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Chaper 12 核酸的酶促降解和核苷酸代谢. 1 核酸的消化和酶促降解 2 核苷酸的分解代谢 核苷酸的生物合成和调节 核苷酸合成的抗代谢物. 1 核酸的消化和酶促降解. 核苷酸是 DNA 和 RNA 的前体 , 是细胞内化学能流通领域中的载体( ATP , GTP );是 NAD 、 FAD 和 CoA 等的重要成份;在糖代谢中也有重要作用。. 1.1 核酸的消化. 1.2 核酸的酶促降解. 核酸酶 (nuclease) 是水解核苷酸之间磷酸二酯键的酶,在核酸降解和周转中起着重要作用,可分为 - PowerPoint PPT Presentation
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Chaper 12
核酸的酶促降解和核苷酸代谢
1 核酸的消化和酶促降解2 核苷酸的分解代谢3 核苷酸的生物合成和调节4 核苷酸合成的抗代谢物
1 核酸的消化和酶促降解
核苷酸是 DNA 和 RNA 的前体 , 是细胞内化学能流通领域
中的载体( ATP , GTP );是 NAD 、 FAD 和 CoA 等
的重要成份;在糖代谢中也有重要作用。
1.1 核酸的消化
蛋 白 质
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( RNA DNA)核 酸 及
食 物 核 蛋 白
核酸酶 (nuclease) 是水解核苷酸之间磷酸二酯键的酶,在核
酸降解和周转中起着重要作用,可分为
按照底物:脱氧核糖核酸酶 (dexyribonuclease, DNase)
核糖核酸酶 (ribonuclease, RNase)
核酸酶
按照作用方式:核酸外切酶( exonuclease )
核酸内切酶( endonuclease )
1.2 核酸的酶促降解
1.2.1.1 外切核酸酶
作用于核酸链的一端,逐个水解核苷酸,非特异性
• DNA 外切酶、 RNA 外切酶
• 3‘→5’ 外切酶:蛇毒磷酸二酯酶
• 5‘→3’ 外切酶:牛脾磷酸二酯酶
1.2.1 核酸酶
如蛇毒磷酸二酯酶、牛脾磷酸二酯酶作用方式如下:
1.2.1.2 内切核酸酶
特异水解多核苷酸内部各键,如牛胰核酸酶作用如下:
RNaseTl ,专一水解鸟苷酸二酯键,作用如下:
专一水解 DNA ,作用方式为内切酶,切断双链或单链,作
为外切酶有 5→3 切割或 3→5 切割。
例如:牛胰脱氧核糖核酸酶 (DNase )Ⅰ ;牛脾脱氧核糖核酶
(DNase ) Ⅱ 。
未发现有碱基专一性 DNase ,但有序列专一性,即限制性
内切酶。
1.2.2 脱氧核糖核酸酶
1979 年, W. Arber, H. Smith 和 D. Nathans 等发现某些细菌细胞内存
在一类能识别一定序列并水解外源双链 DNA 的内切核酸酶。
限制性内切酶是细菌中产生的具有高度专一性的 DNA 内切酶,能
识别双链 DNA 分子上特定的位点,将两条链切断,形成粘性末
端或平末端,又称为限制性内切酶或限制酶,是 DNA 分子操作
中必不可少的工具酶。
1.2.3 限制性内切酶
细菌除具有限制酶外,还具有一种对自身 DNA 起修饰作
用的甲基化酶,其识别与作用部位相同。甲基化酶使该
部位上的碱基甲基化,从而使限制酶不再起作用。
细菌细胞中,限制酶可降解外源侵入的 DNA ,但不降解
经修饰酶甲基化保护的自身 DNA 。
限制酶具有很强的专一性。它们对底物 DNA 有特异的识
