生物化学 第十二章 核酸代谢

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第十二章
核酸代谢
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1.核苷酸是合成DNA和RNA所必需的前体。
2.ATP是生物体内能量代谢中通用的高能化 合物，是联系产能反应和需能反应的主要 物质。
3.核苷酸的衍生物是糖类、脂类等合成中前 体的活化形式。
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4.腺苷酸是许多辅酶如NAD+、NADP+、FAD和 CoASH的组成成分。 5.cAMP、cGMP等是代谢调节物质。
CTP
由UTP生成CTP的反应发生 在三磷酸核苷的水平上。
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2、嘧啶核苷酸的补救合成途径
嘧啶磷酸核糖转移酶
嘧啶+PRPP
嘧啶核苷酸+PPi
（嘧啶：尿嘧啶，胸腺嘧啶，乳清酸，不包括胞嘧啶）
尿嘧啶核苷+ATP
尿苷激酶
UMP+ADP
三、脱氧核糖核苷酸的合成
体内脱氧核糖核苷酸由核糖核苷二磷酸水平还原而成 (脱氧胸腺嘧啶核苷酸除外) 1.在NDP（核苷二磷酸）水平上：
ADP GDP
H2
dADP
酶1
ATP
酶2
dATP dGTP
dGDP
CDP
H2O
ADP
dCDP
dCTP
酶2：激酶
酶1：核糖核苷酸还原酶
2 dTTP的生成 UDP
H2 H2O Pi
dUDP
dUMP
甲基化
dTMP dTDP dTTP
（主要）
脱氨基
dCMP
N5，N10-甲烯四氢叶酸
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CH O
H2 N COOH
合成酶
H2 N
羧化酶
H2 N
AIR合成酶
5-氨基咪唑-4-（N-琥珀酸） -甲酰胺核苷酸（SAICAR） 裂解酶
O C H2 N H2 N C C N CH N R -5'-P
R -5'-P
5-氨基咪唑-4-羧 酸核苷酸（CAIR）
5-氨基咪唑 核苷酸（AIR）
甲酰甘氨脒 核苷酸（FGAM）
COOH P
脱 氢酶
二氢乳清酸
乳清酸
乳清酸核苷酸
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氨基甲酰磷酸合成酶的比较
分 布 氮 源 变构激活剂 功 能
氨基甲酰磷酸合成酶-Ⅰ 线粒体（肝） 氨 N- 乙酰谷氨酸 尿素合成
氨基甲酰磷酸合成酶-Ⅱ 胞液（所有细胞） 谷氨酰胺 无 嘧啶的合成
ATP
UMP
UDP、UTP
（氨基化 GLn）
5’ 3’聚合活性 + 中 3‘ 5’外切活性 + 5‘ 3’外切活性 +
主要是对DNA损伤的修 复；以及在DNA复制时 切除RNA引物并填补其 留下的空隙。
+ 很低 +
修复紫外光 引起的DNA损 伤
+ 很高 +
DNA 复制的主要聚合 酶.
2.真核细胞DNA聚合酶：
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α
亚基数
GAR合成酶
NH 2 H2 C O C 5 10 O CH 2 HN N ,N -甲炔 FH 4 O H H H H
FH 4
H2 C C O
H N NH
CH O
转甲酰基酶
OH OH
OH OH
R -5'-P
1-氨基-5'-磷酸核苷 （5-磷酸核糖胺，PRA）
甘氨酰胺核苷酸 （GAR）
甲酰甘氨酰胺 核苷酸（FGAR）
6.有些核苷酸如ATP、GTP、UTP、CTP是许 多磷酸激酶的辅酶。
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第十二章
核酸代谢
第一节、核苷酸代谢 第二节、DNA的生物合成 第三节、RNA的生物合成
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第一节
核苷酸代谢
• 一、核苷酸的分解代谢 • 二、核苷酸的合成代谢 • 三、脱氧核糖核苷酸的合成
GMP+PPi
腺苷激酶
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腺嘌呤核苷
ATP ADP
AMP
四川省精品课程 生物化学 补救合成的生理意义
• (1)节省能量及一些氨
基酸的消耗 ；
• (2)体内某些组织器官
（如脑、骨髓等）只
能进行嘌呤核苷酸补
救合成。
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(二) 嘧啶核苷酸的合成
小分子化合物→嘧啶环，再与核糖磷 酸结合UMP，关键的中间化合物是乳 清酸，其他嘧啶核苷酸则由尿苷酸转 变而来。
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一、核苷酸分解代谢
核酸
核酸酶
核苷酸
核苷酸酶
核苷
核苷磷酸化酶
碱基+戊糖-1P
磷酸
核苷水解酶
碱基+戊糖
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(一) 核酸酶
