《生物化學》本科課件08章 核苷酸的代謝

1、核苷酸的代謝（Nucleotide etabolism ） 2學時 大連醫(yī)科大學 生物化學與分子生物學教研室孔英 教授請從一位未來醫(yī)生的角度，圍繞高尿酸血癥引發(fā)痛風及其生化作用機制，論述人類飲食平衡的重要性。本章將主要討論的問題 一. 核苷酸有哪些功能？ 二. 食物中的核酸是如何降解的？ 三. 核苷酸是如何合成與分解的？ 四. 核苷酸代謝障礙對機體有什么影響？ 五. 核苷酸代謝類似物有何臨床作用？ 核苷酸的功能 核酸的構成單位 dNTP是合成DNA的原料； NTP是合成RNA的原料；2. 能量代謝作用 ATP直接供能者3. 生理調(diào)節(jié)介質(zhì) cAMP、cGMP作為激素的第二信使4. 輔酶的組成成分

2、 AMP參與合成多種輔酶： （ HSCoA、FAD、NAD+、NADP+ ）5. 形成代謝活化中間體 UDPG, CDP-DG, SAM-核苷酸的合成與分解 Nucleotides Biosynthesis1-3Purine Pyrimidine Adenine Guanine Cytosine Uracil Thymine de novo pathway salvage pathwayBases/Nucleosides/Nucleotides BaseNucleosideNucleotideAdenineDeoxyadenosineDeoxyadenosine 5-triphosphate(

3、dATP)apostrophe核苷酸的結構與命名 酯鍵核苷(脫氧核苷) + 磷酸 核苷酸(脫氧核苷酸) 含一個磷酸基團的核苷酸稱為核苷一磷酸(NMP) 兩個磷酸基團的核苷酸稱為核苷二磷酸(NDP) 三個磷酸基團的核苷酸稱為核苷三磷酸(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 食物核蛋白蛋白質(zhì)核酸(RNA or DNA)胰核酸酶RNA酶DNA酶(磷酸二酯酶)單核苷酸胰、腸核苷酸酶(磷酸單酯酶)核苷磷酸核苷酶(水解或磷酸解)戊糖或磷酸戊糖堿基核酸的消化排出，很少利用 “核酸是人體細胞中的關鍵物質(zhì)， 補充外源核酸，就能延年益壽， 乃至“長壽不老” ； 補充DNA，則細胞生長加快， 人體機能就充滿活力”?！拔覀兯芯砍龅纳怂岵扇「鼮榭茖W的提取方法，直接從動物臟器中提取。DNA含量高，純度高，與人體同源性高。產(chǎn)品是口服液，更易被人體腸胃吸收和利用” We 嘌呤核苷酸代謝包括合成代謝-分解代謝（1）嘌呤的元素

6、來源 用同位素標記化合物進行的研究證明，生物體內(nèi)能利用 谷氨酰胺，天冬氨酸、甘氨酸、一碳單位和CO2為元素來源合成嘌呤堿基（2）從頭合成途徑的特點胞液以5-磷酸核糖（5-PR）為原料，經(jīng)11步反應生成次黃嘌呤核苷酸（IMP）IMP由氨基酸，CO2，一碳單位逐步提供元素或基團，在5-磷酸核糖分子上完成嘌呤堿基合成從IMP出發(fā)再合成AMP和GMP。 (3) IMP合成的途徑(11步) 3個階段 A:合成激活階段(第1步反應)。 B:合成咪唑環(huán)的階段(2- 6步反應)。 C:合成出IMP的階段(7-11步反應)。 (4) AMP和GMP的合成 （二） 合成過程 (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 次黃嘌呤核苷酸 4) AMP 腺苷酸 5) GMP 鳥苷酸 ATP 各種原料* 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，再轉變成 AMP或GMP。PRPP是5-磷酸核糖的活性供體。嘌呤核苷酸從頭合成特點 (5)

