交大生化笔记10.doc

医学考研网医学考研网1 第十章 核苷酸代谢 核苷酸是组成核酸的单位 此外尚具有其他功能 与组成蛋白质的氨基酸不 同 无论是核糖核苷酸或脱氧核糖核苷酸主要都是在体内利用一些简单原料从头合 成的 所以本章的重点是介绍核苷酸的合成代谢 核苷酸不是营养必需物质 食物 中的核酸多以核蛋白的形式存在 核蛋白经胃酸作用 分解成蛋白质和核酸 RNA 和 DNA 核酸经核酸酶 核苷酸酶及核苷酶的作用 可逐级水解成核苷酸 核苷 戊糖 磷酸和碱基 这些产物均可被吸收 磷酸和戊糖可再被利用 碱基除小部分 可再被利用外 大部分均可被分解而排出体外 第一节 嘌呤核苷酸的合成代谢 体内嘌呤核苷酸的合成有两条途径 第一 由简单的化合物合成嘌呤环的途径 称 从头合成 de novo synthesis 途径 第二 利用体内游离的嘌呤或嘌呤核苷 经过简单 的反应过程 合成嘌呤核苷酸 称为补救合成 或重新利用 salvage pathway 途径 肝细胞及多数细胞以从头合成为主 而脑组织和骨髓则以补救合成为主 一 嘌呤核苷酸的从头合成 一 原料 核素示踪实验证明嘌呤环是由一些简单化合物合成的 如图 10 1 所示 甘氨酸提 供 C 4 C 5 及 N 7 谷氨酰胺提供 N 3 N 9 N10 甲酰四氢叶酸提供 C 2 N5 N10 甲炔 四氢叶酸提供 C 8 CO2提供 C 6 磷酸戊糖则来自糖的磷酸戊糖旁路 当活化为 5 磷酸核糖 1 焦磷酸 PRPP 后 可以接受碱基成为核苷酸 其活化的反应式如下 二 过程 合成的主要特点是在磷酸核糖的基础上把一些简单的原料逐步接上去而成嘌呤 环 而且首先合成的是次黄嘌呤核苷酸 IMP 由后者再转变为腺嘌呤核苷酸 AMP 和 鸟嘌呤核苷酸 GMP 如图 10 2 及图 10 3 所示 1 IMP 的合成 嘌呤核苷酸的从头合成的起始或定向步骤是谷氨酰胺提供酰胺基取代 5 磷酸 核糖 1 焦磷酸 PRPP C 1 的焦磷酸基 从而形成 5 磷酸核糖胺 PRA 催化此 反应的酶为谷氨酰胺磷酸核糖酰胺转移酶 glutamine phosphoribosyl amidotransferase 此酶是一种别构酶 是调节嘌呤核苷酸合成的重要酶 接着的 反应是加甘氨酸 N5 N10 甲炔四氢叶酸提供甲酰基 谷氨酰胺氮原子的转移 然 后脱水及环化而成 5 氨基咪唑核苷酸 AIR 即先合成嘌呤环中的五元环部分 下一步的反应是 AIR 的羧基化 天冬氨酸的加合及延胡索酸的去除反应 使天冬 医学考研网医学考研网2 氨酸的氨基留下 再次由 N10 甲酰四氢叶酸提供甲酰基 最后脱水及环化而成 IMP 上述反应都由相应的酶催化 并且有不少步骤消耗 ATP 2 AMP 和 GMP 的合成 IMP 是合成 AMP 和 GMP 的前体 由 IMP 转变成 AMP 和 GMP 的过程见图 10 3 可见 在两种酶及 GTP 供能条件下 天冬氨酸的氨基取代 IMP 的 C 6 的氧 即成 AMP 若 IMP 先氧化成黄嘌呤核苷酸 XMP 然后由 GMP 合成酶的催化及 ATP 供能 谷胺酰胺的酰胺基便取代 XMP 的 C 2 的氧而成 GMP 需要说明的是 AMP 和 GMP 是不能直接转换的 但 AMP 可在腺苷酸脱氨酶 催化下脱去氨基 生成 IMP 然后再利用 IMP 合成 GMP 反应式如下 