核酸的降解与核苷酸代谢

1、核酸的降解和核苷酸代谢核酸的降解和核苷酸代谢(Degradation of nucleic acid and nucleotides metabolism)一、核酸和核苷酸的分解代谢一、核酸和核苷酸的分解代谢二、核苷酸的生物合成二、核苷酸的生物合成核苷酸的功能核苷酸的功能 核苷酸是核酸生物合成的前体 核苷酸衍生物是许多生物合成的活性中间物，例如：UDP-葡萄糖和CDP-二酯酰甘油分别是糖原和磷酸甘油酯合成的中间物 ATP是生物能量代谢中通用的高能化合物 腺苷酸是三种重要辅酶的组分 某些核苷酸是代谢的调节物质。如：cAMP和cGMP是许多激素引起的胞内信使1、核酸的解聚作用核酸的解聚作用 核糖核

2、酸酶、脱氧核糖核酸酶、限制核糖核酸酶、脱氧核糖核酸酶、限制性内切酶性内切酶2 、核苷酸的降解、核苷酸的降解3 、核苷酸的合成、核苷酸的合成 核酸的降解和核苷酸代谢核酸的降解和核苷酸代谢第一部分核酸的解聚作用 动物和异养型微生物可以分泌消化酶来分解核蛋白和核酸类物质，以获得各种核苷酸。（核苷水解酶主要存在于植物和微生物体内，并且只能对核糖核苷起作（核苷水解酶主要存在于植物和微生物体内，并且只能对核糖核苷起作用，对脱氧核糖核苷不起作用。）用，对脱氧核糖核苷不起作用。）（核苷磷酸化酶存在广泛）（核苷磷酸化酶存在广泛）核酸的酶促降解核酸的酶促降解核核 酸酸 酶酶1、核酸酶的分类、核酸酶的分类核酸外切酶

3、核酸外切酶：作用于核酸链的末端（作用于核酸链的末端（3端或端或5端），逐个水端），逐个水解下核苷酸。解下核苷酸。脱氧核糖核酸外切酶：只作用脱氧核糖核酸外切酶：只作用DNA核糖核酸外切酶核糖核酸外切酶: 只作用于只作用于RNA核酸内切酶：核酸内切酶：从核酸分子内部切断从核酸分子内部切断3,5-磷酸二酯键。磷酸二酯键。限制性内切酶：限制性内切酶：在细菌细胞内存在的一类能识别并水解外在细菌细胞内存在的一类能识别并水解外源双链源双链DNA的核酸内切酶，可用于特异切割的核酸内切酶，可用于特异切割DNA，常，常作为工具酶。作为工具酶。核酸酶：作用于核酸的磷酸二酯酶核酸酶：作用于核酸的磷酸二酯酶外切核酸酶对

4、核酸的水解位点5 p p p pOHB p p p p3 BBBBBBB牛脾磷酸二酯酶牛脾磷酸二酯酶（ 5 5 端外切得端外切得33核苷酸核苷酸）蛇毒磷酸二酯酶蛇毒磷酸二酯酶（ 3 3 端外切得端外切得55核苷酸）核苷酸）2、核酸酶的作用特点、核酸酶的作用特点第二部分核苷酸的降解核苷酸的降解核苷酸的降解核苷磷酸化酶普遍存在，催化反应是可逆的。核苷水解酶主要存在于植物与微生物中，并且只针对核糖核苷，对脱 氧核糖核苷是无作用的，反应是不可逆的。嘌呤碱的分解Purine Catabolism不同动物嘌呤代谢的产物不同动物嘌呤代谢的产物 灵长类、鸟类：灵长类、鸟类： 尿酸尿酸其他哺乳动物、软体动物：其

5、他哺乳动物、软体动物： 尿囊素尿囊素 硬骨鱼：硬骨鱼： 尿囊酸尿囊酸 软骨鱼和两栖类：软骨鱼和两栖类： 尿素尿素 大多数海洋无脊椎动物：大多数海洋无脊椎动物： 氨和氨和CO2 （如甲壳类动物）（如甲壳类动物）All purine degradation leads to uric acid (but it might not stop there) 嘌呤碱的分解首先是在各种脱氨酶的作用下水解脱去氨基。 脱氨反应也可以在核苷或核苷酸的水平上进行，在动物组织中腺嘌呤脱氨酶的含量极少，而腺嘌呤核苷脱氨酶和腺嘌呤核苷酸脱氨酶的活性极高。嘌呤碱的分解嘌呤碱的分解嘌呤碱基的脱氨嘌呤碱基的脱氨嘌呤的降解嘌呤

6、的降解 腺嘌呤腺嘌呤 鸟嘌呤鸟嘌呤 H H2 2O HO H2 2O O NH NH3 3 NH NH3 3 次黄嘌呤次黄嘌呤 黄嘌呤黄嘌呤 H H2 2O+OO+O2 2 H H2 2O O2 2 H H2 2O+OO+O2 2 H H2 2O O2 2 尿囊素尿囊素 尿酸尿酸 H H2 2O COO CO2 2+H+H2 2O O2 2 2H 2H2 2O+OO+O2 2 尿囊酸尿囊酸 尿素尿素 + + 乙醛酸乙醛酸 H H2 2O O 4NH4NH3 3 + 2CO + 2CO2 2腺嘌呤脱氨酶腺嘌呤脱氨酶鸟嘌呤脱氨酶鸟嘌呤脱氨酶黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶黄嘌黄嘌呤氧呤氧化酶化酶尿酸氧化酶

