生物化學-核苷酸代謝

生物化學-核苷酸代謝第1頁/共80頁本章重點重點：熟悉嘌呤環(huán)和嘧啶環(huán)上各個原子的來源。了解嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸從頭合成的過程以及最初產物，二者合成途徑的差異。了解核苷酸補救合成途徑的重要意義。了解核苷酸降解的過程和終產物，尿酸堆積引起的疾病和治療方法。

第2頁/共80頁核酸核苷酸磷酸（P）核苷戊糖（R）堿基（B）復習：第3頁/共80頁

核糖脫氧核糖254321HOHHHHOCHHOHOOH2OOHHHOCHHOHH12345HH戊糖：第4頁/共80頁嘌呤：嘧啶：腺嘌呤（A）鳥嘌呤（G）胞嘧啶（C）尿嘧啶（U）

胸腺嘧啶（T）第5頁/共80頁核苷酸：ONNNH2OOCH2POOHHOOHH1'1磷酸脫氧胞苷（dCMP）由磷酸、戊糖和堿基三種成分構成的化合物第6頁/共80頁第一節(jié)

概述第7頁/共80頁一、核酸的消化與吸收食物核蛋白蛋白質核酸（RNA及DNA）胃酸核苷酸胰核酸酶核苷磷酸胰、腸核苷酸酶堿基戊糖核苷酶第8頁/共80頁吸收及吸收后的去向

①吸收單核苷酸、核苷、P、R、B均可在小腸吸收。單核苷酸、核苷吸收進入腸粘膜細胞后可再繼續(xù)水解。

②吸收后的去向

P、R可被機體利用

B很少利用、分解后排出。第9頁/共80頁1、核酸酶的定義及分類指所有可以水解核酸的酶。依據(jù)底物不同分類

DNA酶(deoxyribonuclease,DNase)：專一降解DNA的酶。

RNA酶(ribonuclease,RNase)：專一降解RNA的酶。依據(jù)切割部位不同核酸內切酶：限制性核酸內切酶非限制性核酸內切酶核酸外切酶：5′→3′或3′→5′核酸外切酶二、核酸酶（Nuclease）第10頁/共80頁

什么是核酸內切酶(endonuclease)？

凡能水解核酸分子內磷酸二酯鍵的酶叫核酸內切酶；

什么是核酸外切酶(exonuclease)？

凡能從核酸鏈的一端逐個水解下核苷酸的酶稱為核酸外切酶；

什么是限制性核酸內切酶？在細菌內存在一類能識別并水解外源雙鏈DNA的核酸內切酶，稱為限制性核酸內切酶。第11頁/共80頁限制性內切酶的命名和意義EcoRI序號屬名種名株名例：EcoRI，這是從大腸桿菌（Ecoli）R菌珠中分離出的一種限制性內切酶

限制性內切酶是分析染色體結構、制作DNA限制圖譜、進行DNA序列測定和基因分離、基因體外重組等研究中不可缺少的工具，是一把天賜的神刀，用來解剖纖細的DNA分子。第12頁/共80頁參與DNA的合成與修復及RNA合成后的剪接等重要基因復制和基因表達過程負責清除多余的、結構和功能異常的核酸，同時也可以清除侵入細胞的外源性核酸在消化液中降解食物中的核酸以利吸收體外重組DNA技術中的重要工具酶生物體內的核酸酶負責細胞內外催化核酸的降解2、核酸酶的功能

第13頁/共80頁三、核苷酸的生物功用作為核酸合成的原料體內能量的利用形式參與代謝和生理調節(jié)組成輔酶活化中間代謝物第14頁/共80頁

核苷酸是一類代謝上極為重要的物質。它幾乎參與了細胞所有的生化過程：1、核苷酸是核酸生物合成的前體;2、ATP、GTP是機體的主要能源物質；3、核苷酸衍生物是許多生物合成的活性中間體。如：尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）是糖原合成中糖基的供體；4、ATP是生物能量代謝中通用的高能化合物；5、腺苷酸參與NAD、NADP、FAD和輔酶A等的合成；6、某些核苷酸是代謝的調節(jié)物質。如：3′，5′-環(huán)式腺苷酸（cAMP）是第二信使物質，參與代謝調節(jié)；7、一些核苷酸的類似物是重要的藥物。在治療癌癥、病毒感染、自身免疫疾病和遺傳性疾病等方面都有其獨特的作用。核苷酸的重要性第15頁/共80頁核苷酸代謝的動態(tài)單核苷酸庫氨基酸葡萄糖磷酸核苷酸的從頭合成核酸的降解核苷酸的降解產物的再利用核苷酸的降解核酸的合成第16頁/共80頁第二節(jié)

