复旦大学生物化学代谢部分课件-核酸降解与核苷酸代谢1

1、核酸降解及核苷酸代谢一核酸降解二核苷酸的分解代谢三核苷酸的生物合成四辅酶核苷酸的合成核苷酸库核酸降解核苷酸合成核酸合成核苷酸降解核苷酸是核酸的基本结构单位，不属于营养必需物质。核酸降解 食物中的核酸与蛋白质结合为Nucleoprotein的形式，在胃中受胃酸作用水解为NA和Proteins, NA在小肠被胰Nuclease包括DNase、RNase降解为Pu-Nt、Py-Nt和Oligonucleotide.肠粘膜释放的phosphodiesterase并协同胰核酸酶进行消化，水解为单核苷酸。肠粘膜细胞中的nucleotidase phosphomonoesterase，水解Nt为Ns和Pi。

2、脾、肝等组织中的nucleosidase进一步水解Ns为戊糖和碱基。 食物核蛋白蛋白质核酸(RNA与DNA)胰核酸酶RNaseDNase(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，很少利用核酸酶(Nuclease)核酸酶是作用于核酸磷酸二酯键的水解酶，包括核糖核酸酶(RNase)和脱氧核糖核酸酶(DNase)，其中能水解核酸分子内磷酸二酯键的酶又称为核酸内切酶(endonuclease)，从核酸的一端逐个水解下核苷酸的酶称为核酸外切酶(exonuclease)。 碱基、核苷和核苷酸核苷酸的生理功能作为核酸合成的原料-最主要的

3、功能；体内能量的利用形式；参与代谢与生理调节- cAMP, cGMP，组成辅酶- NAD+, NADP+, FAD, HS-CoA，活化代谢物-UDPG, CDP-DAG, SAM。 ATP-主要形式；GTP-蛋白质合成 UTP-糖原合成；CTP-磷脂合成核苷酸的代谢动态单核苷酸库氨基酸 葡萄糖 磷酸核苷酸的全程合成（从头合成）核酸的降解核苷酸降解产物的再利用补救合成核苷酸的降解核酸的合成核苷酸的分解代谢 生物体普遍存在的磷酸单酯酶或核苷酸酶可催化核苷酸的水解，特异性强的磷酸单酯酶只能水解3-Nt或5-Nt。 催化核苷水解的酶有2类，即核苷磷酸化酶和核苷水解酶： Ns phosphorylas

4、eNs + Pi Pu or Py + pentose-1-P（广泛） Ns hydrolaseNs + H2O Pu or Py + pentose(植物和微生物中，只对核糖核苷起作用，对脱氧核糖核苷不作用）核苷酸核苷PiPi1-磷酸核糖碱基补救途径分解代谢5-磷酸核糖PRPP终末产物经尿液排出核苷酸酶磷酸化酶1-磷酸核糖变位酶核苷酸分解代谢大致过程核苷酸及核苷分解核苷磷酸化酶广泛存在反应可逆局限，只对核糖Ns发生作用嘌呤碱的分解 不同生物嘌呤碱的分解能力不同，代谢产物也不同，人和猿类及一些排尿酸的动物（鸟类、某些爬行类和昆虫）嘌呤的代谢产物为尿酸。而其他生物可以分解嘌呤为多种不同产物。 嘌

5、呤碱的分解首先是在脱氨酶的作用下脱去氨基 。Ade和Gua分别生成次黄嘌呤和黄嘌呤，进一步代谢生成尿酸。嘌呤分解中的脱氨作用嘌呤碱的分解首先在脱氨酶的作用下水解脱氨，脱氨作用可以在核苷或核苷酸的水平上进行。动物组织腺嘌呤脱氨酶含量极少，而腺嘌呤核苷脱氨酶及腺嘌呤核苷酸脱氨酶的活性较高，因此腺嘌呤的脱氨分解主要在核苷或核苷酸水平上进行。鸟嘌呤脱氨酶分布广，脱氨分解主要在该酶的作用下进行。鸟嘌呤脱氨鸟嘌呤脱氨酶（guanine deaminase)的分布较广，催化鸟嘌呤的脱氨分解，是鸟苷酸、鸟苷及鸟嘌呤主要的脱氨途径。 鸟嘌呤脱氨酶 鸟嘌呤 黄嘌呤+NH3核苷酸三级水平的降解动物中基本不发生主要主

