《生物化学》本科课件08章 核苷酸的代谢

1、核苷酸的代谢（Nucleotide etabolism ） 2学时 大连医科大学 生物化学与分子生物学教研室孔英 教授请从一位未来医生的角度，围绕高尿酸血症引发痛风及其生化作用机制，论述人类饮食平衡的重要性。本章将主要讨论的问题 一. 核苷酸有哪些功能？ 二. 食物中的核酸是如何降解的？ 三. 核苷酸是如何合成与分解的？ 四. 核苷酸代谢障碍对机体有什么影响？ 五. 核苷酸代谢类似物有何临床作用？ 核苷酸的功能 核酸的构成单位 dNTP是合成DNA的原料； NTP是合成RNA的原料；2. 能量代谢作用 ATP直接供能者3. 生理调节介质 cAMP、cGMP作为激素的第二信使4. 辅酶的组成成分

2、 AMP参与合成多种辅酶： （ HSCoA、FAD、NAD+、NADP+ ）5. 形成代谢活化中间体 UDPG, CDP-DG, SAM-核苷酸的合成与分解 Nucleotides Biosynthesis1-3Purine Pyrimidine Adenine Guanine Cytosine Uracil Thymine de novo pathway salvage pathwayBases/Nucleosides/Nucleotides BaseNucleosideNucleotideAdenineDeoxyadenosineDeoxyadenosine 5-triphosphate(

3、dATP)apostrophe核苷酸的结构与命名 酯键核苷(脱氧核苷) + 磷酸 核苷酸(脱氧核苷酸) 含一个磷酸基团的核苷酸称为核苷一磷酸(NMP) 两个磷酸基团的核苷酸称为核苷二磷酸(NDP) 三个磷酸基团的核苷酸称为核苷三磷酸(NTP)Nucleoproteins, RNA/DNA, Nucleotides, Nucleosides and Bases in FoodRNA/DNA, Nucleotides, Nucleosides and BasesIn stomach Nucleotides, Nucleosides and Bases In small intestineGastr

4、ic acid and pepsinEndonucleases: RNase and DNase* Nucleotides: AMP, GMP, UMP, CMP, TMP, mmol dAMP, dGMP, dCMP, dTMP, mol* Nucleosides: Adenosine, Guanosine, Cytidine, Uridine, Deoxyadenosine, Deoxyguanosine, Deoxycytidine, Thymidine * Bases: Adenine, Guanine, Cytosine, Thymine, UracilIngestionSmall

5、intestine epithelial cellsNotes 食物核蛋白蛋白质核酸(RNA or DNA)胰核酸酶RNA酶DNA酶(磷酸二酯酶)单核苷酸胰、肠核苷酸酶(磷酸单酯酶)核苷磷酸核苷酶(水解或磷酸解)戊糖或磷酸戊糖碱基核酸的消化排出，很少利用 “核酸是人体细胞中的关键物质， 补充外源核酸，就能延年益寿， 乃至“长寿不老” ； 补充DNA，则细胞生长加快， 人体机能就充满活力”。“我们所研究出的生命核酸采取更为科学的提取方法，直接从动物脏器中提取。DNA含量高，纯度高，与人体同源性高。产品是口服液，更易被人体肠胃吸收和利用” We 嘌呤核苷酸代谢包括合成代谢-分解代谢（1）嘌呤的元素

6、来源 用同位素标记化合物进行的研究证明，生物体内能利用 谷氨酰胺，天冬氨酸、甘氨酸、一碳单位和CO2为元素来源合成嘌呤碱基（2）从头合成途径的特点胞液以5-磷酸核糖（5-PR）为原料，经11步反应生成次黄嘌呤核苷酸（IMP）IMP由氨基酸，CO2，一碳单位逐步提供元素或基团，在5-磷酸核糖分子上完成嘌呤碱基合成从IMP出发再合成AMP和GMP。 (3) IMP合成的途径(11步) 3个阶段 A:合成激活阶段(第1步反应)。 B:合成咪唑环的阶段(2- 6步反应)。 C:合成出IMP的阶段(7-11步反应)。 (4) AMP和GMP的合成 （二） 合成过程 (胞液) AMPR-5-P PRPP