嘌呤和嘧啶的分解第17頁/共80頁嘌呤堿的最終代謝產物AMPGMPI（次黃嘌呤）GX（黃嘌呤）黃嘌呤氧化酶黃嘌呤氧化酶一、嘌呤堿的分解代謝（醇式）主要在肝、小腸、腎進行第18頁/共80頁不同生物體內存在的酶不同，嘌呤分解的終產物不同

排尿酸動物：靈長類、鳥類、昆蟲、排尿酸爬蟲類排尿囊素動物：哺乳動物（靈長類除外）、腹足類排尿囊酸動物：硬骨魚類排尿素動物：大多數(shù)魚類、兩棲類某些低等動物能將尿素進一步分解成NH3和CO2排出。植物分解嘌呤的途徑與動物相似，產生各種中間產物（尿囊素、尿囊酸、尿素、NH3）。微生物分解嘌呤類物質，生成NH3、CO2及有機酸（甲酸、乙酸、乳酸、等）。

第19頁/共80頁痛風癥

痛風癥一詞來源于拉丁語“GUTTA”，痛風癥患者由于體內嘌呤核苷酸分解代謝異常，可致血中尿酸水平升高，以尿酸鈉晶體沉積于軟骨、關節(jié)、軟組織及腎臟，臨床上表現(xiàn)為皮下結節(jié)，關節(jié)疼痛等。

（尿酸鹽沉積于關節(jié)腔內引起關節(jié)炎，尿酸沉積于腎臟成為腎結石）。

引起痛風有幾個原因，其中包括次黃嘌呤-鳥嘌呤磷酸核糖轉移酶活性的部分缺陷，導致嘌呤回收下降，使嘌呤分解生成更多的尿酸。痛風也可能是由于嘌呤生物合成調控的缺陷引起的。治療痛風的最有效藥物是與次黃嘌呤結構非常類似的別嘌呤醇（下圖）。第20頁/共80頁痛風癥的治療機制鳥嘌呤次黃嘌呤黃嘌呤尿酸黃嘌呤氧化酶黃嘌呤氧化酶次黃嘌呤別嘌呤醇第21頁/共80頁痛風癥的治療機制鳥嘌呤次黃嘌呤黃嘌呤尿酸黃嘌呤氧化酶黃嘌呤氧化酶別嘌呤醇次黃嘌呤別嘌呤醇第22頁/共80頁

在細胞內別嘌呤醇被轉換為羥嘌呤醇，羥嘌呤醇是黃嘌呤脫氫酶的一個很強的抑制劑，服用別嘌呤醇可以防止非正常的高水平的尿酸的形成，因此可以防止尿酸的沉積和腎結石的形成。在用別嘌呤醇治療期間，次黃嘌呤和黃嘌呤都不會堆積，它們經(jīng)次黃嘌呤-鳥嘌呤磷酸核糖轉移酶催化轉換為IMP和黃嘌呤核苷酸，然后形成AMP和GMP。次黃嘌呤和黃嘌呤的溶解度比尿酸鈉和尿酸大得多，如果它們不能通過補救途徑被重新利用也可經(jīng)腎臟排泄掉。第23頁/共80頁二、嘧啶核苷酸的分解嘧啶堿1-磷酸核糖嘧啶核苷酸核苷

核苷酸酶PPi核苷磷酸化酶第24頁/共80頁

第25頁/共80頁嘧啶的降解

嘧啶降解將生成容易代謝的產物，嘧啶可以降解為氨、碳酸、β-丙氨酸或β-氨基異丁酸。進一步降解還可生成乙酰CoA或琥珀酰CoA。

第26頁/共80頁胞嘧啶NH3尿嘧啶二氫尿嘧啶H2OCO2+NH3β-丙氨酸胸腺嘧啶β-脲基異丁酸β-氨基異丁酸H2O丙二酸單酰CoA乙酰CoATAC肝尿素甲基丙二酸單酰CoA琥珀酰CoATAC糖異生第27頁/共80頁第三節(jié)

核苷酸的生物合成第28頁/共80頁一、核苷酸合成的基本途徑從頭合成途徑利用磷酸核糖、氨基酸、CO2和NH3等簡單物質為原料，經(jīng)過一系列酶促反應合成核苷酸，此途徑不經(jīng)過堿基、核苷的中間階段，從無到有的途徑。補救合成途徑利用體內游離的堿基或核苷合成核苷酸的途徑，補救合成途徑中所需的堿基和核苷來自于細胞內核酸的降解。