别位点 ( 或称识别序列 ) 。这些位点的长度一般在 4~8bp
范围内。通常具有回文结构 (palindromic structure) 。切割
后形成粘性末端 (cohesive end) 或平齐末端 (blunt end) 。
环状或线状的双链 DNA 分子经限制酶作用后都形成线状双
链 DNA ,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。
例如,大肠杆菌的 EcoR I 对 DNA 的作用如下:
限制酶命名,以 EcoRI 为例,第 1 个大写字母 E 为大肠杆菌的属名 (Escherichia) 的第 1 个字母,第 2 、 3 两个小写字母 c 为它的种名 (coli) 的头两个字母。第 4 个字母用大写 R ,表示所用大肠杆菌的菌株。最后一个罗马字表示从该细菌中分离出来的这一类酶的编号。
限制酶是 DNA 的分子剪刀,是 DNA 体外重组技术和进行大分子 DNA 分析的重要工具,
它的发现对基因工程研究有极大的促进作用。
限制酶作为工具酶的几个应用
① 限制酶图谱:基因组各 DNA 分子的若干限制酶切位点标
识图。
②DNA 重组子的构建:具相同粘性末端的两个 DNA 片段之
间,可通过粘性末端的互补,在连接酶作用下连接为一个
DNA 分子。
③ 酶切位点的保护:识别位点的碱基甲基化,限制酶不能
识别和作用。
2 核苷酸分解代谢
由核苷酸酶(磷酸单酯酶)催化,产生核苷及 Pi 。
非特异性核苷酸酶能作用于一切核苷酸,特异性核苷酸酶只能
水解 3- 核苷酸或 5- 核苷酸。
2.1 核苷酸的降解
核苷经核苷酶作用分解为嘌呤碱或嘧啶碱和戊糖。
分解核苷的酶有两类
① 核苷磷酸化酶:催化核苷分解成含氮碱基和戊糖的磷酸酯。
②核苷水解酶 ,只作用于核糖核苷,催化反应不可逆。
对脱氧核糖核苷不起作用。
嘌呤经脱氨氧化转变为黄嘌呤再进行降解,不同生物
分解嘌呤碱的酶系不同,最终产物也不同。
2.2 嘌呤核苷酸的降解
生物进化程度愈
高,分解嘌吟
的能力愈差。
人灵长鸟爬哺乳
部分硬骨鱼
多数鱼、两栖
甲壳
嘌呤的分解还可在核苷或核苷酸水平上进行
嘧啶核苷酸的分解主要在肝内进行,有氨基首先脱氨基。
胞嘧啶首先水解脱氨基,转化为尿嘧啶,尿嘧啶和胸腺嘧
啶经还原打破环内双键后,水解开环成链状化合物,再
水解成 CO2 、 NH3 、 -丙氨酸、 -氨基异丁酸,后者脱
氨基后进入有机酸代谢或直接排出体外。
2.3 嘧啶核苷酸的分解
不同种类的生物对嘧啶的分解过程不同,在某些生
物体内,脱氨基作用也可在核苷酸、核苷或碱基
水平上进行。
3 核苷酸的生物合成
合成途径有从头合成和救补途径:
从头合成 (de nove synthesis) :利用氨基酸、磷酸戊糖、 CO2 、
NH3 等简单的化合物合成核苷酸。
救补途径 (salvage pathway) :利用核酸降解或从外界补充的
含氮碱基或核苷合成新的核苷酸。
3.1 核糖核苷酸的合成
20世纪 50 年代,利用同位素标记,以鸽肝为材料证实合成
嘌呤的前身物为:氨基酸 (甘氨酸、天门冬氨酸、和谷
氨酰胺 ) 、 CO2 和一碳单位 (N10- 甲酰 FH4 , N5,N10- 甲炔
FH4) ,是在磷酸核糖的基础上逐步合成嘌呤核苷酸。其
生物合成途径:先合成次黄嘌呤核苷酸 (IMP) ,再由 IMP
分别生成 AMP 和 GMP 。
3.1.1 嘌呤核苷酸的生物合成
嘌呤环上不同部位的 N 和 C 分别如下:
获得嘌呤的 N9原子
获得嘌呤C4 、 C5和 N7原子
获得嘌呤C8原子
