生物化学与分子生物学：第13章 核苷酸代谢

1、第十三章,核苷酸代谢,Nucleotide Metabolism,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。,概述,在万众瞩目的央视春晚(2005)中，小品演员手拎“珍奥核酸”纸袋的场景给人留下了深刻印象。但随后著名反伪科学人士方舟子认为珍奥核酸的亮相 “是一个触目惊心的广告”，因为早在4年前方舟子就曾对所谓“核酸保健品”口诛笔伐，指责其是伪科学的商业骗局，为此卫生部还曾通报批评过“珍奥核酸”的夸大宣传。,人在20岁以后，肠胃功能和肝脏功能开始下降，机体合成核酸日渐不足，新陈代谢活动受到影响，凋亡细胞逐渐残留并累积于体内，

2、疾病和衰老随之产生。 规格：350mg/粒60粒*3瓶装 ￥450元 功效成份：核酸（DNA+RNA）200毫克/粒保健功能：免疫调节适宜人群：年老、体弱多病、术后、免疫力低下等不适宜人群：痛风病患者食用量：每日2次，每次2-3粒,？,第一节 核苷酸代谢概论,Outline for Nucleotide Metabolism,6,一、核苷酸具有多种生物学功能,1.核苷酸是核酸（RNA和DNA）的活性前体物质,2.核苷酸衍生物作为活性中间物参与生物合成过程,3.高能化合物ATP与GTP可为细胞代谢提供能量,4.腺嘌呤核苷酸是很多辅酶的组成成分,7,（六）核苷酸和核苷以介质形式参与生理功能调节,（

3、五）GTP参与核酸的特殊结构和转变成四氢生物蝶呤,（七）cAMP、cGMP和GTP参与信号转导,（八）核苷酸参与酶活性的快速调节,8,四氢蝶蛉,GTP环水化酶,GTP,9,从头合成途径 (de novo synthesis pathway),补救合成途径 (salvage synthesis pathway),二、核苷酸的合成代谢,10,三、核苷酸的降解和补救合成具有重要生物学意义,在细胞中绝大多数核酸都以核蛋白的形式存在； 食物中的核蛋白在消化道中受到胃、胰和肠分泌的消化酶作用，分解为蛋白质和核酸。 核酸进一步分解为磷酸、碱基和戊糖。,11,食物核蛋白,单核苷酸,食物中核酸的消化,12,单核

4、苷酸,13,核苷酸的补救合成途径回收利用现成的嘌呤/嘧啶碱或核苷合成核苷酸。,细胞内同样存在核酸酶，使细胞内部的核酸逐步分解为核苷酸，或进一步分解为碱基、戊糖和磷酸，以维持细胞内遗传物质的稳定。,细胞内核酸的消化,14,R-5-P （5-磷酸核糖）,PP-1-R-5-P（PRPP) （磷酸核糖焦磷酸）,IMP,ATP,AMP,PRPP 合成酶,AMP,GMP,UMP,TMP,CTP,嘌呤/嘧啶碱,嘌呤/嘧啶核苷酸,四、磷酸核糖焦磷酸是从头合成和补救合成途径的交叉点,15,第二节嘌呤核苷酸的合成与分解代谢,Anabolism and Catabolism of Purine Nucleotide

5、s,16,嘌呤核苷酸的结构,GMP,AMP,17,一、嘌呤核苷酸从头合成,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。,定义,18,嘌呤环的C、N原子来自谷氨酰胺、天冬氨酸、一碳单位和CO2,合成顺序：N9,C4,5,N7,C8,N3,C6,N1,C2,19,器官定位：主要器官是肝，其次是小肠和胸腺。 细胞定位：胞质,合成部位,合成过程,首先合成嘌呤核苷酸的共同前体IMP，然后由IMP转化为AMP和GMP。,20,IMP合成途径可分为二阶段11步反应,第一阶段生成 5磷酸核糖-1-焦磷酸（PRPP）,5 -磷酸

6、核糖与ATP，经PRPP激酶 (PRPPK；或称PRPP合成酶 ，PRPP synthetase)催化，生成PRPP。,第二个阶段生成IMP,（一）嘌呤核苷酸从头合成途径,21,R-5-P （5-磷酸核糖）,PP-1-R-5-P（PRPP) （磷酸核糖焦磷酸）,谷氨酰胺 酰胺基N N10甲酰四氢叶酸 天冬氨酸-氨基N 甘氨酸 二氧化碳,IMP,H2N-1-R-5-P（PRA) （5-磷酸核糖胺）,22,参加嘌呤碱基合成的物质:,关键酶,谷胺酰胺的酰胺基N 甘氨酸 CO2 天冬氨酸的-氨基N N10-甲酰四氢叶酸（N10-formyl-FH4）,IMP生成总反应过程,腺苷酸代琥珀酸合成酶 IMP

