核酸的降解与核苷酸代谢.ppt

第九章核酸的降解与核苷酸代谢 教学大纲 了解 核酸的酶促水解 核苷酸合成有两种方式 从头合成途径及补救途径 核酸合成的调节掌握 嘌呤和嘧啶环的原子来源 嘌呤与嘧啶的分解代谢终产物 脱氧核糖核苷酸的生成方式 主要是在二磷酸水平生成 重点 难点 嘌呤和嘧啶的分解及代谢终产物 核苷酸的从头合成途径的元素来源 核苷酸 nucleotide 是构成核酸 nucleicacid 的基本单位 人体所需的核苷酸都是由机体自身合成的 食物中的核酸或核苷酸类物质基本上不能被人体所利用 在核酸类物质的水解产物中 只有磷酸和戊糖可被吸收利用 第一节核酸的降解与核酸酶类 食物中核酸的消化 核苷酸 核酸 核酸酶 核苷酸酶 磷酸 核苷 核苷磷酸化酶 碱基 戊糖 1 磷酸 核苷水解酶 碱基 核糖 核苷酸类物质在人体具有多方面的生理功用 作为合成核酸的原料 如ATP GTP CTP UTP用于合成RNA dATP dGTP dCTP dTTP用于合成DNA 作为能量的贮存和供应形式 除ATP之外 还有GTP UTP CTP等 参与代谢或生理活动的调节 如环核苷酸cAMP和cGMP作为激素的第二信使 参与构成酶的辅酶或辅基 如在NAD NADP FAD FMN CoA中均含有核苷酸的成分 作为代谢中间物的载体 如用UDP携带糖基 用CDP携带胆碱 乙醇胺或甘油二酯 用腺苷携带蛋氨酸 形成SAM 等 1 核酸酶的定义及分类核酸酶是指作用于核酸的磷酸二酯键的酶依据底物不同分类DNA酶 deoxyribonuclease DNase 专一降解DNARNA酶 ribonuclease RNase 专一降解RNA 二 核酸酶 Nuclease 依据切割部位不同核酸内切酶 分为限制性核酸内切酶和非特异性限制性核酸内切酶 限制性内切酶 在细菌细胞内存在的一类能识别并水解外源双链DNA的核酸内切酶 可用于特异切割DNA 常作为工具酶 核酸外切酶 5 3 或3 5 核酸外切酶 参与DNA的合成与修复及RNA合成后的剪接等重要基因复制和基因表达过程负责清除多余的 结构和功能异常的核酸 同时也可以清除侵入细胞的外源性核酸在消化液中降解食物中的核酸以利吸收体外重组DNA技术中的重要工具酶 生物体内的核酸酶负责催化细胞内外核酸的降解 2 核酸酶的功能 一 核苷酸代谢的动态 单核苷酸库 氨基酸葡萄糖磷酸 核苷酸的从头合成 核酸的降解 核苷酸的降解产物的再利用 核苷酸的降解 核酸的合成 第二节核苷酸的代谢 嘌呤核苷酸的结构 GMP AMP 二 嘌呤核苷酸的分解代谢 一 嘌呤核苷酸的分解代谢 核苷酸 核苷 核苷酸酶 Pi 核苷磷酸化酶 碱基 1 磷酸核糖 嘌呤碱的最终共同代谢产物 AMP GMP I 次黄嘌呤 G X 黄嘌呤 黄嘌呤氧化酶 黄嘌呤氧化酶 嘌呤核苷酸的分解代谢的具体过程 嘌呤碱的分解代谢 二 嘌呤核苷酸的合成代谢 从头合成途径 denovosynthesispathway 通过利用一些简单的前体物 如5 磷酸核糖 氨基酸 一碳单位及CO2等 逐步合成嘌呤核苷酸的过程 这一途径主要见于肝 其次为小肠和胸腺 所有合成反应在胞液中进行 补救合成途径 salvagesynthesispathway 又称再利用合成途径 salvagepathway 