（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 (DNase, RNase ) 核酸外切酶 (蛇毒磷酸二
基本途径
（CO2/NH3/AA/戊糖）
半合成（补救合成）
分解的现成嘌呤、嘧啶
（一） 嘌呤核苷酸的合成
嘌呤环中各原子的来源
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1、主要合成途径
5—P核糖焦磷酸（PRPP） → → → 次黄嘌呤核苷酸（IMP） → → → → 其他嘌呤核苷酸
P
O CH 2 O H H H H
P ATP Mg
（一）复制的起始 （二）DNA链的延长
（三）DNA链终止
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(一）复制起始
天冬氨酸氨基甲酰转移酶
P
O
HO NH2 C
O C
尿嘧啶核苷酸
CH2 CH COOH
氨甲酰天冬氨酸
N H
CO2
脱羧酶
O H N O C C N R CH C
5
O HN O C C N H
二氢乳清酸酶
O HN C N H CH C COOH
CH2 CH COOH
NAD
+
NADH
O
C
磷酸核糖 转移酶 PRPP PPi
酶、牛脾磷酸二酯酶 )
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(二) 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，产生粘
性末端或平末端，这类酶称为限制性内切酶。
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β
4
36-38 核
γ
4
160-300 线粒体
δ
2
170 核
ε
5
256 核
4
＞250 核
分子量（ KD)
细胞内定位
3′→5′外切 活性
－
引物合成
－
修复
＋
复制
＋
复制
＋
修复
功能
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二）、DNA连接酶:
3‘ 5`
5‘ 3` OH P
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三）、与解除DNA高级结构有关的酶及蛋白因子
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3.单链结合蛋白(SSB)
稳定已被解开的DNA单 链，阻止复性和保护 单链不被核酸酶降解。
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二、DNA的半保留复制
(一) 概念 • 由亲代DNA生成子代 DNA时，每个新形成的 子代DNA中，一条链来 自亲代DNA，而另一条 链则是新合成的，这 种复制方式叫半保留 复制.
谷氨酰胺
COOH HC N H O C C C CH 2 N CH N R -5'-P H2 O ATP,Mg2+ HO
天冬氨酸
O C C C N CH N R -5'-P CO2 HC C N CH N R -5'-P H2 O
谷氨酸
ATP, Mg2+ H2 C
C HN
ATP Mg2+ H N NH
1. 解链酶
通过水解ATP将DNA两条链打开。E.coli 中的rep蛋白就是解链酶。每解开一对碱 基需要水解2个ATP分子。
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2.拓朴异构酶： 引起拓扑异构体反应的酶称为拓朴异构酶 拓朴异构酶І：使DNA一条链发生断裂和再 连接。作用是松解负超螺旋。 拓朴异构酶Π：使DNA两条链发生断裂和 再连接。当引入负超螺旋时需要由ATP 提供能量。
1、3HdT 短时间（2s）内为 DNA小片段一段时间（30s）后检 测到 DNA大片段。 ——推断先合成 小片段然后连接成大片段。
2、当用DNA连接酶的变异株 （25°C 42°C）时，检测到大量 DNA片段小的积累。—— 证明DNA复 制中有小片段合成。
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四、DNA的复制过程（以大肠杆菌为例）
IMP的合成要点：
• （1）在磷酸核糖分子上逐步合成嘌呤环；
• （2）PRPP（磷酸核糖焦磷酸）是重要的中间代谢物，
它不仅参与嘌呤核苷酸的从头合成，而且参与嘧啶核
苷酸的从头合成及两类核苷酸的补救合成。 • （3）PRPP合成酶和酰胺转移酶为关键酶。
HOOC CH CH2 COOH
IMP是AMP和 GMP的前体。
延胡索酸 N -甲酰 FH 4
K
+
10
O
O C C N CH N R -5'-P H2 O HN C C C N HC N CH N R -5'-P
FH 4
H2 N H O C
C
转甲酰基酶
环水解酶
N H
5-氨基咪唑-4-甲酰 胺核苷酸（AICAR）
5-甲酰胺基咪唑4-甲酰胺核苷酸 （FAICAR）
次黄嘌呤核苷酸 （IMP）
2+