7、IMP GMP 1) R-5-P 5-磷酸核糖 2) PRPP 磷酸核糖焦磷酸 3) IMP 次黄嘌呤核苷酸 4) AMP 腺苷酸 5) GMP 鸟苷酸 ATP 各种原料* PRPPPRAN10-CHOFH4N10-CHOFH4由IMP合成AMP和GMPkinaseADPkinaseGDPATPGTPGDPAMPGTPkinaseGDPkinaseADPGTPATPADPGMPATPADP, ATP, GDP and GTP biosynthesis嘌呤核苷酸是在磷酸核糖分子上逐步合成的。先合成 IMP，再转变成 AMP或GMP。PRPP是5-磷酸核糖的活性供体。嘌呤核苷酸从头合成特点 (5)

8、 嘌呤核苷酸从头合成的调节 正性调节-负性调节 正性调节： 前端正性调节-两个关键酶的促进作用。 PRPPK和GPAT，底物ATP、5-磷酸核糖 和PRPP促进其活性，增加IMP的合成。 后端正性调节-由ATP促进GMP合成酶 由GTP促进腺苷酸代琥珀酸合成酶 增加GTP和ATP的合成。2）负性调节主要为合成产物反馈抑制性调节6个长反馈调节:由AMP，GMP和IMP分别反馈抑制PRPPK和GPAT这两关键酶的活性。2个短反馈调节:由AMP反馈抑制ASS，由GMP反馈抑制IMPD的活性所进行的反馈抑制来调节嘌呤核苷酸的从头合成。 Regulation of De Novo Synthesis o

9、fPurine NucleotidesGln:PRPP amidotransferaseRibose-5-phosphatePRPP5-PhosphoribosylamineIMPXMPAMPADPATPGMPGDPGTPAdenylosuccinate +Adenylosuccinate Synthesase Ribose-5-phosphatePyrophosphokinase IMPdehydrogenase 2ActiveInactiveKey StepThe disease is probably best known for its behavioural abnormalitie

10、s. Compulsive, aggressive behaviour takes many forms, the most striking of which is self-injury through biting. The lips, the inside of the mouth and the fingers are favorite targets. 自毁容貌综合征Interconversion of Purine nucleotidesXMP AMPS（腺苷一磷酸代琥珀酸）IMPNH3Adenine DeaminaseNADP+NH3NADPHGuanine Reductase

11、AMPGMPVvvv (二) 嘌呤核苷酸的分解代谢3个基本过程。 (1)核苷酸在核苷酸酶作用下水解为核苷。 （核苷磷酸化酶） 嘌呤碱基 磷酸核糖变位酶 (2)核苷- 1-磷酸核糖- 5-磷酸核糖-进磷酸戊糖途径进行代谢。 参加核苷酸的补救合成。 (3)嘌呤碱基 分解形成尿酸随尿液排出嘌呤核苷酸的分解代谢 正常人血浆尿酸含量：0.12-0.36mmol/L 男: 0.27mmol/L，女:0.21mmol/L以尿酸及其钠盐形式存在, 均难溶于水0.48mmol/L(8mg%), 析出结晶, 沉积在关节和软骨等处 痛风症进食高嘌呤膳食时体内核酸大量分解(白血病,恶性肿瘤）肾脏疾病尿酸排泄障碍血中尿

12、酸临床上用别嘌呤醇治疗The uric acid and the goutUric acid Over 0.48 mmol/L, In the plasmaGout, Urate crystallization in joints, soft tissue, cartilage and kidneyHypoxanthine Xanthine Hypoxanthine Allopurinol Out of bodyIn urineDiabetese nephrosis 年年 一、嘧啶核苷酸的合成代谢 （一）嘧啶核苷酸的从头合成先合成嘧啶环，再与磷酸核糖相连。先合成UMP，再转变成dTMP和CTP

