分子生物学第四章核苷酸代谢

第8章核苷酸代谢 MetabolismofNucleotides 核苷酸是核酸的基本结构单位 人体内的核苷酸主要由机体细胞自身合成 因此 与氨基酸不同 核苷酸不属于营养必需物质 食物中不缺乏核酸 食物核酸不利用 概述 核苷酸的分布 广泛 以5 核苷酸形式存在 5 ATP含量最高细胞中RNA浓度远大于DNA细胞分裂周期中 细胞内DNA含量波动大 RNA浓度相对稳定不同类型细胞中各种核苷酸含量有差异 但总量变化不大 核酸的消化与吸收 碱基 戊糖 核苷酶 排出 很少利用 磷酸二酯酶 磷酸单酯酶 水解或磷酸解 或磷酸戊糖 AMP 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸 NAD 核苷酸的生物功用 作为DNA RNA合成的原料 最主要的功能体内能量的利用形式参与代谢和生理调节cAMP cGMP作为信息分子组成辅酶 AMP是某些辅酶的组成成分 如NAD NADP FAD CoA活化中间代谢物 UDPG CDP DG SAM ATP 主要形式 GTP 蛋白质合成UTP 糖原合成 CTP 磷脂合成 第一节嘌呤核苷酸的合成与分解代谢 MetabolismofPurineNucleotides 嘌呤核苷酸的结构 GMP AMP 一 嘌呤核苷酸的合成存在从头合成和补救合成两种途径 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 从头合成途径 denovosynthesis 补救合成途径 salvagepathway 利用磷酸核糖 氨基酸 一碳单位及CO2等简单物质为原料 经过一系列酶促反应 合成嘌呤核苷酸 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 一 嘌呤核苷酸的从头合成 哺乳动物合成部位 从头合成途径除某些细菌外 几乎所有生物体都能合成嘌呤碱 合成的原料 PP 1 R 5 P 一碳单位 ATP CO2 甲酰基 氨基酸 合成的过程 两个阶段 1 次黄嘌呤核苷酸 IMP 的合成 2 腺苷酸 AMP 和鸟苷酸 GMP 的合成 R 5 P 5 磷酸核糖 PP 1 R 5 P 磷酸核糖焦磷酸 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 ATP GTP IMP的合成过程 磷酸核糖酰胺转移酶 GAR合成酶 转甲酰基酶 FGAM合成酶 AIR合成酶 IMP生成总反应过程 腺苷酸代琥珀酸合成酶 IMP脱氢酶 腺苷酸代琥珀酸裂解酶 GMP合成酶 AMP和GMP的生成 是在磷酸核糖分子上逐步合成的 R 5 P来自葡萄糖代谢 G对核酸合成非常重要 PRPP是5 磷酸核糖的活性供体 先合成IMP 再转变成AMP或GMP 合成消耗大量能量 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 合成需要大量氨基酸做原料 嘌呤核苷酸从头合成特点 从头合成的调节 PRPP PRA GTP 调节方式 反馈调节和交叉调节 二 嘌呤核苷酸的补救合成有两种方式 腺嘌呤磷酸核糖转移酶 adeninephosphoribosyltransferase APRT 次黄嘌呤 鸟嘌呤磷酸核糖转移酶 hypoxanthine guaninephosphoribosyltransferase HGPRT 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 节省 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 临床联系 Lesch Nyhan莱 尼综合征 自毁容貌综合征 HGPRT基因缺陷 罕见的性染色体X连锁遗传病 疾病生化本质 自毁容貌综合征 三 嘌呤核苷酸的相互转变 四 脱氧核糖核苷酸的生成 在核苷二磷酸水平被还原而成 脱掉的O需要两个H 生成H2O 二磷酸脱氧核苷 NDP dNDP 二磷酸核糖核苷 NADP NADPH H 