,属名,种名,株名,例：Eco R I，这是从大肠杆菌（E.coli）R菌珠中分离出的一种限制性内切酶,限制性内切酶是分析染色体结构、制作DNA限制图谱、进行DNA序列测定和基因分离、基因体外重组等研究中不可缺少的工具，是一把天赐

5、的神刀，用来解剖纤细的DNA分子。,核苷酸的功能,核苷酸是生物体内的重要物质，起着多方面的作用：DNA 和 RNA合成的前体。其衍生物是许多生物合成的活化的中间物。ATP是生物系统最通用的能量、GTP赋予大分子例如新生肽 链在核糖体上的移位运动的动力及信号偶联蛋白的活化。腺苷酸是三种主要辅酶NAD、FAD 和 CoA的组分。核苷酸也是代谢调节物。例如cAMP是许多激素行使调节作用的细胞内信使。腺嘌呤核苷酸生物合成过程的阐明对于筛选抗肿瘤药物以及选育核苷酸高产菌株都有指导意义。,第二节 核苷酸的分解代谢,一、核糖和脱氧核糖的代谢 1-P-核糖 变位酶 5-P-核糖 HMP 1-P-脱氧核糖 变位

6、酶 5-P-脱氧核糖 醛缩酶 乙醛+3-P甘油醛二、嘌呤的分解代谢三、嘧啶的分解代谢,二、嘌呤的分解,尿囊酸 2 尿素 乙醛酸,尿囊酸酶,腺苷酸 次黄苷酸 黄苷酸 鸟苷酸 腺 苷 次黄苷 黄 苷 鸟 苷 腺嘌呤 次黄嘌呤 黄嘌呤 鸟嘌呤 尿 酸 图5 嘌呤类在核苷酸、核苷和碱基三个水平上的降解,三、嘧啶的分解,第三节 核苷酸的合成代谢,一、嘌呤核苷酸的合成二、嘧啶核苷酸的合成三、脱氧核苷酸的合成四、dTMP的合成五、各种核苷酸的相互转变,核糖核苷酸的生物合成,一、嘌呤核苷酸的生物合成,(1)从头合成途径,(2)补救途径(自学),二、嘧啶核苷酸的生物合成,(1)从头合成途径,(2)补救合成途径(

7、自学),一、嘌 呤 核 苷 酸 的 生 物 合 成（一）、从头合成 嘌呤核苷酸的从头合成分为两个阶段.第一阶段是合成次黄嘌呤核苷酸;第二阶段是在次黄嘌呤核苷酸的基础上合成腺嘌呤核苷酸和鸟嘌呤核苷酸。用同位素标记实验证实，嘌呤环上各原子的来源如图1所示。1次黄嘌呤核苷酸的合成(第一阶段)1)首先在磷酸核糖焦磷酸激酶催化下合成5-磷酸核糖焦磷酸。在此基础上合成次黄嘌呤核苷酸（图2）。所涉及的酶有：2)5-磷酸核糖焦磷酸转酰胺酶；3)甘氨酰胺核苷酸合酶，4)甘氨酰胺核苷酸转甲酰基酶；5)甲酰甘氨脒核苷酸合成酶。6)氨基咪唑核苷酸合酶；7)氨基咪唑核苷酸羧化酶。8)氨基咪唑琥珀基甲酰胺核苷酸合酶；9)

8、腺苷酸琥珀酸裂解酶；10)氨基咪唑甲酰胺核苷酸转甲酰酶；11)次黄嘌呤核苷酸环脱水酶,2腺嘌呤核苷酸和鸟嘌呤核苷酸的合成 第二阶段的反应是次黄嘌呤核苷酸分别转变成AMP和 GMP(图3)。在5-AMP 和5-GMP的基础上可进一步磷酸化生成ADP、GDP、ATP&和GTP。3.腺嘌呤核苷酸的合成(从头合成)的调节 在腺嘌呤核苷酸的从头合成途径中，反馈调节是主要的调节方式。该途径的第一步反应，即5-磷酸核糖焦磷酸转变成5-磷酸核糖胺的反应是一步关键性反应。催化该反应的5-磷酸核糖焦磷酸转酰胺酶是一种别构酶，这个酶的活性受其终产物AMP和GMP反馈抑制（图4）。此外，AMP和GMP亦可对由IMP合

