生物化學(xué)與分子生物學(xué)八年制課件14.ppt

第十三章 核苷酸代謝 NucleotideMetabolism 體外實(shí)驗(yàn)資料 1909 1934年 美國(guó)生物化學(xué)家Owen證明 核酸的分解單位是核苷酸 1961年 美國(guó)生化學(xué)家JuanOro模擬大氣放電 在有氰化氫參加的反應(yīng)體系中發(fā)現(xiàn)有氨基酸和腺嘌呤生成 1963年 Ponnamperuma在類似的實(shí)驗(yàn)中也得到了腺嘌呤 后來 他又與RuthMariner CarlSagan將腺嘌呤與核糖連接成為腺苷 再連接磷酸 得到了腺苷三磷酸 ATP 體內(nèi)實(shí)驗(yàn)資料 早在演繹核苷酸生物合成前 生物化學(xué)家就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)動(dòng)物會(huì)排泄3種不同的含氮廢物 即NH3 尿素和尿酸 尿酸就是嘌呤化合物的代謝產(chǎn)物 在1950年間 JohnM Buchanan和G RobertGreenberg采用同位素示蹤結(jié)合嘌呤核苷酸降解物 尿酸分析證明 嘌呤分子的原子N1來自門冬氨酸 N3和N9來自谷氨酰胺等 完成了嘌呤生物合成過程的演繹 更為重要的是 他們還發(fā)現(xiàn)嘌呤不是以游離含氮堿 而是以核苷酸形式在體內(nèi)合成的 這些發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了對(duì)核苷酸代謝相關(guān)疾病的認(rèn)識(shí) 1987年 科學(xué)家確定Lesch Nyhan綜合征與次黃嘌呤 鳥嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶 HGPRT 缺陷有關(guān) 至今已發(fā)現(xiàn) 核苷酸的合成和分解代謝障礙與很多遺傳性 代謝性疾病有關(guān) 模擬核苷酸組成成分 如取代堿基 核苷和核苷酸的類似物已發(fā)展為在臨床上常用 有效的抗代謝藥物 第一節(jié)核苷酸代謝概論 OutlineforNucleotideMetabolism 一 核苷酸具有多種生物學(xué)功能 核苷酸是核酸 RNA和DNA 的活性前體物質(zhì) 核苷酸衍生物作為活性中間物參與生物合成過程 高能化合物ATP與GTP可為細(xì)胞代謝提供能量 腺嘌呤核苷酸是很多輔酶的組成成分 核苷酸和核苷以介質(zhì)形式參與生理功能調(diào)節(jié) 鳥嘌呤核苷可構(gòu)成核酸的特殊結(jié)構(gòu) cAMP cGMP和GTP GDP參與胞內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo) 從頭合成途徑 denovosynthesispathway 補(bǔ)救合成途徑 salvagesynthesispathway 二 核苷酸的合成代謝有從頭合成和補(bǔ)救合成兩種途徑 食物核蛋白 單核苷酸 食物中核酸的消化 三 核苷酸的降解和補(bǔ)救合成具有重要生物學(xué)意義 單核苷酸 核苷酸的補(bǔ)救合成途徑回收利用現(xiàn)成的嘌呤 嘧啶堿或核苷合成核苷酸 細(xì)胞內(nèi)同樣存在核酸酶 使細(xì)胞內(nèi)部的核酸逐步分解為核苷酸 或進(jìn)一步分解為堿基 戊糖和磷酸 以維持細(xì)胞內(nèi)遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定 