核酸降解与核苷酸代谢
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生物化学第十一章
氨甲酰磷酸
嘧啶核苷酸合成途径
2.胞苷酸的合成：
3.脱氧胸腺嘧啶核苷酸的合成：
嘧啶核苷酸的补救合成途径：
补救合成途径： 由分解代谢产生的嘧啶/ 嘧啶核苷转变为嘧啶核苷酸的过程称为补 救合成途径(salvage pathway)。以 嘧啶核苷的补救合成途径较重要。
嘧啶核苷酸补救合成途径
尿嘧啶+PRPP UMP+PPi
二、嘌呤类似物和嘧啶类似物
1、嘌呤类似物主要有6-巯基嘌呤（6-MP）、2， 6-二氨基嘌呤、8-氮鸟嘌呤等。 2、嘧啶类似物主要有5-氟尿嘧啶（5-FU）和6氮尿嘧啶（6-AU）等。
6-巯基嘌呤（6-MP）的作用机理是什么？
6-MP其结构与次黄嘌呤类似（C6上巯基取代了羟 基），它可进入体内竞争性地抑制次黄嘌呤-鸟 嘌呤磷酸核糖转移酶，抑制了IMP 和GMP 的补 救合成。 6-MP还可经磷酸核糖化而转变为6-巯基嘌呤核苷 酸，从而抑制IMP 转变成AMP 和GMP。 6-巯基嘌呤核苷酸还可反馈抑制嘌呤核苷酸从头 合成的调节酶（磷酸核糖酰胺转移酶），使 PRA合成受阻，从而干扰IMP、AMP 和GMP 的合成。
限制性核酸内切酶：分为3种类型
（1）Ⅰ类：由3种不同亚基构成，兼具修饰酶活 性和依赖于ATP 的限制性内切酶活性，需要 Mg2+、S-腺苷甲硫氨酸及ATP的参与。复杂的 多功能酶，在基因工程上的应用价值不大。 （2）Ⅱ类：相对分子量较小，能识别双链DNA 上特异的核苷酸序列，底物作用的专一性强， 且识别序列与切断序列相一致，在分子生物学 中应用最广。 （3）Ⅲ类：只由一条肽链构成，仅需Mg2+，切 割DNA 特异性最强。
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第十一章核酸的降解与核苷酸代谢
（3）5-磷酸核糖胺在ATP参与下与甘氨酸 合成甘氨酰胺核苷酸。催化此反应的酶 是甘氨酰胺核苷酸合成酶。
（4）甘胺酰胺核苷酸在甘胺酰胺核苷酸甲 酰基转移酶作用下生成甲酰甘胺酰胺核 苷酸。
（5）甲酰甘胺酰胺核苷酸与谷氨酰胺、 ATP作用，闭环之前在第3位上加上氮原 子。催化此反应的酶是甲酰甘氨咪唑核 苷酸合成酶。
（6）闭环
在氨基咪唑核苷酸合成酶作用下生成5氨基咪唑核苷酸。
（7）六员环的合成开始
在氨基咪唑核苷酸羧化酶催化下， 5氨基咪唑核苷酸与二氧化碳生成5-氨基 咪唑-4-羧酸核苷酸。
（8）嘌呤环的第1位氮的固定
在氨基咪唑琥珀酸氨甲酰核苷酸合成 酶催化下， 5-氨基咪唑-4-羧酸核苷酸与 天冬氨酸和ATP生成5-氨基咪唑-4-琥珀 酸甲酰胺核苷酸。
途径二：
尿嘧啶 + 5-磷酸核糖焦磷酸 UMP磷酸核糖转移酶
尿嘧啶核苷酸+PPi
胞苷酸
胞苷磷酸化酶
胞嘧啶 + 1-磷酸核糖
胞嘧啶核苷 + Pi
尿苷激酶
胞嘧啶核苷 + ATP
胞嘧啶核苷酸 + ADP
二 脱氧核糖核苷酸的合成
(一)、 二磷酸脱氧核糖核苷的生成：