作为核酸合成的底物是核苷三磷酸的形式 通过激酶的作用及 ATP 供能 AMP 和 GMP 可转变成 ATP 及 GTP 二 嘌呤核苷酸的补救合成 虽然从头合成途径是嘌呤核苷酸的主要合成途径 但嘌呤核苷酸从头合成酶系 在哺乳动物的某些组织 脑 骨髓 中不存在 细胞只能直接利用细胞内或饮食中核 酸分解代谢产生的嘌呤碱或嘌呤核苷重新合成嘌呤核苷酸 称为补救合成 补救合 成的过程比从头合成简单得多 消耗 ATP 少 且可节省一些氨基酸的消耗 有两 种酶参与补救合成 腺嘌呤磷酸核糖转移酶 adenine phosphoribosyl transferase APRT 和次黄嘌呤 鸟嘌呤磷酸核糖转移酶 hypoxanthine guanine phosphoribosyl transferase HGPRT 补救合成同样由 PRPP 提供磷酸核糖 腺嘌呤核苷通过腺苷激酶 adenosine kinase 的作用可变成 AMP 而重新利用 类似地 其他核苷也可由相应的激酶磷酸化得到相应的核苷酸 由于基因缺陷导致 HGPRT 活性严重不足或完全缺乏 是一种 X 染色体连锁的 隐性遗传病 称为 Lesch Nyhan 综合征或称自毁容貌征 患儿在二三岁时即开始出 现症状 如尿酸过量生成 智力迟钝 甚至自身毁容 这种患儿很少活到成年 现 在科学家正研究将由功能的 HGPRT 基因 借助基因工程的方法转移至患者的细胞 中 以达到基因治疗的目的 三 嘌呤核苷酸合成的调节 嘌呤核苷酸的合成受反馈抑制 feedback inhibition 调节 抑制物及作用部位 见图 10 4 1 PRPP 合成酶 PRPP 浓度是从头合成过程的最主要决定因素 PRPP 合成的速度 又依赖磷酸戊糖的存在和 PRPP 合成酶的活性 PRPP 合成酶受嘌呤核苷酸的别构 医学考研网医学考研网3 调节 其中 IMP AMP 和 GMP 可对 PRPP 合成酶反馈抑制以调节 PRPP 的水平 2 谷氨酰胺磷酸核糖酰胺转移酶 IMP 对催化嘌呤核苷酸合成的定向步骤的酶即 谷氨酰胺磷酸核糖酰胺转移酶有反馈抑制 而 AMP 和 GMP 对 IMP 的反馈抑制有 协同作用 PRPP 增加可促进谷氨酰胺磷酸核糖酰胺转移酶活性 加速 PRA 生成 3 过量 AMP 会抑制 IMP 转变成 AMP 而过量 GMP 会抑制 IMP 转变成 GMP 从 而使这两种核苷酸合成速度保持平衡 另外 GTP 是 AMP 合成时必需的能源 而 ATP 是 GMP 合成时必需的能源 这种作用使腺嘌呤核苷酸和鸟嘌呤核苷酸的合成 的以保持平衡 四 嘌呤核苷酸合成的抗代谢物 6 巯基嘌呤 6 mercaptopurine 6MP 其化学结构与次黄嘌呤相似 只是后者 C 6 的羟基被巯基取代 它在体内可变成 6 MP 核苷酸 可以反馈抑制 PRPP 合成酶 和谷氨酰胺磷酸核糖酰胺转移酶的活性 也能抑制 IMP 转变成 AMP 和 GMP 从 而可抑制肿瘤生长 第二节 嘧啶核苷酸的合成代谢 与嘌呤核苷酸一样 体内嘧啶核苷酸的合成亦有两条途径 即从头合成及补救 合成 一 嘧啶核苷酸的从头合成 一 原料 核素示踪实验证明 合成嘧啶碱的原料如图 10 5 二 过程 与嘌呤核苷酸的从头合成不同 嘧啶核苷酸是先合成嘧啶环 然后再与磷酸核糖相 连 形成嘧啶核苷酸 全过程如图 10 6 所示 