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第九章 核酸的酶促降解和核苷酸代谢

第九章 核酸的酶促降解和核苷酸代谢. 主要内容. 第一节 核酸的酶促降解 第二节 核苷酸的生物降解 第三节 核苷酸的生物合成. 本章教学目的要求： 掌握核糖核苷酸的从头合成和补救途径，脱氧核糖核苷酸的合成途径，限制性内切酶的生物学功能和特点，了解核酸的酶促降解、嘌呤和嘧啶的降解。 重点、难点： 核苷酸的生物合成. 核酸内切酶. 核酸酶. 核酸外切酶. 核酸的酶促降解. 核酸酶. 磷酸单脂酶. 核酸. 单核苷酸. 核苷. 核苷磷酸化酶. 核苷酶. 嘧啶（嘌呤）. 嘧啶（嘌呤）. 核糖（脱氧核糖）.

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第九章 核酸的酶促降解和核苷酸代谢

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  1. 第九章 核酸的酶促降解和核苷酸代谢

  2. 主要内容 • 第一节核酸的酶促降解 • 第二节核苷酸的生物降解 • 第三节核苷酸的生物合成

  3. 本章教学目的要求： 掌握核糖核苷酸的从头合成和补救途径，脱氧核糖核苷酸的合成途径，限制性内切酶的生物学功能和特点，了解核酸的酶促降解、嘌呤和嘧啶的降解。 重点、难点： 核苷酸的生物合成

  4. 核酸内切酶 核酸酶 核酸外切酶 核酸的酶促降解 核酸酶 磷酸单脂酶 核酸 单核苷酸 核苷 核苷磷酸化酶 核苷酶 嘧啶（嘌呤） 嘧啶（嘌呤） 核糖（脱氧核糖） 核糖-1-磷酸 核糖-5-磷酸 磷酸戊糖途径 乙醛 脱氧核糖-1-磷酸 醛缩酶 甘油醛-3-磷酸

  5. 第一节核酸的酶促降解 一、核酸外切酶（exonuclease） 作用于核酸链的末端，逐个水解下核苷酸。 DNA外切酶：只作用于DNA。 RNA外切酶：只作用于RNA。 同时作用于DNA和RNA的外切酶。 核糖核酸酶(RNase)和脱氧核糖核酸酶(DNase) 从核酸链的3′—端开始切，生成5′—核苷酸。 从核酸链的5′—端开始切，生成3′—核苷酸。 同时切核酸链的3′—端和5′—端。

  6. p p p p p p p p 外切核酸酶对核酸的水解位点 B B B B B B B B 5´ OH 3´ 牛脾磷酸二酯酶（ 5´端外切5得3） 蛇毒磷酸二酯酶（ 3´端外切3得5）

  7. 二、核酸内切酶（endonuclease） 水解多核苷酸链内部的磷酸二酯键。 DNA内切酶：只作用于DNA。 RNA内切酶：只作用于RNA。 同时作用于DNA和RNA的内切酶。

  8. G A Py Pu Py Py G A C U 1´ OH 3´ 5´ p p p p p p p p p p 内切核酸酶对RNA的水解位点示意图 RNAase T1 RNAase I RNAase I RNAase T1 Pu ：嘌呤 Py：嘧啶

  9. 限制性内切酶 （ristriction endonuclease） 对某些碱基顺序专一的核酸内切酶。 生物学功能： 1、识别双链DNA上的特定位点即“回文结构”（长度在4——8个碱基对范围内，从前往后读和从后往前读完全一样的碱基序列），切割后错开的切口会产生互补的单链末端（粘性末端、平末端）。 2、降解外面侵入的DNA，但不降解自身细胞的DNA，因为自身DNA的酶切位点上经甲基化修饰而得到保护。