7、尿酸氧化酶尿囊尿囊素酶素酶尿囊酸酶尿囊酸酶脲酶脲酶嘌呤的分解代谢嘌呤的分解代谢NNNHNNH2NHNNHNONH2AdenineGuanineNNNHNOHNNNHNOHOHH2OH2O2H2OH2O2NNNHNOHOHHONHNHNHHNOOO次黄嘌呤黄嘌呤尿酸(稀醇式)次黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶鸟嘌呤脱氨酶腺嘌呤脱氨酶+H2O+H2ONH3NH3黄嘌呤氧化酶H2OO2CO2NHNHNHHNOOO尿酸(酮式)黄嘌呤氧化酶H2ONH2NHONHHNOO尿囊素尿囊酸NH2NHCONHNH2OOOH尿囊素酶尿囊酸酶H2NCNH2O2+COOHCHO乙醛酸尿素尿酸的进一步分解尿酸的进一步分解尿酸氧化

8、酶Adenosine DegradationA CASE STUDY : GOUT A 45-year-old man awoke from sleep with a painful and swollen right great toe. On the previous night he had eaten a meal of fried liver and onions, after which he met with his poker group and drank a number of beers. He saw his doctor that morning, “gouty ar

9、thritis” was diagnosed, and some tests were ordered. His serum uric acid level was elevated at 8.0 mg/L (NL7.0 mg/L). The man recalled that his father and his grandfather, both of whom were alcoholics, often complained of joint pain and swelling in their feet.A CASE STUDY : GOUT The doctor recommend

10、ed that the man use NSAIDs for pain and swelling, increase his fluid intake (but not with alcohol) and rest and elevate his foot. He also prescribed allopurinol (别嘌呤醇别嘌呤醇). A few days later the condition had resolved and allopurinol had been stopped. A repeat uric acid level was obtained (7.1 mg/L).

11、 The doctor gave the man some advice regarding life style changes.Gout Impaired excretion or overproduction of uric acid 尿酸排泄的削弱与过量产生 Uric acid crystals precipitate into joints (Gouty Arthritis), kidneys, ureters (stones) Xanthine oxidase （黄嘌呤氧化酶） inhibitors inhibit production of uric acid, and trea

12、t gout Allopurinol treatment hypoxanthine analog that binds to Xanthine Oxidase to decrease uric acid productionALLOPURINOL IS A XANTHINE OXIDASE INHIBITORA SUBSTRATE ANALOG IS CONVERTED TO AN INHIBITOR, IN THIS CASE A “SUICIDE-INHIBITOR”高嘌呤食物：豆苗、黄豆芽、芦笋、香菇、紫菜、动物内脏、鱼类高嘌呤食物：豆苗、黄豆芽、芦笋、香菇、紫菜、动物内脏、鱼类 腺苷脱

13、氨酶缺乏症Adenosine deaminase deficiency (ADA) ：一种严重的免疫缺陷症，腺苷脱氨酶的缺乏可使T淋巴细胞因代谢产物的累积而死亡，从而导致严重的联合性免疫缺陷症（SCID）。通常导致婴儿出生几个月后死亡。 治疗痛风新药研发治疗痛风新药研发饮酒与痛风饮酒与痛风酒精在体内代谢产生乳酸，而血液乳酸水平的提高将抑制肾脏对尿酸的 排泄。啤酒中含有大量的嘌呤，饮酒相当于摄入了高嘌呤食物。饥饿状态下，体内代谢的调节可增加尿酸的形成进而影响尿酸的水平。机 理：治 疗：采取有效的药物治疗合理控制饮食 多吃碱性食物和蔬菜 少喝啤酒 多饮水，少喝汤（汤里存在大量的嘌呤）规律而健康的生

14、活习惯适当参加体育及户外运动Adenosine Deaminase Deficiency In purine degradation, adenosine inosine Enzyme is Adenosine Deaminase (ADA) ADA deficiency results in SCID Severe Combined Immunodeficiency Selectively kills lymphocytes Both B- and T-cells Mediate much of immune response脱氨酶H2OH2ONH3环化水化酶NNHNH2ONHNHOO二氢尿

15、嘧啶还原酶NADP+NADPH+H+NHNHOOH2NCHNH2CH2CCOOHO尿基丙酸尿基丙酸酶H2OH2NH2CH2CCOOH丙氨酸+ NH3+CO2CytosineUracilNNHNH2O5-甲基胞嘧啶脱氨酶H2ONH3H3CNHNHOOH3C脱氢酶NADP+NADPH+H+胸腺嘧啶NHNHOOH3C二氢尿嘧啶二氢胸腺嘧啶H2O环化水化酶H2NCHNH2C CHCOOHO尿基异丁酸尿基异丁酸酶H2OH2NH2C CHCOOH氨基异丁酸+ NH3+CO2CH3CH3嘧啶的分解代谢嘧啶的分解代谢胞嘧啶和尿嘧啶的分解代谢胞嘧啶和尿嘧啶的分解代谢 胞嘧啶胞嘧啶尿嘧啶尿嘧啶二氢尿嘧啶二氢尿嘧啶