此过程主要在肝细胞的胞液中进行 除 了二氢乳清酸脱氢酶位于线粒体内膜上外 其余均位于胞液中 上述原料氨基甲酰磷酸是由谷氨酰胺 CO2及 ATP 在胞液中的氨基甲酰磷酸合成 酶 carbamoyl phosphate synthetase CPS 催化下合成的 而合成尿素的氨基甲酰磷 酸是在肝线粒体中的氨基甲酰磷酸合成酶 催化下合成的 其不同点还有后者氮的来源 为氨 对于原核生物 只有一种氨基甲酰磷酸合成酶 参与嘧啶和精氨酸生物合成 胞嘧啶核苷酸的合成是在核苷三磷酸水平上进行的 即由 UTP 在 CTP 合成酶的 催化下从谷氨酰胺接受氨基而成为 CTP 有趣的是哺乳动物嘧啶核苷酸的合成是由多功能酶催化的 现知氨甲酰基磷酸合成 酶 天冬氨酸氨基甲酰转移酶及二氢乳清酸酶三者是在同一条多肽链 分子质量为 医学考研网医学考研网4 240 kDa 上 三者由共价键结合 而乳清酸磷酸核糖转移酶和乳清酸脱羧酶这两个酶 也是位于同一条多肽链上 这种多功能酶的形式有利于以相同的速度参与嘧啶核苷酸的 合成 遗传性乳清酸尿 orotic aciduria 是一种罕见的常染色体隐性遗传病 是由于乳清 酸磷酸核糖转移酶 OPRT 和乳清酸脱羧酶 O P 脱羧酶 基因缺陷造成的乳清酸 积存过多 临床特征是生长停滞 严重贫血以及尿中有大量乳清酸 二 嘧啶核苷酸的补救合成 由嘧啶磷酸核糖转移酶 pyrimidine phosphoribosyl transferase 催化尿嘧啶 胸腺嘧啶 等 与 PRPP 合成一磷酸尿嘧啶核苷酸 但不能利用胞嘧啶为底物 另外 嘧啶核苷激酶可使相应嘧啶核苷磷酸化成核苷酸 三 嘧啶核苷酸合成的调节 原核生物和真核生物中 从头合成途径所需的酶不同 因而途径所受的调控也不一 样 第一个调节部位在原核生物中 是天冬氨酸氨基甲酰转移酶 asparate carbamoyl transferase ACTase CTP 是其别构抑制剂 ATP 是别构激活剂 氨甲酰基磷酸合成酶 在真核生物及原核生物都是反馈抑制的调控点 受 UTP 的抑制 但可被 PRPP 激活 第二个调节部位是乳清酸脱羧酶处 受 UMP 抑制 由于 PRPP 合成酶是嘧啶与嘌呤两类核苷酸合成过程中共同需要的酶 它可同时 接受嘧啶核苷酸及嘌呤核苷酸的反馈抑制 第三节 脱氧核苷酸的合成代谢 一 二磷酸脱氧核糖核苷的生成 脱氧核苷酸是由二磷酸核苷还原而成 现知脱氧核苷酸中的脱氧核糖并非先形成后 再合成为脱氧核苷酸 而是在二磷酸核苷 NDP N 代表 A G U C T 等碱基 水平 上直接还原 即以氢取代其核糖分子中 C 2 的羟基而成的 催化此反应的酶是核糖核苷 酸还原酶 ribonucleotide reductase RR RR 是一种别构酶 由 B1 和 B2 两个亚基组成 在 B1 亚基上有两个结合部位 一 为底物特异性部位 另一为总活性调节部位 此外 B1 还含有巯基 SH 供直接还 原核糖之用 现知 RR 从 NADPH 获得电子时 还需要一种硫氧化还原蛋白 thioredoxin T 作为电子载体及硫氧化还原酶 thioredoxin reductase TR 及其辅基 FAD 参加 整个过程如图 10 8 所示 RR 的活性受一些别构调节剂的调节 dATP 是所有四种底物还原酶的抑制剂 当 dATP 结合至总活性部位时 