  10. 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 Alu I ‥ ‥A G C T ‥‥ ‥ ‥T C G A ‥ ‥ 四核苷酸，平端切口 Bam H I 六核苷酸，粘端切口 ‥ ‥G G A T C C ‥‥ ‥ ‥C C T A G G ‥‥ 六核苷酸，粘端切口 Bgl I ‥ ‥A G A T C T ‥‥ ‥ ‥T C T A G A ‥‥ Eco R I 六核苷酸，粘端切口 ‥ ‥G A A T T C ‥‥ ‥ ‥C T T A A G ‥‥ Hind Ⅲ 六核苷酸，粘端切口 ‥ ‥A A G C T T‥‥ ‥ ‥T T C G A A ‥‥ 六核苷酸，粘端切口 Sal I ‥ ‥G T C G A C ‥‥ ‥ ‥C A G C T G ‥‥ Sma I 六核苷酸，平端切口 ‥ ‥C C C G G G ‥‥ ‥ ‥G G G C C C ‥‥

  11. 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制性内切酶 Eco R I 属名 种名 株名 序号 限制性内切酶是分析染色体结构、制作DNA限制图谱、进行DNA序列测定和基因分离、基因体外重组等研究中不可缺少的工具，是一把天赐的神刀，用来解剖纤细的DNA分子。

  12. 5′—G—A—A—T—T—C—3′ 3′—C—T—T—A—A—G—5′ 5′—G T—T—A—A—C—3′ 3′—C—A—A—T—T G—5′ EcoRⅠ 粘性末端

  13. 第二节核苷酸的生物降解 一、核苷酸的降解

  14. 核苷酸酶 核苷酸核苷 （磷酸单酯酶） 磷酸 核苷磷酸化酶 嘌呤碱或嘧啶碱+1—P—戊糖 核苷酶 嘌呤或嘧啶+戊糖

  15. 二 嘌 呤 的 降 解

  16. 不同生物分解嘌呤碱的最终产物不同： 人类和灵长类动物：止于尿酸 灵长类以外的哺乳动物：尿囊素 大多数鱼类：尿素 一些海洋无脊椎动物：氨 植物的嘌呤的分解主要是在衰老叶子及储藏性的胚乳组织内，在胚和幼苗内不发生嘌呤的分解。当叶子进入衰老期，核酸发生分解，生成的嘌呤碱进一步分解为尿囊酸，然后从叶子内运输出并储藏起来，供来年生长用。这表明植物与动物不同，植物有保存并利用同化氮的能力

  17. 痛风(Gout) 嘌呤碱分解代谢产生过多的尿酸正常人血浆中尿酸含量为20-60mg/L，超过80mg/L时，由于其溶解性很差，易形成尿酸钠结晶，沉积于男性的关节、软组织、软骨、肾等部位,导致关节炎、尿路结石以及肾脏疾病，引起疼痛或灼痛,即“痛风症”。 摄取大量嘌呤食物或尿酸排泄障碍时易患痛风症。

  18. 痛风的尿酸钠晶体

  19. 临床上用“别嘌呤醇”治疗痛风症，机理：别嘌呤醇的结构与次黄嘌呤相似，是黄嘌呤氧化酶的竞争性抑制剂。因为黄嘌呤氧化酶催化次黄嘌呤生成尿酸。

  20. 三 嘧 啶 的 降 解

  21. 三种嘧啶核苷酸降解至 尿嘧啶和胸腺嘧啶

  22. 尿嘧啶和胸腺嘧啶分别降解至乙酰CoA和琥珀酰CoA尿嘧啶和胸腺嘧啶分别降解至乙酰CoA和琥珀酰CoA

  23. 第三节核苷酸的生物合成 核苷酸的合成途径一般有两条： 1、从头合成：从最简单的原料如CO2、氨基酸、甲酸盐等开始组装碱基环。 2、补救途径：从来自核酸降解的中间产物或外源核苷、碱基直接合成核苷酸，不需组装碱基环。

  24. 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 5—磷酸核糖—1—焦磷酸 （PRPP） 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。