即：dADP、dGDP、dCDP、dUDP 需一步完成，dTDP需二步完成。 在生物体内，A、G、C、U四种核糖核苷酸均可被还原成相应的脱氧核糖核
一、核糖核苷酸的生物合成
（一）嘌呤核糖核苷酸的合成
1、从头合成路线
原料：CO2、甲酸盐、甘氨酸、天冬氨酸、谷 氨酰胺
核糖碳架来源：5—P核糖+ATP 核糖—1—焦磷酸 （PRPP）
5—磷酸
过程：先直接合成次黄嘌呤核苷酸（IMP，肌 苷酸），不先形成嘌呤环，再转变为腺苷酸AMP、 黄苷酸XMP、尿苷酸GMP。
10核酸酶促降解和核苷酸代谢
核苷经核苷酶作用后，产生嘌呤、嘧啶和核糖。这类酶也 有两类:一类是核苷磷酸化酶，它催化核苷水解产生碱基和磷酸 核糖;另一类是核苷水解酶，它分解核苷产生碱基和核糖。
核苷磷酸化酶 核苷 + 磷酸 =动==物==、==反=应==可==逆 碱基 + 磷酸核糖
核苷水解酶 核苷 + H2O ==================== 碱基 + 核糖
(不可逆抑制) 。
2）叶酸及其底物类似物 磺胺 、氨基蝶呤可抑制叶酸的合成。
3）碱基或核苷类似物 5-氟尿嘧啶和5-氟脱氧尿嘧啶抑制胸苷酸合成酶； 6-巯基嘌呤和6-甲基巯基嘌呤核苷抑制核苷酸的合成。
六、核苷酸辅酶的合成
• 辅酶有FMN、 FAD、NAD、NADP和CoA。
1. FMN、FAD的合成
黄素激酶
核黄素＋ATP
FMN＋ADP
FMN＋ATP FAD焦磷酸化酶 FAD＋PPi
2. NAD、NADP的合成
3. CoA的合成
复习思考题
1.举例说明降解核酸的酶的作用方式和特异 性。
2.生物体内嘌呤环和嘧啶环是如何合成的？ 有哪些氨基酸直接参与核苷酸的合成？
3.什么是核苷酸的从头合成途径？什么是其 补救途径？
10、磷酸核糖氨基咪唑甲酰胺转甲酰基酶
11、次黄嘌呤核苷酸环水解酶
IMP的合成途径 ： PRPP经11 Step合成IMP
ATP
PRPP合成酶
来自甲 酸盐
甘甘氨氨酸酸 AADDPP＋＋PPii
酰胺磷酸核糖转移酶
来磷自酸甲核糖甘氨酰胺 酸盐 合成酶
CCOO2 2
氨基咪唑核苷酸羧化酶
IMP转变为GMP和AMP
CU DHU -脲基丙酸 -丙氨酸 COA、乙酸 CO2、NH3
核苷磷酸化酶 核苷 + 磷酸 =动==物==、==反=应==可==逆 碱基 + 磷酸核糖
核苷水解酶 核苷 + H2O ==================== 碱基 + 核糖
(不可逆抑制) 。
2）叶酸及其底物类似物 磺胺 、氨基蝶呤可抑制叶酸的合成。
3）碱基或核苷类似物 5-氟尿嘧啶和5-氟脱氧尿嘧啶抑制胸苷酸合成酶； 6-巯基嘌呤和6-甲基巯基嘌呤核苷抑制核苷酸的合成。
六、核苷酸辅酶的合成
• 辅酶有FMN、 FAD、NAD、NADP和CoA。
1. FMN、FAD的合成
黄素激酶
核黄素＋ATP
FMN＋ADP
FMN＋ATP FAD焦磷酸化酶 FAD＋PPi
2. NAD、NADP的合成
3. CoA的合成
复习思考题
1.举例说明降解核酸的酶的作用方式和特异 性。
2.生物体内嘌呤环和嘧啶环是如何合成的？ 有哪些氨基酸直接参与核苷酸的合成？
3.什么是核苷酸的从头合成途径？什么是其 补救途径？