6、要主要嘌呤核苷酸分解的三级脱氨AMP分解黄嘌呤氧化酶AMP/GMP分解尿囊素次黄嘌呤的分解尿酸生成次黄嘌呤和黄嘌呤在黄嘌呤氧化酶的作用下氧化生成尿酸。 次黄嘌呤+O2+H2O 黄嘌呤+H2O2黄嘌呤+O2+H2O 尿酸+H2O2 黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶嘌呤核苷酸的分解不同生物嘌呤核苷酸的分解产物不同尿囊酸尿囊素尿素氨铵尿酸黄嘌呤氧化酶 (Xanthine Oxidase)催化次黄嘌呤和黄嘌呤氧化生产尿酸。酶为复合黄素酶，由两个相同的亚基组成，分子量260,000，每个亚基含一个FAD、一个钼原子和一个Fe4S4中心。反应要求分子氧作为电子受体，还原产物是H2O2，进入尿酸的氧来自水。底物与酶

7、结合后，Mo(VI)被还原为Mo(IV)，电子经黄素、铁硫中心等传给O2，与氢离子生成H2O2，Mo(IV)氧化为Mo(VI)。 尿 酸Uric Acid嘌呤核苷酸的分解代谢主要在肝脏、小肠及肾脏中进行。生理情况下嘌呤合成与分解处于相对平衡状态，尿酸的生成与排泄也较恒定。正常人血浆中尿酸含量约0.12-0.36 mM2-6 mg/dL，男性平均0.27mM4.5mg/dL，女性平均0.21 mM3.5 mg/dL。体内核酸大量分解白血病、恶性肿瘤等或食入高嘌呤食物时，血中尿酸水平升高，超过0.48 mM8 mg/dL时，尿酸盐形成结晶，沉积于关节、软组织、软骨及肾等处导致关节炎、尿路结石及肾疾

8、患-痛风症。痛 风(Gout) 嘌呤碱分解代谢产生过多的尿酸，溶解性很差，易形成尿酸钠结晶，沉积于关节、软组织、软骨甚至肾脏等处，也可形成尿酸的尿路结石。沉积于男性关节腔的尿酸钠结晶被吞噬细胞吞噬，尿酸钠通过氢键与溶酶体膜作用，破坏溶酶体，释放的水解酶及蛋白因子使局部生成较多致炎物质，引起痛风性关节炎痛风。痛风的尿酸钠晶体痛风检测 诊断痛风最简便而有价值的实验室检查是血尿酸测定。血尿酸升高是诊断痛风最直接的实验室检查依据，也是确诊的必备条件。急性发作期绝大多数病人血清尿酸含量升高。一般采用尿酸酶法测定，男性大于416mol（7 mg/dL），女性大于357mol（6 mg/dL）应该认为是痛风

9、患者。除血尿酸测定外，也可测定尿酸含量，关节腔穿刺检查，血、尿常规检查，血沉检查，痛风石检查，X线摄片检查。痛风治疗治疗痛风的原则是：合理的饮食控制；充足的水分摄入；规律的生活制度；适当的体育活动；有效的药物治疗；定期的健康检查。 西医对痛风病的治疗，较为常用的抗痛风药物：秋水仙碱、别嘌呤醇、丙磺舒、苯溴马隆、消炎痛、布络芬、扶他林等。中医对痛风的治疗。饮食治疗每日嘌呤摄入量不超过150 mg。常见食物的嘌呤含量范围一、每100克食物嘌呤含量小于50毫克为低嘌呤的有：五谷类：米、麦、高梁、玉米、马铃薯、甘薯、面条、通心粉；蛋 类：鸡蛋、鸭蛋、皮蛋；奶 类：牛奶、乳酪、冰琪琳；饮 料：汽水、巧克