指利用分解代谢产生的自由游离嘌呤碱合成嘌呤核苷酸的过程 这一途径可在大多数组织细胞中进行 主要发生在肝脏 常因各种抑制物甚至生理紧张导致其中的某些酶缺乏 影响细胞生长 从头合成 途径 通常情况下占95 核糖 氨基酸 CO2 NH3 Pi 核糖核苷酸 辅酶 RNA 脱氧核糖核苷酸 DNA 补救 途径 内外源核酸分解 核苷 碱基 Pi 脱氧核苷 核酸类补品原理所在可提高康复速度 嘌呤核苷酸的从头合成途径是指利用磷酸核糖 氨基酸 一碳单位及二氧化碳等简单物质为原料 经过一系列酶促反应 合成嘌呤核苷酸的途径 肝是体内从头合成嘌呤核苷酸的主要器官 其次是小肠和胸腺 而脑 骨髓则无法进行此合成途径 1 嘌呤核苷酸的从头合成 定义 合成部位 嘌呤碱合成的元素来源 CO2 天冬氨酸 甲酰基 一碳单位 甘氨酸 甲酰基 一碳单位 谷氨酰胺 酰胺基 甘氨坐中间 谷碳站两边 左手开天门 头顶二氧碳 合成原料 天冬氨酸 谷氨酰胺 甘氨酸 一碳基团 CO2 磷酸核糖 过程 1 IMP的合成 2 AMP和GMP的生成 R 5 P 5 磷酸核糖 PP 1 R 5 P 5 磷酸核糖 1 焦磷酸 PRPP 在谷氨酰胺 甘氨酸 一碳单位 二氧化碳及天冬氨酸的逐步参与下 IMP H2N 1 R 5 P 5 磷酸核糖胺 5 磷酸核糖焦磷酸 5 磷酸核糖胺 甘氨酸 甘氨酰胺核苷酸 甲酰甘氨酰胺核苷酸 甲酰甘氨咪核苷酸 5 氨基咪唑核苷酸 5 氨基咪唑 4 羧核苷酸 IMP的生物合成 5 氨基咪唑 4 琥珀基 甲酰胺核苷酸 5 氨基咪唑 4 氨甲酰核苷酸 5 甲酰氨基咪唑 4 氨甲酰核苷酸 次黄嘌呤核苷酸 IMP 甲酰THFA 3 IMP转变为GMP和AMP 从头合成的调节 PRPP PRA GTP 调节方式 反馈调节和交叉调节 合成特点 参与从头合成途径的酶均在胞液中 以磷酸戊糖途径中合成的5 磷酸核糖 5 PR 为原料 经11步反应生成次黄嘌呤核苷酸 IMP 在合成IMP的过程中 由氨基酸 CO2 一碳单位逐步提供元素或基团 在5 磷酸核糖分子上完成嘌呤碱基的合成 从IMP出发再合成AMP和GMP 嘌呤核苷酸是在磷酸核糖分子上逐步合成的 IMP的合成需5个ATP 6个高能磷酸键 AMP或GMP的合成又需1个ATP 利用体内游离的嘌呤或嘌呤核苷 经过简单的反应 合成嘌呤核苷酸的过程 称为补救合成 或重新利用 途径 2 嘌呤核苷酸的补救合成途径 定义 1 腺嘌呤磷酸核糖转移酶 adeninephosphoribosyltransferase APRT 2 次黄嘌呤 鸟嘌呤磷酸核糖转移酶 hypoxanthine guaninephosphoribosyltransferase HGPRT 3 腺苷激酶 adenosinekinase 参与补救合成的酶 合成过程 补救合成的生理意义 补救合成节省从头合成时的能量和一些氨基酸的消耗 体内某些组织器官 如脑 骨髓等只能进行补救合成 嘌呤核苷酸合成的总结 嘧啶核苷酸的结构 三 嘧啶核苷酸的代谢 一 嘧啶核苷酸的分解代谢 胞嘧啶 NH3 尿嘧啶 二氢尿嘧啶 H2O CO2 NH3 丙氨酸 胸腺嘧啶 脲基异丁酸 氨基异丁酸 H2O 丙二酸单酰CoA 乙酰CoA TCA 肝 尿素 甲基丙二酸单酰CoA 