生物化学课件ppt（生物工程类）之第十五章核苷酸代谢

15 核苷酸代谢,15.1 核酸的降解过程 15.2 核苷酸生物合成需要磷酸核糖焦磷酸 15.3 同位素标记实验给出了嘌呤环中各个原子的来源 15.4 嘌呤核苷酸的从头合成的最初产物是次黄嘌呤核苷酸 15.5 AMP和GMP是次黄嘌呤核苷酸的衍生物 15.6 核苷酸可以通过补救途径合成 15.7 嘧啶核苷酸的从头合成途径的最初产物是UMP 15.8 CTP是由UMP合成的 15.9 脱氧核糖核苷酸是通过核糖核苷酸还原合成的 15.10 嘌呤核苷酸降解产生尿酸 15.11 大多数动物可以降解尿酸 15.12肌肉中嘌呤核苷酸循环生成氨 15.13嘧啶可以降解生成乙酰CoA和琥珀酰CoA,核苷酸是生物体内的重要物质，起着多方面的作用： DNA 和 RNA合成的前体。 其衍生物是许多生物合成的活化的中间物。 ATP是生物系统最通用的能量、GTP赋予大分子例如新生肽链在核糖体上的移位运动的动力及信号偶联蛋白的活化。 腺苷酸是三种主要辅酶NAD、FAD 和 CoA的组分。 核苷酸也是代谢调节物，例如cAMP、cGMP是许多激素行使调节作用的细胞内信使。 腺嘌呤核苷酸生物合成过程的阐明对于筛选抗肿瘤药物以及选育核苷酸高产菌株都有指导意义。,核 苷 酸 代 谢,15.1 核酸的降解过程,参与补救合成,磷酸戊糖途径进一步分解,补救合成途径的原料,氧化成尿酸等物质排出体外,核苷酸的降解 核苷酸 + H2O 核苷+Pi 核苷 + H2O 嘌呤（或嘧啶）+戊糖 （核苷水解酶主要存在于植物和微生物体内，并且只能对核糖核苷起作用，对脱氧核糖核苷不起作用。） 核苷+ H3PO4 嘌呤（或嘧啶）+1-磷酸戊糖 （核苷磷酸化酶存在广泛）,核苷酸酶,核苷水解酶,核苷磷酸化酶,核苷酸生物合成有两条途径： 从头合成途径：实际上是由简单的前体分子（如氨基酸、CO2和NH3等分子）生物合成核苷酸的杂环碱基的途径。 补救途径：是一条省能的、简单的生物合成核苷酸途径，碱基不用从头合成，而是直接利用细胞内或饮食中核苷酸降解生成的完整的嘌呤和嘧啶碱基，该途径实际上是核苷酸降解产物再循环，重新形成核苷酸的过程。,各种嘌呤类核苷酸的前体是次黄嘌呤核苷酸（IMP，或称之肌苷酸）；而各种嘧啶核苷酸则是从尿嘧啶核苷酸（UMP）衍生出来的。 IMP是在核糖-5-磷酸的基础上合成次黄嘌呤环结构的，而UMP则是先合成尿嘧啶碱基，然后再连接5-磷酸核糖。但无论那种连接方式，使用的都是核糖-5-磷酸的活化形式5-磷酸核糖焦磷酸（PRPP）。PRPP是在PRPP合成酶催化下由核糖-5-磷酸和ATP合成的。,15.2 核苷酸生物合成需要磷酸核糖焦磷酸,核糖-5-磷酸与ATP反应，焦磷酸基团从ATP转移到核糖-5-磷酸的C-1，形成5-磷酸核糖-1-焦磷酸（PRPP），是-构型。,又称磷酸核糖焦磷酸激酶 Phosphoribosyl pyrophosphokinase,嘌呤环上原子的来源为：N-1来自天冬氨酸；C-2和C-8来自甲酸（通过10-甲酰四氢叶酸）；N-3和N-9来自谷氨酰胺的酰胺基；C-4、C-5和N-7都来自甘氨酸；C-6来自CO2。,15.3 同位素标记实验给出了嘌呤环中各个原子的来源,15.4 嘌呤核苷酸从头合成的最初产物是次黄嘌呤核苷酸（IMP）,第一阶段：涉及1-5步反应，由PRPP生成氨基咪唑核苷酸（即嘌呤的咪唑环）。 第二阶段：6-10步反应，由氨基咪唑核苷酸生成IMP。