16、-脲基丙酸脲基丙酸-丙氨酸丙氨酸胸腺嘧啶的分解代谢胸腺嘧啶的分解代谢-脲基异丁酸脲基异丁酸 -氨基异丁酸氨基异丁酸二氢胸腺嘧啶二氢胸腺嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶胞嘧啶NH3尿嘧啶尿嘧啶二氢尿嘧啶二氢尿嘧啶 H2OCO2 + NH3-丙氨酸丙氨酸胸腺嘧啶胸腺嘧啶-脲基异丁酸脲基异丁酸-氨基异丁酸氨基异丁酸H2O丙二酸单酰丙二酸单酰CoA乙酰乙酰CoATCA肝肝尿素尿素甲基丙二酸单酰甲基丙二酸单酰CoA琥珀酰琥珀酰CoATCA糖异生糖异生胸腺嘧啶的分解代谢胸腺嘧啶的分解代谢甲基丙酰半醛第三部分核苷酸的生物合成嘌呤核糖核苷酸的生物合成嘌呤核糖核苷酸的生物合成Bases/Nucleosides/Nuc

17、leotides BaseBase + Sugar=NucleosideBase + Sugar + Phosphate=NucleotideAdenineDeoxyadenosineDeoxyadenosine 5-triphosphate(dATP) 概述： 从头合成基本途径 半合成（补救合成）（CO2/NH3/AA/戊糖） 核糖核苷酸分解的现成嘌呤、嘧啶ATP核苷酸合成的两条途径核苷酸合成的两条途径核糖、氨基酸、CO2、NH3核糖核苷酸脱氧核苷酸辅酶RNA核苷碱基脱氧核苷DNA嘌呤核苷酸环上原子来源嘌呤核苷酸环上原子来源嘌呤核糖核苷酸的合成嘌呤核糖核苷酸的合成次黄嘌呤核苷酸的合成次黄嘌呤

18、核苷酸的合成 各种嘌呤核苷酸的合成是先合成各种嘌呤核苷酸的合成是先合成次黄嘌呤次黄嘌呤核苷酸核苷酸，再转变成各种嘌呤核苷酸。此途径叫，再转变成各种嘌呤核苷酸。此途径叫嘌呤核苷酸的从头合成途径嘌呤核苷酸的从头合成途径（de novo synthesis pathway）。 次黄嘌呤核苷酸的合成是在核糖上合成次次黄嘌呤核苷酸的合成是在核糖上合成次黄嘌呤的，而不是先合成次黄嘌呤，再与核糖黄嘌呤的，而不是先合成次黄嘌呤，再与核糖结合的。结合的。嘌呤核苷酸的合成嘌呤核苷酸的合成OHHHHOOHHHOCH2POHOOH5-磷酸核糖OHHHOOHHHOCH2POHOOH磷酸核糖焦磷酸酶ATPAMP5-磷酸核

19、糖-1-焦磷酸(PRPP)POPOOHOHOOHH2OPPi谷酰胺谷氨酸HHHOOHHHOCH2POHOOHNH25-磷酸核糖胺ATPADP+Pi甘氨酸HHHOOHHHOCH2POHOOHNHCH2CNH2O甘氨酰胺核苷酸嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢谷氨酰胺提供谷氨酰胺提供N9N9甘氨酸提供甘氨酸提供C4C4，5 5和和N7N7嘌呤核苷酸的合成嘌呤核苷酸的合成N5,N10-甲炔FH4FH4ATPADP+PiHHHOOHHHOCH2POHOOHNHCH2CNH2O甘氨酰胺核苷酸HHHOOHHHOCH2POHOOHNHCH2CHNO甲酰甘氨酰胺核苷酸CHOATPADP+Pi谷酰胺谷氨酸

20、HHHOOHHHOCH2POHOOHNHCH2CHNHN甲酰甘氨酰胺咪唑核苷酸CHOHHHOOHHHOCH2POHOOHNCHCNH2NCH5-氨基咪唑核苷酸嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢一碳单位提供一碳单位提供C8C8谷氨酰胺提供谷氨酰胺提供N3N3N10-甲酰甲酰FH4N10-甲酰FH4FH4CO2ATPADP+PiHHHOOHHHOCH2POHOOHNCHCNH2NCH5-氨基咪唑核苷酸HHHOOHHHOCH2POHOOHNCCNH2NCH5-氨基-4-羧基咪唑核苷酸门冬氨酸HHHOOHHHOCH2POHOOHNCCNH2NCH5-氨基-4-氨甲酰咪唑核苷酸COOHCOHNCC

21、OOHHCH2HOOC延胡索酸HHHOOHHHOCH2POHOOHNCCNH2NCHCOH2N5-甲酰氨-4-氨甲酰咪唑核苷酸HHHOOHHHOCH2POHOOHNCCNHNCHCOH2NCOHHHHOOHHHOCH2POHOOHNCCNNCHCOHNHC次黄嘌呤核苷酸嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢CO2CO2提供提供C6C6天冬氨酸提供天冬氨酸提供N1N1一碳单位提供一碳单位提供C2C2HHHOOHHHOCH2POHOOHNCCNNCHCOHNHC次黄嘌呤核苷酸HHHOOHHHOCH2POHOOHNCCNNCHCHHNHNHCHHHOOHHHOCH2POHOOHNCCNNCHCOH

