第七章核酸的降解和核苷酸代谢

第一节 核酸的酶促降解

第二节 核苷酸的分解代谢

第三节 核苷酸的合成代谢

珍奥核酸＝基因营养素 ?

核 苷 酸 的 功 能

• 合成核酸的原料 • 体内能量的利用形式： ATP,GTP,CTP,UTP

• 参与代谢和生理调节： cAMP,cGMP

• 组成辅酶： FAD,NAD+,NADP+

• 活化中间代谢物：– UDPG ， CDPG ， PAPS,CDP- 乙醇胺

食物核蛋白

蛋白质 核酸（ RNA,DNA)

单核苷酸胰肠核苷酸酶

磷酸 核苷

碱基 戊糖

胃酸

胰核酸酶 核糖核酸酶

脱氧核糖核酸酶

核苷酶

氨基酸

（磷酸戊糖）

核酸的降解过程

第一节 核酸的酶促降解

/

/ /

/

//

/�O

H

H

N

H

CH2

H H1

2345

/

/ /

/

//

/�O

H

H

N

H

CH2

H H1

234

5

/

/ /

/

//

/�O

H

H

N

H

OHH1

234

5

O

P O

O

O

-

-O

O

P O

O

H

CH2

O

O

P O

O

O

O

P O

O

5’ 末端的磷酸基团

3‘ ， 5’- 磷酸二酯键

3‘ 末端羟基

一、降解方式

核酸

核酸酶

核苷酸核苷酸

P P

5'

3' 3'

5'

P P

5'

3'

P

5'

3'

A C G T

5‘5‘

3‘3‘

OB

OH OH

OH2CP

OH

HO

O

B=ÏÙàÑßÊ£¬ÄñàÑßÊ£¬°ûà×ण¬Äòà×ऻòÐØÏÙÃÜà¤

ºËÌǺËÜÕËá

OH2CP

OH

HO

O

OB

OH

ÍÑÑõºËÌǺËÜÕËá

¦Á¦Â¦ÃO ¡« O OP

O

OPO

O-

-- -

ATP

ADPAMP

O

OP ¡«

NN

N

N

NH2

O

OH OH

CH2

O

二、核酸酶：实质是磷酸二脂酶

核糖核酸酶 (RNase)脱氧核糖核酸酶 (DNase)非特异性核酸酶

底物底物

核酸内切酶核酸外切酶作用方式作用方式

水解 3’ 磷酸酯键水解 5’ 磷酸酯键作用键作用键

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：只作用于 DNA 核糖核酸外切酶 : 只作用于 RNA