,IMP从头合成是在PRPP基础上，依次连接：N-9，来自谷氨酰胺；C-4、C-5和N-7，来自甘氨酸；C-8，来自10-甲酰四氢叶酸；N-3，来自谷氨酰胺；C-6来自CO2；N-1，来自天冬氨酸；C-2，来自10-甲酰四氢叶酸。在第5步反应先形成咪唑5员环，然后在第10步反应形成嘧啶6员环。 从头合成途径开始于PRPP的焦磷酰基被谷氨酰胺的酰胺氮取代的反应，反应是由谷氨酰胺PRPP转酰胺酶催化的，值得注意的是，核糖的异头构型在亲核取代过程中由构型转换成了构型，形成的是构型的5-磷酸核糖胺。这种构型一直保留在合成的嘌呤核苷酸中。然后构型的5-磷酸核糖胺的氨基被甘氨酸酰化，在甘氨酰胺核苷酸合成酶的催化下，形成甘氨酰胺核苷酸。,1,在第3步反应中，在甘氨酰胺核苷酸转甲酰酶的作用下，一个甲酰基从N10-甲酰四氢叶酸转移到甘氨酰胺核苷酸的氨基上，形成IMP的C-8。在第4步反应中，来自谷氨酰胺的酰胺在酰胺转移酶的催化下，转换成脒（R）NHCNH，反应需要ATP。该酶受到类似于谷氨酰胺的抗生素，例如重氮丝氨酸和6-重氮-5-氧-正亮氨酸的不可逆抑制。这些化合物（作为亲和标记试剂）可以与酶的巯基反应。 IMP合成的第5步反应是需要ATP的闭环反应，形成一个咪唑衍生物。 第6步反应中，CO2连接到已经变成嘌呤的C-5上，这个羧化反应很罕见，因为反应既不需要ATP，也不需要生物素。,2,在第7和8步反应中，天冬氨酸的氨基整合到嘌呤环中。首先整个天冬氨酸与新进入的羧基缩合形成一个酰胺键，然后在腺苷琥珀酸裂解酶的作用下除去琥珀酸，生成氨基咪唑核苷酸，反应需要ATP。这两步反应使得来自天冬氨酸的一个氨基氮变成了IMP中的N-1。 第9步反应类似于第3步反应，来自N10甲酰四氢叶酸的甲酰基转移到氨基咪唑氨甲酰核苷酸的氨基上，第10步反应是一个闭环反应，形成嘌呤环中的嘧啶环。至此完成了IMP整个嘌呤环的合成。 IMP从头合成消耗了大量的能量。在合成PRPP时，ATP转换为AMP， 第2，4，5和7步反应也是通过ATP转换为ADP驱动的，另外由谷氨酸和氨合成谷氨酰胺也需要ATP。,AMP：Asp的氨基与IMP 中的酮基缩合形成腺苷酸（基）琥珀酸。然后在腺苷酸琥珀酸裂解酶的作用下除去延胡索酸，生成AMP。p394 GMP：IMP脱氢生成黄嘌呤核苷酸，再接收来自Gln的氨基生成GMP。p395,15.5 AMP和GMP是次黄嘌呤核苷酸的衍生物,*,*,腺嘌呤核苷酸的合成(从头合成)的调节 在腺嘌呤核苷酸的从头合成途径中，反馈调节是主要的调节方式。该途径的第一步反应，即5-磷酸核糖焦磷酸转变成5-磷酸核糖胺的反应是一步关键性反应。催化该反应的5-磷酸核糖焦磷酸转酰胺酶是一种别构酶，这个酶的活性受其终产物AMP和GMP反馈抑制（见图）。此外，AMP和GMP亦可对由IMP合成AMP和GMP的第一步反应造成反馈抑制。,谷氨酰胺PRPP转酰胺酶,PRPP合成酶,活性形式，单体，质量133,000； 非活性形式，二聚体，质量270,000。,PRPP是补救途径中核糖-5-磷酸的供体。 腺嘌呤磷酸核糖转移酶催化腺嘌呤与PRPP生成AMP和PPi。 次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶催化类似的反应，即次黄嘌呤转换为IMP，鸟嘌呤转换为GMP，同时生成PPi。 