第29頁/共80頁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單物質為原料，經(jīng)過一系列酶促反應，合成嘌呤核苷酸的途徑。

肝是體內從頭合成嘌呤核苷酸的主要器官，其次是小腸和胸腺，而腦、骨髓則無法進行此合成途徑。二、嘌呤核苷酸的合成定義合成部位（一）嘌呤核苷酸的從頭合成第30頁/共80頁嘌呤堿合成的元素來源CO2天冬氨酸甲?；ㄒ惶紗挝唬└拾彼峒柞；ㄒ惶紗挝唬┕劝滨０罚０坊┑?1頁/共80頁

合成原料：天冬氨酸、谷氨酰胺、甘氨酸、一碳基團、CO2、磷酸核糖。

合成特點：磷酸核糖為起始物，逐步加原料合成嘌呤環(huán)，形成重要中間產物IMP（次黃嘌呤核苷酸），再由它轉變?yōu)锳MP和GMP。第32頁/共80頁R-5-P（5-磷酸核糖）ATPAMPPRPP合成酶PRPP（磷酸核糖焦磷酸）在谷氨酰胺、甘氨酸、一碳單位、二氧化碳及天冬氨酸的逐步參與下IMPH2N-1-R-5′-P（5-磷酸核糖胺PRA）谷氨酰胺谷氨酸酰胺轉移酶IMP的合成過程復雜，同一類型反應多次出現(xiàn)。

第33頁/共80頁

IMP的合成過程①磷酸核糖酰胺轉移酶②GAR合成酶③轉甲?；涪蹻GAM合成酶⑤AIR合成酶第34頁/共80頁第35頁/共80頁IMP生成總反應過程第36頁/共80頁

IMP生成反應過程要點①嘌呤核苷酸的合成并不是先形成游離的嘌呤，然后生成核苷酸，而是直接形成次黃嘌呤核苷酸(IMP，也叫肌苷酸)，以后才轉變?yōu)槠渌堰屎塑账?。②IMP的合成是從5-磷酸核糖開始的。由5-磷酸核糖與ATP反應，生成5-磷酸核糖-1-焦磷酸(PRPP)。③嘌呤的各個原子是在PRPP的C1位置上逐漸加上去的。先由谷氨酰胺提供N元素，生成5-磷酸核糖胺。注意在此反應中，核糖的C1發(fā)生構型變化，由PRPP的α-構型變?yōu)?-磷酸核糖胺的β-構型第37頁/共80頁

④以后，由甘氨酸和甲酰四氫葉酸先后提供C和N原子，并閉合成咪唑環(huán)。⑤再后，由CO2、天冬氨酸、甲酰四氫葉酸先后提供其他原子，最后形成次黃嘌呤核苷酸。上述一系列反應的總反應式如下：2NH3+2甲酸+CO2+甘氨酸+天冬氨酸+5-磷酸核糖IMP+延胡索酸+9H2O

IMP生成反應過程要點第38頁/共80頁①腺苷酸代琥珀酸合成酶③IMP脫氫酶②腺苷酸代琥珀酸裂解酶④GMP合成酶AMP和GMP的生成第39頁/共80頁AMPADPATPADPATP激酶ADPATP激酶GMPGDPGTPADPATP激酶ADPATP激酶第40頁/共80頁嘌呤核苷酸是在磷酸核糖分子上逐步合成的。先合成IMP再轉化生成AMP、GMP。IMP的合成需5個ATP，6個高能磷酸鍵。AMP或GMP的合成又需1個ATP。嘌呤核苷酸從頭合成特點第41頁/共80頁從頭合成的調節(jié)R-5-PATPPRPP合成酶PRPP酰胺轉移酶PRAIMP腺苷酸代琥珀酸AMPADPATPXMPGMPGDPGTP++_____IMP腺苷酸代琥珀酸XMPAMPADPATPGMPGDPGTPATPGTP__++調節(jié)方式：反饋調節(jié)和交叉調節(jié)交叉調節(jié)意義第42頁/共80頁交叉調節(jié)意義1、即滿足機體需要，又不至于浪費。2、維持ATP與GTP濃度的平衡。第43頁/共80頁

利用體內游離的嘌呤或嘌呤核苷，經(jīng)過簡單的反應，合成嘌呤核苷酸的過程，稱為補救合成（或重新利用）途徑。（二）嘌呤核苷酸的補救合成途徑定義：第44頁/共80頁腺嘌呤磷酸核糖轉移酶(adeninephosphoribosyltransferase,APRT)次黃嘌呤-鳥嘌呤磷酸核糖轉移酶(hypoxanthine-guaninephosphoribosyltransferase,HGPRT)腺苷激酶(adenosinekinase)參與補救合成的酶第45頁/共80頁腺嘌呤+PRPP