10、力、可可、咖啡、麦乳精、果汁、茶、蜂蜜、果冻；以及各种水果、蔬菜和油脂 等。二、每100克食物中含50毫克150毫克嘌呤的为中嘌呤：肉 类：鸡肉、猪肉、牛肉、羊肉、鱼、虾、螃蟹；豆 类：黑豆、绿豆、红豆、花豆、碗豆、菜豆、豆干、豆腐以及笋干、金针、银耳、花生、腰果、芝麻等。三、每100克食物中含150毫克-500毫克嘌呤的食物为高嘌呤：豆苗、黄豆芽、芦笋、菜花、紫菜、香菇、乌鱼、鲨鱼、鳕鱼、海鳗、动物肝、肾、肠等、蚌蛤、干贝带鱼、扁鱼干、沙丁鱼、蛤蜊、牡蛎、链鱼、鸡汤、肉汤等。四、每100克食物中大于500毫克嘌呤：小鱼干、乌鱼皮、酵母粉等。高嘌呤食物 豆类及蔬菜类：黄豆、扁豆、紫菜、香菇。

11、肉类：肝（猪肝、牛肝、鸡肝、鸭肝、鹅肝）、肠（猪肠、牛肠、鸡肠、鸭肠、鹅肠）、心（猪心、牛心、鸡心、鸭心、鹅心）、肚与胃（猪肝、牛肝、鸡胃、鸭胃、鹅胃）、肾（猪肾、牛肾）、肺脑、胰、肉脯、浓肉汁、肉馅等。 水产类：鱼类（鱼皮、鱼卵、鱼干、沙丁鱼、风尾鱼、鲭鱼、鲢鱼、乌鱼、鲨鱼、带鱼、吻仔鱼、海鳗、扁鱼干、鲳鱼）、贝壳类（蛤蜊、牡蛎、蛤子、蚝、淡菜、干贝）、虾类（草虾、金勾虾、小虾、虾米）、海参。 其他：酵母粉、各种酒类（尤其是啤酒）。 别嘌呤醇与次黄嘌呤别嘌呤醇的作用别黄嘌呤别嘌呤醇的作用机理别嘌呤在体内经代谢转变，与PRPP生成别嘌呤核苷酸，不仅消耗了PRPP，使其含量下降，而且还能反馈抑制

12、PRPP酰胺转移酶，阻断嘌呤核苷酸的从头合成。别嘌呤醇的作用 竞争性抑制黄嘌呤氧化酶，阻止尿酸生成； 与PRPP结合生成别嘌呤醇核苷酸，消耗PRPP，别嘌呤醇核苷酸反馈抑制嘌呤核苷酸的从头合成-抑制嘌呤核苷酸的合成。自杀底物(Suicide Substrate) 结构与次黄嘌呤相似的别嘌呤醇(allopurinol)，在黄嘌呤氧化酶的作用下氧化为别黄嘌呤(alloxanthine)，后者与酶中心的Mo(IV)牢固结合，使Mo(IV)不易转变成Mo(VI)而成为酶的灭活物，这种底物类似物被称为自杀作用（底）物，这种作用被称为自杀作用。别嘌呤醇还与PRPP作用生成相应核苷酸，抑制PRPP-AT，使

13、IMP合成减少。嘧啶碱的分解不同生物嘧啶碱的分解过程也不一样，一般情况下含氨基的嘧啶要先水解脱去氨基，脱氨基也可以在核苷或核苷酸水平上进行。 嘧啶还原途径的分解嘧啶氧化途径的分解嘧啶分解尿嘧啶、胞嘧啶分解胸腺嘧啶的分解嘌呤核苷酸的生物合成Biosynthesis of Purine Nucleotides核苷酸的生物合成可以通过两条完全不同的途径进行，由现成的Pu, Py, Pentose及Pi在酶的作用下直接合成NtSalvage Pathway（补救途径，脑、骨髓）；或由磷酸戊糖先和非Pu或Py环结合，在未完成的环上添加必要的部分，然后闭合成环De novo Synthesis（全程合成，

