第八章核苷酸代谢

1、第八章核苷酸代谢 第八章 核苷酸代谢 Nucleotide Metabolism 目的要求 一、掌握：嘌呤和嘧啶核苷酸从头合成的要点、原料及能源。补救合成概念。De nove synthesis of purine and pyrimidine nucleotide; salvage synthesis. 二、熟悉：核苷酸补救合成反应。抗代谢物的概念。嘌呤和嘧啶核苷酸的分解。尿酸与痛风症。Salvage synthesis of nucleotide. antimetabolite; decomposition of purine and pyrimidine nucleotide; uric

2、 acid and gout. 三、了解：核苷酸合成的调节。Regulation of ribonucleotide synthesis. 教学内容 一、嘌呤核苷酸代谢(metabolism of purine nucleotide)：从头合成途径的概念(de novo synthesis)、原料和要点，IMP生成及其转变成AMP和GMP的反应，从头合成的调节；脱氧核苷酸的生成；补救合成反应(salvage synthesis)简介；嘌呤核苷酸的抗代谢物(antimetabolite of purine nucleotide)；嘌呤核苷酸的分解代谢(catabolite repression

3、of purine nucleotide)；尿酸生成，痛风症简介(uricopoiesis and gout)。 二、嘧啶核苷酸代谢：从头合成途径要点，UMP生成，UMP转变成CTP，TMP的生成，从头合成的调节；补救合成反应简介；嘧啶核苷酸的抗代谢物；嘧啶核苷酸的分解代谢简介。main points of de novo synthesis; salvage synthesis; antimetabolite. 学时安排 4学时 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

4、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。 Nucleoside: A compound consisting of a purine or pyrimidine base covalently linked to a pentose. Nucleotide: A nucleoside with one or more phosp

5、hate groups linked via an ester bond to the sugar moiety. DNA and RNA are polymers of nucleotides. Nucleotides are basic subunits of nucleic acids they carry genetic information. They are also the primary carriers of chemical energy in cells, structural components of many enzyme cofactors, and cellu

6、lar second messengers. A nucleotide consists of a nitrogenous base (purine or pyrimidine), a pentose sugar, and one or more phosphate groups. 核苷酸的生物功用： 作为核酸合成的原料；体内能量的利用形式；参与代谢和生理调节；组成辅酶；活化中间代谢物。 Nucleotides play a very important role in organism. They are raw materials of synthesizing nuclear acid

7、and energy-rich compounds that drive metabolic processes in all cells. They also serve as chemical signals, key links in cellular systems that respond to hormones and other extracellular stimuli, and are structural components of a number of enzyme cofactors and metabolic intermediates. 第一节嘌呤核苷酸的合成代谢

8、（Metabolism of Purine Nucleotides） 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。 从头合成途径 (de novo synthesis pathway) ? 补救合成途径 (salvage synthesis pathway) ? 一、嘌呤核苷酸的从头合成 定义：嘌呤核苷酸的从头合成途

9、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。 ? 合成部位：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。 ? 嘌呤碱合成的元素来源 ? CO2 甘氨酸 天冬氨酸 甲酰基 （一碳单位） 谷氨酰胺 （酰胺基） 甲酰基 （一碳单位） ? 过程 1. IMP的合成 2. AMP和GMP的生成 1. IMP的合成过程 2、AMP和GMP的生成 IMP（次黄嘌呤核苷酸）: The de novo pathway for purine nucleotide sythesis leading to IMP

10、 consists of eleven metabolic steps. It is common precursor for AMP and GMP. De novo synthesis: Pathway for synthesis of a nucleotide, from simple precursors; as distinct from a salvage pathway. 嘌呤核苷酸从头合成特点： 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。 ? 从头合成的调节：调节方式：反馈调节和交叉调节 （

11、二）嘌呤核苷酸的补救合成途径 定义：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。 ? 参与补救合成的酶：腺嘌呤磷酸核糖转移酶 (adenine phosphoribosyl transferase, APRT)；次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶(hypoxanthine- guanine phosphoribosyl transferase, HGPRT)；腺苷激酶(adenosine kinase) ? ? 合成过程 APRT 腺嘌呤 + AMP + PPi 次黄嘌呤 + PRPPHGPRT IMP + PPi 鸟嘌呤 + PRPP 腺嘌

12、呤核苷 HGPRT 腺苷激 AT P ADP GMP + PPi AMP Salvage pathway: Synthesis of a nucleotide, from intermediates in the degradative pathway for the nucleotide; a recycling pathway, as distinct from a de novo pathway. 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。 （三）嘌呤核苷酸的相互转变 IMP （四） 脱氧核糖核苷酸的生