9、成AMP和GMP的第一步反应造成反馈抑制。,4.药物对嘌呤核苷酸合成的影响羽田杀菌素的结构与天冬氨酸的结构类似，可强烈地抑制腺 苷酸琥珀酸合成酶的活性。氨基喋呤及氨甲基喋呤与四氢叶酸的结构很相似。这二种化 合物能结合到二氢叶酸还原酶的活性部位上，阻止四氢叶酸 的合成，抑制四氢叶酸作为一碳单位载体的作用，从而阻止 嘌呤核苷酸(和嘧啶核苷酸)的合成。抗菌素重氮乙酰丝氨酸(azaserine)及6-重氮-5-氧-正亮氨 酸与谷氨酰胺的结构很相似，它们是催化氨基从Gln转移到 相应受体分子上的那些酶的有效抑制剂。6-巯基喋呤也是一种抗肿瘤药物。,嘌呤环上各原子的来源,来自谷氨酰胺的酰胺氮,来自“甲酸盐

10、”,来自天冬氨酸,来自甘氨酸,来自CO2,来自“甲酸盐”,5-磷酸核糖焦磷酸,5-磷酸核糖胺,甘氨酸,甘氨酰胺核苷酸,甲酰甘氨酰胺核苷酸,甲酰甘氨咪核苷酸,5-氨基咪唑核苷酸,5-氨基咪唑-4-羧核苷酸,IMP的 生物合成,5-氨基咪唑-4-琥珀基-甲酰胺核苷酸,5-氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸,5-甲酰氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸,次黄嘌呤核苷酸（IMP）,甲酰THFA,IMP转变为GMP和AMP,图16-2,返回,2)5-磷酸核糖焦磷酸转酰胺酶 3)甘氨酰胺核苷酸合酶 4)甘氨酰胺核苷酸转甲酰基酶 5)甲酰甘氨脒核苷酸合成酶 6)氨基咪唑核苷酸合酶 7)氨基咪唑核苷酸羧化酶 8)氨基咪唑琥珀基

11、甲酰胺核苷酸合酶 9)腺苷酸琥珀酸裂解酶 10)氨基咪唑甲酰胺核苷酸转甲酰酶 11)次黄嘌呤核苷酸环脱水酶,图16-3,返回,（二）、补救途径(salvage)利用细胞内己有的嘌呤碱基合成嘌呤核苷酸的途径称为补救途径。1.嘌呤与5-磷酸核糖焦磷酸(PRPP)作用 腺嘌呤磷酸核糖基转移酶,能催化下列的反应:腺嘌呤+5-磷酸核糖焦磷酸 5-AMP+PPi 另一种酶是次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖基转移酶，它能催化：次黄嘌呤+5-磷酸核糖焦磷酸 5-IMP+PPi 鸟嘌呤+5-磷酸核糖焦磷酸 5-GMP+PPi 黄嘌呤+5-磷酸核糖焦磷酸 5-XMP+PPi 由于次黄嘌呤和鸟嘌呤是细胞内嘌呤核苷酸降解的主

12、要产物，所以在嘌呤核苷酸合成的补救途径中，次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖基转移酶是主要的酶。,嘌呤核苷酸合成补救途径,1.嘌呤与5-磷酸核糖焦磷酸(PRPP)作用,2.嘌呤与1-磷酸核糖作用,二、嘧 啶 核 苷 酸 的 合 成 嘧啶核苷酸的合成途径与嘌呤核苷酸合成途径很不相同。（一）、从头合成途径 嘧啶核苷酸的嘧啶环是由氨甲酰磷酸和天冬氨酸合成。嘧啶核苷酸合成时首先形成嘧啶环（图5），然后在此基础上与磷酸核糖结合成乳清核苷酸，继而转变成尿嘧啶核苷酸。1.尿嘧啶核苷酸的合成 1)氨甲酰磷酸的合成：氨甲酰磷酸是肝脏合成尿素的原料(线粒体中)也是嘧啶核苷酸合成的前体(在胞液中)。氨甲酰磷酸合成的氮的来源是