細(xì)胞內(nèi)核酸的消化 R 5 P 5 磷酸核糖 PP 1 R 5 P PRPP 磷酸核糖焦磷酸 IMP ATP AMP PRPP合成酶 AMP GMP UMP TMP CTP 嘌呤 嘧啶堿 嘌呤 嘧啶核苷酸 四 磷酸核糖焦磷酸是從頭合成和補(bǔ)救合成途徑的交叉點(diǎn) 第二節(jié)嘌呤核苷酸的合成與分解代謝 AnabolismandCatabolismofPurineNucleotides 嘌呤核苷酸的結(jié)構(gòu) GMP AMP 一 嘌呤核苷酸從頭合成起始于5 磷酸核糖 嘌呤核苷酸的從頭合成途徑是指利用磷酸核糖 氨基酸 一碳單位及二氧化碳等簡(jiǎn)單物質(zhì)為原料 經(jīng)過一系列酶促反應(yīng) 合成嘌呤核苷酸的途徑 定義 嘌呤環(huán)的C N原子來自谷氨酰胺 天冬氨酸 一碳單位和CO2 器官定位 主要器官是肝 其次是小腸和胸腺 細(xì)胞定位 胞質(zhì) 合成部位 合成過程 首先合成嘌呤核苷酸的共同前體IMP 然后由IMP轉(zhuǎn)化為AMP和GMP IMP合成途徑可分為二階段11步反應(yīng) 第一階段生成5 磷酸核糖 1 焦磷酸 PRPP 5 磷酸核糖與ATP 經(jīng)PRPP激酶 PRPPK 或稱PRPP合成酶 PRPPsynthetase 催化 生成PRPP 第二個(gè)階段生成IMP 一 嘌呤核苷酸從頭合成途徑中最先合成的核苷酸是IMP R 5 P 5 磷酸核糖 PP 1 R 5 P PRPP 磷酸核糖焦磷酸 谷氨酰胺 酰胺基NN10 甲酰四氫葉酸天冬氨酸 氨基N甘氨酸二氧化碳 IMP H2N 1 R 5 P PRA 5 磷酸核糖胺 關(guān)鍵酶 IMP的合成過程 GAR合成酶 轉(zhuǎn)甲?；?FGAM合成酶 AIR合成酶 目錄 IMP生成總反應(yīng)過程 目錄 腺苷酸代琥珀酸合成酶 IMP脫氫酶 腺苷酸代琥珀酸裂解酶 GMP合成酶 目錄 二 AMP和GMP可由IMP轉(zhuǎn)變生成 嘌呤核苷酸從頭合成并不是先合成嘌呤堿再與核糖和磷酸結(jié)合生成核苷酸 而是在磷酸核糖分子上逐步合成的 IMP的合成需5個(gè)ATP 6個(gè)高能磷酸鍵 AMP或GMP的合成又需1個(gè)ATP 嘌呤核苷酸從頭合成特點(diǎn) 利用體內(nèi)游離的嘌呤或嘌呤核苷 經(jīng)過簡(jiǎn)單的反應(yīng) 合成嘌呤核苷酸的過程 稱為補(bǔ)救合成 或重新利用 途徑 二 嘌呤核苷酸補(bǔ)救合成有兩種方式 補(bǔ)救合成途徑定義 腺嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶 adeninephosphoribosyltransferase APRT 次黃嘌呤 鳥嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶 hypoxanthine guaninephosphoribosyltransferase HGPRT 參與合成的酶 一 嘌呤與PRPP經(jīng)磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶催化生成核苷酸 合成過程 腺苷激酶 adenosinekinase 二 腺嘌呤核苷經(jīng)腺苷激酶催化生成AMP 參與合成的酶 補(bǔ)救合成的生理意義 補(bǔ)救合成節(jié)省從頭合成時(shí)的能量和一些氨基酸的消耗 體內(nèi)某些組織器官 如腦 骨髓等只能進(jìn)行補(bǔ)救合成 嘌呤核苷酸的相互轉(zhuǎn)變 核苷酸在核苷酸酶的作用下水解成核苷和磷酸核苷在核苷磷酸化酶催化下磷酸解得到游離的嘌呤堿及1 磷酸核糖1 磷酸核糖在磷酸核糖變位酶的作用下可轉(zhuǎn)變?yōu)? 