物化学:核酸的酶促降解和核苷酸代谢山农大生物化学与分子生物学系第1页共8页 第八章核酸的酶促降解和核苷酸代谢 第一节核酸的酶促降解 第二节核苷酸的降解代谢 第三节核苷酸的合成代谢
生物化学: 核酸的酶促降解和核苷酸代谢 山农大生物化学与分子生物学系 第 1 页 共 8 页 1 第八章 核酸的酶促降解和核苷酸代谢 第一节 核酸的酶促降解 第二节 核苷酸的降解代谢 第三节 核苷酸的合成代谢
物化学:核酸的酶促降解和核苷酸代谢山农大生物化学与分子生物学系第2页共8页 第一节核酸的酶促降解 、降解方式 核酸核酶、核苷酸 H20 -磷酸二酯键水解 与蛋白质比较:蛋白质降解酶AA肽键水解 核酸酶水解核酸链中磷酸二酯键的酶 (一)按底物分 1.DNA酶2.RNA酶3.有的酶可作用于DNA、RNA (二)按作用方式分 1、核酸外切酶:与肽酶(肽链外切酶)、β一淀粉酶(淀粉外切酶)相当 作用于核苷酸链的一端,逐个水解下核苷酸。非特异性磷酸二酯醵 3一核酸外切酶 从3ˆ-砠H端开始,生成5ˉ-单核苷酸,如蛇毒磷酸二酯E。 5一核酸外切酶 从5′-端开始,生成3′-单核苷酸,如牛脾磷酸二酯E。 2、核酸内切酶——特异地水解多核苷酸链内部各键。特异性磷酸二酯酶 如牛胰核酸酶(有专一性):作用于嘧啶核苷酸的磷酸二酯键(左边为嘧啶) 得嘧啶核苷—3—P或末端为嘧啶核苷—3-P的寡核苷酸。其专一作用于RNA,对 DNA及其他磷酸二酯化合物不作用或作用活性很低 3、内切兼外切酶例:核酸酶P1先内切再外切 P H0、P PP、P 牛脾磷 蛇毒磷酸 酸二酯E 牛胰核酸E 脂E
生物化学: 核酸的酶促降解和核苷酸代谢 山农大生物化学与分子生物学系 第 2 页 共 8 页 2 第一节 核酸的酶促降解 一、降解方式 3ˊ，5ˊ——磷酸二酯键水解 （与蛋白质比较：蛋白质 降解酶 AA 肽键水解 二、核酸酶 水解核酸链中磷酸二酯键的酶 （一）按底物分 1．DNA 酶 2．RNA 酶 3．有的酶可作用于 DNA、RNA （二）按作用方式分 1、核酸外切酶：与肽酶（肽链外切酶）、β—淀粉酶（淀粉外切酶）相当 作用于核苷酸链的一端，逐个水解下核苷酸。非特异性磷酸二酯酶 3ˊ— 核酸外切酶 从 3ˊ-OH 端开始，生成 5ˊ-单核苷酸，如蛇毒磷酸二酯 E。 5ˊ— 核酸外切酶 从 5ˊ-OH 端开始，生成 3ˊ-单核苷酸，如牛脾磷酸二酯 E。 2、核酸内切酶—— 特异地水解多核苷酸链内部各键。特异性磷酸二酯酶 如牛胰核酸酶（有专一性）：作用于嘧啶核苷酸的磷酸二酯键（左边为嘧啶） 得嘧啶核苷—3’—P 或末端为嘧啶核苷—3’—P 的寡核苷酸。其专一作用于 RNA，对 DNA 及其他磷酸二酯化合物不作用或作用活性很低。 3、内切兼外切酶 例：核酸酶 P1 先内切再外切。 核酸 ⎯核酸酶 ⎯ → ⎯⎯ 核苷酸 H 2 O 牛脾磷 酸二酯 E 牛胰核酸 E 蛇毒磷酸 二脂 E P y P P O H P P P P P P P P P H O
