核酸的降解和核苷酸代谢

尿嘧啶
二氢尿嘧啶
β-脲基丙酸 β-丙氨酸
胞嘧啶
胞嘧啶和尿嘧啶的分解代谢
胸腺嘧啶的分解代谢
胸腺嘧啶
二氢胸腺嘧啶
β-脲基异丁酸
β-氨基异丁酸
胞嘧啶 NH3
尿嘧啶
胸腺嘧啶
二氢尿嘧啶 H2O
β-脲基异丁酸 H2O
β-丙氨酸 丙二酸单酰CoA
乙酰CoA
TCA
CO2 + NH3
β-氨基异丁酸
肝 尿素
甲基丙二酸单酰CoA
ADP
• 核苷:
– 嘌呤核苷以 “-sine” 结尾
• 腺苷，鸟苷
– 嘧啶核苷以 “-dine”结尾
• 胸腺嘧啶，胞嘧啶，尿嘧啶
• 核苷酸:
– 从上面核苷的名字开始并加上 “mono-”, “di”, 或 “triphosphate”
如：一磷酸腺苷，胞苷，脱氧胸苷二磷酸
核酸分解与合成背景知识
1909-1934年，美国生物化学家Owen证明，核酸 的分解单位是核苷酸。
嘌呤碱的分解
• 嘌呤碱的分解首先是在各种脱氨酶的作用下水解 脱去氨基。
• 脱氨反应也可以在核苷或核苷酸的水平上进行， 在动物组织中腺嘌呤脱氨酶的含量极少，而腺嘌 呤核苷脱氨酶和腺嘌呤核苷酸脱氨酶的活性极高。
嘌呤碱基的脱氨
嘌呤的降解
腺嘌呤
鸟嘌呤
H2O
腺嘌呤脱氨酶H2O
鸟嘌呤脱氨酶
NH3
黄嘌呤氧N化H酶3
• 早上他去看医生，被确诊为痛风性关节炎，被要 求进行体检。他的血清尿酸水平为8毫克/升
(NL<7.0 mg/L).
• 他回忆说，他的父亲和祖父，他们都是酒鬼，经 常抱怨关节疼痛和脚肿胀。
案例研究：痛风
• 医生建议，疼痛和肿胀的人使用NSAIDs，增加他的液 体摄入（但不是酒精）和休息，把他的脚提起来。他
H2O
丙氨酸
NH2 H3C
N
H3C 脱氨酶
O NH
脱氢酶
O H3C
NH 环化水化酶
N H
O H2O NH3
NADPH+H+ NADP+
N
O
H
NO H
H2O
5-甲基胞嘧啶
胸腺嘧啶
二氢胸腺嘧啶
O
CH3
H H2
H2N C N C CH COOH
尿基异丁酸
尿基异丁酸酶 H2O
CH3 H2 H2N C CH COOH + NH3+CO2 氨基异丁酸
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
Eco R I
属名 种名 株名 序号 如Hind Ⅲ代表从流感噬血杆菌d株（Haemophilus influenzae）中分离到的第三种内切酶。
核苷酸的降解
➢核苷磷酸化酶普遍存在，催化反应是可逆的。 ➢核苷水解酶主要存在于植物与微生物中，并且只针对核糖核苷，对脱
次黄嘌呤
黄嘌呤
H2O+O2 H2O2 黄嘌 H2O+O2
尿囊素
呤氧
尿酸氧化酶 H2O化2酶 尿酸
H2O 尿囊 CO2+H2O2 2H2O+O2
素酶
尿囊酸
尿囊酸尿酶素 + 乙 2CO2
嘌呤的分解代谢
NH2
N
N
N H
N
Adenine
+H2O 腺嘌呤脱氨酶
O
N
NH
N H
N
NH2
半合成（补救合成）
核糖核苷酸
分解的现成嘌呤、嘧啶
核苷酸合成的两条途径
补救途径
从头合成
核苷 碱基
核糖、氨基酸、CO2、NH3 核糖核苷酸
辅酶
脱氧核苷
脱氧核苷酸