22、NCNNNNNH2OOHOHHHHHOH2PNHNNONH2NOOHHHHHOHOH2PGTPGDP+Pi门冬氨酸NAD+NADH+H+H2OATPADP+Pi谷酰胺谷氨酸延胡索酸HO黄嘌呤腺苷酸代琥珀酸CHH2CCOOHCOOHAMPGMP嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢天冬氨酸提供天冬氨酸提供C6C6上的氨基上的氨基谷氨酰胺提供谷氨酰胺提供C2C2上的氨基上的氨基AMP一磷酸核苷激酶ATPADPADP二磷酸核苷激酶ATPADPATPGMP一磷酸核苷激酶ATPADPGDP二磷酸核苷激酶ATPADPGTPATP和和GTP的合成的合成嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢核苷酸合成的补

23、救途径核苷酸合成的补救途径 生物体内除了能以简单前体物质生物体内除了能以简单前体物质“从头合成从头合成”（de novo synthesis）核苷酸外，还能利用预先形成）核苷酸外，还能利用预先形成的碱基和核糖合成核苷酸。这个途径称为的碱基和核糖合成核苷酸。这个途径称为“补救途补救途径径”（salvage pathway）。）。嘌呤核苷酸合成的补救途径嘌呤核苷酸合成的补救途径核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶腺苷激酶腺苷激酶磷酸核糖转移酶磷酸核糖转移酶磷酸核糖转移酶磷酸核糖转移酶只有腺苷激酶，其只有腺苷激酶，其他核苷酸只能按以他核苷酸只能按以下反应产生。下反应产生。（A）（B）腺苷酸焦磷酸化酶NNNHNN

24、H2NNNNNH2OOHOHHHHHOPHOOHOOHHHOOHHHOCH2POHOOHPOPOOHOHOOH+POPOOHOHOOHHO嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢PRPP补救途径补救途径5 5磷酸核糖焦磷酸磷酸核糖焦磷酸腺嘌呤腺嘌呤腺嘌呤磷酸核糖转移酶嘌呤核苷酸合成特点嘌呤核苷酸合成特点先形成先形成IMP(次黄嘌呤核苷酸次黄嘌呤核苷酸)，然后在单磷酸的水平上，然后在单磷酸的水平上转变成转变成AMP、GMP。IMP合成从合成从5 -P-核糖开始的，在核糖开始的，在ATP参与下先形成参与下先形成PRPP(5-磷酸核糖焦磷酸磷酸核糖焦磷酸)嘌呤的各个原子是在嘌呤的各个原子是在PRPP

25、的的C1上逐渐加上去的。由上逐渐加上去的。由Asp、Gln、 Gly、甲酸、甲酸、CO2 提供提供N和和C ，合成时先形，合成时先形成右环，再形成左环。成右环，再形成左环。四氢叶酸（四氢叶酸（FH4）是一碳单位的载体）是一碳单位的载体 嘌呤核苷酸生物合成的调节嘌呤核苷酸生物合成的调节别构酶：受终产物抑制；别构酶：受终产物抑制；受终产物抑制受终产物抑制受终产物抑制受终产物抑制Nucleotide Metabolism PURINE RIBONUCLEOTIDES: formed de novo i.e., purines are not initially synthesized as free

26、 bases First purine derivative formed is Inosine Mono-phosphate (IMP) The purine base is hypoxanthine AMP and GMP are formed from IMPDe novo synthesis5-5-磷酸核糖磷酸核糖胺胺,PRA,PRA甘氨酰胺甘氨酰胺核苷酸核苷酸甲酰甲酰甘氨酰胺核苷酸甘氨酰胺核苷酸甲酰甘氨甲酰甘氨咪咪核苷酸核苷酸5-5-氨基氨基咪唑咪唑核苷酸核苷酸5-5-氨基氨基-4-4-羧酸咪唑核苷酸羧酸咪唑核苷酸5-5-氨基咪唑氨基咪唑-4-(N-4-(N-琥珀酸琥珀酸) )- -

27、氨甲酰氨甲酰核苷酸核苷酸5-5-氨基咪唑氨基咪唑-4-4-氨甲酰氨甲酰核苷酸核苷酸5-甲酰胺甲酰胺-4-氨甲酰咪唑氨甲酰咪唑核苷酸核苷酸Synthesis of AMP and GMP延胡索酸延胡索酸kinaseADPkinaseADPATPATPADPAMPATPkinaseGDPkinaseADPGTPATPADPGMPATPPurine Salvage Adenine phosphoribosyl transferase (APRT) Adenine + PRPP AMP + PPi Hypoxanthine-Guanine phosphoribosyl transferase (HGP

28、RT)Hypoxanthine + PRPP IMP + PPiGuanine + PRPP GMP + PPi (NOTE: THESE ARE ALL REVERSIBLE REACTIONS) Purine Nucleotide Synthesis at a Glance ATP is involved in 6 steps PRPP in the first step of Purine synthesis is also a precursor for Pyrimidine Synthesis, His and Trp synthesisRegulatory Control of P

29、urine Nucleotide Biosynthesis GTP is involved in AMP synthesis and ATP is involved in GMP synthesis (reciprocal control of production) PRPP is a biosynthetically “central” molecule Rate of AMP production increases with increasing concentrations of GTP; rate of GMP production increases with increasin