AMP+PPiAPRT次黃嘌呤+PRPPIMP+PPiHGPRT鳥嘌呤+PRPPHGPRTGMP+PPi合成過程腺嘌呤核苷腺苷激酶ATPADPAMP第46頁/共80頁補救合成的生理意義補救合成節(jié)省從頭合成時的能量和一些氨基酸的消耗。體內某些組織器官，如腦、骨髓等只能進行補救合成。第47頁/共80頁自毀容貌癥Lesch-Nyhan綜合癥

一種X-連鎖隱性遺傳缺陷疾病，見于男性。由于遺傳缺陷導致次黃嘌呤-鳥嘌呤磷酸核糖轉移酶（HGPRT）缺失所致?；颊弑憩F(xiàn)為尿酸增高及神經(jīng)異常。如腦發(fā)育不全、智力低下、攻擊和破壞性行為、常咬傷自己的嘴唇、手和足趾，故稱自毀容貌癥。第48頁/共80頁（三）嘌呤核苷酸的相互轉變IMPAMP腺苷酸代琥珀酸XMPGMPNH3腺苷酸脫氨酶鳥苷酸還原酶NADPH+H+NADP+NH3第49頁/共80頁（四）脫氧核糖核苷酸的生成在二磷酸核苷水平上進行（N代表A、G、U、C等堿基）第50頁/共80頁dNDP+ATP

激酶dNTP+ADP二磷酸脫氧核苷NDPdNDP二磷酸核糖核苷NADP+NADPH+H+核糖核苷酸還原酶，Mg2+還原型硫氧化還原蛋白-(SH)2氧化型硫氧化還原蛋白SS硫氧化還原蛋白還原酶（FAD）脫氧核苷酸的生成第51頁/共80頁（五）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。嘌呤類似物氨基酸類似物葉酸類似物6-巰基嘌呤6-巰基鳥嘌呤8-氮雜鳥嘌呤等氮雜絲氨酸等氨蝶呤氨甲蝶呤等第52頁/共80頁次黃嘌呤(H或I)6-巰基嘌呤(6-MP)6-巰基嘌呤的結構第53頁/共80頁能夠抑制嘌呤核苷酸合成的一些抗代謝藥物，通常是屬于嘌呤、氨基酸或葉酸的類似物，主要通過對代謝酶的競爭性抑制作用，來干擾或抑制嘌呤核苷酸的合成，因而具有抗腫瘤治療作用。在臨床上應用較多的嘌呤核苷酸類似物主要是6-巰基嘌呤（6-MP）。6-MP的化學結構與次黃嘌呤類似，因而可以抑制IMP轉變?yōu)锳MP或GMP，從而干擾嘌呤核苷酸的合成第54頁/共80頁氨基嘌呤（葉酸拮抗物）和氨甲喋呤在癌癥治療中的應用原理（如何影響核酸合成）？

二者是葉酸類似物，競爭性抑制由葉酸轉化為二氫葉酸時的二氫葉酸還原酶的活性，使葉酸無法有效地轉變?yōu)槎淙~酸和四氫葉酸；影響嘌呤和嘧啶核苷酸的合成中一碳單位的轉移，減少核苷酸合成速度，進而嚴重影響核酸的合成。第55頁/共80頁甲酰甘氨酰胺核苷酸（FGAR）PRPP谷氨酰胺（Gln）=PRA甘氨酰胺核苷酸（GAR）==甲酰甘氨脒核苷酸（FGAM）5-氨基異咪唑-4-甲酰胺核苷酸（AICAR）=5-甲酰胺基咪唑-4-甲酰胺核苷酸（FAICAR）IMP次黃嘌呤（H）PRPPPPi=AMP=PRPPPPi=腺嘌呤（A）GMP==PRPPPPi鳥嘌呤(G)6-MP6-MP6-MP6-MP6-MP6-MP氮雜絲氨酸氮雜絲氨酸氮雜絲氨酸MTXMTX第56頁/共80頁第57頁/共80頁從頭合成途徑補救合成途徑三、嘧啶核苷酸的合成代謝第58頁/共80頁（一）嘧啶核苷酸的從頭合成主要是肝細胞胞液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單物質為原料，經(jīng)過一系列酶促反應，合成嘧啶核苷酸的途徑。