核酸外切酶：

5´

p p p p OH

B

p p p p3´

B B B B B B B

牛脾磷酸二酯酶（ 5´ 端外切）

蛇毒磷酸二酯酶（ 3´ 端外切）

核酸酶对 RNA 的水解位点示意图 Pu ：嘌呤 Py ：嘧啶

5´

p p p p OH

Py Pu Py Py1´

p p p

G A C U

p p p

G A

3´

RNase I RNase I RNase T1RNase T1

• 牛胰核糖核酸酶（ RNase Ⅰ ），作用位点是嘧啶核苷 -3’- 磷酸与其它核苷酸 5’-OH 间的连接键。

• 核糖核酸酶 T1 （ RNaseT1 ），作用位点是 3’ - 鸟苷酸与其它核苷酸的 5’-OH 间的键。

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,产生 3ˊ-OH 和 5ˊ-P 。

例： Eco R I ，这是从大肠杆菌（ Ecoli ） R 菌珠中分离出的一种限制性内切酶

Eco R IEco R I

序号属名 种名 株名

常用的 DNA 限制性内切酶的专一性酶 辨认的序列和切口 说明

‥ ‥A G C T ‥‥ ‥ ‥T C G A ‥ ‥

‥ ‥G G A T C C ‥‥ ‥ ‥C C T A G G ‥‥

‥ ‥A G A T C T ‥‥ ‥ ‥T C T A G A ‥‥

‥ ‥G A A T T C ‥‥ ‥ ‥C T T A A G ‥‥

‥ ‥A A G C T T‥‥ ‥ ‥T T C G A A ‥‥

‥ ‥G T C G A C ‥‥ ‥ ‥C A G C T G ‥‥ ‥ ‥C C C G G G ‥‥ ‥ ‥G G G C C C ‥‥

BamH I

Alu I

Bgl I

Eco R I

Hind Ⅲ

Sal I

Sma I

四核苷酸，平端切口

六核苷酸，平端切口

六核苷酸，粘端切口

六核苷酸，粘端切口

六核苷酸，粘端切口

六核苷酸，粘端切口

六核苷酸，粘端切口

OB

OH OH

OH2CP

OH

HO

O

B=ÏÙàÑßÊ£¬ÄñàÑßÊ£¬°ûà×ण¬Äòà×ऻòÐØÏÙÃÜà¤

ºËÌǺËÜÕËá

OH2CP

OH

HO

O

OB

OH

ÍÑÑõºËÌǺËÜÕËá

H

核苷

O

H

H

OH

H

OH

H

OCH2BB

一、核苷酸的降解

1 、核苷酸 + H2O 核苷 +Pi

一、核苷酸的降解

1 、核苷酸 + H2O 核苷 +Pi核苷酸酶

第二节 核苷酸的降解代谢

腺嘌呤核苷

N

N

N

N

NH2

O

H

H

OH

H

OH

H

HOCH2

N

N

OH

H2N

N

NHOCH2 O

H

H

OH

H

OH

H

鸟嘌呤核苷 N

N

NH2

HO

O

H

H

OH

H

OH

H

HOCH2

胞嘧啶核苷

N

N

OH

HO

O

H

H

OH

H

OH

H

HOCH2

尿嘧啶核苷

2 、核苷 + H2O 嘌呤（或嘧啶） + 戊糖

（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。）

核苷 + H3PO4 嘌呤（或嘧啶） +1- 磷酸戊糖

（核苷磷酸化酶广泛存在）

核苷水解酶

核苷磷酸化酶

黄嘌呤 尿酸 人、猿、鸟

尿囊素

尿囊酸

尿素

非灵长类动物

硬骨鱼

鱼、两栖类

低等动物CO2+NH3

A I

G

二、嘌呤的降解：

NC

CH

NC

CN

H

NC

O

H2N

NC

CH

NC

CNH

H

NC

O

O

鸟嘌呤 G 黄嘌呤X

鸟嘌呤脱氨酶

H2

ONH3

黄嘌呤氧化酶O2+H

2H2O

2

尿酸

NC

C

NHC

CNH

H

NH C

O

OO

1 、鸟嘌呤的分解

尿酸氧化酶尿囊素酶

尿囊酸酶尿囊素尿囊酸

4NH3+2CO2

尿素

NC

CH

NC

CN

H

NHC

NH2

NC

CH

NC

CN

H

NC

O

O

腺嘌呤 (A)

次黄嘌呤 (I)

黄嘌呤 (X)

腺嘌呤脱氨酶

H2

ONH3黄嘌呤氧化酶

O2+H

2H2O

2

NC

CH

NC

CN

H

NHC

O

O2+H2H2O2

尿酸

NC

C

NC

CN

H

NC

O

OO

黄嘌呤氧化酶

2 、腺嘌呤的分解

嘌呤核苷酸降解的抑制

血中尿酸含量：正常： 2 ～ 6mg%；

痛风症：超过 8mg%

别嘌呤醇N

N

C

N

N

OH

N

N

N

C

N

OH

次黄嘌呤

黄嘌呤 尿酸黄嘌呤氧化酶

黄嘌呤氧化酶鸟嘌呤

(-)

(-)