琥珀酰CoA TCA 糖异生 从头合成途径补救合成途径 二 嘧啶核苷酸的合成代谢 1 嘧啶核苷酸的从头合成 主要是肝细胞胞液 嘧啶核苷酸的从头合成是指利用磷酸核糖 氨基酸 一碳单位及二氧化碳等简单物质为原料 经过一系列酶促反应 合成嘧啶核苷酸的途径 定义 合成部位 嘧啶合成的元素来源 合成原料 谷氨酰胺 天冬氨酸 CO2 磷酸核糖 合成部位 主要在肝细胞胞液中进行 二氢乳清酸脱氢酶位于线粒体内合成特点 1用原料先合成嘧啶环 然后再与磷酸核糖连接生成嘧啶核苷酸 2先合成UMP 再转变成其它嘧啶核苷酸 合成过程 1 尿嘧啶核苷酸的合成 UMP的合成过程 氨基甲酰磷酸合成酶I II的区别 2 胞嘧啶核苷酸的合成 UDP UTP 胞苷酸的合成 dTMP的合成 是在核苷一磷酸水平上进行的 脱氧嘧啶核苷酸的合成 ATP CO2 谷氨酰胺 氨基甲酰磷酸 UMP 氨基甲酸天冬氨酸 UTP CTP 天冬氨酸 嘌呤核苷酸 ATP 5 磷酸核糖 嘧啶核苷酸 PRPP 从头合成的调节 2 嘧啶核苷酸的补救合成 三 脱氧核糖核苷酸的合成 脱氢一般通过核糖核苷酸还原酶 实现多在二磷酸核苷 的水平上发生 有些原核生物在三磷酸核苷水平进行 核糖核苷酸的还原反应 核糖核苷酸还原酶 硫 谷氧还蛋白 核糖核酸还原酶系 硫氧还蛋白 谷胱甘肽还原酶 核糖核苷酸还原酶 核糖核苷酸的还原反应 FAD 核糖核苷酸还原酶 ATP Mg2 硫氧还蛋白还原酶 核糖核苷二磷酸 H2O 脱氧核糖核苷二磷酸 FADH2 NADP NADPH H 谷氧还蛋白还原酶 GSSG 2GSH 谷胱甘肽还原酶 核糖核苷酸还原酶示意图 底物特异性调节位点 酶活性调节位点 活性位点 R1亚基 R2亚基 嘧啶核苷酸合成的总结 第三节核苷酸代谢障碍和抗代谢物 一 核苷酸代谢障碍 疾病 参与核苷酸代谢的某些酶的缺失或调节失常 都会引起核苷酸代谢障碍和疾病 目前已经发现核苷酸代谢障碍能引起多种疾病 它们大多是嘌呤核苷酸代谢障碍引起的疾病 核苷酸代谢障碍引起的疾病临床疾病缺陷的酶原因临床特点遗传类型1 嘌呤核苷酸代谢障碍痛风 PRPP合成酶调节失常嘌呤产生和x 染色体连 HGPRT酶排谢过多锁 隐性遗传Lesch Nyhan综合征HGPRT酶遗传缺陷嘌呤产生排泄x 染色体连多 脑性瘫痪 锁 隐性遗传自毁容貌症免疫缺陷症 腺苷脱氨酶遗传缺陷B细胞免疫缺陷 常染色体隐性遗传 ADA 缺乏脱氧腺苷尿症 嘌呤核苷磷酸化酶 PNP 肾结石APRT酶遗传缺陷2 8 二羟基腺常染色体隐性遗传嘌呤肾结石黄嘌呤尿黄嘌呤氧化酶遗传缺陷黄嘌呤肾结石 常染色体隐性遗传低尿酸血症2 嘧啶核苷酸代谢障碍先天性乳清乳清酸磷酸遗传缺陷乳清酸排泄多常染色体隐性遗传酸尿症核糖转移酶红细胞性贫血乳清酸核苷酸遗传缺陷乳清酸排泄较多常染色体隐性遗传脱羧酶 二 抗代谢物的种类和功能有哪些 一 抗代谢物的种类人工合成的核苷酸代谢类似物主要有6类 1 嘌呤核苷酸代谢类物6 巯基鸟嘌呤 6 thioguanine 6 TG 6 巯基嘌呤 6 mercaptopurine 6 MP 8 氮杂鸟嘌呤 8 azaguanine 8 AG 氮杂硫嘌呤 azathiopurine AZTP 别嘌呤醇 allopurinol APO 等 