RNA
DNA
嘌呤核糖核苷酸的合成 ➢嘌呤核苷酸环上原子来源
次黄嘌呤核苷酸的合成
各种嘌呤核苷酸的合成是先合成次黄嘌呤 核苷酸，再转变成各种嘌呤核苷酸。此途径叫 嘌呤核苷酸的从头合成途径（de novo synthesis pathway）。
核酸的降解和核苷酸代谢
(Degradation of nucleic acid and nucleotides metabolism)
一、核酸和核苷酸的分解代谢 二、核苷酸的生物合成
核酸营养与核酸代谢
含氮碱类
• 平面，芳烃，杂环 • 来自嘌呤或嘧啶
碱基的结构
糖
D-核糖 和 2’-脱氧核糖
*缺少一个 2’-OH 基团
核苷
•把一个嘌呤或嘧啶基与糖通过N-糖苷键的产物
• 嘌呤的N9原子与糖的C1形成糖苷键 • 嘧啶的 N1原子与糖的C1 形成糖苷键
磷酸基团 • 单-，二-或三磷酸
磷酸基团可接合到糖的C3或C5原子
核苷酸
• 一个或更多的磷酸基团通过酯化反应结合的核苷在 分子的5′端的产物
核苷酸
• DNA (脱氧核酸) 是一种脱氧核糖核苷酸的聚合物
2 核苷酸的降解 3 核苷酸的合成 （1）核糖核苷酸的生物合成 嘌呤核苷酸的合成：从头合成和补救途径 嘧啶核苷酸的合成：从头合成和补救途径 （2）脱氧核糖核苷酸的生物合成
核糖核苷酸的还原 脱氧胸腺嘧啶核苷酸的合成
第一部分 核酸的解聚作用
核酸的酶促降解
动物和异养型微生物可以分泌消化酶来分解核蛋白和 核酸类物质，以获得各种核苷酸。
治 疗：
➢采取有效的药物治疗 ➢合理控制饮食
多吃碱性食物和蔬菜 少喝啤酒 多饮水，少喝汤（汤里存在大量的嘌呤） ➢规律而健康的生活习惯 ➢适当参加体育及户外运动
腺苷脱氨酶缺乏症
• 在嘌呤降解过程中, 腺苷 次黄（嘌呤核）苷
– 催化这一反应的酶是腺苷脱氨酶 (ADA)
• ADA 不足导致 SCID
– 重症联合免疫缺陷
• 脱氧核糖核苷酸和核糖核苷酸都含有腺嘌呤，鸟嘌呤与胞 嘧啶 – 核糖核苷酸含有尿嘧啶 --脱氧核糖核苷酸含有胸腺嘧啶
•是核酸聚合物的单体 •三磷酸核苷是重要的能量载体（ATP，GTP） •是辅酶的重要成分
FAD, NAD+ 和辅酶A
FAD
NAD
巯基乙胺
泛酸
Coenzyme A：
3-磷酸-ADP-泛酰-巯基乙胺
N
O
N H
O O2
CO2
N H
O NH2
N
O
H
尿酸(酮式)
尿囊素
尿囊素酶
H2O
O 2 H2N C
尿素
COOH NH2 +
CHO 乙醛酸
尿囊酸酶 O H2O
O NH2 C OH NH2
N H
N
O
H
尿囊酸
腺苷降解
案例研究：痛风
• 一个45岁的人醒来，发现他的右大脚趾疼痛并肿 胀。在前一天晚上他晚饭吃了炒肝和洋葱，之后 他遇到了他又玩了扑克并喝了一些啤酒。
核酸酶
1、核酸酶的分类
（1）根据对底物 的
专一性分为
核糖核酸酶(RNase) 脱氧核糖核酸酶(DNase)
非特异性核酸酶
（2）根据切割位点 分为
核酸内切酶 核酸外切酶
核酸酶：作用于核酸的磷酸二酯酶
核酸外切酶：作用于核酸链的末端（3’端或5’端），逐 个水解下核苷酸。
• 脱氧核糖核酸外切酶：只作用DNA
牛脾磷酸二酯酶