核糖核苷酸还原酶 Mg2 还原型硫氧化还原蛋白 SH 2 氧化型硫氧化还原蛋白 硫氧化还原蛋白还原酶 FAD NDP dNDP 核糖核苷酸还原酶 ADP dADP 核糖核苷酸还原酶 GDP dGDP 核糖核苷酸还原酶 UDP dUDP 核糖核苷酸还原酶 CDP dCDP 核糖核苷酸还原酶 TDP dTDP dNDP ATP dNTP ADP dCDP ATP dCTP ADP dUDP ATP dUTP ADP dGDP ATP dGTP ADP dADP ATP dATP ADP dTTP dNDP dNMP Pi 磷酸酶 UMPUDPdUDPUTPdUMPCTPdTMP 还原酶 TMP合成酶 五 嘌呤核苷酸的抗代谢物 嘌呤核苷酸的抗代谢物是一些嘌呤 氨基酸或叶酸等的类似物 嘌呤核苷酸抗代谢物主要是一些嘌呤 氨基酸或叶酸等的类似物 采用竞争性抑制或 以假乱真 等方式抑制合成代谢中的酶 从而干扰和阻断核苷酸的合成 从而进一步阻止核酸以及蛋白质的生物合成 由于肿瘤的核酸与蛋白质代谢旺盛 因此抗代谢物可用于肿瘤的化疗 1 嘌呤类似物 8 氮杂鸟嘌呤 6 巯基鸟嘌呤 次黄嘌呤 6 巯基嘌呤 6 MP 6 巯基嘌呤的作用 1 6MP磷酸核糖化生成6MP核苷酸 抑制IMP转化成AMP及GMP 3 反馈抑制 PRPP酰胺转移酶 干扰磷酸核糖胺的生成 阻断嘌呤核苷酸的从头合成途径 2 竞争性抑制 次黄嘌呤 鸟嘌呤磷酸核糖转移酶HGPRT 使PRPP分子中的磷酸核糖不能向G或次黄嘌呤H转移 阻止了补救合成途径 2 叶酸类似物抑制有一碳单位参与的反应 R H 氨喋呤 R CH3 氨甲喋呤 5 6 7 8四氢叶酸 氨蝶呤及甲氨蝶呤MTX的作用 3 氨基酸类似物抑制有Gln参与的反应 N N CH2 C O CH2 CH COOH O NH2 N N CH2 C CH2 CH2 CH COOH O NH2 谷氨酰胺 氮杂丝氨酸 重氮乙酰丝氨酸 6 重氮 5 氧正亮氨酸 目录 二 嘌呤核苷酸的分解代谢 嘌呤碱的最终代谢产物 AMP GMP H 次黄嘌呤 G X 黄嘌呤 黄嘌呤氧化酶 黄嘌呤氧化酶 uricacid 尿酸 血尿酸 8mg dl结晶沉积组织 gout 正常人血浆尿酸含量 0 12 0 36mmol L 男 0 27mmol L 女 0 21mmol L 以尿酸及其钠盐形式存在 均难溶于水 0 48mmol L 8mg 析出结晶 沉积在关节和软骨等处 痛风症 尿酸结晶 痛风结节 痛风症的治疗机制 鸟嘌呤 次黄嘌呤 黄嘌呤 尿酸 黄嘌呤氧化酶 黄嘌呤氧化酶 别嘌呤醇 第二节嘧啶核苷酸的合成与分解代谢 MetabolismofPyrimidineNucleotides 嘧啶合成的元素来源 Asp CO2 Gln 嘧啶核苷酸的结构 一 嘧啶核苷酸的从头合成 主要是肝细胞胞液 合成部位 一 嘧啶核苷酸的合成代谢 先合成嘧啶环 再与磷酸核糖相连生成嘧啶核苷酸 先合成UMP 再转变成dTMP和CTP 特点 嘧啶核苷酸的合成同样有从头合成与补救合成两条途径 嘧啶核苷酸的从头合成比嘌呤核苷酸简单 合成原料 谷氨酰胺 CO2和天冬氨酸 合成过程 尿嘧啶核苷酸的合成 氨基甲酰磷酸合成酶I II的比较 孔丽君 氨基酸代谢 滨州医学院生物化学与分子生物学教研室 胞嘧啶核苷酸的合成 UDP UTP CTP的合成 是在三磷酸水平上进行的 dTMP或TMP的生成 dUMP 脱氧胸苷一磷酸dTMP dTMP或TMP的生成 是在一磷酸水平上进行的 2 从头合成的调节 PRPP Asp 由合成产物对3个关键酶的负反馈调节来实现 天冬氨酸氨甲酰转移酶 PRPP合成酶 CPS II 核苷酸的从头合成概况 二 嘧啶核苷酸的补救合成 胸苷激酶在正常肝中活性很低 再生肝中活性升高 恶性肿瘤中明显升高 并与恶性程度相关 嘧啶核苷酸 PPi 嘧啶磷酸核糖转移酶 嘧啶核苷 ATP 嘧啶核苷酸 ADP 核苷激酶 胸苷激酶 TK 与恶性肿瘤 嘌啶核苷酸与嘧啶核苷酸合成的比较 相同点 1 合成原料基本相同 嘌啶核苷酸 嘧啶核苷酸 2 合成部位对高等动物来说 主要在肝脏 3 