能够抑制嘌呤核苷酸合成的一些抗代谢药物 通常是属于嘌呤 氨基酸或叶酸的类似物 主要通过对代谢酶的竞争性抑制作用 来干扰或抑制嘌呤核苷酸的合成 因而具有抗肿瘤治疗作用 二 抗代谢药物对嘌呤核苷酸合成的抑制 嘌呤核苷酸的代谢类似物 2 嘧啶核苷酸代谢类似物5 氟尿嘧啶 5 fluorouracil 5 FU 5 FU在体内可转变为F dUMP 其结构与dUMP相似 可竞争性抑制胸苷酸合酶的活性 从而抑制胸苷酸的合成 5 碘 2 脱氧尿嘧啶5 iodo 2 deoxyuridine 5 IDU6 氮杂尿嘧啶 6 azauridine 6 AU 能够抑制嘧啶核苷酸合成的抗代谢药物也是一些嘧啶核苷酸的类似物 通过对酶的竞争性抑制而干扰或抑制嘧啶核苷酸的合成 主要的抗代谢药物是5 氟尿嘧啶 5 FU 5 FU在体内可转变为F dUMP 其结构与dUMP相似 可竞争性抑制胸苷酸合成酶的活性 从而抑制胸苷酸的合成 嘧啶核苷酸的代谢类似物 3 氨基酸类似物主要有氮杂丝氨酸 azaserine AS 类似谷氨酰胺 可抑制CTP的合成 6 重氮 5 氧正亮氨酸 diazonorleucine DAL 磷乙天冬氨酸 N phosphoacetyl l asparate PALA 等 这些氨基酸类似物的分子结构与谷氨酰胺类似 因而可干扰谷氨酰胺在嘌呤核苷酸合成中的作用 抑制嘌呤核苷酸的合成 核糖 氨基酸和叶酸的代谢类似物 4 叶酸类似物氨蝶呤 aminopterin AP 氨甲蝶呤干扰叶酸代谢 使dUMP不能被甲基化生成dTMP 甲氨蝶呤 methotrexate MTX 能竞争性抑制二氢叶酸还原酶 减少体内四氢叶酸的生成 使嘌呤核苷酸合成过程中所需一碳单位的供应受阻而抑制其合成 5 核苷类似物 如阿糖胞苷和环胞苷能抑制CDP还原成dCDP 6 作用于核糖核苷酸还原酶的代谢类似物羟基脲 hydroxyurea HU 羟基胍 hydroxyguanidine HG 胍唑 guanazole GZ 核糖核苷酸还原酶的代谢类似物 NH 二 核苷酸代谢类似物功能 人工合成核苷酸代谢类似物大都是核苷酸代谢过程中必需的代谢中间体的类似物 它们的化学结构与代谢中间体相类似 因此 它们可以 冒名顶替 以假乱真 干扰 抑制或阻断核苷酸合成 进而干扰 抑制或阻断核酸及蛋白质的合成 使细胞的分裂和增殖无法进行 这些核苷酸代谢类似物不仅是进行生化代谢途径研究的工具 也是治疗疾病的有效物药 许多核苷酸代谢类似物作为抗代谢药物已经在临床上广泛使用 一些抗代谢药物的功能药物名称6 巯基嘌呤 6MP 正常代谢物嘌呤核苷酸治疗的疾病 白血病 自身免疫性病 妊娠滋养细胞肿瘤等主要作用的酶 IMP脱氢酶 腺苷酸代琥珀酸合成酶作用的代谢途径嘌呤核核苷酸合成药物名称别嘌呤醇 APO 正常代谢物黄嘌呤 乌嘌呤 次黄嘌呤黄嘌呤氧化酶治疗的疾病痛风主要作用的酶黄嘌呤氧化酶作用的代谢途嘌呤核苷酸分解 药物名称利巴韦林 病毒唑 5 氮基咪唑 4 羧酸核苷酸正常代谢物5 氨基咪唑 4 羧酸核苷酸治疗的疾病广谱抗病毒药 呼吸道合胞病毒 流感病毒 甲肝病毒 腺病毒等主要作用的酶5 磷酸核糖 5 氨基咪唑 4 N 琥珀基甲酰胺合成酶 SAICARS 作用的代谢途径嘌呤核苷酸合成药物名称5 氟尿嘧啶尿嘧啶