13、成 脱氧核苷酸的生成 核糖核苷酸还原酶，Mg2+ NDP 二磷酸核糖核苷 还原型硫氧化还原蛋白 -(SH)2 dNDP 二磷酸脱氧核苷 氧化型硫氧化 还原蛋白 NADPH + H+ NADP+ 硫氧化还原蛋白还原酶 （FAD） 激酶 dNDP + ATP dNTP + ADP 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调节。其中，IMP、AMP和GMP可

14、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。 （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

15、似物。 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。 Antimetabolic （抗代谢物）: Many artificial nucleotide metabolic analogues, which are being applied to the treatments of tumor, virus and diseases, can interfere with, i

16、nhibit and block the biosynthesis of nucleotides and further nucleic acids. PRPP（磷酸核糖焦磷酸）: PRPP is an important precursor shared by the de novo pathways for pyrimidines and purines. It is generated from 5-phosphoribose(5PR) and catalyzed by 5-phosphoribosyl-1-pyrophosphate kinase (PRPPK). 二、嘌呤核苷酸的分解

17、代谢 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

18、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SCID是第一个进行基因治疗的病种，即在体外将正常的ADA基因转导患者的淋巴细胞，再回输体内。 PNP基因缺陷是一种罕见的常染色体隐性遗传病，纯合子

19、PNP基因缺陷的患儿表现为T细胞免疫缺陷。原因是PNP不能发挥正常作用，所以患儿体内鸟苷、脱氧鸟苷、次黄苷及脱氧次黄苷浓度均增加，脱氧鸟苷转化成dGTP，造成dGTP堆积，是核糖核苷酸还原酶的别构抑制剂，导致dCDP及dCTP下降，最终DNA合成不足，影响胸腺细胞增殖，导致T细胞免疫缺陷。 可见嘌呤核苷酸的分解代谢的终产物为尿酸，后者经肾脏排泄。 痛风症（gout）患者由于血中尿酸含量升高，尿酸水溶性较差，形成的晶体沉积于关节、软组织、软骨及肾等处，导致关节炎、尿路结石及肾疾病等，痛风症多见于成年男性。原发性痛风症由于HGPRT活性降低，嘌呤碱不能通过补救合成途径合成核苷酸再利用，即分解成尿酸

20、。此外，大量PRPP促使嘌呤的从头合成加快。继发性痛风症由于肾功能减退，尿酸排出减少。 治疗原则：用促进尿酸排泄的药物，或用抑制尿酸形成的药物。例如别嘌呤醇（allopurinol）在体内氧化成别黄嘌呤，后者能与黄嘌呤氧化酶结合成不可逆的复合物，所以别嘌呤醇是黄嘌呤氧化酶的强烈抑制剂。 核苷酸酶 核苷酸 碱基 1-磷酸核糖 AMP GM P H （次黄嘌呤） G 黄嘌呤氧化酶 X （黄嘌呤） 黄嘌呤氧化酶 嘌呤碱的最终 代谢产物 Gout （痛风症）: A disease was caused by the disorder of purine degradation leading to a

21、ccumulation of uric acid crystals in the joints Uric acid and urea are the end products of purine and pyrimidine degradation. Some genetic deficiency results in the accumulation of uric acid crystals in the joints, causing gout. The enzymes of the nucleotide biosynthetic pathways are targets for an

22、array of chemotherapeutic agents used to treat cancer and other diseases. 第二节 嘧啶核苷酸的代谢（Metabolism of Pyrimidine Nucleotides） 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、嘧啶核苷酸的合成代谢 从头合成途径 ? 补救合成途径 ? （一）嘧啶核苷酸的从头合成 ? 定义：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。 ? 合成部位：主要是肝细胞胞液 ? 嘧啶合成的

23、元素来源 氨 天冬氨酸 ? 合成过程 1. 尿嘧啶核苷酸的合成 + HCO3- 2ATP 2ADP+Pi 氨基甲酰磷酸 合成酶II 谷氨酸 + 氨基甲酰磷酸 从头合成过程 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

24、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

25、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（OP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。 2. 胞嘧啶核苷酸的合成 3. dTMP或TMP的生成 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

26、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。 （二） 嘧啶核苷酸的补救合成 嘧啶 + PRPP 尿嘧啶核苷 + ATP 胸腺嘧啶核苷 + ATP 嘧啶磷酸核糖转移酶 尿苷激酶 胸苷激酶 磷酸嘧啶核苷 + PPi UMP +ADP TMP +ADP 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

27、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）嘧啶核苷酸的抗代谢物 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

28、嘌呤核苷酸的反馈抑制。 There are two types of pathways leading to nucleotides: the de novo pathways and the salvage pathways. De novo synthesis of nucleotides begins with their metabolic precursors: amino acids, ribose-5-phosphate, CO2, and NH3. Salvage pathways recycle the free bases and nucleosides released from nucleic acid breakdown. Both types of pathways are important in cellular metabolism. Puri