（ 5´端外切得3’－核苷酸 ）
蛇毒磷酸二酯酶
（ 3´端外切得5’－核苷酸）
限制性内切酶
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 链的酶分子，产生粘性末端或平末端，这类酶称为 限制性内切酶（restriction endonuclease）。
琥珀酰CoA
TCA
糖异生
胸腺嘧啶的分解代谢
甲基丙酰半醛
第三部分 核苷酸的生物合成
嘌呤核糖核苷酸的生物合成
碱基/核苷/核苷酸
碱基 腺嘌呤
碱基 + 糖=
核苷
脱氧腺苷
碱基 + 糖 + 磷酸基团=
核苷酸
脱氧腺苷 5’-三磷酸(dATP)
• 概述： 基本途径
从头合成
ATP
（CO2/NH3/AA/戊糖）
• 选择性杀伤淋巴细胞
– 对象是B- 和 T-细胞 – 阻碍免疫反应
• 腺苷脱氨酶缺乏症Adenosine deaminase deficiency (ADA) ：一种严重的免疫缺陷症， 腺苷脱氨酶的缺乏可使T淋巴细胞因代谢 产物的累积而死亡，从而导致严重的联合 性免疫缺陷症（SCID）。通常导致婴儿 出生几个月后死亡。
还开了药物别嘌呤醇.
• 几天以后，情况已解决并且已经停止服用嘌呤 醇了。重新测定尿酸水平（7.1毫克/升）。医生 给他一些关于改变生活方式的建议。
痛风
尿酸排泄的削弱与过量产生导致发病 尿酸结晶沉淀在关节（痛风性关节炎），肾脏， 输尿管（结石） 黄嘌呤氧化酶抑制剂可以抑制尿酸产生, 用来治 疗痛风药物治疗–次黄嘌呤类似物结合黄嘌呤氧 化酶降低尿酸的生成
（核苷磷酸化酶存在广泛）
（核苷水解酶主要存在于植物和微生物体内，并且只能对核糖核苷起作 用，对脱氧核糖核苷不起作用。）
核酸的酶促降解
核酸 核酸酶
磷酸单酯酶
单核苷酸
核苷
核苷磷酸化酶
核苷水解酶
嘧啶（嘌呤） 嘧啶/嘌呤
核糖
核糖-1-磷酸 脱氧核糖-1-磷酸
醛缩酶
核糖-5-磷酸 磷酸戊糖途径
乙醛
甘油醛-3-磷酸
1961年，美国生化学家Joan Oro模拟大气放电， 在有氰化氢参加的反应体系中发现有氨基酸和腺 嘌呤生成。
1963年，Ponnamperuma在类似的实验中也得到了 腺嘌呤。后来，他又与Ruth Mariner、Carl Sagan 将腺嘌呤与核糖连接成为腺苷；再连接磷酸，得到 了腺苷三磷酸(ATP)。
UDP-葡萄糖和CDP-二酯酰甘油分别是糖原和磷酸甘油 酯合成的中间物 • ATP是生物能量代谢中通用的高能化合物 • 腺苷酸是三种重要辅酶的组分 • 某些核苷酸是代谢的调节物质。如：cAMP和cGMP是许 多激素引起的胞内信使
核酸的降解和核苷酸代谢
1 核酸的酶促降解 核糖核酸酶、脱氧核糖核酸酶、限制性内切酶
核酸分解与合成背景知识
早在演绎核苷酸生物合成前，生物化学家就已经发现 动物会排泄3种不同的含氮废物，即NH2、尿素和尿 酸。尿酸就是嘌呤化合物的代谢产物。
在1950年间，John M.Buchanan和G. Robert Greenberg采用同位素示踪结合嘌呤核苷酸降解物— —尿酸分析证明，嘌呤分子的原子N1来自天冬氨酸， N3和N9来自谷氨酰胺等，完成了嘌呤生物合成过程的 演绎。更为重要的是，他们还发现嘌呤不是以游离含 氮碱，而是以核苷酸形式在体内合成的。