O CH 2 O H H H P H O P
AMP
OH PRPP合成酶 OH OH
O OH OH
5-磷酸核糖
磷酸核糖焦磷酸 （PRPP）
谷氨酰胺 PPi 酰胺转移酶
谷氨酸
P
O CH 2 O H H OH H NH 2 H
OH
1-氨基-5'-磷酸核苷 （5-磷酸核糖胺，PRA）
NH 2 P O CH 2 O H H H NH 2 H ATP H2 C 甘氨酸 O C OH Mg2+ ADP+Pi P
（三）嘌呤的分解代谢
不同种类的生物分解嘌呤的能力不同，产物也不同。 人、灵长类、鸟类、某些爬虫类将嘌呤分解成尿酸，
其他生物还可将尿酸进一步分解成尿囊素、尿囊酸、
尿素、甚至CO2、NH3。 核酸中的嘌呤主要是Ade、Gua首先脱氨，分别生成 次黄嘌呤和黄嘌呤，再进一步代谢生成尿酸。
腺嘌呤核 苷脱氨酶
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第二节
DNA的生物合成
在DNA合成时，决定其结构特异性的遗传信息只能 来于自身，因此必须由原来的DNA作为模板合成新 的DNA分子。新合成的DNA分子是模板DNA分子的 复制品，故DNA的生物合成亦称DNA的复制。
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一、参与DNA复制的酶及蛋白因子
(一）DNA聚合酶 (二）DNA连接酶 (三）与解除DNA高级结构有关的酶及 蛋白因子
(3)嘌呤的各个原子是在PRPP的C1上逐渐 加上去的。由Asp、Gln、 Gly、甲酸、CO2 提供N和C . (4)四氢叶酸（FH4）是一碳单位的载体
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2、补救合成
腺嘌呤磷酸核糖转移酶
腺嘌呤+PRPP
APRT
次黄嘌呤-鸟嘌呤 磷酸核糖转移酶(HGPRT)
AMP+PPi
鸟嘌呤+PRPP
激酶 AMP ATP ADP 激酶
ADP ATP
激酶 ADP 激酶
ATP
GMP ATP
GDP ADP ATP
GTP ADP
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嘌呤核苷酸合成特点
(1)先形成IMP，然后在单磷酸的水平上转 变成AMP、GMP。 (2)IMP合成从5-P-核糖开始的，在ATP参 与下先形成PRPP
4 3
C
氨基甲酰 磷酸
2
N C
1
5
C
天冬氨酸
6
C
N
dR-5-P
嘧啶碱（UMP）合成的元素来源
谷氨酰胺+C O 2
2ATP 氨基甲酰磷酸合成酶 -Ⅱ Glu 2ADP+Pi
1、嘧啶核苷酸的主要合成过程
O
HOOC CH2 CH COOH NH2
Pi
O
O-
H N O C
C N R
CH CH
5
H2N C O P OH 氨基甲酰磷酸O
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(二)半保留复制的实验验证
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(三)DNA的半保留复制的生物学意义：
• DNA的半保留复制表明DNA在代谢 上的稳定性，保证亲代的遗传信 息稳定地传递给后代。
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三、冈崎片段与半不连续复制
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同位素实验（短期脉冲标记）
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(一）DNA聚合酶：
（1）以四种脱氧核苷酸三磷酸为底物； （2）反应需要有模板的指导； （3）反应需要有3-OH存在； 5 （4）DNA链的合成方向为53； 3 （5）需要引物。
5
3
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1.原核生物中的DNA聚合酶(大肠杆菌): DNA聚合酶Ⅰ 亚基数目 单体酶 DNA聚合酶Ⅱ 单体酶 DNA聚合酶Ⅲ 22多亚基酶
H 2O
NH HN N N N 延胡索酸 AMPS裂解酶 AMP
Asp
IMP
GTP 成酶 合 PS AM
R-5'-P 腺苷酸代琥珀酸 （AMPS）
NAD+ + H2O
NADH+H + O IM P脱 氢酶 HN
O N H XMP
N N
Gln ATP
Glu GMP
GMP合成酶
R-5'-P
ATP和GTP的生成
鸟嘌呤脱氨酶
四川省精品课程 生物化学 尿酸过多导致痛风（gout）
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（四） 嘧啶的分解代谢
β-丙氨酸
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β-氨基异丁酸
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二、核苷酸的合成代谢 • 概述： 从头合成
ATP
核苷酸 dNDP