生物化学:核酸的酶促降解和核苷酸代谢山农大生物化学与分子生物学系第3页共8页 限制性内切酶——细菌内存在的一类能识别水解外源双链DNA的核酸内切 酶,称为限制性内切酶。这些酶主要是从细菌中分离得到,能识别特定的核苷酸顺 序,但在细菌本身的DNA中,这些顺序已被(甲基化酶)甲基化,因而不被水解 也就是说这些酶仅限于水解外源DNA以保护自身,故称为“限制性”酶。限制酶都 以内切方式水解DNA,产物5为p,3′为OH 特点:有极高的专一性(对特定核苷酸顺序专一性,而非对一种或几种碱基专 ),对底物DNA有特异的识别位点(或识别序列)。 根据限制性内切酶的识别顺序与切割位置是否一致、作用时所需辅因子以及是 否含有修饰酶活性等将它们分成三类 ①Ⅰ型和Ⅲ型限制性内切酶识别位点与切割位点不一致,因切割位点不固 定,不产生特定的片段,应用少 ②Ⅱ型限制性内切酶 a.识别顺序的核苷酸数为4-12个,约一半是6个核苷酸,大多数识别顺序有 次对称轴(即所谓回文结构),且富含GC。回文结构:是一段自我互补的序列 即同其互补链一样的序列。(两者阅读方向都是从53):分为三种1、完全的 回文序列2、不完全的回文序列3、间断的回文序列 b.切割点绝大多数在识别顺序中,或在识别顺序的两个组成部分之间 C.Ⅱ型酶切割双链DNA后生成的片段末端有三种类型: 平齐末端 5突出的粘性末端 突出的粘性末端 粘性末端:经限制性内切酶水解后形成的线状双链DNA中每条单链的一端带有 识别顺序中的几个互补碱基,这样的末端称为粘性末端。 d.由于Ⅱ型限制性内切酶识别并切割特定顺序,使大分子DNA产生特定片段, 这是重组DNA技术和快速测序法得以建立的重要基础。作为分子生物学技术的工具
生物化学: 核酸的酶促降解和核苷酸代谢 山农大生物化学与分子生物学系 第 3 页 共 8 页 3 限制性内切酶——细菌内存在的一类能识别水解外源双链 DNA 的核酸内切 酶，称为限制性内切酶。这些酶主要是从细菌中分离得到，能识别特定的核苷酸顺 序，但在细菌本身的 DNA 中，这些顺序已被（甲基化酶）甲基化，因而不被水解， 也就是说这些酶仅限于水解外源 DNA 以保护自身，故称为“限制性”酶。限制酶都 以内切方式水解 DNA，产物 5ˊ为 p，3ˊ为 OH。 特点：有极高的专一性（对特定核苷酸顺序专一性，而非对一种或几种碱基专 一），对底物 DNA 有特异的识别位点（或识别序列）。 根据限制性内切酶的识别顺序与切割位置是否一致、作用时所需辅因子以及是 否含有修饰酶活性等将它们分成三类。 ①I 型和Ⅲ型限制性内切酶 识别位点与切割位点不一致，因切割位点不固 定，不产生特定的片段，应用少。 ②Ⅱ型限制性内切酶 a.识别顺序的核苷酸数为 4-12 个，约一半是 6 个核苷酸，大多数识别顺序有 二次对称轴（即所谓回文结构），且富含 GC。回文结构：是一段自我互补的序列， 即同其互补链一样的序列。（两者阅读方向都是从 5’ 3’）：分为三种 1、完全的 回文序列 2、不完全的回文序列 3、间断的回文序列 b.切割点绝大多数在识别顺序中，或在识别顺序的两个组成部分之间。 c.Ⅱ型酶切割双链 DNA 后生成的片段末端有三种类型： 平齐末端 5ˊ突出的粘性末端 3ˊ突出的粘性末端 粘性末端： 经限制性内切酶水解后形成的线状双链 DNA 中每条单链的一端带有 识别顺序中的几个互补碱基，这样的末端称为粘性末端。 d.由于Ⅱ型限制性内切酶识别并切割特定顺序，使大分子 DNA 产生特定片段， 这是重组 DNA 技术和快速测序法得以建立的重要基础。作为分子生物学技术的工具