嘌呤核苷酸的分解代谢

鸟嘌呤

黄嘌呤氧化酶

鸟苷

尿酸

黄嘌呤氧化酶

黄嘌呤鸟嘌呤核苷酸

次黄嘌呤

腺嘌呤

NC

C

NC

CN

H

NC

O

OO

次黄嘌呤核苷次黄嘌呤核苷酸

腺苷腺嘌呤核苷酸 AMPH2

ONH3

H2O

NH3

脱氨酶

脱氨酶

动 物腺

嘌 呤分

解

三、嘧啶的降解 这是还原降解过程胸腺嘧啶

二氢胸腺嘧啶

脲基异丁酸

β- 氨基异丁酸

还原

开环

水解

琥珀酰 CoA

胞嘧啶 尿嘧啶

二氢尿嘧啶

脲基丙酸

β- 丙氨酸

还原

开环

水解

乙酰 CoA

脱氨

NH3

+CO2

尿嘧啶C

NCH

CHC

O

O

H

NH

CHCO

HN

HO CH

NC

二氢尿嘧啶

脲基丙酸

NH2-CH2-CH2-COOH

CN

CH

CC

O

O

H

NH CH3

CC

O

CH3H N

HO

CHN

C

CHCO

N

HO

CHN

C

HO

H2

CH3

NH2-CH2-CH2-COOH

CH3

脲基异丁酸

二氢胸腺嘧啶

胸腺嘧啶

NADPHNADP+

NADPHNADP+

β-丙氨酸

H2O

H2O

H2O

H2ONH3+CO2

NH3+CO2

β-氨基异丁酸

二氢嘧啶脱氢酶

二氢嘧啶酶

脲基（）酸酶

CHCO

N

HO

CHN

C

HOH2

• 脲嘧啶和胞嘧啶的分解产物： β- 丙氨酸的去向– 合成 CoA– 转氨作用产生甲酰乙酸，分解为乙酸

•用于脂类的合成•进入 TCA 继续氧化

• 胸腺嘧啶的分解产物： β 氨基异丁酸的去向– 直接从尿排出– 脱羧脱氨形成 β- 丙氨酸– 转氨生成甲基丙二酸半醛，最后生成琥珀酰辅酶 A

本 节 要 点• 核苷酸可被核苷酶和核苷磷酸化酶降解• 嘌呤降解生成可以排泄化合物，是氧化降解的过程，

生物进化程度愈高，分解嘌呤的能力愈差• 动物体内腺嘌呤降解在核苷和核苷酸水平发生，由腺

嘌呤核苷脱氨酶和 AMP 脱氨酶脱去氨基• 黄嘌呤氧化酶催化次黄嘌呤氧化成黄嘌呤以及黄嘌呤

氧化成尿酸• 嘧啶降解生成容易代谢的产物，是还原降解过程

第三节 核苷酸的合成代谢

一、嘌呤核苷酸的生物合成

三、脱氧核糖核苷酸的生物合成

二、嘧啶核苷酸的生物合成

四、一、二三磷酸核苷的相互转变

从头合成途径：利用磷酸核糖、 NH3 、 OCU 及

CO2 等简单前体物质为原料，经一系列酶促反应，合成核苷酸的杂环碱基到核苷酸的途径。

补救合成途径：碱基不用从头合成，直接利用体内游离的碱基或核苷，经过简单的反应过程，合成核苷酸的途径。此途径实际上是核苷酸降解产物的再循环。

1 、嘌呤环的元素来源

甘氨坐中间，谷碳站两边，

左手开天门，头顶二氧碳。

1N: 来源于天冬氨酸 2 、 8C: 来源于甲酸 3 、 9N: 来源于谷氨酰胺4 、 5C 和 7N: 来自甘氨酸 6C: 来自 CO2

一、嘌呤核苷酸从头合成

9

8

76

5

4

3

2

1

N5, N10 CH FH4

N10 CHO FH4

N

CN

C

CC N

C

N

CO2 甘氨酸

天冬氨酸

谷氨酰胺( )酰胺基

（甲酸盐）（甲酸盐）（甲酸盐）（甲酸盐）

(1)PRPP 的合成

焦磷酸激酶

2 、合成过程：

腺嘌呤核苷酸

N

N

N

N

N H2

O

H

H

O H

H

O H

H

P O C H2

N

N

O H

H2 N

N

N

P O C H2 O

H

H

O H

H

O H

H

鸟嘌呤核苷酸

• IMP 的合成：在 PRPP 的基础，先后连接原子的次序是： N9, C4.C5.N7, C8, N3, C6, N1, C2