13、不同的。线粒体合成氨甲酰磷酸的氮来自脱氨基作用产生的NH3；而胞液合成氨甲酰磷酸的氮来自Gln，且不需要N-乙酰Glu作活化剂。因为在胞液中是由一种不同于线粒体中的氨甲酰磷酸合成酶催化的，叫氨甲酰磷酸合成酶。线粒体中的酶叫做氨甲酰磷酸合成酶。氨甲酰磷酸合成酶催化的反应如图6所示。,2).尿嘧啶核苷酸合成的过程（图6）Asp转氨甲酰基酶的催化Asp与氨甲酰磷酸结合生成氨甲酰Asp,接着在二氢乳清酸酶的作用下生成二氢乳清酸。然后在二氢乳清酸脱氢酶的催化下,生成乳清酸。第四步在乳清酸磷酸核糖基转移酶的催化下生成乳清核苷酸。第五步是在乳清核苷酸脱羧酶的催化下生成尿嘧啶核苷酸。在E,coli中，催化UM

14、P合成的6种酶彼此是分开的。相反，在真核生物中，其中5种酶群集成为两种多功能酶：氨甲酰磷酸合成酶（C）、天冬氨酸转氨甲酰基酶（A）、二氢乳清酸酶（D）共价结合成240kD的大的多肽链，该多功能酶称为CAD；乳清酸磷酸核糖基转移酶和乳清核苷酸脱羧酶共价结合成52kD的单一多肽链，这两种酶活性分别位于两个不同的结构域。2.胞嘧啶核苷酸的合成胞嘧啶核苷酸的合成是在尿嘧啶核苷三磷酸的水平上进行（图7）,嘧啶核苷酸从头合成途径,c、UMP转变为CTP,a、嘧啶环上原子的来源,b、UMP的从头合成,嘧啶环上各原子的来源,天冬氨酸,CO2,NH3,N,N,C,C,C,C,6,5,4,3,2,1,氨甲酰磷酸,

15、尿嘧啶核苷酸合成途径,图6,1.氨甲酰磷酸合成酶2.天冬氨酸转氨甲酰基酶3.二氢乳清酸酶4.二氢乳清酸脱氢酶5.乳清酸磷酸核糖基转移酶6.乳清核苷酸脱羧酶的催化下生成尿嘧啶核苷酸。,2.胞嘧啶核苷酸的合成,胞嘧啶核苷酸的合成是在尿嘧啶核苷三磷酸的水平上进行的。,3、嘧啶核苷酸合成的调节 在原核生物(如,E.coli)中，嘧啶核苷酸生物合成的主要调节部位是天冬氨酸转氨甲酰酶催化的反应，该酶是一种别构酶。在哺乳动物中，嘧啶核苷酸生物合成的主要调节部位则是氨甲酰磷酸合成酶催化的反应。该酶的活性受嘧啶核苷酸的反馈抑制，但嘌呤核苷酸则起激活作用（图10-8）。4、药物对嘧啶核苷酸合成的影响 6-氮尿嘧啶

16、核苷(6-Azauridine)是嘧啶核苷酸合成的抑制剂。因为氮尿嘧啶核苷进入到体内后转变成相应的核苷酸，能抑制乳清核苷酸脱羧酶的活性。重氮乙酰丝氨酸是从Gln上转酰胺酶的有效抑制剂。在嘧啶核苷酸的从头合成中，氨甲酰磷酸合成酶和胞嘧啶核苷三磷酸合成酶催化的反应均需要Gln提供酰胺基，故这两种酶可被重氮乙酰丝氨酸抑制，从而抑制了嘧啶核苷酸的合成。,图10-8,返回,(二)嘧啶核苷酸补救合成途径（自学）,尿苷激酶,尿苷激酶,尿苷磷酸化酶,UMP磷酸核糖转移酶,三、脱 氧 核 苷 酸 的 合 成 生物体内的各种脱氧核糖核苷酸是在核糖核苷二磷酸的基础上经过还原脱去核糖第二位的氧后产生的。脱氧胸腺嘧啶核