生物化学:核酸的酶促降解和核苷酸代谢山农大生物化学与分子生物学系第4页共8页 应用极广。 限制性内切酶的命名较为特殊:如大肠杆菌的一种限制性内切E— EcoRI 细菌属 酶编号 菌名菌株 pGAATTCp 5 pG pAATTCp pCTTAAG3′ pCTTAAp Gp5 第二节核苷酸的降解 、核苷酸的降解 核苷酸 核苷+P 核苷长水邮戊糖+碱基核苷水解酶只作用于RNA,催化的反 H20 应不可逆。只在植、微中存在 核苷“解碱基+戊糖-1-磷酸广泛存在,可逆 戊糖和戊糖—1—磷酸可进入糖代谢分解或重新利用,嘌呤和嘧啶也可以继续分解。 、嘌呤的降解 鸟嘌呤 脱氨氧化 腺嘌呤—壓→次黄嘌呤丶黄嘌呤—→尿酸 (人、猿、鸟) CO2 尿囊素 尿囊酸 尿素 (非灵长类哺乳动物)(硬骨鱼)(鱼类、两栖类) NH3 (低等动物)
生物化学: 核酸的酶促降解和核苷酸代谢 山农大生物化学与分子生物学系 第 4 页 共 8 页 4 CO2 NH3 应用极广。 限制性内切酶的命名较为特殊：如大肠杆菌的一种限制性内切 E——EcoRI 5ˊ pGAATTCp 3ˊ 5ˊ pG pAATTCp 3ˊ 3ˊ pCTTAAG 5ˊ 3ˊ pCTTAAp Gp 5ˊ 第二节 核苷酸的降解 一、核苷酸的降解 戊糖和戊糖—1—磷酸可进入糖代谢分解或重新利用，嘌呤和嘧啶也可以继续分解。 二、嘌呤的降解 （硬骨鱼） (鱼类、两栖类) （低等动物） 腺嘌呤 ⎯脱氨氧化 ⎯ → ⎯⎯ 次黄嘌呤 ⎯氧化⎯→⎯ 黄嘌呤 脱氨氧化 鸟嘌呤 尿酸 （人、猿、鸟） 尿囊素 （非灵长类哺乳动物） 尿囊酸 尿素 核苷酸 核苷酸酶 核苷 + Pi 核苷 核苷水解酶 戊糖 + 碱基 核苷 磷酸 碱基 + 戊糖 −1− H 2 O H 2 O P i 细菌属 E c o R I 菌名 菌株 酶编号 核苷磷酸化酶 核苷水解酶只作用于 RNA，催化的反 应不可逆。只在植、微中存在 广泛存在，可逆
生物化学:核酸的酶促降解和核苷酸代谢山农大生物化学与分子生物学系第5页共8页 此外,嘌呤的分解还可在核苷或核苷酸的水平上进行。 可以看出,生物进化程度愈高,则分解嘌呤的能力愈差。高等生物具有完善的 排泄系统,可以直接将代谢废物排出体外。 、嘧啶的降解 还原 胞嘧啶_脱氨化尿嘧啶 氢衍生物开环CO2、NH13 β一丙氨酸 胸腺嘧啶返二氢衍生物一环→CO2NH3 COASH β一氨基异丁酸 第三节核苷酸的合成代谢 核苷酸在细胞内合成有两条基本途径: 1、从头合成或从无到有途径:由AA、磷酸戊糖、CO2和N3等简单的化合物合成核 苷酸 2、补救途径:由预先形成的碱基或核苷合成核苷酸。 嘌呤核苷酸的合成 (一)嘌呤环组成成分来源 CO2甲酸 Asp Gln Gly G 甲酸盐 甲酸盐 (二)合成过程 以pRP(5-磷酸核糖-1-焦磷酸)为基础,在其上逐渐形成嘌呤环。先形成咪 唑环后形成嘧啶环 合成要点:P296(1)嘌呤核苷酸的合成并不是先形成游离的嘌呤,然后生成 核苷酸,而是直接形成IMP。(2)各个原子在PRPP1位C上逐渐加上去。(古老砌 墙式)