10、磷酸核糖氨基咪唑甲酰胺转甲酰基酶
11、次黄嘌呤核苷酸环水解酶
IMP的合成途径 ： PRPP经11 Step合成IMP
ATP
PRPP合成酶
来自甲 酸盐
甘甘氨氨酸酸 AADDPP＋＋PPii
酰胺磷酸核糖转移酶
来磷自酸甲核糖甘氨酰胺 酸盐 合成酶
CCOO2 2
氨基咪唑核苷酸羧化酶
IMP转变为GMP和AMP
CU DHU -脲基丙酸 -丙氨酸 COA、乙酸 CO2、NH3
核苷酸代谢
（三）嘧啶核苷酸合成的调控
三个酶受终产物的反馈抑制：氨甲酰磷酸合成酶Ⅱ
1）氨甲酰磷酸合成酶Ⅱ受 UMP抑制，影响UMP、CTP 合成。
ATCase
2）ATCase受CTP抑制；影响 UMP、CTP合成。
3）CTP合成酶受CTP抑制，只 影响CTP合成。
CTP合成酶
不同生物关键酶不同
都受终产物反馈抑制，但具体机制不同： 动物：氨甲酰磷酸合成酶Ⅱ
HGPRT缺陷的男性儿童表现为一种自毁容貌综合症 (Lesch-Nyhan Syndrome ) ，为先天性遗传疾病（缺 乏HGPRT)，行为对立，侵略性强，自咬手指、脚趾、 嘴唇等，智力低下。
3、生理意义：
节省能量和氨基酸的消耗； 某些器官（脑、骨髓等）因酶的缺乏，
只能进行补救途径合成。
①核糖核苷酸还原酶（RR）含R1和R2蛋白； ②硫氧还蛋白（T）含巯基； ③硫氧还蛋白还原酶（TR）催化氧化型T的还
原，FAD为辅基。
酶体系催化反应由NADPH提供氢： NADPH →TR→T→RR→核糖核苷酸还原→ 脱氧核糖核苷酸。
孤电子转移
3’-自由基核苷酸形成
脱氧核苷酸形成
孤电子转移
2’-脱氧3’-自由基核苷酸形成
三、嘧啶的分解：
在肝中进行，分解产物均易溶于水。
§12 -2 核苷酸的生物合成
基本途径： 1、“从无到有”途径（de novo synthesis)
利用简单化合物，主要在肝中进行 2、补救途径（salvage)
替补途径，利用核苷酸分解产物，在 脑、骨髓中进行
2. 从头合成途径的三个特征：
1）参与从头合成途径的酶在细胞中以庞大 的多酶融合体出现；
1、经碱基（嘧啶或嘌呤）核苷磷酸化酶催化
生物化学之核苷酸代谢
生尿酸，同时补救途径不通会引起嘌呤核苷
酸从头合成速度增加，更加大量累积尿酸， 从而导致肾结石和痛风
3、脱氧核苷酸的生成
O P -P O N 核糖核苷酸还原酶 OH
硫 化 原 白 氧 还 蛋
CH2
O P -P CH2 O
N
OH NDP
SH
硫 化 原 白 氧 还 蛋
OH S S
H dNDP
SH 硫氧化还原蛋白还原酶 NADP NADP H
次黄嘌呤核苷酸 IMP
ATP和GTP的生成
HOOCCH CHCOOH 2 O C C N O OH OH C N N CH GTP Asp H N P O CH2 HC NH C C N O OH OH OH 腺苷酸代琥珀酸 OH C N N CH 延胡索酸 HC P O CH2 N O C N CH
Glu
P O CH2 OH
OH
OH
XMP
GMP
(Xanthosine monophosphate)
嘌呤核苷酸从头合成的调节
原则之一：满足需求，防止供过于求。