次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶对PRPP的Km值比谷氨酰胺-PRPP转酰胺酶对PRPP的Km值低，就是说次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶对PRPP的亲和力大，同时该酶还具有高的kcat。这些特性使得在低浓度的PRPP条件下，补救途径反应比从头合成途径反应优先发生。,15.6 嘌呤核苷酸可以通过补救途径合成,Lesch-Nyhan综合症，也称之自毁容貌症：其特征是智力迟钝、痉挛，表现出强制性的自残行为，甚至自毁容貌。该病的主要的生物化学特征是排泄的尿酸量可达到正常排泄尿酸量的6倍，同时嘌呤从头合成的速率大大增加。 Lesch-Nyhan综合症是由于次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶的遗传缺陷引起的。由于缺少次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖转移酶活性，次黄嘌呤和鸟嘌呤不能转换成IMP和GMP，而是降解到尿酸。缺乏次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶的细胞含有高浓度的PRPP，通常用于次黄嘌呤和鸟嘌呤补救途径的PRPP都提供给IMP的从头合成，过量的IMP降解形成尿酸。体内过量的尿酸就会引起LeschNyhan综合症。,嘧啶核苷酸的从头合成途径比嘌呤从头合成途径简单，并且消耗的ATP少。同位素实验表明嘧啶环中的原子来自三个前体。C-2来自HCO3；N-3来自谷氨酰胺的酰胺基团；其余原子都来自天冬氨酸。,15.7 嘧啶核苷酸的从头合成途径的最初产物是UMP,首先合成含有嘧啶环的乳清酸，然后乳清酸再与PRPP反应形成嘧啶核苷酸。 从头合成途径共涉及6步反应,催化各步反应的酶分别是：氨甲酰磷酸合成酶，二氢乳清酸酶,二氢乳清酸脱氢酶,乳清酸磷酸核糖转移酶,乳清酸脱羧酶，这些酶都位于胞液中。,由UMP转换成CTP涉及三步反应。首先尿苷酸激酶催化ATP的-磷酸转移给UMP形成UDP， 然后核苷二磷酸激酶催化第二个ATP的-磷酸转移给UDP形成UTP，最后CTP合成酶催化来自谷氨酰胺的酰胺氮转移至UTP的C-4，形成CTP。CTP合成酶受到反应产物CTP的别构抑制和受到GTP的别构激活。,15.8 CTP是由UMP合成的,见P397,2-脱氧核糖核苷酸是DNA的构件分子，它是通过核糖核苷酸还原生成的。 在大多数生物中，脱氧还原反应发生在核苷二磷酸水平。所有ADP、GDP、CDP和UDP四种核苷二磷酸都可以在核苷二磷酸还原酶的催化下生成相应的脱氧核苷二磷酸dADP、dGDP、dCDP和dUDP。形成的脱氧核苷二磷酸可以在核苷二磷酸激酶的作用下磷酸化生成核苷三磷酸dATP、dGTP、dCTP和dUTP。 NADPH作为脱氧核糖核苷二磷酸合成的还原力。电子从NADPH向还原酶转移需要经过黄素蛋白和硫氧还蛋白的传递。,15.9 脱氧核糖核苷酸是通过核糖核苷酸还原合成的,NADPH作为脱氧核糖核苷二磷酸合成的还原力。电子从NADPH向还原酶转移需要经过黄素蛋白和硫氧还蛋白的传递。,dTMP是由dUMP甲基化形成的。首先dUDP转换为dUMP，有几条途径，一条是在核苷单磷酸激酶的催化下，dUDP 与ADP反应生成dUMP 和ATP。另一条途径是dUDP先形成dUTP，然后水解生成dUMP和PPi。