13、。特点1. 嘧啶核苷酸的从头合成 （1）嘧啶元素来源 CO2、谷氨酰胺、天冬氨酸 是嘧啶碱基的元素来源 （2）嘧啶核苷酸从头合成的特点需要的酶系大多在胞液内，但 二氢乳清酸脱氢酶位于线粒体内合成从CO2和谷氨酰胺开始，经6步反 应先合成出尿嘧啶核苷酸（UMP）。由UMP出发再合成其它的嘧啶核苷酸。(3) 从头合成途径 UMP的从头合成分三个阶段： 第一个阶段是氨基甲酰磷酸的合成。 第二个阶段是氨基甲酰天冬氨酸的合成。 第三个阶段是嘧啶环的合成。 (4) TMP的合成 嘧啶核苷酸的从头合成途径 的合成TMP (5) 嘧啶核苷酸从头合成的调节正性调节:ATP-磷酸核糖焦磷酸激酶 OPRT-乳清酸磷

14、酸核糖转移酶 嘌呤和嘧啶核苷酸从头合成途径有共同的正性调节。保证嘌呤和嘧啶核苷酸合成速度的同步化，以便合成出等量的嘌呤和嘧啶核苷酸。2）嘧啶核苷酸负性调节 -合成产物的反馈抑制进行调节A:氨基甲酰磷酸合成酶（CPS） 由UTP反馈抑制。B:天冬氨酸转氨基甲酰酶(CAT) 由CTP反馈抑制。C:CTP合成酶(CTPS) 由CTP反馈抑制。 嘧啶核苷酸从头合成的调节 2. 嘧啶核苷酸的补救合成 嘧啶核苷酸的补救合成主要有两种方式。（1）一步合成方式 尿嘧啶+PRPP 尿嘧啶磷酸核糖转移酶 UMP + Ppi（2）二步合成方式尿嘧啶+1-磷酸核糖 尿苷磷酸化酶 尿嘧啶核苷+Pi尿嘧啶核苷+ATP 核

15、苷激酶 Mg2+ UMP + ADP嘧啶核苷酸的分解代谢脱氧核糖核苷酸的生成体内脱氧核糖核苷酸是通过相应的核糖核苷酸还原生成的。这种还原反应是由核糖核苷酸还原酶催化，在二磷酸核苷（NDP）水平上进行的。脱氧核糖核苷酸合成 嘌呤脱氧核苷酸和嘧啶脱氧核苷酸:由相应核苷酸通过还原其核糖上2位羟基生成：（1）催化核苷酸脱氧:核糖核苷酸还原酶 两种亚基组成四聚体: R1活性中心含1谷氨酸和3半胱氨酸，核苷酸还原供氢体 R2含1个酪氨酸残基，接受R1电子生成硫自由基而活化 结合在R1上的核苷酸C2脱氧，与另2个半胱氨酸残基的氢生成水，2个半胱氨酸残基氧化形成二硫键。R2将电子转移到R1，生成游离的脱氧核苷

16、酸。 R1亚基上二硫键可被硫氧还蛋白还原 酶恢复到初始状态。 被氧化的硫氧还蛋白在硫氧还蛋白还原酶催化下，以NADPH为辅酶还原 脱氧核糖核苷酸的生成过程 核苷酸代谢障碍和抗代谢物一. 核苷酸代谢障碍-疾病 参与核苷酸代谢的某些酶的缺失或调节失常，都会引起核苷酸代谢障碍和疾病。 目前已经发现核苷酸代谢障碍能引起多种疾病。它们大多是嘌呤核苷酸代谢障碍引起的疾病。 临床疾病 缺陷的酶 原 因 临床特点 遗传类型 1嘌呤核苷酸代谢障碍 痛风 PRPP合成酶 调节失常 嘌呤产生和 x-染色体连 HGPRT酶 排谢过多 锁，隐性遗传 Lesch-Nyhan 综合征 HGPRT酶 遗传缺陷 嘌呤产生排泄