30、g concentrations of ATPIntracellular Purine Catabolism Nucleotides broken into nucleosides by action of 5-nucleotidase (hydrolysis reactions) Purine nucleoside phosphorylase (PNP) Inosine Hypoxanthine Xanthosine Xanthine Guanosine Guanine Ribose-1-phosphate splits off Can be isomerized to ribose-5-p

31、hosphate Adenosine is deaminated to Inosine (ADA)Intracellular Purine Catabolism Xanthine is the point of convergence for the metabolism of the purine bases Xanthine Uric acid Xanthine oxidase catalyzes two reactions雷雷-纳（二氏）综合症纳（二氏）综合症 LeschNyhan syndrome 1964年首由Lesch和Nyhan二氏报道的一种先天性的代谢疾病。表现为血高尿酸症、高

32、度智力障碍、脑源性麻痹、自伤症（自我咬伤）等的伴性遗传性疾病伴性遗传性疾病。 发病的本质是基于组织中缺少与嘌呤有关的一种酶嘌呤有关的一种酶次次黄嘌呤鸟嘌呤转磷酸核糖基酶黄嘌呤鸟嘌呤转磷酸核糖基酶（hypoxanthine（guanine）phosphoribosyltransferase，HGPRT），鸟嘌呤和次黄嘌呤补救途径障碍，导致产生过量的尿酸，导致肾结石和痛风。 自我咬伤是咬自己的手指、嘴唇、颊部的一种怪癖，可作本症的一种重要特征。对于诊断原因不明的脑源性麻痹的男性病例中，在怀疑为本症时，测定其尿中和血中的尿酸是必要的。Lesch-Nyhan Syndrome A defect in

33、production or activity of HGPRT Hypoxanthine-Guanine phosphoribosyl transferase Hypoxanthine + PRPP IMP + PPi Causes increased level of Hypoxanthine and Guanine ( in degradation to uric acid) Causes gout-like symptoms, but also neurological symptoms spasticity, aggressiveness, self-mutilation 痉挛 具有侵

34、略性 自我伤害 First neuropsychiatric abnormality that was attributed to a single enzyme嘧啶核糖核苷酸的生物合成嘧啶核糖核苷酸的生物合成 嘧啶核苷酸的嘧啶环是由嘧啶核苷酸的嘧啶环是由氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸和和天冬天冬氨酸氨酸合成的合成的。氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸天冬氨酸天冬氨酸嘧啶核苷酸的生物合成嘧啶核苷酸的生物合成嘧啶核苷酸合成特点：其合成与嘌呤核嘧啶核苷酸合成特点：其合成与嘌呤核苷酸的合成不同，先由苷酸的合成不同，先由氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸与与天冬天冬氨酸氨酸形成形成嘧啶环嘧啶环，再与，再与5-磷酸核糖焦磷酸磷酸核糖焦磷酸（

35、PRPP）结合形成）结合形成 UMP，其关键的中间，其关键的中间产物是产物是乳清酸乳清酸。胞苷酸胞苷酸则由则由尿苷酸尿苷酸在三磷在三磷酸的水平上转变而来。酸的水平上转变而来。嘧啶环碳原子和氮原子的来源嘧啶环碳原子和氮原子的来源嘧啶核苷酸的合成代谢嘧啶核苷酸的合成代谢天冬氨酸氨基甲酰磷酸的合成氨基甲酰磷酸的合成CO2 +H2NCH CCH2OHOCH2CNH2O氨基甲酰磷酸合成酶II2ATP2ADP+PiH2NCH CCH2OHOCH2COHO+NH2COOPOOHOHGluGln氨基甲酰磷酸CO2CO2提供提供C2C2，GlnGln提供提供N3N3嘧啶核苷酸的合成代谢嘧啶核苷酸的合成代谢乳清酸

36、的合成乳清酸的合成NH2COOPOOHOH氨基甲酰磷酸H2NCH CCH2OHOCOHO+Asp门冬氨酸氨基甲酰转移酶PiCH2CHNHCNH2OCOOHOOH氨基甲酰门冬氨酸二氢乳清酸酶H2OCH2CHNHCHNOCOOHO二氢乳清酸脱氢酶NAD+NADH+H+CHCNHCHNOCOOHO二氢乳清酸乳清酸嘧啶核苷酸的合成代谢嘧啶核苷酸的合成代谢嘧啶核苷酸的合成代谢嘧啶核苷酸的合成代谢脱 羧 酶CO2乳 清 酸 核 苷焦 磷 酸 化 酶PRPPPPiCHCNHCHNOCOOHO乳 清 酸CHCNCHNOCOOHOOOHOHHHHHOP-OO-ONHOONOOHOHHHHHOP-OO-O乳 清

37、酸 核 苷 酸尿 苷 酸UMP一 磷 酸 核 苷 激 酶ATPADPUDP二 磷 酸 核 苷 激 酶ATPADPUTPC T P 合 成 酶 ,M g 2 +ATPADP+PiNHOONOOHOHHHHHOPOOHOPHOOHOPOOHOGlnGluNHNH2ONOOHOHHHHHOPOOHOPHOOHOPOOHOUTPCTP脱羧酶CO2乳清酸核苷焦磷酸化酶PRPPPPiCHCNHCHNOCOOHO乳清酸CHCNCHNOCOOHOOOHOHHHHHOP-OO-ONHOONOOHOHHHHHOP-OO-O乳清酸核苷酸尿苷酸UMP一磷酸核苷激酶ATPADPUDP二磷酸核苷激酶ATPADPUTPC