(-) (+) R-5-P
PRPP合 成 酶
(-) (+) PRPP (-) PAR (-) IMP XMP (-) GMP GDP GTP
次黄嘌呤
6-巯 基 嘌 呤 6MP (6-mercaptopurine)
SH
OH H N HC P O CH2 OH C C N O OH C N N CH H N HC P O CH2 OH
C C N O OH C N N CH
次 黄 嘌 呤 核 苷 酸 (IMP)
6-巯 基 嘌 呤 核 苷 酸
嘌呤核苷酸的抗代谢物-2
生物化学第十章核酸的酶促降解和核苷酸代谢
①腺苷酸代琥珀酸合成酶 ③IMP脱氢酶
②腺苷酸代琥珀酸裂医解学p酶pt ④GMP合成酶
19
• 嘌呤核苷酸从头合成特点
• 嘌呤核苷酸是在磷酸核糖分子上逐步合成的。 • IMP的合成需5个ATP，6个高能磷酸键。
AMP或GMP的合成又需1个ATP。
医学ppt
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（3）嘌呤核苷酸合成补救途径
参与补救合成的酶:
医学ppt
27
（4）. dTMP或TMP的生成
脱氧核苷酸还原酶
UDP
dUDP
CTP CDP dCDP dCMP
TMP合酶
dUMP
N5, N10-甲烯FH4
FH2
FH4 FH2还原酶 NADP+ NADPH+H+
脱氧胸苷一磷酸
dTMP
医学ppt
28
（5） 嘧啶核苷酸的补救合成
嘧啶 + PRPP 嘧啶磷酸核糖转移酶 磷酸嘧啶核苷 + PPi
六核苷酸，粘端切口 六核苷酸，粘端切口
Sal I
‥ ‥G T C G A C ‥‥ ‥ ‥C A G C T G ‥‥
六核苷酸，粘端切口
Sma I
‥ ‥
‥C ‥G
C G
CG GC
G C
G C
‥‥ ‥‥医学ppt
六核苷酸，平端切口 9
限制性内切酶的命名和意义
例：Eco R I，这是从大肠杆菌（Ecoli）R菌珠中分离出的一种限
AMP
AT医P学ppt ADP
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•补救合成的生理意义
补救合成节省从头合成时的能量和一些氨 基酸的消耗。
体内某些组织器官，如脑、骨髓等只能进 行补救合成。
医学ppt
生物化学核苷酸代谢
生物化学核苷酸代谢核苷酸代谢是生物体内重要的生化过程，涉及到核酸合成、降解、修复、信号传递等多个方面。
核苷酸由碱基、糖和磷酸组成，其代谢在细胞中是高度调控和平衡的。
核苷酸合成主要通过转氨基树酸循环和核苷酸分子的合成反应进行。
在转氨基树酸循环中，核苷酸前体物质首先被转化为碱基，然后与多磷酸核糖（PRPP）反应生成核苷酸。
在核苷酸分子的合成过程中，磷酸化反应是关键步骤。
首先，核苷酸前体物质通过化学反应与其他辅助分子发生磷酸化，生成亲核试剂；然后亲核试剂与其他原子或分子发生进一步反应，最终形成核苷酸分子。
核苷酸降解是核酸的代谢终点。
核苷酸降解主要通过核苷酸酶和核酸酶的作用进行。
核苷酸首先被分解为核苷和糖酸，然后再被分解为碱基、磷酸和其他代谢产物。