生物化学: 核酸的酶促降解和核苷酸代谢 山农大生物化学与分子生物学系 第 5 页 共 8 页 5 此外，嘌呤的分解还可在核苷或核苷酸的水平上进行。 可以看出，生物进化程度愈高，则分解嘌呤的能力愈差。高等生物具有完善的 排泄系统，可以直接将代谢废物排出体外。 三、嘧啶的降解 第三节 核苷酸的合成代谢 核苷酸在细胞内合成有两条基本途径： 1、从头合成或从无到有途径：由 AA、磷酸戊糖、CO2 和 NH3等简单的化合物合成核 苷酸 2、补救途径：由预先形成的碱基或核苷合成核苷酸。 一、嘌呤核苷酸的合成 （一）嘌呤环组成成分来源 CO2 甲酸 Asp Gln Gly （二）合成过程 以 PRPP（5-磷酸核糖-1-焦磷酸）为基础，在其上逐渐形成嘌呤环。先形成咪 唑环后形成嘧啶环。 合成要点：P296 （1）嘌呤核苷酸的合成并不是先形成游离的嘌呤，然后生成 核苷酸，而是直接形成 IMP。（2）各个原子在 PRPP 1 位 C 上逐渐加上去。（古老砌 墙式） CoASH 菌属 CO2、NH3 β－丙氨酸 胞嘧啶⎯脱氨氧化 ⎯ → ⎯⎯ 尿嘧啶 胸腺嘧啶 CO2、NH3 β－氨基异丁酸 二氢衍生物 二氢衍生物 还原 开环 开环 N C O 2 A s p N C C C C N N C G ln G ly 甲酸盐 甲酸盐 还原
生物化学:核酸的酶促降解和核苷酸代谢山农大生物化学与分子生物学系第6页共8页 R5P )Qy甲酸。C GIn 甲酸A少AMP GI IMP ATP ①0CH20.⑩① GMP G 、嘧啶核苷酸的合成 (一)嘧啶环组成成分来源 氨甲酰磷酸Asp r---一 氨甲酰磷酸 ←Asp CO NH3+C2·氨甲酰磷酸 ATP ADP NH2C00P (二)合成过程 (1)与嘌呤核苷酸“从头合成”的反应顺序相反,嘧啶核苷酸的合成是先形成 嘧啶环,再与核糖磷酸(由PRP提供)结合形成嘧啶核苷酸。 (2)胞嘧啶核苷酸是在尿苷三磷酸水平上由Gln提供氨基转变而成。 氨甲酰磷酸 乳清酸 PRPP →·UMP ADP A ATP多DP UMP UDP UTP UTP+NH CT ATP ADP+Pi 特点:先形成环,再装到“PRPP”上,“装配式”合成
生物化学: 核酸的酶促降解和核苷酸代谢 山农大生物化学与分子生物学系 第 6 页 共 8 页 6 二、嘧啶核苷酸的合成 （一）嘧啶环组成成分来源 氨甲酰磷酸 Asp （二）合成过程 （1）与嘌呤核苷酸“从头合成”的反应顺序相反，嘧啶核苷酸的合成是先形成 嘧啶环，再与核糖磷酸（由 PRPP 提供）结合形成嘧啶核苷酸。 （2）胞嘧啶核苷酸是在尿苷三磷酸水平上由 Gln 提供氨基转变而成。 特点：先形成环，再装到“PRPP”上，“装配式”合成。 N H 3 + C O 2 A T P A D P N H 2 C O O P 氨甲酰磷酸 氨甲酰磷酸 乳清酸 U M P A T P A D P U D P A T P A D P U T P U T P + N H 3 A T P A D P + P i C T P A sp P R P P U M P 甲酸 PRPPP R 5 P ATP Gly Gln Asp IMP A M P G M P A s p G T P G ln O A T P P O C H 2 P P 甲酸 Gln CO2 N H C O 2 2 N C N C C C A s p 氨甲酰磷酸