磷酸核糖 參與戊糖磷酸途徑 嘌呤堿重新利用或氧化成尿酸 三 嘌呤核苷酸經(jīng)分解代謝產(chǎn)生尿酸 目錄 體內(nèi)嘌呤核苷酸的分解代謝主要在肝 小腸及腎中進(jìn)行 從頭合成途徑反饋抑制調(diào)節(jié) 5 PR ATP PRPPK PRPP PRA IMP XMP AS GMP AMP GDP ADP GTP ATP GMPS IMPD GPAT ASS 5 PR ATP PRPPK PRPP PRA IMP XMP AS GMP AMP GDP ADP GTP ATP GMPS IMPD GPAT ASS 四 嘌呤核苷酸的合成代謝受反饋抑制調(diào)節(jié) APRT受AMP的反饋抑制HGPRT受IMP與GMP的反饋抑制 補(bǔ)救合成途徑反饋調(diào)節(jié) AnabolismandCatabolismofPyrimidineNucleotides 第三節(jié)嘧啶核苷酸的合成與分解代謝 嘧啶核苷酸的結(jié)構(gòu) 嘧啶核苷酸的從頭合成 肝細(xì)胞胞液和線粒體 嘧啶核苷酸的從頭合成是指利用磷酸核糖 氨基酸 一碳單位及二氧化碳等簡(jiǎn)單物質(zhì)為原料 經(jīng)過一系列酶促反應(yīng) 合成嘧啶核苷酸的途徑 定義 合成部位 一 嘧啶核苷酸的從頭合成過程比嘌呤核苷酸簡(jiǎn)單 嘧啶合成的元素來源 合成原料來源 與嘌呤核苷酸的從頭合成途徑不同 嘧啶核苷酸的合成是先合成含嘧啶環(huán)的乳清酸 OA OA再與PRPP結(jié)合成為乳清酸核苷酸 orotidine 5 phoshate OMP 然后再生成UMP 胞嘧啶核苷酸 胸腺嘧啶核苷酸由UMP轉(zhuǎn)變而成 合成途徑 谷氨酰胺 HCO3 一 UMP的從頭合成可分為6步反應(yīng) 在細(xì)菌細(xì)胞中只有一種氨基甲酰磷酸合成酶 生成的CP用于精氨酸和嘧啶的合成 天冬氨酸轉(zhuǎn)氨基甲酰酶ATCase aspartatetranscarbamoylase 二清乳清酸酶 dihydroorotase asparticacid carbamoylphosphate CP carbamoylaspartate dihydrooroticacid DHOA DHOA脫氫酶 DHOAdehydrogenase oroticacid OA 乳清酸磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶 OrotatephosphoribosylTransferase OPRT orotidine5 monophosphate OMP脫羧酶 OMPD decarboxylase uridine5 monophosphate 目錄 二 CTP來源于UTP的氨基化 三 dTMP來源于dUMP的甲基化 dUMP dTMP UDP 脫氧核苷酸還原酶 dUDP CTP CDP dCDP dCMP Ribonucleotidereductase 脫氧核苷酸還原酶 Ribonucleotidereductase dCMPdeaminase dCMP脫氨酶 H2O Pi 二 嘧啶核苷酸的補(bǔ)救合成途徑與嘌呤核苷酸類似 一 嘧啶磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶催化部分嘧啶堿基與PRPP生成嘧啶核苷酸 