8、 嘌呤核苷酸從頭合成的調(diào)節(jié) 正性調(diào)節(jié)-負性調(diào)節(jié) 正性調(diào)節(jié)： 前端正性調(diào)節(jié)-兩個關鍵酶的促進作用。 PRPPK和GPAT，底物ATP、5-磷酸核糖 和PRPP促進其活性，增加IMP的合成。 后端正性調(diào)節(jié)-由ATP促進GMP合成酶 由GTP促進腺苷酸代琥珀酸合成酶 增加GTP和ATP的合成。2）負性調(diào)節(jié)主要為合成產(chǎn)物反饋抑制性調(diào)節(jié)6個長反饋調(diào)節(jié):由AMP，GMP和IMP分別反饋抑制PRPPK和GPAT這兩關鍵酶的活性。2個短反饋調(diào)節(jié):由AMP反饋抑制ASS，由GMP反饋抑制IMPD的活性所進行的反饋抑制來調(diào)節(jié)嘌呤核苷酸的從頭合成。 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. 自毀容貌綜合征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謝3個基本過程。 (1)核苷酸在核苷酸酶作用下水解為核苷。 （核苷磷酸化酶） 嘌呤堿基 磷酸核糖變位酶 (2)核苷- 1-磷酸核糖- 5-磷酸核糖-進磷酸戊糖途徑進行代謝。 參加核苷酸的補救合成。 (3)嘌呤堿基 分解形成尿酸隨尿液排出嘌呤核苷酸的分解代謝 正常人血漿尿酸含量：0.12-0.36mmol/L 男: 0.27mmol/L，女:0.21mmol/L以尿酸及其鈉鹽形式存在, 均難溶于水0.48mmol/L(8mg%), 析出結晶, 沉積在關節(jié)和軟骨等處 痛風癥進食高嘌呤膳食時體內(nèi)核酸大量分解(白血病,惡性腫瘤）腎臟疾病尿酸排泄障礙血中尿

12、酸臨床上用別嘌呤醇治療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謝 （一）嘧啶核苷酸的從頭合成先合成嘧啶環(huán)，再與磷酸核糖相連。先合成UMP，再轉變成dTMP和CTP

13、。特點1. 嘧啶核苷酸的從頭合成 （1）嘧啶元素來源 CO2、谷氨酰胺、天冬氨酸 是嘧啶堿基的元素來源 （2）嘧啶核苷酸從頭合成的特點需要的酶系大多在胞液內(nèi)，但 二氫乳清酸脫氫酶位于線粒體內(nèi)合成從CO2和谷氨酰胺開始，經(jīng)6步反 應先合成出尿嘧啶核苷酸（UMP）。由UMP出發(fā)再合成其它的嘧啶核苷酸。(3) 從頭合成途徑 UMP的從頭合成分三個階段： 第一個階段是氨基甲酰磷酸的合成。 第二個階段是氨基甲酰天冬氨酸的合成。 第三個階段是嘧啶環(huán)的合成。 (4) TMP的合成 嘧啶核苷酸的從頭合成途徑 的合成TMP (5) 嘧啶核苷酸從頭合成的調(diào)節(jié)正性調(diào)節(jié):ATP-磷酸核糖焦磷酸激酶 OPRT-乳清酸磷

14、酸核糖轉移酶 嘌呤和嘧啶核苷酸從頭合成途徑有共同的正性調(diào)節(jié)。保證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）嘧啶核苷酸負性調(diào)節(jié) -合成產(chǎn)物的反饋抑制進行調(diào)節(jié)A:氨基甲酰磷酸合成酶（CPS） 由UTP反饋抑制。B:天冬氨酸轉氨基甲酰酶(CAT) 由CTP反饋抑制。C:CTP合成酶(CTPS) 由CTP反饋抑制。 嘧啶核苷酸從頭合成的調(diào)節(jié) 2. 嘧啶核苷酸的補救合成 嘧啶核苷酸的補救合成主要有兩種方式。（1）一步合成方式 尿嘧啶+PRPP 尿嘧啶磷酸核糖轉移酶 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謝脫氧核糖核苷酸的生成體內(nèi)脫氧核糖核苷酸是通過相應的核糖核苷酸還原生成的。這種還原反應是由核糖核苷酸還原酶催化，在二磷酸核苷（NDP）水平上進行的。脫氧核糖核苷酸合成 嘌呤脫氧核苷酸和嘧啶脫氧核苷酸:由相應核苷酸通過還原其核糖上2位羥基生成：（1）催化核苷酸脫氧:核糖核苷酸還原酶 兩種亞基組成四聚體: R1活性中心含1谷氨酸和3半胱氨酸，核苷酸還原供氫體 R2含1個酪氨酸殘基，接受R1電子生成硫自由基而活化 結合在R1上的核苷酸C2脫氧，與另2個半胱氨酸殘基的氫生成水，2個半胱氨酸殘基氧化形成二硫鍵。R2將電子轉移到R1，生成游離的脫氧核苷

16、酸。 R1亞基上二硫鍵可被硫氧還蛋白還原 酶恢復到初始狀態(tài)。 被氧化的硫氧還蛋白在硫氧還蛋白還原酶催化下，以NADPH為輔酶還原 脫氧核糖核苷酸的生成過程 核苷酸代謝障礙和抗代謝物一. 核苷酸代謝障礙-疾病 參與核苷酸代謝的某些酶的缺失或調(diào)節(jié)失常，都會引起核苷酸代謝障礙和疾病。 目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)核苷酸代謝障礙能引起多種疾病。它們大多是嘌呤核苷酸代謝障礙引起的疾病。 臨床疾病 缺陷的酶 原 因 臨床特點 遺傳類型 1嘌呤核苷酸代謝障礙 痛風 PRPP合成酶 調(diào)節(jié)失常 嘌呤產(chǎn)生和 x-染色體連 HGPRT酶 排謝過多 鎖，隱性遺傳 Lesch-Nyhan 綜合征 HGPRT酶 遺傳缺陷 嘌呤產(chǎn)生排泄