氧核糖核苷是无作用的，反应是不可逆的。
第二部分 碱基的分解代谢
嘌呤碱的分解 Purine Catabolism
不同动物嘌呤代谢的产物
灵长类、鸟类： 尿酸
其他哺乳动物、软体动物： 尿囊素
硬骨鱼： 尿囊酸
软骨鱼和两栖类： 尿素
大多数海洋无脊椎动物： 氨和CO2 （如甲壳类动物）
所有的嘌呤降解会产生尿酸（但它可能不会停止于尿酸）
嘧啶的分解代谢
NH2
O
O
N
脱氨酶
二氢尿嘧啶还原酶 NH
NH
环化水化酶
N
O H2O NH3
N
NADPH+H+ NADP+ O
H
H
N
O
H
H2O
Cytosine
Uracil
二氢尿嘧啶
O H H2 H2
H2N C N C C COOH
尿基丙酸酶
H2 H2 H2N C C COOH + NH3+CO2
尿基丙酸
Guanine
+H2O 鸟嘌呤脱氨酶
H N O N H
O
NH
N
O
H
NH3 OH
NH3 OH
N
N 次黄黄嘌嘌呤呤氧氧化化酶酶 N
N
黄嘌呤氧化酶
HO
N H
N H2O H2O2
次黄嘌呤
N H
N
黄嘌呤
OH H2O H2O2
OH
N
N
N H
N
OH
尿酸(稀醇式)
尿酸的进一步分解
H N O N H
O
H
NH 黄尿嘌酸呤氧氧化化酶酶
嘌呤醇是一种黄嘌呤氧化酶抑制剂 一个底物类似物转化为抑制剂，在这种情况下，称
为“自杀性抑制剂”
高嘌呤食物：豆苗、黄豆芽、芦笋、香菇、紫菜、动物内脏、鱼类
治疗痛风新药研发
饮酒与痛风
机 理：
➢酒精在体内代谢产生乳酸，而血液乳酸水平的提高将抑制肾脏对尿酸的 排泄。
➢啤酒中含有大量的嘌呤，饮酒相当于摄入了高嘌呤食物。 ➢饥饿状态下，体内代谢的调节可增加尿酸的形成进而影响尿酸的水平。
• 类型 • 命名 • 意义
限制性内切酶名称的第一个字母取自获得此内 切酶的细菌属名的第一个字母，用大写
名称的第二、三个字母取自该细菌种名的头二 个字母，用小写字母
如果该细菌还有不同的株系，则另加第四个代 表株系的字母或数字；最后是用罗马字大写的数字 ，代表同一菌株中不同限制性内切酶的编号。
限制性内切酶的命名和意义
1964年，科学家确定Lesch-Nyhan综合征与 次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶（HGPRT）缺 陷有关。至今已发现，核苷酸的合成和分解代谢 障碍与很多遗传性、代谢性疾病有关。
模拟核苷酸组成成分，如取代碱基、核苷和 核苷酸的类似物已发展为在临床上常用、有效的 抗代谢药物。
核苷酸的功能
• 核苷酸是核酸生物合成的前体 • 核苷酸衍生物是许多生物合成的活性中间物，例如：
• 核糖核酸外切酶: 只作用于RNA 核酸内切酶：从核酸分子内部切断3’,5’-磷酸二酯键。 限制性内切酶：在细菌细胞内存在的一类能识别并水解外
源双链DNA的核酸内切酶，可用于特异切割DNA，常 作为工具酶。
2、核酸酶的作用特点 外切核酸酶对核酸的水解位点
BBBBBBBB
5´ p
p
p
p
p
p
p
p
OH 3´