二 嘧啶核苷激酶催化嘧啶核苷轉(zhuǎn)變成嘧啶核苷酸 胸苷激酶的活性與細(xì)胞增殖狀態(tài)密切相關(guān) 在正常肝中活性很低 再生肝中活性升高 惡性腫瘤中明顯升高 并與惡性程度有關(guān) 嘧啶堿 嘧啶核苷酸 三 嘧啶核苷酸經(jīng)分解產(chǎn)生小分子可溶性物質(zhì) 胞嘧啶的分解代謝 胸腺嘧啶的分解代謝 胞嘧啶 NH3 尿嘧啶 二氫尿嘧啶 H2O CO2 NH3 丙氨酸 胸腺嘧啶 脲基異丁酸 氨基異丁酸 H2O 丙二酸單酰CoA 乙酰CoA TAC 肝 尿素 甲基丙二酸單酰CoA 琥珀酰CoA TAC 糖異生 哺乳類動(dòng)物是CPSII細(xì)菌中 則是ATCase 關(guān)鍵酶 底物調(diào)節(jié) 產(chǎn)物反饋抑制性調(diào)節(jié) UMP反饋抑制CPSII UMP和CTP反饋抑制ATCase ADP和GDP反饋抑制PRPPK CTP反饋抑制CTPS ATP激活PRPPK和CPSIIPRPP激活OPRT 四 嘧啶核苷酸合成代謝受精細(xì)調(diào)節(jié) 嘧啶核苷酸從頭合成的調(diào)節(jié) 第四節(jié)體內(nèi)核苷酸的轉(zhuǎn)化 TheConversionofNucleotidesinvivo 一 核糖核苷二磷酸還原成脫氧核糖核苷酸 在核苷二磷酸水平上進(jìn)行N代表A G U C等堿基 ribonucleotidereductase 脫氧核苷酸的生成 脫氧核苷二磷酸的合成 當(dāng)某個(gè)特定的NDP在核糖核苷酸還原酶催化下還原成dNDP時(shí) 需要特異NTP來促進(jìn)該反應(yīng)的發(fā)生 同時(shí)其他的NTP又能抑制該酶的活性 以此維持各種脫氧核糖核苷酸合成反應(yīng)的平衡進(jìn)行 dTMP合酶dTMPsynthase dUMP dTMP dTMP的生成 二 核苷二磷酸和核苷三磷酸可以相互轉(zhuǎn)化 4種核苷 或脫氧核苷 一磷酸可以分別在特異的核苷一磷酸激酶作用下 由ATP供給磷酸基 而轉(zhuǎn)變成核苷 或脫氧核苷 二磷酸 例如 NDP激酶可以催化所有嘌呤 嘧啶的核糖或脫氧核糖核苷二 三磷酸之間的轉(zhuǎn)化 第五節(jié)核苷酸代謝與醫(yī)學(xué)的關(guān)系 NucleotideMetabolismandMedicine 一 核苷酸代謝障礙可引發(fā)多種疾病 一 多種遺傳性疾病與核苷酸代謝缺陷有關(guān) 1 HGPRT缺陷引起Lesch Nyhan綜合征 次黃嘌呤 鳥嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶 HGPRT 基因缺陷引起嘌呤核苷酸補(bǔ)救合成途徑障礙 腦合成嘌呤核苷酸能力低下 造成中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育不良 此綜合征以高尿酸血癥 hyperuricemia 及神經(jīng)系統(tǒng)癥狀為特征 重癥病例中常表現(xiàn)出舉止異常 自咬口唇 手指 又稱自毀容貌癥 2 腺苷脫氨酶缺陷引起重癥聯(lián)合免疫缺陷 腺苷脫氨酶 ADA 缺陷是本病主要原因 ADA的底物是腺苷和脫氧腺苷 產(chǎn)物是次黃苷和脫氧次黃苷 ADA缺陷致使脫氧腺苷堆積 在脫氧腺苷激酶的作用下生成dAMP 在核苷酸激酶的催化下 生成dADP和dATP 過多的dATP抑制核糖核苷酸還原酶 導(dǎo)致dGDP dCDP以及dTTP生成減少 