• 总反应式：5- 磷酸核糖 + CO2 + 甲川 FH4 + 甲酰 FH4 + 2Gln

+ Gly + Asp + 5ATP → IMP + 2FH4 + 2Glu + 延胡索酸 + 4ADP + AMP + 4Pi + PPi

(2) IMP 的合成

甲酰甘氨咪核苷酸

O

OH OH

CH2

OP

NHC

H2C NH

CHOHN

H2O

5-氨基咪唑核苷酸

O

OH OH

CH2

OP H2N

H

CH

NC

CN

CO2

5- -4-氨基咪唑 羧酸核苷酸

O

OH OH

CH2

OP

O

C

H2NCH

NC

CN

HO

嘌呤核苷酸的合成过程

ATP

Gly

甘氨酰胺核苷酸

O

OH OH

CH2

O

P NHC

H2C NH2

O

FH4

N5,N10-CH=FH4

甲酰甘氨酰核苷酸

O

OH OH

CH2

OP

NHC

H2C NH

O CHO

GluGln

R-5-P5- 磷酸核糖

O

OH OH

CH2O

P

OHATP AMP

PRPP磷酸核糖焦磷酸

O

OH OH

CH2

OP

O P～ Gln Glu

PRA1- -5-氨基 磷酸核苷

O

OH OH

CH2

OP NH2

P

5- -4-甲酰氨基 氨基甲酰 (FAICAR)咪唑核苷酸

O

OH OH

CH2

OP

O

NC

CH

NC

CN

HH

NHC

O

H2O

IMP次黄嘌呤核苷酸

O

OH OH

CH2

OP

O

NC

CH

NC

CN

H

NHC

•腺苷酸 AMP 的合成

IMP + Asp 延胡索酸 +AMPGTP GDP+Pi

腺苷酸琥珀酸合成酶腺苷酸琥珀酸裂解酶

•鸟苷酸的形成

谷氨酰胺 谷氨酸

IMP XMP GMP

ATP AMP+PPiH2O

NAD+ NADH+H+

脱氢酶 合成酶

(3)AMP 和 GMP 的生成

AMP 和 GMP 的生成

AMP腺苷酸代琥珀酸

O

OH OH

CH2

OP

NC

CH

NC

CN

H

NHC

NH2

延胡索酸

O

OH OH

CH2

OP

NC

CH

NC

CN

H

NHC

NH

HOOCCH2CHCOOH

Asp

GTP

IMP次黄嘌呤核苷酸

O

OH OH

CH2

OP

O

NC

CH

NC

CN

H

NHC

ATP

GluGlnO

OH OH

CH2OP

O

NC

CH

NC

CN

H

NC

H

H2N

GMP

O

OH OH

CH2

OP

O

NC

CH

NC

CN

H

NC

H

O

XMP

NAD+H2O

NADH

α- 氨基酸

α- 酮酸

α- 酮戊二酸

谷氨酸 草酰乙酸

天冬氨酸

腺苷酰琥珀酸

苹果酸 延胡索酸 腺苷酸 AMP

次黄苷酸 IMP

b 、转氨基作用与嘌呤核苷酸循环相偶联

主要发生在骨骼肌、心肌、脑等组织。

嘌呤核苷酸从头合成要点嘌呤核苷酸的合成是先形成次黄嘌呤核苷酸（ IMP ） ,

由 IMP 再转化为其他嘌呤核苷酸（ AMP 和 GMP ）。IMP 的合成从 5-P- 核糖开始的，在 ATP 参与下先形成

PRPP ，由 PRPP 提供嘌呤核苷酸中核糖磷酸部分次黄嘌呤核苷酸（ IMP ）的合成不是先形成嘌呤环，而

是在 PRPP 的 C1 上逐渐形成嘌呤环。（古老砌墙式）嘌呤环形成由 Asp 、 Gln 、 Gly 、甲酸、 CO2 提供 N

和 C嘌呤核苷酸合成的关键步骤是从 PRPP 和 Gln 形成 5- 磷

酸核糖胺， PRPP 的 C1 由 α构型转为β构型