dCMP经脱氨也可以形成dUMP。 由dUMP转换为dTMP的反应是由胸苷酸合成酶催化的。反应中，5,10-甲叉四氢叶酸提供一碳单位之后，形成二氢叶酸，二氢叶酸经还原变成四氢叶酸，再接收丝氨酸提供的一碳单位重新形成5,10-甲叉四氢叶酸。,核苷酸的生物降解主要是嘌呤和嘧啶碱基的降解过程，嘌呤降解生成可以排泄的、有潜在毒性的化合物，而嘧啶降解将生成容易代谢的产物。,核苷酸的生物降解,鸟类、爬行动物和灵长类动物（包括人）可以将嘌呤核苷酸转换为尿酸排泄掉。鸟类、爬行动物中的氨基酸代谢也可以生成尿酸，但在哺乳动物中，过量的氮是以尿素形式排出的。鸟类和爬行动物缺少进一步降解尿酸的酶，而许多动物还可以进一步将尿酸降解为其它产物。 AMP和GMP经水解除去磷酸分别形成腺苷和鸟苷，腺苷经脱氨形成次黄嘌呤核苷，同样AMP也可以脱氨生成IMP。IMP水解生成次黄嘌呤核苷，次黄嘌呤核苷再经磷酸解形成次黄嘌呤。鸟苷磷酸解生成鸟嘌呤。这些磷酸解反应都是由嘌呤-核苷磷酸化酶催化的，生成核糖1-磷酸（或脱氧核糖-1-磷酸）和碱基；但腺苷不是哺乳动物嘌呤-核苷磷酸化酶的底物。,15.10 嘌呤核苷酸降解产生尿酸,痛风是由于尿酸生产过量或尿酸排泄不充分造成堆积引起的一种疾病。血液中的尿酸钠的溶解度很小，当尿酸钠浓度高时，它可在软骨和软组织，特别是在肾脏以及舌和关节处形成结晶（有时与尿酸一起）。在关节处的沉积会引起剧烈的疼痛。 引起痛风有几个原因，其中包括次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶活性的部分缺陷，结果导致嘌呤回收下降，使得嘌呤分解生成更多的尿酸。痛风也可能是由于嘌呤生物合成调控的缺陷引起的。,治疗痛风的常用药物之一是与次黄嘌呤结构非常类似的别嘌呤醇，次黄嘌呤的N-7和C-8换个位置就变成了别嘌呤醇。在细胞内别嘌呤醇被转换为羟嘌呤醇 ，羟嘌呤醇是黄嘌呤脱氢酶的一个很强的抑制剂，服用别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积和肾结石的形成。 在用别嘌呤醇治疗期间，次黄嘌呤和黄嘌呤都不会堆积，它们经次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶催化转换为IMP和黄嘌呤核苷酸，然后形成AMP和GMP。次黄嘌呤和黄嘌呤的溶解度比尿酸钠和尿酸大得多，如果它们不能通过补救途径被重新利用也可经肾脏排泄掉。,2、别嘌呤在体内经补救合成，与PRPP生成别嘌呤核苷酸，使PRPP含量减少，抑制从头合成。,1、,3、别嘌呤核苷酸与IMP结构类似，通过反馈抑制PRPP酰胺转移酶，也抑制从头合成。,15.11大多数动物可以降解尿酸,工作的肌肉会生成氨，这个产氨途径涉及嘌呤代谢中的AMP脱氨酶。AMP脱氨酶催化AMP脱氨生成IMP。在工作的肌肉中，IMP再循环重新形成AMP。这一循环途径称为嘌呤核苷酸循环。,15.12 肌肉中嘌呤核苷酸循环生成氨,下图给出了三种嘧啶核苷酸降解至尿嘧啶和胸腺嘧啶过程。嘧啶核苷酸的降解是从水解生成相应的核苷和Pi开始的，反应是由5-核苷酸酶催化的。 CMP首先水解生成胞苷，然后胞苷经胞苷脱氨酶催化脱氨形成尿苷。 尿苷和胸苷的糖苷键分别经尿苷磷酸化酶和胸苷磷酸化酶磷酸解，分别生成尿嘧啶和核糖-1-磷酸以及胸腺嘧啶和脱氧核糖-1-磷酸。,15.13 嘧啶可以降解生成乙酰CoA和琥珀酰CoA,胞嘧啶