  25. 嘌呤环上各原子的来源 来自CO2 来自甘氨酸 来自天冬氨酸 来自“甲酸盐” 来自“甲酸盐” 来自谷氨酰胺的酰胺氮

  26. IMP的合成 • （1）5-磷酸核糖焦磷酸（PRPP）的生成——起始步骤 • 磷酸核糖焦磷酸合成酶催化5-磷酸核糖和ATP生成。

  27. （2）5-磷酸核糖焦磷酸与谷氨酰胺反应生成5-磷酸核糖胺、谷氨酸和无机焦磷酸。催化此反应的酶是磷酸核糖焦磷酸酰胺基转移酶。（2）5-磷酸核糖焦磷酸与谷氨酰胺反应生成5-磷酸核糖胺、谷氨酸和无机焦磷酸。催化此反应的酶是磷酸核糖焦磷酸酰胺基转移酶。

  28. （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。（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。

  29. （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。（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。

  30. （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。（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。

  31. （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。

  32. （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。

  33. （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。

  34. （9）脱掉延胡索酸 • 反应由腺甘酸裂解酶催化。生成5-氨基咪唑-4-甲酰胺核苷酸和延胡索酸。

  35. （10）嘌呤环上最后的碳原子由甲酰基供给。催化此反应的酶是氨基咪唑酰胺核苷酸甲酰基转移酶。（10）嘌呤环上最后的碳原子由甲酰基供给。催化此反应的酶是氨基咪唑酰胺核苷酸甲酰基转移酶。

  36. （11）脱水环化 • 在次黄苷酸环水解酶作用下脱水环化生成次黄嘌呤核苷酸（IMP）。

  37. 5-磷酸核糖胺 IMP的 生物合成 5-磷酸核糖焦磷酸 甘氨酸 甲酰THFA 甲酰甘氨咪核苷酸 甲酰甘氨酰胺核苷酸 甘氨酰胺核苷酸 5-氨基咪唑-4-琥珀基-甲酰胺核苷酸 5-氨基咪唑核苷酸 5-氨基咪唑-4-羧核苷酸 次黄嘌呤核苷酸（IMP） 5-氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸 5-甲酰氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸

  38. IMP转变为GMP和AMP

  39. 2、补救途径 核苷磷酸化酶磷酸激酶 （1）嘌呤＋1—磷酸核糖 嘌呤核苷＋Pi A（G）MP ATP ADP 核苷酸焦磷酸化酶 （2）嘌呤＋5—磷酸核糖焦磷酸（PRPP） A（G）MP+PPi 哺乳动物和微生物中存在： 磷酸核糖转移酶 嘌呤碱＋5—磷酸核糖焦磷酸（PRPP） A（G）MP+ PPi

  40. 嘌呤核苷酸的补救合成(2)

  41. （二）嘧啶核苷酸的生物合成 1、从头合成途径 原料：CO2、NH3、天冬氨酸 5—磷酸核糖—1—焦磷酸 （PRPP ） 过程：先组装嘧啶环然后与PRPP结合生成尿苷酸UMP，再在UMP基础上合成胞苷酸CMP。

  42. H2N-CO- P 嘧啶环上各原子的来源 4 C 天冬氨酸 NH3 C 5 N 3 氨甲酰磷酸 CO2 C 2 C 6 1 N

  43. 尿嘧啶核苷酸合成途径

  44. 2、补救途径 UMP磷酸核糖转移酶 （1）尿嘧啶＋PRPP UMP＋PPi 尿苷磷酸化酶 （2）尿嘧啶＋1—磷酸核糖 尿苷＋Pi 尿苷激酶 尿苷 UMP＋ADP ATP ADP

  45. （三）关于NMP与NTP的转变 NMP激酶Mg2＋ NDP激酶Mg2＋ NMP NDP NTP ATP ADP ATP ADP

  46. 二、脱氧核糖核苷酸的合成 1、由核糖核苷酸在NDP水平上经2′位去O原子还原为dNDP。（dUMP除外） 核糖核苷二磷酸还原酶系Mg2＋ NDP＋NADPH＋H＋ dNDP＋NADP＋＋H2O

  47. 脱氧核苷酸的合成

  48. dUMP除外，其合成途径为： （1）dUMP可来自dUDP、dUTP的水解： 核苷酸酶 dUDP+H2O dUMP+Pi dUTP酶 dUTP+H2O dUMP+PPi

  49. （2）dUMP可来自于dCMP的脱氨作用 dCMP脱氨酶 dCMP+H2O dUMP+NH3

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