14、肝脏、小肠、胸腺）。 嘌呤核苷酸的生物合成De novo synthesis14C标记的HCOOH和15N标记的氨基酸与鸽肝匀浆物共培养，得到Pu环各元素的来源，1950s由J. Buchanan和G. Robert Greenberg提出Hypoxanthine de novo synthesis假说，并证明Hypoxanthine Nt是Ade-Nt及Gua-Nt合成的前体。嘌呤核苷酸的结构AMPGMPDe Novo Synthesis of Pu-Nt The pigeon experiment: Isotopic tracer studies (1950s) of IMP biosyn

15、thesis. Labs of John Buchanan and Robert Greenberg.合成所需原料物质：-D-ribose-5-P, ATP, Gln, Asp, GTP, N5,N10-methylene THFA, CO2。另需辅助因子：Mg2+, Mn2+, NAD+, THFA-CHO. 合成中先生成IMP，继而合成AMP和GMP。嘌呤环元素的来源“一碳”“一碳”嘌呤环元素的来源甘氨当中站, 谷氮坐两边,左上天冬氨, 头顶CO2 。大致过程： 5-磷酸核糖 + ATP PRPP + AMP IMP AMP GMPPRPP合成酶甘氨酸天冬氨酸2谷氨酰胺2一碳单位CO212

16、IMP合成的3个阶段： A:合成激活阶段 B:合成咪唑环的阶段 C:合成出IMP的阶段磷酸核糖基焦磷酸PRPP嘌呤核苷酸的全程合成反应1磷酸核糖基焦磷酸转酰胺酶5-P-核糖胺可被类似物抑制PRPP transamidase()()嘌呤核苷酸的全程合成反应2甘氨酰胺核苷酸甘氨酰胺核苷酸合成酶嘌呤核苷酸的全程合成反应3甲酰甘氨酰胺核苷酸转甲酰基酶可被类似物抑制HCOOH+ATP甲酰磷酸四氢叶酸嘌呤核苷酸的全程合成反应4甲酰甘氨脒核苷酸合成酶可被Gln类似物不可逆抑制嘌呤核苷酸的全程合成反应55-氨基咪唑核苷酸合成酶环化酶Mg2+、K+嘌呤核苷酸的全程合成反应6氨基咪唑核苷酸羧化酶5-羧基氨基咪唑核

17、苷酸嘌呤核苷酸的全程合成反应75-氨基-4-羧基氨基咪唑核苷酸变位酶嘌呤核苷酸的全程合成反应8N-琥珀酰-5-氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸合成酶嘌呤核苷酸的全程合成反应95-氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸裂解酶嘌呤核苷酸的全程合成反应10转甲酰基酶N-甲酰氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸可被抑制剂抑制嘌呤核苷酸的全程合成反应11次黄嘌呤核苷酸环水解酶，IMP cyclohydrolaseIMP合成酶次黄嘌呤核苷一磷酸由IMP合成AMP和GMP腺苷琥珀酸合成酶裂解酶羽田杀菌素OHC-N（OH）-CH2-COOH，Asp的类似物IMP脱氢酶GMP合成酶K+羽田杀菌素(Hadacidin) Asp的结构类似物，

18、N-羟-N-甲酰甘氨酸： OHC-N-CH2-COOH OH 可强烈抑制腺苷琥珀酸合成酶的活性，阻止腺苷琥珀酸的合成，抑制AMP的合成。是一种具有抗癌作用的抗菌素，但没有用于临床。P P P P 嘌呤核苷酸循环IMP合成的总反应2 Gln + 2 HCOOH + CO2+ Gly + Asp +R-5-P (or PRPP) IMP + 2Glu + Fumarate反应需要5（或7）ATP。嘌呤核苷酸合成的调节大肠杆菌腺苷酸和鸟苷酸合成的调节许多化疗“药物”作用的靶位是核苷酸合成途径的酶肿瘤细胞比绝大多数正常细胞生长快，需要合成更多的核苷酸作为DNA和RNA合成的前体，因此较正常细胞对核苷酸