7、脱氢酶 腺苷酸代琥珀酸裂解酶 GMP合成酶,（二）AMP和GMP可由IMP转变生成,25,26, 嘌呤核苷酸从头合成并不是先合成嘌呤碱再与核糖和磷酸结合生成核苷酸，而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。,嘌呤核苷酸从头合成特点:,27,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。,二、嘌呤核苷酸补救合成有两种方式,补救合成途径定义,28,腺嘌呤磷酸核糖转移酶 (adenine phosphoribosyl transferase, APRT) 次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核

8、糖转移酶(hypoxanthine- guanine phosphoribosyl transferase, HGPRT),参与合成的酶,（一）嘌呤与PRPP经磷酸核糖转移酶催化 生成核苷酸,29,合成过程,30,腺苷激酶(adenosine kinase),（二）腺嘌呤核苷经腺苷激酶催化生成AMP,参与合成的酶(只有腺苷激酶，尚无其他核苷激酶）,31,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。,32,嘌呤核苷酸的相互转变,33,核苷酸在核苷酸酶的作用下水解成核苷和磷酸 核苷在核苷磷酸化酶催化下磷酸解得到游离的 嘌呤碱

9、及1-磷酸核糖 1-磷酸核糖在磷酸核糖变位酶的作用下可转变为5-磷酸核糖，参与戊糖磷酸途径；嘌呤碱重新利用或氧化成尿酸。,三、嘌呤核苷酸经分解代谢产生尿酸,体内嘌呤核苷酸的分解代谢主要在肝、小肠及肾中进行。,35,36,从头合成途径反馈抑制调节,5,PR, ATP,PRPPK,PRPP,PRA,IMP,XMP,AS,GMP,AMP,GDP,ADP,GTP,ATP,_,GMPS,IMPD,GPAT,ASS,5,PR, ATP,PRPPK,PRPP,PRA,IMP,XMP,AS,GMP,AMP,GDP,ADP,GTP,ATP,+,+,+,_,GMPS,IMPD,_,_,_,_,_,_,GPAT,+

10、,+,+,+,ASS,_,_,四、嘌呤核苷酸的合成代谢受反馈抑制调节,37,APRT受AMP的反馈抑制 HGPRT受IMP与GMP的反馈抑制,补救合成途径反馈调节,Anabolism and Catabolism of Pyrimidine Nucleotides,第三节嘧啶核苷酸合成与分解代谢,39,嘧啶核苷酸的结构,40,嘧啶核苷酸的从头合成,肝细胞胞液和线粒体,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,一、嘧啶核苷酸的从头合成过程,41,嘧啶合成的元素来源,合成原料来源,42,与嘌呤核苷酸

11、的从头合成途径不同，嘧啶核苷酸的合成是先合成含嘧啶环的乳清酸(OA)；OA再与PRPP结合成为乳清酸核苷酸（orotidine-5-phoshate ，OMP），然后再生成UMP。,胞嘧啶核苷酸、胸腺嘧啶核苷酸由UMP转变而成。,合成途径,43,谷氨酰胺 + HCO3-,（一）UMP的从头合成,44,肝细胞分化程度指标,细胞增殖程度指标,天冬氨酸转氨基甲酰酶 ATCase,aspartate transcarbamoylase,二清乳清酸酶,dihydroorotase,aspartic acid,carbamoyl phosphate,CP,carbamoyl aspartate,dihyd

12、roorotic acid,（DHOA）,DHOA脱氢酶 (DHOA dehydrogenase),orotic acid,(OA),乳清酸磷酸核糖转移酶,Orotate phosphoribosyl Transferase (OPRT),orotidine 5-monophosphate,OMP 脱羧酶 (OMPD),decarboxylase,uridine 5 -monophosphate,46,（二）CTP来源于UTP的氨基化,47,（三）dTMP来源于dUMP的甲基化,dUMP,dTMP,UDP,脱氧核苷酸还原酶,dUDP,CTP,CDP,dCDP,dCMP,Ribonucleoti