获得嘌呤的 N3原子
嘌呤咪唑环的形成
获得嘌呤C6原子
去除延胡索酸
获得 C2
生成腺苷酸代琥珀酸
环化生成IMP
7 )、 8 )获得 N1原子
氧化生成黄嘌呤核苷酸
谷氨酰胺提供酰胺基取代XMP 中C2 上的氧生成GMP
脱去延胡索酸生成AMP
①尿嘧啶核苷酸的生物合成
嘧啶核苷酸是由天门冬酰胺、 PRPP 和氨基甲酰磷酸等形
成的。
嘧啶从头合成途径,首先合成嘧啶环,再与核糖 -5- 磷酸
结合为乳清酸,然后生成尿嘧啶核苷酸。
3.1.2 嘧啶核苷酸的生物合成
同位素标记实验证明:嘧啶环上的 N3 来自 NH3 , C2 来源于
CO2 ,其余 4 个原子来源于天冬氨酸。
合成甲酰天冬氨酸
脱羧生成UMP
闭环生成二氢乳清酸
二氢乳清酸的氧化
获得磷酸核糖
②胞嘧啶核苷酸的合成
尿嘧啶核苷酸转变为胞嘧啶核苷酸是在核苷三磷酸的水平上
进行的。
在细菌中 UTP直接与 NH3 作用产生 CTP 。动物组织中由 Gln
提供 NH3 ,反应要有 ATP供能,由 CTP 合成酶催化反应。
③胸腺嘧啶核苷酸的合成
胸腺嘧啶脱氧核苷酸 (dTMP) ,它由 dUMP 在 dTMP 合成酶的
催化下甲基化生成。由叶酸衍生物作为一碳单位的供体
和还原剂。
3.1.3 核苷酸合成的补救途径
哺乳动物和微生物中存在许多催化嘌呤碱基和嘧啶碱基合成单
核苷酸的酶,可直接利用核酸降解产物或外源补充的碱基。
① 嘌呤碱的直接利用
嘌呤直接转化成核苷酸主要有两种反应:
嘌呤磷酸核糖转移酶在人类嘌呤核苷酸代谢中非常重要。
正常的情况下嘌呤核苷酸的从头合成和补救途径之间存在平
衡,缺少补救途径会引起嘌呤核苷酸合成的增加,嘌呤代
谢严重紊乱,尿酸为正常值的 6倍。过多的尿酸导致肾结
石和痛风。这些症状可通过别嘌呤醇对嘌呤氧化酶的抑制
而得到缓解。
②嘧啶碱的直接利用
在尿嘧啶磷酸核糖转移酶的催化下,尿嘧啶转变成尿苷酸。
在 UMP 的生物合成途径中,有乳清酸磷酸核糖转移酶催化乳清
酸生成乳苷酸的反应。
③ 核苷的直接利用
生物体内的核苷可直接转变成核苷酸加以利用。
碱基也可以通过核苷磷酸化酶生成核苷,再转变成核苷酸。
生物体内存在各种核苷激酶、如腺苷激酶、肌苷激酶、假尿苷
激酶、尿苷 - 胞苷激酶,催化各种核苷生成核苷酸。
3.1.4 核苷二磷酸、核苷三磷酸的合成
生物体内,核苷酸常以核苷二磷酸 (d)NDP 、核苷三磷酸 (d)NTP
的形式参与合成反应。
核苷二磷酸激酶使核苷二磷酸和核苷三磷酸相互转变。
2- 脱氧核糖核苷酸是由相应的核苷酸通过以氢代替 2-OH
基团还原得来,核糖核苷酸还原酶
在某些微生物、动植物中通常是在核苷二磷酸水平上发生
还原反应,而在另一些微生物如乳酸杆菌、枯草杆菌等
以核苷三磷酸为还原底物。
3.2 脱氧核苷酸合成
催化核糖环的还原作用的有两种类型核糖核苷还原酶:
存在于哺乳动物细胞中的一类酶含有非正铁血红素;第二类酶
在某些微生物中,只含有一种多肽链,需要钴胺素 (维生素
B12) 作为辅酶,不含非正铁血红素。来自大肠杆菌的第一种
类型的酶系包括四种蛋白质:硫氧还蛋白、硫氧还蛋白还原
酶以及蛋白质 B1 和 B2 。
蛋白质 B1 和 B2 是核糖核酸还原酶的不同亚基, B1 上有底物
结合部位和变构部位, B2 上有催化部位。
在大肠杆菌中,发现催化核糖核苷酸还原反应的另一套电子传递系统。
3.3 核苷酸合成的调节
3.3.1 嘌呤核苷酸生物合成的调控
3.3.1 嘧啶核苷酸生物合成的调控
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