（二）、嘌呤核苷酸的补救合成嘌呤＋核糖磷酸 嘌呤核苷酸

IMP+PPi+PRPP次黄嘌呤-次黄嘌呤 鸟嘌呤

(HGPRT)磷酸核糖转移酶

-次黄嘌呤 鸟嘌呤(HGPRT)磷酸核糖转移酶+PRPP鸟嘌呤 GMP+PPi

1 、

APRT AMP+PPi腺嘌呤 +PRPP腺嘌呤磷酸核糖转移酶

ATP ADP

AMP腺苷激酶

腺嘌呤核苷2 、

嘌呤核苷酸补救合成的生理意义

• 节约能量和一些氨基酸的消耗。• 有些组织（如脑、骨髓）不能

从头合成嘌呤核苷酸，只能进行嘌呤核苷酸的补救合成。– HGPRT( 次黄嘌呤－鸟嘌呤

磷酸核糖转移酶 ) 完全缺失的患儿，表现为自毁容貌症（ Lesch － Nyhan 综合症）。

（三）、嘌呤核苷酸合成的调节• 原则之一：满足需求，防止供过于求。

(-)

(-)(-)

(-)

(-)

(-)

(+)(+)

酰基转移酶PRPP 合成酶

GTPGMP GDP

ATPADPAMP

XMP

腺苷酸代琥珀酸

IMPPARPRPPR-5-P

• 原则之二：相互调整，比例平衡

(-)

(+)

(+)

(-)

GTPGMP GDP

ATPADPAMP

XMP

腺苷酸代琥珀酸

IMPGTP

ATP

1 、嘧啶环上各原子的来源

天冬氨酸

CO2

NH3

N

N

C

C

CC 6

5

4

3

21

H2N-CO-P氨甲酰磷酸

氨基甲酰磷酸 天冬氨酸

N

C

N

C

C

C

二、嘧啶核苷酸的合成（一）嘧啶核苷酸从头合成途径

氨基甲酰磷酸合成酶的比较 氨基甲酰磷酸合成酶 -Ⅰ 氨基甲酰磷酸合成酶 -Ⅱ分布 线粒体（肝） 胞液（所有细胞）氮源 氨 谷氨酰胺变构激活剂 N- 乙酰谷氨酸 无功能 尿素合成 嘧啶的合成

H2N C O P OH

O-

O

OⅡ- +

2ATP 2ADP +Pi

谷氨酸氨基甲酰磷酸合成酶谷氨酰胺 +HCO3-

2 、尿苷酸（ UMP ）的从头合成

氨基甲酰磷酸

UMP 的合成过程

二氢乳清酸酶

氨基甲酰磷酸合成酶

谷氨酰胺+

H2N C O P OH

O-

O

O

CO2

-Ⅱ

2ATP

2ADP+PiGlu

CH COOH

NH2

CH2HOOC

Pi

天冬氨酸氨基甲酰转移酶

脱氢酶

NADHNAD+

CO2脱羧酶

尿嘧啶核苷酸

CN

CH

CHC

O

O

R

NH

5 P

氨甲酰天冬氨酸NH2

CN

CH

CH2

C

O

HOO

HCOOH

二氢乳清酸

CN

CH

CH2C

O

O

H

NH

COOH

乳清酸

CN

C

CHC

O

O

H

NH

COOH

磷酸核糖转移酶

PRPP PPi

乳清酸核苷酸

CN

C

CHC

O

O

R

NH

COOH5 P

CN

CH

CHC

O

O

R

NH

5 P

CN

CH

CHC

O

R

NH

5 P

NH2

P P

CN

CH

CHC

O

O

dR

NH

5 P

CH3

UMP CTP TMP

UMP UDP UTP ATP ADP ADPATP

尿嘧啶核苷酸激酶 核苷二磷酸激酶

UTP + NH3 + ATP CTP + ADP + PiMg2+

CTP 合成酶( 细菌体内 )

（在动植物体内 , 由谷氨酰胺代替氨参加反应提供氨基）

UTP+ 谷氨酰胺 +ATP+H2O CTP+ 谷氨酸 +ADP+PiCTP 合成酶

3 、胞苷酸 CTP 的生物合成

• 嘧啶核苷酸从头合成的特点– 嘧啶核苷酸的合成是先形成 UMP– 嘧啶环形成由 Asp 、氨甲酰磷酸 提供 N 和 C– UMP 的合成与嘌呤核苷酸不同，先利用小分子