17、苷酸则需要另外的甲基化过程产生。核糖核苷二磷酸是在核糖核苷单磷酸的基础上通过相应的核苷酸激酶由ATP提供磷酸基而产生的。一）、核糖核苷酸还原酶 核糖核苷酸还原酶（图9）催化核糖核苷二磷酸还原 脱氧生成脱氧核糖核苷二磷酸（图10）。dADP、dGDP、dCDP、dUDP都可直接由上面反应产生，再经核苷二磷酸激酶催化转变成脱氧核苷三磷酸。,核糖核苷酸的还原反应,核糖核苷酸还原酶,核糖核苷酸的还原反应,FAD,核糖核苷酸还原酶,ATP、Mg2+,硫氧还蛋白还原酶,核糖核苷二磷酸,+H2O,脱氧核糖核苷二磷酸,FADH2,NADP+,NADPH+H+,谷氧还蛋白还原酶,GSSG,2GSH,谷胱甘肽还原

18、酶,真核生物需GSH,核糖核苷酸还原酶示意图,底物特异性调节位点,酶 活 性调节位点,活性位点,R1亚基,R2亚基,图10-9,图10-10,返回,二）、脱氧核苷酸合成的调节 核糖核苷酸还原酶是一种别构调节酶，是催化脱氧核糖核苷酸合成的限速步骤(至少在动物细胞中是如此)。别构效应物是核苷三磷酸，其中有些是促进，有些则是抑制（图9）。三）、药物对脱氧核糖核苷酸合成的影响 羟基脲(H2N-CO-NHOH)能干扰脱氧核糖核苷酸的合成，因为它能抑制核糖核苷酸还原酶的活性。5-氟尿嘧啶和5-氟脱氧尿嘧啶核苷干扰脱氧胸嘧啶核苷酸的合成，因为它们都能转变成5-氟-2-脱氧尿苷-5-单磷酸(F-dUMP)，而

19、F-dUMP与dUMP相类似，并紧密结合到胸嘧啶核苷酸合成酶上，形成共价复合物，使酶不能发挥催化反应，从而阻碍dTMP的合成。氨基喋呤及氨甲喋呤因能同二氢叶酸还原酶的催化部位结合而阻碍了四氢叶酸的合成，从而也影响到脱氧核苷酸的合成。因为FH4作为一碳单位的载体参与了该步反应。,四、脱氧胸嘧啶核苷酸的合成以UMP为原料从头合成 首先，脱氧尿苷三磷酸水解转变成脱氧尿苷酸：dUTP H2O dUMP PPi dUMP再经特殊的胸腺嘧啶核苷酸合酶催化,甲基化而生成的。甲基的供体是N5,N10-甲叉四氢叶酸（图11）。图12是N5,N10-甲叉四氢叶酸产生的反应。2.从胸腺嘧啶直接合成3.嘧啶核苷酸相互

20、转化,脱氧胸腺嘧啶核苷酸的合成,胸腺嘧啶核苷酸合成酶,NADPH+H+Ser,NADP+Gly,N5、N10CH2 FH4 FH2,二氢叶酸还原酶,Ser羟甲基转移酶,O,N,HN,O,dR-P,CH3,O,N,HN,O,dR-P,叶酸和 四氢叶酸（FH4）,叶酸,N5，N10-CH2-FH4,一碳基团的来源与转变,S-腺苷蛋氨酸,N5-CH2-FH4,N5 N10-CH2-FH4,N5，N10=CH-FH4,N10-CHO-FH4,N5，N10-CH2-FH4还原酶,N5，N10-CH2-FH4脱氢酶,环水化酶,丝氨酸,组氨酸苷氨酸,参与 甲基化反应,为胸腺嘧啶合成提供甲基,参与嘌呤合成,FH4,FH4,FH4,HCOOH,H2O,NAD+,NDAH+H+,NAD+,NDAH+H+,H+,参与嘌呤合成,五核苷酸的合成及相互关系,