定義合成部位第59頁/共80頁嘧啶合成的元素來源氨基甲酰磷酸天冬氨酸第60頁/共80頁合成過程1.尿嘧啶核苷酸的合成谷氨酰胺+HCO3-氨基甲酰磷酸合成酶II2ATP2ADP+Pi谷氨酸+氨基甲酰磷酸第61頁/共80頁其活性可作為肝細胞分化程度的指標之一其活性可作為細胞增殖程度指標之一第62頁/共80頁第63頁/共80頁2.胞嘧啶核苷酸的合成ATPADP尿苷酸激酶UDP二磷酸核苷激酶ATPADPUTPCTP合成酶谷氨酰胺ATP谷氨酸ADP+Pi第64頁/共80頁3.dTMP或TMP的生成TMP合酶N5,N10-甲烯FH4FH2FH2還原酶FH4NADP+NADPH+H+dUMP脫氧胸苷一磷酸dTMPUDP脫氧核苷酸還原酶dUDPCTPCDPdCDPdCMP第65頁/共80頁嘧啶核苷酸從頭合成特點先合成嘧啶環(huán)，后與R-5-P結合。先合成UMP、再轉化生成CTP、dTMP等第66頁/共80頁從頭合成的調節(jié)---ATP+CO2+谷氨酰胺氨基甲酰磷酸UMP氨基甲酸天冬氨酸UTPCTP天冬氨酸嘌呤核苷酸ATP+5-磷酸核糖嘧啶核苷酸PRPP-第67頁/共80頁（二）嘧啶核苷酸的補救合成嘧啶+PRPP磷酸嘧啶核苷+PPi嘧啶磷酸核糖轉移酶尿嘧啶核苷+ATP尿苷激酶UMP+ADP脫氧胸腺嘧啶核苷+ATP胸苷激酶dTMP+ADP第68頁/共80頁核苷酸生物合成與核酸生物合成的關系

第69頁/共80頁（三）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)第70頁/共80頁能夠抑制嘧啶核苷酸合成的抗代謝藥物也是一些嘧啶核苷酸的類似物，通過對酶的競爭性抑制而干擾或抑制嘧啶核苷酸的合成。主要的抗代謝藥物是5-氟尿嘧啶（5-FU）。5-FU在體內可轉變?yōu)镕-dUMP，其結構與dUMP相似，可競爭性抑制胸苷酸合成酶的活性，從而抑制胸苷酸的合成。第71頁/共80頁5-F-尿嘧啶的抗癌原理

5-F-尿嘧啶是胸腺嘧啶核苷酸合成酶的抑制劑，在體內轉化為相應的核苷一磷酸和三磷酸后，它可以與酶上的SH基結合，再與四氫葉酸形成三元復合物，酶不能去除F，而干擾了尿嘧啶甲基化，進而不能合成TMP，也就使快速分化的細胞由于缺乏dTMP而不能合成DNA死亡。第72頁/共80頁某些改變了核糖結構的核苷類似物第73頁/共80頁UMPUTPCTPCDPdCDPUDPdUDPdUMPdTMP氮雜絲氨酸阿糖胞苷氨甲碟呤5FU第74頁/共80頁小結

嘌呤核苷酸的從頭合成開始合成的嘌呤核苷酸是IMP。同位素標記實驗表明，嘌呤環(huán)的碳和氮原子分別來自簡單的化合物例如甘氨酸、谷氨酰胺、天冬氨酸、CO2和10-甲酰四氫葉酸。而且嘌呤環(huán)的組裝是在PRPP提供的核糖-5-磷酸的基礎上逐步連接上這些前體單位提供的碳和氮原子的。IMP是嘌呤核苷酸合成的一個分支點，它可以轉換為AMP或GMP。嘌呤合成的調控步驟是PRPP轉酰胺酶催化形成磷酸核糖胺的反應。該酶受到AMP或GMP的部分抑制，但受到AMP和GMP聯(lián)合在一起的強烈抑制。

第75頁/共80頁小結

在核苷酸合成的補救途徑中，PRPP可以直接與腺嘌呤、鳥嘌呤或次黃嘌呤反應分別生成AMP，GMP或IMP。但當次黃嘌呤-鳥嘌呤磷酸核糖轉移酶缺乏時，會引起Lesch-Nyhan綜合癥，這是一種導致痙攣和智力障礙的疾病。在嘧啶核苷酸UMP的合成中，是先合成嘧啶環(huán)，然后再與PRPP反應連接上核糖-5-磷酸的。嘧啶環(huán)是由天冬氨酸、CO2和谷氨酰胺組裝的。在原核生物中，催化嘧啶合成的第二步反