17、x-染色体连 多,脑性瘫痪, 锁，隐性遗传 自毁容貌症 免疫缺陷症 腺苷脱氨酶 遗传缺陷 B细胞免疫缺陷, 常染色体隐性遗传 (ADA)缺乏 脱氧腺苷尿症 嘌呤核苷磷 酸化酶(PNP) 肾结石 APRT酶 遗传缺陷 2，8-二羟基腺 常染色体隐性遗传 嘌呤肾结石黄嘌呤尿 黄嘌呤氧化酶 遗传缺陷 黄嘌呤肾结石， 常染色体隐性遗传 低尿酸血症 2嘧啶核苷酸代谢障碍先天性乳清 乳清酸磷酸 遗传缺陷 乳清酸排泄多 常染色体隐性遗传酸尿症 核糖转移酶 红细胞性贫血 乳清酸核苷酸 遗传缺陷 乳清酸排泄较多 常染色体隐性遗传 脱羧酶人工合成的6类核苷酸代谢类似物（1）嘌呤核苷酸代谢类物（2）嘧啶核苷酸代谢类

18、似物（3）氨基酸类似物（4）叶酸类似物（5）核苷类似物（6）作用于核糖核苷酸还原酶代谢类似物 (二) 核苷酸代谢类似物功能 人工合成核苷酸代谢类似物大都是核苷酸代谢过程中必需的代谢中间体的类似物。它们的化学结构与代谢中间体相类似。因此，它们可以“冒名顶替”，“以假乱真”，干扰、抑制或阻断核苷酸合成，进而干扰、抑制或阻断核酸及蛋白质的合成，使细胞的分裂和增殖无法进行。这些核苷酸代谢类似物不仅是进行生化代谢途径研究的工具，也是治疗疾病的有效物药。CC（1）嘌呤核苷酸代谢类物嘌呤核苷酸的代谢类似物 Chemotherapeutic Agents for cancers1. Analogs of pu

19、rineN OHNNNHN SHNNNHN SHNNNHH2Ninosine6-mercaptopurine8-azoguanine6-mercaptoguanineN OHNNNHNH2NN OHNNNHH2Nguanine(2)嘧啶核苷酸 代谢类似物CC嘧啶核苷酸代谢类似物 （3）氨基酸类似物氮杂丝氨酸（azaserine，AS），6-重氮-5-氧正亮氨酸 （diazonorleucine，DAL），磷乙天冬氨酸（N-phosphoacetyl-l-asparate， PALA）等。氨基酸类似物：氮杂丝氨酸 (AS) 是 Gln的类似物.叶酸类似物：氨蝶呤 (AP)和甲氨蝶呤 (MTX)

20、核糖、氨基酸和叶酸的代谢类似物 （4）叶酸类似物 氨蝶呤(aminopterin，AP） 甲氨蝶呤（methotrexate，MTX）Azaserine（氮杂丝氨酸）Cytarabine（阿糖胞苷）MTX（氨甲蝶呤）5FU (5FdUMP/5FUTP)The mechanism of the Chemotherapeutic Agents-2（5）核苷类似物 （6）作用于核糖核苷酸还原酶的代谢类似物 羟基脲（hydroxyurea，HU） 羟基胍（hydroxyguanidine，HG） 胍唑（guanazole，GZ）。 核糖核苷酸还原酶的代谢类似物NH一些抗代谢药物的功能 药物名称 6-巯基嘌呤(6MP) 正常代谢物 嘌呤核苷酸 治疗的疾病 白血病自身免疫性病妊娠滋养 细胞肿瘤等 主要作用的酶 IMP脱氢酶腺苷酸代琥珀酸合成酶 作用的代谢途径 嘌呤核核苷酸合成 药物名称 别嘌呤醇(APO) 正常代谢物 黄嘌呤、乌嘌呤、次黄嘌呤 黄嘌呤氧化酶 治疗的疾病 痛风 主要作用的酶 黄嘌呤氧化酶 作用的代谢途 嘌呤核苷酸分解 药物名称 利巴韦林（病毒唑），5-氮基咪唑- 4-羧酸核苷酸 正常代谢物 5-氨基咪唑-4-羧酸核苷酸 治疗的疾病 广谱抗病毒药呼吸道合胞病毒流感