38、T P 合成酶, M g 2 +ATPADP+PiNHOONOOHOHHHHHOPOOHOPHOOHOPOOHOGlnGluNHNH2ONOOHOHHHHHOPOOHOPHOOHOPOOHOUTPCTP嘧啶核苷酸的合成代谢嘧啶核苷酸的合成代谢ATPATP提供能量提供能量嘧啶核苷酸合成的补救途径嘧啶核苷酸合成的补救途径UMP磷酸核糖磷酸核糖转移酶转移酶尿苷磷酸化酶尿苷磷酸化酶尿苷激酶尿苷激酶胞苷激酶胞苷激酶胞嘧啶一般只参与嘧啶核苷激酶催化的这种途径胞嘧啶一般只参与嘧啶核苷激酶催化的这种途径(A)(B)NHNHOONHOONOOHOHHHHHOP-OO-OUMPNHOONOOHOHHHHHHO尿苷

39、尿苷激酶尿苷磷酸化 酶焦磷酸酶HHHOOHHHOCH2OHPOOOH核糖-1-磷酸HOPiATPADPOHHHOOHHHOCH2POHOOHPOPOOHOHOOHPRPP嘧啶核苷酸的合成代谢嘧啶核苷酸的合成代谢Pyrimidine Ribonucleotide Synthesis Uridine Monophosphate (UMP) is synthesized first CTP is synthesized from UTP Pyrimidine ring synthesis completed first; then attached to ribose-5-phosphateN1,

40、C4, C5, C6 : AspartateC2 : HCO3-N3 : Glutamine amide Nitrogen2 ATP + HCO3- + Glutamine + H2OCOOPO3-2NH2Carbamoyl PhosphateNH2CNHCHCH2CCOOOHOOCarbamoyl AspartateHNCNHCHCH2CCOOOODihydroorotateHNCNHCCHCCOOOOOrotateHNCNCCHCCOOOOHHCH2OHOHHHOO2-O3POrotidine-5-monophosphate(OMP)HNCNCHCHCOOHHCH2OHOHHHOO2-O3

41、PUridine Monophosphate(UMP)2 ADP +Glutamate + PiCarbamoylPhosphateSynthetase IIAspartateTranscarbamoylase(ATCase)AspartatePiH2ODihydroorotaseQuinoneReducedQuinoneDihydroorotateDehydrogenasePRPPPPiOrotate PhosphoribosylTransferaseCO2OMP DecarboxylasePyrimidine SynthesisUMP Synthesis Overview 2 ATPs n

42、eeded: both used in first step One transfers phosphate, the other is hydrolyzed to ADP and Pi 2 condensation: form carbamoyl aspartate and dihydroorotate (intramolecular) Attachment of base to ribose ring is catalyzed by OPRT; PRPP provides ribose-5-P PPi splits off PRPP irreversible嘧啶核苷酸合成的调节嘧啶核苷酸合

43、成的调节氨甲酰磷酸合成酶氨甲酰磷酸合成酶天冬氨酸转氨甲酰酶天冬氨酸转氨甲酰酶CTPCTP合成酶合成酶乳清酸尿症乳清酸尿症(Oroticaciduria) 乳清酸尿症是一种遗传性疾病，主要表现为尿中排出乳清酸尿症是一种遗传性疾病，主要表现为尿中排出大量乳清酸、生长迟缓和重度贫血。是由于催化嘧啶核苷大量乳清酸、生长迟缓和重度贫血。是由于催化嘧啶核苷酸从头合成反应酸从头合成反应(5)(5)和和(6)(6)的双功能酶的双功能酶( (乳清酸磷酸核糖转乳清酸磷酸核糖转移酶（移酶（OPRTOPRT）和乳清酸脱羧酶（）和乳清酸脱羧酶（OMPOMP脱羧酶）脱羧酶）) ) 的基因缺的基因缺陷所致。临床用尿苷或胞苷

44、治疗。尿苷经磷酸化可生成陷所致。临床用尿苷或胞苷治疗。尿苷经磷酸化可生成UMPUMP，抑制，抑制CPS(CPS(氨基甲酰磷酸合成酶）氨基甲酰磷酸合成酶）活性，从而抑制活性，从而抑制嘧啶核苷酸的从头合成，从而避免乳清酸在体内的积累。嘧啶核苷酸的从头合成，从而避免乳清酸在体内的积累。 Orotic Aciduria Caused by defect in protein chain with enzyme activities of last two steps of pyrimidine synthesis Increased excretion of orotic acid in urine

45、Symptoms: retarded growth; severe anemia Only known inherited defect in this pathway (all others would be lethal to fetus) Treat with uridine/cytidine 脱氧核糖核苷酸的生物合成脱氧核糖核苷酸的生物合成脱氧核糖核苷酸的合成脱氧核糖核苷酸的合成 脱氧核糖核苷酸是由脱氧核糖核苷酸是由核糖核苷酸还原产生核糖核苷酸还原产生的。在生物体内，腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和的。在生物体内，腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶四种核糖核苷酸都可以被还原成相应的尿嘧啶四种核糖核