17、x-染色體連 多,腦性癱瘓, 鎖，隱性遺傳 自毀容貌癥 免疫缺陷癥 腺苷脫氨酶 遺傳缺陷 B細胞免疫缺陷, 常染色體隱性遺傳 (ADA)缺乏 脫氧腺苷尿癥 嘌呤核苷磷 酸化酶(PNP) 腎結石 APRT酶 遺傳缺陷 2，8-二羥基腺 常染色體隱性遺傳 嘌呤腎結石黃嘌呤尿 黃嘌呤氧化酶 遺傳缺陷 黃嘌呤腎結石， 常染色體隱性遺傳 低尿酸血癥 2嘧啶核苷酸代謝障礙先天性乳清 乳清酸磷酸 遺傳缺陷 乳清酸排泄多 常染色體隱性遺傳酸尿癥 核糖轉移酶 紅細胞性貧血 乳清酸核苷酸 遺傳缺陷 乳清酸排泄較多 常染色體隱性遺傳 脫羧酶人工合成的6類核苷酸代謝類似物（1）嘌呤核苷酸代謝類物（2）嘧啶核苷酸代謝類

18、似物（3）氨基酸類似物（4）葉酸類似物（5）核苷類似物（6）作用于核糖核苷酸還原酶代謝類似物 (二) 核苷酸代謝類似物功能 人工合成核苷酸代謝類似物大都是核苷酸代謝過程中必需的代謝中間體的類似物。它們的化學結構與代謝中間體相類似。因此，它們可以“冒名頂替”，“以假亂真”，干擾、抑制或阻斷核苷酸合成，進而干擾、抑制或阻斷核酸及蛋白質(zhì)的合成，使細胞的分裂和增殖無法進行。這些核苷酸代謝類似物不僅是進行生化代謝途徑研究的工具，也是治療疾病的有效物藥。CC（1）嘌呤核苷酸代謝類物嘌呤核苷酸的代謝類似物 Chemotherapeutic Agents for cancers1. Analogs of pu

19、rineN OHNNNHN SHNNNHN SHNNNHH2Ninosine6-mercaptopurine8-azoguanine6-mercaptoguanineN OHNNNHNH2NN OHNNNHH2Nguanine(2)嘧啶核苷酸 代謝類似物CC嘧啶核苷酸代謝類似物 （3）氨基酸類似物氮雜絲氨酸（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。氨基酸類似物：氮雜絲氨酸 (AS) 是 Gln的類似物.葉酸類似物：氨蝶呤 (AP)和甲氨蝶呤 (MTX)

20、核糖、氨基酸和葉酸的代謝類似物 （4）葉酸類似物 氨蝶呤(aminopterin，AP） 甲氨蝶呤（methotrexate，MTX）Azaserine（氮雜絲氨酸）Cytarabine（阿糖胞苷）MTX（氨甲蝶呤）5FU (5FdUMP/5FUTP)The mechanism of the Chemotherapeutic Agents-2（5）核苷類似物 （6）作用于核糖核苷酸還原酶的代謝類似物 羥基脲（hydroxyurea，HU） 羥基胍（hydroxyguanidine，HG） 胍唑（guanazole，GZ）。 核糖核苷酸還原酶的代謝類似物NH一些抗代謝藥物的功能 藥物名稱 6-巰基嘌呤(6MP) 正常代謝物 嘌呤核苷酸 治療的疾病 白血病自身免疫性病妊娠滋養(yǎng) 細胞腫瘤等 主要作用的酶 IMP脫氫酶腺苷酸代琥珀酸合成酶 作用的代謝途徑 嘌呤核核苷酸合成 藥物名稱 別嘌呤醇(APO) 正常代謝物 黃嘌呤、烏嘌呤、次黃嘌呤 黃嘌呤氧化酶 治療的疾病 痛風 主要作用的酶 黃嘌呤氧化酶 作用的代謝途 嘌呤核苷酸分解 藥物名稱 利巴韋林（病毒唑），5-氮基咪唑- 4-羧酸核苷酸 正常代謝物 5-氨基咪唑-4-羧酸核苷酸 治療的疾病 廣譜抗病毒藥呼吸道合胞病毒流感