4種脫氧核苷酸的不平衡導(dǎo)致DNA的合成受阻 繼而導(dǎo)致B細(xì)胞和T細(xì)胞的聯(lián)合缺陷 患者胸腺萎縮 免疫功能低下 骨骼發(fā)育異常 3 乳清酸尿癥與嘧啶核苷酸代謝異常有關(guān) 嘧啶核苷酸代謝障礙可能引起嘧啶中間代謝產(chǎn)物增加 但表現(xiàn)異常的病例不多見 乳清酸尿癥是其中之一 II型乳清酸尿癥僅涉及乳清酸核苷酸脫羧酶 癥狀較輕 I型乳清酸尿癥涉及乳清酸磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶 OPRT 或乳清酸核苷酸脫羧酶 OMPdecarxylase 缺陷 酶的活性障礙 導(dǎo)致血中乳清酸堆積 尿嘧啶核苷酸合成減少 胞嘧啶核苷酸和胸腺嘧啶核苷酸合成也受影響 RNA和DNA合成不足 臨床上應(yīng)用胞苷和尿苷能獲得很好的療效 4 葉酸缺乏導(dǎo)致新生兒脊柱裂 新生兒脊柱裂是一類典型新生兒缺陷 其成因在于發(fā)育早期神經(jīng)管功能的不完整或紊亂 多項(xiàng)研究顯示 孕婦在妊娠前3個(gè)月若膳食中補(bǔ)充攝入葉酸 則可降低新生兒70 的疾病風(fēng)險(xiǎn) 這顯示了葉酸的多種衍生物在合成DNA前體物質(zhì)的過程中的重要作用 二 高尿酸血癥可引起痛風(fēng) 血中尿酸水平超過溶解能力就稱為高尿酸血癥 hyperuricemia 血中的尿酸及尿酸鹽統(tǒng)稱尿酸 正常成人血漿尿酸含量約為0 12 0 36mmol L 當(dāng)血中尿酸含量超過0 64mmol L時(shí) 尿酸鹽晶體即可沉積于關(guān)節(jié) 軟組織及腎等處 而導(dǎo)致關(guān)節(jié)炎 尿路結(jié)石及腎疾病 尿酸沉積引起疼痛稱為痛風(fēng)癥 gout 痛風(fēng)可能是一種多基因病 該病發(fā)病有家族遺傳傾向 可能涉及HGPRT PRPP激酶 谷氨酰胺PRPP酰胺基轉(zhuǎn)移酶 GPAT 葡萄糖 6 磷酸酶 G6PC 黃嘌呤脫氫酶 XDH 黃嘌呤氧化酶 大部分患者的高尿酸血癥是腎尿酸排泄減少所致 只有10 的患者是尿酸生成過多 葡萄糖 6 磷酸酶缺陷時(shí) G 6 P轉(zhuǎn)化成葡萄糖過程受阻 G 6 P轉(zhuǎn)向磷酸戊糖途徑生成過多的5 磷酸核糖 它是生成PRPP的原料 HGPRT有部分缺陷時(shí) 嘌呤核苷酸的補(bǔ)救合成障礙 產(chǎn)生的IMP GMP GDP減少 對(duì)嘌呤核苷酸從頭合成途徑中的PPRTK GPAT抑制減弱 導(dǎo)致嘌呤核苷酸從頭合成增多 臨床上用別嘌呤醇 allopurinol 治療痛風(fēng)癥有一定療效 二 抗代謝物作用機(jī)制主要是阻斷核苷酸合成 一 抗代謝物多為核苷酸代謝重要底物或輔酶類似物 核苷酸的抗代謝物是一些嘌呤 嘧啶 氨基酸 核苷和葉酸的類似物 它們主要以競(jìng)爭(zhēng)性抑制方式干擾 阻斷核苷酸合成代謝 或以假亂真摻入核酸 從而阻止核酸以及蛋白質(zhì)的生物合成 這些核苷酸代謝類似物不僅是研究生物化學(xué)代謝途徑的工具 也是治療某些疾病的有效藥物 嘌呤核苷酸的抗代謝物 嘌呤核苷酸的抗代謝物是一些嘌呤 氨基酸或葉酸等的類似物 一些人工合成的抗代謝物 嘌呤類似物 氨基酸類似物 葉酸類似物 氨蝶呤 Aminopterin AP Methotrexate MTX 氨甲蝶呤 嘧啶核苷酸的抗代謝物 嘧啶類似物 胸腺嘧啶 T 5 氟尿嘧啶 5 FU 某些改變了核糖結(jié)構(gòu)的核苷類似物 二 抗代謝物也可影響代謝旺盛的正常細(xì)