都有2种合成途径 从头和补救途径 4 都是先合成一个与之有关的核苷酸 然后在此基础上进一步合成核苷酸 不同点 1 在5 P R基础上合成嘌呤环 2 最先合成的核苷酸是IMP 3 在IMP基础上完成AMP和GMP的合成 1 先合成嘧啶环再与5 P R结合 2 先合成UMP 3 以UMP为基础 完成CTP dTMP的合成 5 P R PRPP IMP dAMP GMP dGMP AMP dADP GDP dGDP ADP dATP GTP dGTP ATP UMP CMP dUMP UDP CDP dUDP UTP CTP dUTP dTMP dCMP dTDP dCDP dTTP dCTP CO2 Gln H2N CO P OMP 核苷酸的从头合成过程总结 dUDP dCMP dUMP 总结 核苷酸的合成及相互关系 三 嘧啶核苷酸的抗代谢物 嘧啶类似物 胸腺嘧啶 T 5 氟尿嘧啶 5 FU 5 FU 5 FdUMP 5 FUTP dUMP dTMP 合成RNA 破坏RNA的结构 某些改变了核糖结构的核苷类似物 HO 氮杂丝氨酸 阿糖胞苷 叶酸类似物氨甲碟呤 氮杂丝氨酸 干扰丝氨酸生成N5 N10 甲烯FH4 氨基酸类似物 关键酶及代谢的关键点 都作为抗代谢药物设计的靶点 控制好可以控制某些细胞的增殖 二 嘧啶核苷酸的分解代谢 嘧啶核苷酸的分解代谢 嘧啶核苷酸 嘧啶核苷 嘧啶 NH3 NADPH H NADP H2O H2O CO2 NH3 H2N CH2 CH2 COOH 丙氨酸 胞嘧啶 尿嘧啶 NADPH H NADP H2O CO2 NH3 氨基异丁酸 脲基异丁酸 H2O 胸腺嘧啶 二氢胸腺嘧啶 嘧啶核苷酸与嘌呤核苷酸分解代谢最大的不同是嘧啶环的裂解 最后生成 氨基酸 嘧啶碱的降解产物易溶于水 故嘧啶代谢异常的疾病较少 乳清酸尿症是缺乏从头合成途径酶所致的原发性遗传病 乳清酸 PRPP PPi 乳清酸核苷酸 CO2 尿嘧啶核苷酸 脱羧酶 乳清酸尿症 缺乏酶5和酶6 缺乏酶6 用尿苷可治疗本病 机制 通过补救途径合成UMP和UTP 反馈抑制乳清酸合成 THEEND 嘌呤核苷酸合成小结 IMP 嘧啶核苷酸合成小结 UMP 核酸酶 1 核酸酶的分类 1 根据对底物的专一性分为 2 根据切割位点分为 2 核酸酶的作用特点 外切核酸酶对核酸的水解位点 5 OH B 3 B B B B B B B 牛脾磷酸二酯酶 5 端外切5得3 蛇毒磷酸二酯酶 3 端外切3得5 内切核酸酶对RNA的水解位点示意图 RNAaseI RNAaseI RNAaseT1 RNAaseT1 Pu 嘌呤Py 嘧啶 限制性内切酶 类型 命名 意义 原核生物中存在着一类能识别外源DNA双螺旋中4 8个碱基对所组成的特异的具有二重旋转对称性的回文序列 并在此序列的某位点水解DNA双螺旋链 产生粘性末端或平末端 这类酶称为限制性内切酶 ristrictionendonuclease 常用的DNA限制性内切酶的专一性 酶 辨认的序列和切口 说明 AGCT TCGA GGATCC CCTAGG AGATCT TCTAGA GAATTC CTTAAG AAGCTT TTCGAA GTCGAC CAGCTG CCCGGG GGGCCC BamHI AluI BglI EcoRI Hind SalI SmaI 四核苷酸 平端切口 六核苷酸 平端切口 六核苷酸 粘端切口 六核苷酸 粘端切口 六核苷酸 粘端切口 六核苷酸 粘端切口 六核苷酸 粘端切口 限制性内切酶类型 I型 分子量大于105 多亚基 需S 线苷蛋氨酸 ATP和Mg2 识别位点与切割位点相差甚远 产物为异质 是限制与修饰相排斥的多功能酶 型 分子量小于105 需Mg2 切割位点位于识别位点上 产物为专一性片段 不具修饰酶功能 现在分子生物学研究所用的限制性内切酶均为此类 I型 识别位点为5 7bp的非对称序列 切割位点在顺序之外离识别序列5 10bp 切割双链 个别也切割单链 是限制与修饰相多功能酶 限制性内切酶的命名和意义 EcoRI 序号 属名 种名 株名 例 EcoRI 这是从大肠杆菌 E