13、de reductase,脱氧核苷酸还原酶,Ribonucleotide reductase,dCMP deaminase,dCMP脱氨酶,H2O,Pi,48,二、嘧啶核苷酸的补救合成途径与 嘌呤核苷酸类似,（一）嘧啶磷酸核糖转移酶催化部分嘧啶碱基与PRPP 生成嘧啶核苷酸,49,（二）嘧啶核苷激酶催化嘧啶核苷转变成 嘧啶核苷酸,胸苷激酶的活性与细胞增殖状态密切相关，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，并与恶性程度有关。,50,嘧啶碱,嘧啶核苷酸,三、嘧啶核苷酸经分解产生小分子 可溶性物质,51,胞嘧啶,NH3,尿嘧啶,二氢尿嘧啶,H2O,CO2 + NH3,-丙氨酸,胸

14、腺嘧啶,-脲基异丁酸,-氨基异丁酸,H2O,丙二酸单酰CoA,乙酰CoA,TAC,肝,尿素,甲基丙二酸单酰CoA,琥珀酰CoA,TAC,糖异生,52,哺乳类动物是CPS II 细菌中，则是ATCase,关键酶：,底物调节:,产物反馈抑制性调节:,UMP反馈抑制CPS II,ATP激活PRPPK和CPS II,四、嘧啶核苷酸合成代谢受精细调节,53,嘧啶核苷酸从头合成的调节,第四节体内核苷酸的转化,The Conversion of Nucleotides in vivo,55,一、核糖核苷二磷酸还原成脱氧核糖核苷酸,在核苷二磷酸水平上进行 N代表A、G、U、C等碱基,ribonucleotid

15、e reductase,56,脱氧核苷酸的生成,57,dTMP合酶 dTMP synthase,dUMP,dTMP,dTMP的生成,58,二、核苷二磷酸和核苷三磷酸相互转化,4种核苷（或脱氧核苷）一磷酸可以分别在特异的核苷一磷酸激酶作用下，由ATP供给磷酸基，而转变成核苷（或脱氧核苷）二磷酸。,例如：,59,NDP激酶可以催化所有嘌呤、嘧啶的核糖或脱氧核糖核苷二、三磷酸之间的转化。,60,第五节核苷酸代谢与医学的关系,Nucleotide Metabolism and Medicine,61,一、核苷酸代谢障碍可引发多种疾病,（一）多种遗传性疾病与核苷酸代谢缺陷有关,HGPRT缺陷引起Lesc

16、h Nyhan 综合征,次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶（HGPRT）基因缺陷引起嘌呤核苷酸补救合成途径障碍，脑合成嘌呤核苷酸能力低下，造成中枢神经系统发育不良。,此综合征以高尿酸血症（hyperuricemia）及神经系统症状为特征，重症病例中常表现出举止异常、自咬口唇、手指，又称自毁容貌症。,62,（二）高尿酸血症可引起痛风,血中尿酸水平超过溶解能力就称为高尿酸血症 (hyperuricemia) 。,血中的尿酸及尿酸盐统称尿酸。正常成人血浆尿酸含量约为0.120.36mmol/L。当血中尿酸含量超过0.64 mmol/L时，尿酸盐晶体即可沉积于关节、软组织及肾等处，而导致关节炎、尿路结石及

17、肾疾病。尿酸沉积引起疼痛称为痛风症（gout）。,63,痛风可能是一种多基因病，该病发病有家族遗传倾向，可能涉及HGPRT、PRPP激酶、谷氨酰胺PRPP酰胺基转移酶(GPAT)、葡萄糖-6-磷酸酶(G6PC)、黄嘌呤脱氢酶(XDH)、黄嘌呤氧化酶。,64,临床上用别嘌呤醇(allopurinol)治疗痛风症。,65,二、抗代谢物作用机制主要是阻断核苷酸合成,（一）抗代谢物多为核苷酸代谢的底物或辅酶类似物,核苷酸的抗代谢物是一些嘌呤、嘧啶、氨基酸、核苷和叶酸的类似物。它们主要以竞争性抑制方式干扰、阻断核苷酸合成代谢，或以假乱真掺入核酸，从而阻止核酸以及蛋白质的生物合成。,66,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。,一些人工合成的抗代谢物,67,嘌呤类似物,68,氨基酸类似物,69,叶酸类似物,氨蝶呤,Aminopterin, AP,Methotrexate, MTX