物化学:核酸的酶促降解和核苷酸代谢山农大生物化学与分子生物学系第7页共8页 、脱氧核苷酸的合成 在二磷酸水平合成,特殊的在三磷酸水平。即由核糖核苷二磷酸还原而成。 核糖核苷二磷酸还原酶 NDP dND P 硫氧还蛋白 硫氧还蛋白 蛋白还原酶 NADPH +H NADP 催化此反应的酶系统:硫氧还蛋白、硫氧还蛋白还原酶和核糖核苷酸还原酶。 此外GSH也可代替硫氧还蛋白作电子供体 四、脱氧胸苷酸的合成 有两条途径: (1)以dUDP为原料 UDP→→UDp→→dMp核甘合成酶nMP N5,N10-亚甲四氢叶酸二氢叶酸 (甲基供体) (2)补救途径: 胸腺嘧啶+脱氧核糖-1-磷酸苷磷酸化酶 dT+ATP胸苷激酶、dTMP+ADP 五、补救途径 核苷酸的合成也可由碱基或核苷合成,称之为补救途径 7
生物化学: 核酸的酶促降解和核苷酸代谢 山农大生物化学与分子生物学系 第 7 页 共 8 页 7 三、脱氧核苷酸的合成 在二磷酸水平合成，特殊的在三磷酸水平。即由核糖核苷二磷酸还原而成。 催化此反应的酶系统：硫氧还蛋白、硫氧还蛋白还原酶和核糖核苷酸还原酶。 此外 GSH 也可代替硫氧还蛋白作电子供体。 四、脱氧胸苷酸的合成 有两条途径： （1）以 dUMP 为原料 （2）补救途径： 胸腺嘧啶+脱氧核糖-1-磷酸 dT+Pi dT+ATP dTMP+ADP 五、补救途径 核苷酸的合成也可由碱基或核苷合成，称之为补救途径。 胸腺嘧啶核苷酸合成酶 二氢叶酸 ( ) 甲基供体 − 亚甲四氢叶酸 10 , 5 N N U D P d U D P d U M P d T M P 硫氧还蛋白 S H S H S S N D P d N D P N A D P + N A D P H + H 核糖核苷二磷酸还原酶 蛋白还原酶 硫氧还 硫氧还蛋白 胸苷磷酸化酶 ⎯胸苷激酶 ⎯ → ⎯⎯⎯
物化学:核酸的酶促降解和核苷酸代谢山农大生物化学与分子生物学系第8页共8页 (胞苷酸除外) PRPP 嘧啶 核苷酸 R-1-P P ATP ADP 核苷 三磷酸核苷的转化 在生物体内,核苷酸往往以核苷二磷酸、核苷三磷酸的形式参与合成反应。这 些NDP或MTP的生成是在NP水平上,由ATP提供磷酸根,由相应专一的激酶所催 化合成 核苷二磷酸激酶使核苷二磷酸和核苷三磷酸相互转变,该酶的特异性很低,所 有核苷二磷酸和核苷三磷酸都可以作为磷酸根的受体和供体 X,MP+XTP X,DP+XDP ATP ATP ⅩMP XDP 七、各种核苷酸合成的相互关系(P2图)
生物化学: 核酸的酶促降解和核苷酸代谢 山农大生物化学与分子生物学系 第 8 页 共 8 页 8 （胞苷酸除外） 六、一、二、三磷酸核苷的转化 在生物体内，核苷酸往往以核苷二磷酸、核苷三磷酸的形式参与合成反应。这 些 NDP 或 NTP 的生成是在 NMP 水平上，由 ATP 提供磷酸根，由相应专一的激酶所催 化合成。 核苷二磷酸激酶使核苷二磷酸和核苷三磷酸相互转变，该酶的特异性很低，所 有核苷二磷酸和核苷三磷酸都可以作为磷酸根的受体和供体。 七、各种核苷酸合成的相互关系（P226图） P R P P P P i 1 P i R P A T P A D P 嘧啶 嘌呤 核苷 核苷酸 X1MP+X2TP X1DP+X2DP XMP XDP ATP ADP ATP ADP