核苷酸的降解产物在细胞中可以被重新利用，参与核酸合成或其他代谢途径。
核苷酸修复是为了纠正核苷酸中的损伤或错误。
核酸在细胞中会受到化学、物理和生物性的损伤。
这些损伤可能导致突变和疾病的发生。
核苷酸修复过程中的多个酶参与到检测和修复核酸中的损伤。
例如，碱基切割酶可以识别含有损伤碱基的DNA链，然后切割并去除这些损伤碱基。
然后，DNA聚合酶、连接酶和重排序酶等修复酶可以填补被切割的DNA链，并确保修复后的DNA链的完整性。
核苷酸在细胞中还扮演着重要的信号传递和调控作用。
一些核苷酸可以作为二级信使，传递细胞内外的信号，调控细胞的生理和代谢过程。
例如，环磷酸腺苷（cAMP）和磷腺苷酸（cGMP）是细胞内常见的二级信使，它们通过激活蛋白激酶A、蛋白激酶G等酶的信号通路，参与细胞的增殖、分化、凋亡等生理过程。
总结起来，核苷酸代谢是生物体内重要的生化过程，它涉及核酸的合成、降解、修复以及信号传递等多个方面。
核苷酸代谢的平衡和调控对细胞活动的正常进行至关重要，异常的核苷酸代谢可能导致疾病的发生。
因此，对核苷酸代谢的深入研究，有助于揭示生命活动的机制和疾病发生的原因，也为药物研发和治疗提供了理论基础。
生物化学_09 核酸降解和核苷酸的代谢
IMP转变为GMP和 转变为GMP （3）IMP转变为GMP和AMP
2、 补救途径
(利用已有的碱基和核苷合成核苷酸) (1) 磷酸核糖转移酶途径（重要途径）
核苷磷酸化酶
嘌呤核苷 + 磷酸 腺嘌呤 + 5-PRPP
次黄嘌呤(鸟嘌呤) 磷酸核糖转移酶
嘌呤碱 + 戊糖-1-磷酸 AMP + PPi
腺嘌呤磷酸核糖转移酶
基因组DNA 基因组 不被切割
限制—修饰的酶学假说 限制 修饰的酶学假说 1968年，Meselson 和Yuan发现了 型限制性核酸内切酶 年 发现了I型限制性核酸内切酶 发现了 1970年，Smith和Wilcox从流感嗜血杆菌中分离纯化了 年 和 从流感嗜血杆菌中分离纯化了 第一个II型限制性核酸内切酶 第一个 型限制性核酸内切酶Hind II 型限制性核酸内切酶
（2）尿嘧啶核苷酸的合成 ）
天冬氨酸转氨甲酰酶 二氢乳清酸酶
乳清苷酸焦磷酸化酶／Mg2+ 二氢乳清酸脱氢酶
乳清苷酸脱羧酶
（3） 胞嘧啶核苷酸的合成
尿嘧啶核苷三磷酸可直接与NH3（细菌）或Gln（动物） 细菌） 尿嘧啶核苷三磷酸可直接与 （动物） 反应，生成胞嘧啶核苷三磷酸。 反应，生成胞嘧啶核苷三磷酸。
二、脱氧核糖核酸酶
只能水解DNA磷酸二酯键的酶。 只能水解DNA磷酸二酯键的酶。 DNA磷酸二酯键的酶 牛胰脱氧核糖核酸酶（DNaseⅠ） 牛胰脱氧核糖核酸酶（DNaseⅠ）： 可切割双链和单链DNA 降解产物为3 DNA， 可切割双链和单链 DNA， 降解产物为 3’ - 磷酸 为末端的寡核苷酸。 为末端的寡核苷酸。 限制性核酸内切酶： 限制性核酸内切酶： 细菌产生的、能识别并特异切割外源DNA DNA特定 细菌产生的 、 能识别并特异切割外源 DNA 特定 中的磷酸二脂键( 序列中的磷酸二脂键 对碱基序列专一） 序列中的磷酸二脂键(对碱基序列专一）的核酸内 切酶。 切酶。