46、苷酸都可以被还原成相应的脱氧核糖核苷酸。催化此反应的酶称为脱氧核糖核苷酸。催化此反应的酶称为核糖核核糖核苷酸还原酶苷酸还原酶。大肠杆菌核糖核苷酸还原酶大肠杆菌核糖核苷酸还原酶 核糖核苷酸还原酶由核糖核苷酸还原酶由R1和和R2两个亚基组成，它们分开两个亚基组成，它们分开时没有活性，只有合在一起并有时没有活性，只有合在一起并有镁离子镁离子存在时才有活性。存在时才有活性。 R1亚基含有两条相同的多肽链，每条多肽链上有亚基含有两条相同的多肽链，每条多肽链上有两个两个别构调节位点别构调节位点。一个调节位点结合效应物后影响对底物的。一个调节位点结合效应物后影响对底物的特异性，另一个调节位点结合效应物后调节

47、酶的活性，每特异性，另一个调节位点结合效应物后调节酶的活性，每条肽链上还含有一对参与催化氧化还原反应的条肽链上还含有一对参与催化氧化还原反应的巯基巯基。每个。每个R2亚基亚基均含有参与催化氧化还原反应的均含有参与催化氧化还原反应的酪氨酸酪氨酸。核糖核苷酸还原酶示意图核糖核苷酸还原酶示意图底物特异性底物特异性调节位点调节位点酶活性调节酶活性调节位点位点活性位点活性位点R1R1亚基亚基R2R2亚基亚基一对巯基和一个一对巯基和一个酪氨酸酪氨酸推进推进UDPUDP和和CDPCDP的还原的还原推进推进GDPGDP和和ADPADP的还原的还原别构效应物别构效应物硫氧还蛋白硫氧还蛋白核糖核酸还原酶系核糖核酸

48、还原酶系硫氧还蛋白还原酶硫氧还蛋白还原酶核糖核苷酸还原酶核糖核苷酸还原酶核糖核苷酸的还原反应核糖核苷酸的还原反应核糖核苷酸还原酶核糖核苷酸还原酶NADP+NADPH+H+硫氧还蛋白硫氧还蛋白还原酶还原酶FADATP 、Mg2+硫氧还蛋白硫氧还蛋白（还原型）（还原型）SHSH硫氧还蛋白硫氧还蛋白（氧化型）（氧化型）SSOP-P-CH2NOHOH核糖核苷二磷酸核糖核苷二磷酸OP-P-CH2NOHH+ H2O脱氧核糖核苷二磷酸脱氧核糖核苷二磷酸Formation of Deoxyribonucleotidesoxidizedreduced核糖核苷酸还原酶催化反应时的氢传递过程核糖核苷酸还原酶催化反应

49、时的氢传递过程脱氧胸腺嘧啶核苷酸的合成脱氧胸腺嘧啶核苷酸的合成 胸腺嘧啶核苷酸合成酶胸腺嘧啶核苷酸合成酶NADPH+H+SerNADP+Gly N5、N10CH2 FH4 FH2二氢叶酸二氢叶酸还原酶还原酶SerSer羟甲基羟甲基转移酶转移酶ONHNOdR-PCH3ONHNOdR-PCOHNCCHCHNOdR-5-PdUMPCOHNCC-CH3CHNOdR-5-PdTMP synthaseFH2N5,N10- methylene FH4FH4DHFRNADPH+H+NADP+dTMPkinasedTDPkinaseADPdTTPATPADPdTMPATPThymidylate synthase

50、 methylates dUMP at 5-position to make dTMPN5,N10-methylene THF is 1-C donorSynthesis of the Thymine Nucleotides叶酸和四氢叶酸（叶酸和四氢叶酸（FH4）叶叶酸酸四四氢氢叶叶酸酸HH105核苷酸合成的其他反应核苷酸合成的其他反应AMPAMP激酶激酶核苷二磷酸核苷二磷酸激酶激酶脱氧核糖基转移酶脱氧核糖基转移酶有有4 4种针对不同种针对不同NMPNMP的激酶的激酶此酶特异性不强此酶特异性不强此酶可以使碱基与脱氧核苷上的碱基交换此酶可以使碱基与脱氧核苷上的碱基交换 嘌呤类似物（嘌呤类似物（6

51、-6-巯基嘌呤）：可抑制巯基嘌呤）：可抑制AMPAMP、GMPGMP的生成的生成 谷胺酰胺类似物（氮杂丝氨酸）：可抑制谷胺酰胺类似物（氮杂丝氨酸）：可抑制IMPIMP的合成中有谷胺酰胺参与的反应的合成中有谷胺酰胺参与的反应 叶酸类似物（氨基蝶呤、氨甲喋呤）：可抑制叶酸类似物（氨基蝶呤、氨甲喋呤）：可抑制IMPIMP合成中有四氢叶酸参与的反应合成中有四氢叶酸参与的反应临床上几种抗癌药物的作用机理嘌呤核苷酸的抗代谢物嘌呤核苷酸的抗代谢物嘌呤类似物嘌呤类似物: :8-8-氮杂次黄嘌呤氮杂次黄嘌呤N OHNNNHN SHNNNHN SHNNNHH2NN OHNNNHN6-6-巯基鸟嘌呤巯基鸟嘌呤次黄嘌