化合物形成嘧啶环，再装到 PRPP 上（装配式）

– 胞嘧啶核苷酸由尿苷酸转变而来。这个转化是在尿苷三磷酸（ UTP ）的水平上进行。

( 二 ) 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：尿嘧啶，乳清酸，不包括胞嘧啶

嘧啶核苷酸 +PPi

尿苷激酶尿嘧啶核苷 +ATP UMP+ADP

1 、磷酸核糖转移酶途径（胞嘧啶不行）

尿嘧啶＋ 1- 磷酸核糖

尿嘧啶核苷＋ Pi尿苷酸磷化酶

2 、嘧啶核苷激酶途径（重要途径）

尿苷激酶胞嘧啶核苷 +ATP CMP+ADP

（三）嘧啶核苷酸合成的调节

(-)

(-)

(-)

(-)

ATP+CO2+谷胺酰胺

氨基甲酰磷酸

氨基甲酰天冬氨酸

天冬氨酸

UMP

UTP CTP

PRPP ATP+5-磷酸核糖

嘌呤核苷酸

嘧啶核苷酸

天冬氨酸甲酰转移酶

氨基甲酰磷酸合成酶

• 还原反应一般在核苷二磷酸（ NDP ）水平上进行，个别微生物（如赖氏乳菌杆菌）在核苷三磷酸（ NTP ）水平上还原。

• ADP 、 GDP 、 CDP 、 UDP 均可分别被还原成相应的脱氧核糖核苷酸： dADP 、 dGDP 、 dCDP 、 dUDP 等

1 、核糖核苷酸的还原反应

三、脱氧核苷酸的合成

核糖核苷酸还原酶

NADP+ NADPH+H+

硫氧还蛋白还原酶FAD

ATP 、Mg2+

硫氧还蛋白（还原型）

SH

SH硫氧还蛋白（氧化型）

S

S

OP-P-CH2 N

OH OH核糖核苷二磷酸

OP-P-CH2 N

OH H

+ H2O

脱氧核糖核苷二磷酸

• 脱氧核苷酸也能利用已有的碱基或脱氧核苷进行合成（补救途径），但只有脱氧核苷激酶途径，不存在类似的磷酸核糖转移酶途径

核苷磷酸化酶碱基 + 脱氧核糖 -1- 磷酸

脱氧核苷 + 磷酸

脱氧核苷激酶脱氧核苷 +ATP 脱氧核苷酸 + ADP

2 、脱氧胸腺嘧啶核苷酸（ dTMP ）的合成

O

TMP 合成酶C

NCH

CC

O

O

dR

NH

5 P

CH3

CN

CH

CHC

O

dR

NH

5 P

dUMP dTMP

氨基酸FH4

NADP+ NADPH

FH2N5,N10-CH2-FH4

二氢叶酸还原酶

Ser 羟甲基转移酶

dUDP + H2O dUMP + Pi酯酶

dCMP + H2O dUMP + Pi脱氨酶

dUMP dTMP胸腺嘧啶核苷酸合酶

甲基化

N5,10亚甲基四氢叶酸 二氢叶酸

胸腺嘧啶脱氧核苷酸（ dTMP ）的合成

四、 NMP 、 NDP 、 NTP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

式参与反应。

XMP + YTP

XDP + YDP核苷二磷酸激酶

NMP NDP NTP

ATP

ADP

ATP

ADP

激酶 激酶

例如由 UMP 合成 CTP 和 TTP

CN

CH

CHC

O

O

R

NH

5 P

CN

CH

CHC

O

R

NH

5 P

NH2

P P

CN

CH

CHC

O

O

dR

NH

5 P

CH3

UMP CTP TMP

UDP UTP CTP

Gln Glu

dUDP dUMP TMP

UMP

dCMP

ATP ADP+Pi

N5,N10- FH甲烯 4

TDP TTP

核苷酸的合成及相互关系

本 节 要 求

• 掌握从头合成途径和补救合成途径的概念；• 掌握嘌呤合成时的元素来源、特点；• 掌握 IMP 转变为 AMP 及 GMP 的过程。• 掌握嘧啶碱合成的元素来源和特点；• 掌握脱氧胸苷酸的生成及甲基的来源。