该酶活性降低 反映脱氧核苷酸过剩 ATP 能消除此反馈 抑制 当 dATP 或 ATP 结合至底物特异性部位时 促进嘧啶核苷酸 UDP 及 CDP 的还 医学考研网医学考研网5 原 dTTP 则促进 GDP 的还原 及抑制 UDP 和 CDP 的进一步还原 dGTP 促进 ADP 的还原 由此可见 RR 有多种构象状态 各具有不同的催化活性 从而为 DNA 合成提 供数量平衡的四种脱氧核苷酸为底物 若产物不平衡会影响 DNA 的合成 严重者可导 致疾病 见下 二 脱氧胸腺嘧啶核苷酸的合成 首先 dUDP 转换为 dUMP 有几条途径 一条是在核苷单磷酸激酶催化下 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 然后 dTMP 是由 dUMP 的 C 5 甲基化而形成的 催化此反应的酶是胸腺嘧啶核苷 酸合酶 thymidylate synthase 甲基由 N5 N10 甲炔 FH4提供 反应中形成的 FH2须经二 氢叶酸还原酶的作用变成 FH4 才能重新载带甲基 图 10 9 DNA 合成的底物为四种 dNTP 一磷酸或二磷酸脱氧核苷可由激酶的催化和 ATP 供能而形成三磷酸脱氧核苷 三 脱氧核苷酸的抗代谢物 5 氟尿嘧啶 5 Flurouracil 5 FU 即尿嘧啶 C 5 的 H 被 F 取代 也是一种临床常见 的抗癌剂 5 FU 与胸腺嘧啶相似 在体内可转变成 FdUMP fluorodeoxyuridylate FdUMP 能与胸苷酸合成酶结合成不解离的复合物 从而抑制 dTMP 的合成 氨碟呤 aminopterin 及甲氨碟呤 methotrexate MTX or amethopterin 是叶酸的衍生物 能竞争抑制二氢叶酸还原酶 使叶酸不能还原成二氢叶酸及四氢叶酸 因此 dUMP 不 能甲基化而成为 dTMP 另外也使嘌呤分子中 C 8 及 C 2 得不到供应 故有抗肿瘤生长 的效用 第四节 核苷酸的分解代谢 一 嘌呤核苷酸的分解代谢 AMP 在腺苷酸脱氨酶作用下生成 IMP 再在核苷酸酶作用下水解成次黄苷和 磷酸 或者 AMP 在核苷酸酶作用下水解成腺苷 再经腺苷脱氨酶作用生成次黄苷 次黄苷经嘌呤核苷磷酸化酶 purine nucleoside phosphorylase PNP 生成次黄嘌呤 和 磷酸核糖 磷酸核糖可转变成 磷酸核糖 进入磷酸戊糖途径或再合成 PRPP 次黄嘌呤既可进入补救途径 也可进一步分解 即次黄嘌呤在黄嘌呤氧化酶 的催化下氧化成黄嘌呤 在同一酶的催化下进一步氧化成终产物尿酸 而 GMP 分 解生成的鸟嘌呤氧化成黄嘌呤 再变成尿酸 腺苷脱氨酶 adenosine deaminase ADA 基因缺陷是一种常染色体隐性遗传病 由于基因突变造成酶活性下降或消失 常导致 AMP dAMP 和 dATP 蓄积 dATP 医学考研网医学考研网6 是核糖核苷酸还原酶的别构抑制剂 能减少 dGDP dCDP 和 dTTP 合成 从而 DNA 合成受阻 由于正常情况下淋巴细胞中腺苷酸脱氨酶活性较高 当 ADA 基因缺陷 时 可造成严重损害 导致细胞免疫和体液免疫反应均下降 甚至死亡 即严重联 合免疫缺陷症 severe combined immunodeficiency SCID ADA 基因突变引起的