52、呤次黄嘌呤6-6-巯基嘌呤巯基嘌呤（6-MP）氨基酸类似物氨基酸类似物 抑制有谷氨酰胺参与的反应抑制有谷氨酰胺参与的反应H2NCCH2CH2CHCOOHONH2N+ NCH2COCH2CHCOOHONH2N+ NCH2CCH2CH2CHCOOHONH2谷氨酰胺谷氨酰胺氮杂丝氨酸（重氮乙酰丝氨酸）氮杂丝氨酸（重氮乙酰丝氨酸）6-6-重氮重氮-5-5-氧正亮氨酸氧正亮氨酸叶酸类似物叶酸类似物 抑制有一碳单位参与的反应抑制有一碳单位参与的反应R=HR=H，氨基喋呤，氨基喋呤R=CHR=CH3 3，氨甲喋呤氨甲喋呤N NH2NNNHH2NCH2NRCNCHOCH2CH2COOHCOOHHNNCHCH2

53、NHCNCHOCH2CH2COOHCOOHHH2NNOHNH5,6,7,85,6,7,8四氢叶酸四氢叶酸核苷酸的抗代谢物核苷酸的抗代谢物次黄嘌呤次黄嘌呤(H)(H)6-6-巯基嘌呤巯基嘌呤(6-MP)(6-MP)甲酰甘氨酰甲酰甘氨酰胺核苷酸胺核苷酸（FGARFGAR）PRPP谷氨酰胺谷氨酰胺（Gln）=PRA甘氨酰胺甘氨酰胺核苷酸核苷酸（GARGAR）=甲酰甘氨甲酰甘氨脒核苷酸脒核苷酸（FGAMFGAM）5-5-氨基咪唑氨基咪唑- -4-4-氨甲酰核苷酸氨甲酰核苷酸（AICARAICAR）=5-5-甲酰胺基咪唑甲酰胺基咪唑- -4-4-氨甲酰核苷酸氨甲酰核苷酸（FAICARFAICAR）IMP

54、次黄嘌呤次黄嘌呤（H H）PRPPPPi=AMP=PRPPPPi=腺嘌呤（腺嘌呤（A）GMP=PRPPPPi鸟嘌呤鸟嘌呤(G)6-MP6-MP6-MP6-MP6-MP6-MP氮杂丝氨酸氮杂丝氨酸氮杂丝氨酸氮杂丝氨酸氮杂丝氨酸氮杂丝氨酸MTX（氨甲喋呤）（氨甲喋呤）MTX （氨甲喋呤）（氨甲喋呤） Analogs of pymidines /pymidine nucleosides:5-氟尿嘧啶5-Fu阿糖胞苷 Cytarabine 环胞苷Cyclocytidine NNHOOFHHOH2CHHHOOHHHOCCCNNCONH2HOH2CHHOHHHOCCCNNCNHHClOInhibitors

55、 of pymidines synthesis are cancer drugsUMPUTPCTPCDPdCDPUDPdUDPdUMPdTMP氮杂丝氨酸氮杂丝氨酸阿糖胞苷阿糖胞苷氨甲碟呤氨甲碟呤氮杂丝氨酸氮杂丝氨酸Deoxyribonucleotide Formation Purine/Pyrimidine degradation are the same for ribonucleotides and deoxyribonucleotides Biosynthetic pathways are only for ribonucleotide production Deoxyribonucle

56、otides are synthesized from corresponding ribonucleotides Formation of Deoxyribonucleotides Reduction of 2 carbon done via a free radical mechanism catalyzed by “Ribonucleotide Reductases” E. coli RNR reduces ribonucleoside diphosphates (NDPs) to deoxyribonucleoside diphosphates (dNDPs) Two subunits

57、: R1 and R2 A Heterotetramer: (R1)2 and (R2)2 in vitro RIBONUCLEOTIDE REDUCTASE R1 SUBUNIT Two allosteric sites Specificity Site Activity Site Four redox-active SH groups from cysteines R2 SUBUNIT Tyr 122 radical Binuclear Fe(III) complexThe R2 dimer of ribonucleotide reductase, with a Tyr radical a

58、nd a Fe3+-Fe3+ binuclear center.Tyr radicalFe3+-Fe3+Mechanism of Ribonucleotide Reductase Reaction Free Radical Involvement of multiple SH groups RR is left with a disulfide group that must be reduced to return to the original enzymeThioredoxin （硫氧还蛋白）（硫氧还蛋白） Physiologic reducing agent of RNR Cys pa

59、ir can swap H atoms with disulfide formed regenerate original enzyme Thioredoxin gets oxidized to disulfideOxidized Thioredoxin gets reduced by thioredoxin reductase mediatedby NADPH (final electron acceptor)Thymine Formation Formed by methylating deoxyuridine monophosphate (dUMP) UTP is needed for

60、RNA production, but dUTP not needed for DNA If dUTP produced excessively, would cause substitution errors (dUTP for dTTP) dUTP hydrolyzed by dUTPase (dUTP diphosphohydrolase) to dUMP methylated at C5 to form dTMPrephosphorylate to form dTTPTetrahydrofolate (THF) Methylation of dUMP catalyzed by thym