19、合成抑制剂更为敏感。一系列化疗试剂通过抑制核苷酸合成途径的一个或多个酶起作用。 第一类是抑制Gln转酰胺酶azaserine(重氮丝氨酸)和acivicin(阿西维辛，异恶唑醋酸)。 第二类是抑制胸苷酸合成酶和二氢叶酸还原酶(fluorouracil, methotrexate和aminopterin)。氨甲蝶呤氨基喋呤甲氨喋呤、氨甲喋呤、氨甲叶酸甲氧苄(氨嘧)啶、三甲氧二苄氨嘧啶甲氧苄啶，磺胺类及其增效剂，阻止细菌核酸和蛋白质的合成，且甲氧苄啶(TMP)与细菌的二氢叶酸还原酶的结合较之对哺乳类动物酶的结合紧密 5-6万倍。与磺胺药的合用可使细菌的叶酸合成代谢遭到双重阻断，有协同作用，使磺胺药

20、抗菌活性增强，并可使抑菌作用转为杀菌作用，减少耐药菌株，主要用于抗感染，不宜于抗肿瘤。 甲氨蝶呤为抗叶酸类抗肿瘤药，主要通过对二氢叶酸还原酶的抑制而达到阻碍肿瘤细胞DNA的合成，进而抑制肿瘤细胞的生长与繁殖。本药选择性地作用于S期。 常用于治疗白血病、绒毛膜上皮癌、头颈部癌、妇科癌、牛皮癣等。Gln类似物AT-125氮丝氨酸重氮乙酰丝氨酸Salvage Synthesis of Pu-Nt利用现成的Ade、Hypoxanthine和Gua通过腺嘌呤磷酸核糖基转移酶（APRT)及次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖基转移酶（HGPRT)实现AMP、IMP、GMP的补救合成。 人体细胞大多为全程合成，但脑和骨髓

21、中几乎只能通过补救途径合成。嘌呤核苷酸的补救合成嘌呤核苷的再利用 腺嘌呤核苷 AMP ATP ADP腺苷激酶APRTHGPRT嘌呤核苷酸的补救合成莱-纳二氏（Lesch-Nyhan) 综合症-自毁容貌综合症HGPRT缺陷的男性儿童表现为一种强制性的自残行为-自毁容貌综合症，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。自毁容貌综合症机理HGPRT基因点突变嘌呤核苷酸的抗代谢药物抗代谢药物结构上与代谢物相似，但它们不能作为机体的建造材料。在细胞内，抗代谢药物被误认为是“它们”的代谢物，以“正常化合物”的方式进行加工处理。由于存在着抗代谢药物这样的“诱饵

22、”，因而阻碍了细胞重要功能的发挥，使细胞不能生长和生存。许多治疗肿瘤的抗代谢药物是通过影响核酸的合成而起作用的。如果不能合成新的DNA和RNA，细胞就不能分裂。 嘌呤核苷酸抗代谢物主要是一些嘌呤、氨基酸或叶酸等的类似物。 采用竞争性抑制或“以假乱真”等方式抑制合成代谢中的酶，干扰和阻断核苷酸的合成, 从而进一步阻止核酸以及蛋白质的生物合成。 肿瘤细胞的核酸与蛋白质代谢旺盛, 因此抗代谢物可用于肿瘤的化疗。嘌呤核苷酸的抗代谢物嘌呤类似物的作用6MP（6-巯基嘌呤-次黄嘌呤结构相似）6MP-核苷酸（IMP的类似物，反馈抑制IMP全称合成中PRPP与5-磷酸核糖胺的形成）抑制从头合成（抑制IMP向AMP和GMP的转变） 抑制补救合成 (抑制HGPRT)可用作抗癌药物HGPRT嘌呤核苷酸的抗代谢物1. 嘌呤类似物:8-氮杂鸟嘌呤N OHNNNHN SHNNNHN SHNNNHH2NN OHNNNHN6-巯基鸟嘌呤次黄嘌呤6-巯基嘌呤（6-MP）（8-Azaguanine） 氨基酸类似物主要有氮杂丝氨酸等。化学结构与Gln相似。可干扰Gln在嘌呤核苷酸合成中的作用，从而抑制嘌呤核苷酸的合成。嘌呤核苷酸的抗代谢物2. 氨基酸类似物：