08核苷酸代谢

1、第第 八八 章章核核 苷苷 酸酸 代代 谢谢Metabolism of NucleotidesThe Department of Biochemistry and Molecular Biology, CMU核苷酸核苷酸l核酸的基本结构单位；核酸的基本结构单位；l不属于营养必需物质；不属于营养必需物质；l细胞中主要以细胞中主要以5-核苷酸形式存在；核苷酸形式存在；l具有多种生物学功能。具有多种生物学功能。l核酸的消化与吸收核酸的消化与吸收概概 述述食物核蛋白食物核蛋白蛋白质蛋白质核酸（核酸（RNA及及DNA）胃酸胃酸核苷酸核苷酸胰核酸酶胰核酸酶核苷核苷磷酸磷酸胰、肠核苷酸酶胰、肠核苷酸酶碱基碱

2、基戊糖戊糖核苷酶核苷酶l核酸的分解代谢产物核苷酸、核苷、碱基、戊核酸的分解代谢产物核苷酸、核苷、碱基、戊糖和磷酸既可以参加合成代谢，也可以进一步糖和磷酸既可以参加合成代谢，也可以进一步分解。分解。l细胞中的细胞中的DNA代谢相对稳定，而代谢相对稳定，而RNA代谢活跃。代谢活跃。核苷酸的生理功能核苷酸的生理功能 l作为核酸合成的原料作为核酸合成的原料: dATP, dGTP ,dCTP, dTTPDNA的合成原的合成原料；料；ATP,GTP,CTP,UTP RNA的合成原料。的合成原料。l体内能量的利用形式：体内能量的利用形式：ATP、GTP（蛋白质合（蛋白质合成）、成）、UTP（糖原合成）、（

3、糖原合成）、CTP（磷脂合成）（磷脂合成） l参与代谢和生理调节：如参与代谢和生理调节：如cAMP是第二信使，是第二信使，也作为效应剂参与调节。也作为效应剂参与调节。AMP、ADP、ATP均均可作为效应剂。可作为效应剂。 l构成辅酶：腺苷酸可参与组成构成辅酶：腺苷酸可参与组成NAD、FAD、辅酶辅酶A等。等。l活化中间代谢物：如活化中间代谢物：如UDPG、CDP胆碱等、胆碱等、SAM、PAPS等。等。 核苷酸代谢概况核苷酸代谢概况l 合成代谢合成代谢从头合成途径从头合成途径(de novo synthesis pathway)补救合成途径补救合成途径(salvage synthesis pat

4、hway)l 分解代谢分解代谢从头合成途径从头合成途径l概念：概念：l利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位和利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位和CO2 等简等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成核单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成核苷酸的途径。苷酸的途径。l这是这是主要主要合成途径。合成途径。l主要在肝脏进行。主要在肝脏进行。补救合成途径补救合成途径l概念：概念：l利用游离的碱基或核苷，经过简单的反应过程，利用游离的碱基或核苷，经过简单的反应过程，合成核苷酸的途径。合成核苷酸的途径。l这是次要合成途径。这是次要合成途径。l脑、骨髓等只能进行此途径。脑、骨髓等只能进行此途径。第一节第一节 嘌呤核苷

5、酸的代谢嘌呤核苷酸的代谢Metabolism of Purine Nucleotides嘌呤核苷酸的结构GMPAMP一、嘌呤核苷酸的合成代谢一、嘌呤核苷酸的合成代谢l从头合成途径从头合成途径l(de novo synthesis pathway)l补救合成途径补救合成途径l(salvage synthesis pathway) （一）嘌呤核苷酸的从头合成（一）嘌呤核苷酸的从头合成l概念概念l嘌呤核苷酸的嘌呤核苷酸的从头合成途径从头合成途径是指利用磷酸核糖、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，合成嘌呤核苷酸的料

6、，经过一系列酶促反应，合成嘌呤核苷酸的途径。途径。l合成部位合成部位l 肝是体内从头合成嘌呤核苷酸的主要器官，其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，而次是小肠和胸腺，而脑、骨髓脑、骨髓则无法进行此合则无法进行此合成途径。成途径。CO2天冬氨酸天冬氨酸甲酰基甲酰基（一碳单位）（一碳单位）甘氨酸甘氨酸甲酰基甲酰基（一碳单位）（一碳单位）谷氨酰胺谷氨酰胺（酰胺基）（酰胺基）嘌呤碱合成的元素来源嘌呤碱合成的元素来源过程过程l1. IMP的合成的合成l2. AMP和和GMP的生成的生成R-5-P（5-磷酸核糖）磷酸核糖）ATPAMPPRPP合成酶合成酶PP-1-R-5-P（磷酸核糖焦

7、磷酸）（磷酸核糖焦磷酸）在谷氨酰胺、甘氨酸、在谷氨酰胺、甘氨酸、一碳单位、二氧化碳及一碳单位、二氧化碳及天冬氨酸的逐步参与下天冬氨酸的逐步参与下IMP AMP GMPH2N-1-R-5 -P（5 -磷酸核糖胺）磷酸核糖胺）谷氨酰胺谷氨酰胺谷氨酸谷氨酸酰胺转移酶酰胺转移酶1. IMP的合成过程的合成过程 磷酸核糖酰胺转移酶磷酸核糖酰胺转移酶 GAR合成酶合成酶 转甲酰基酶转甲酰基酶 FGAM合成酶合成酶 AIR合成酶合成酶IMP生成总反应过程生成总反应过程IMP的合成要点：的合成要点：l在磷酸核糖分子上逐步合成嘌呤环；在磷酸核糖分子上逐步合成嘌呤环；lPRPP是重要的中间代谢物，它不仅参与嘌呤是

8、重要的中间代谢物，它不仅参与嘌呤核苷酸的从头合成，而且参与嘧啶核苷酸的从核苷酸的从头合成，而且参与嘧啶核苷酸的从头合成及两类核苷酸的补救合成。是头合成及两类核苷酸的补救合成。是5-磷酸核磷酸核糖的活性供体；糖的活性供体；lPRPP合成酶合成酶和和酰胺转移酶酰胺转移酶为关键酶。为关键酶。2、AMP和和GMP的生成的生成腺苷酸代琥珀酸合成酶腺苷酸代琥珀酸合成酶 IMP脱氢酶脱氢酶腺苷酸代琥珀酸裂解酶腺苷酸代琥珀酸裂解酶 GMP合成酶合成酶AMPADPATPADPATP激酶激酶ADPATP激酶激酶GMPGDPGTPADPATP激酶激酶ADPATP激酶激酶嘌呤核苷酸从头合成特点嘌呤核苷酸从头合成特点l

9、嘌呤核苷酸是在磷酸核糖分子上逐步合成的。嘌呤核苷酸是在磷酸核糖分子上逐步合成的。lIMP的合成需的合成需5个个ATP，6个高能磷酸键。个高能磷酸键。lAMP或或GMP的合成又需的合成又需1个个GTP或或1个个ATP。R-5-PATPPRPP合成酶合成酶PRPP酰胺转移酶酰胺转移酶PRAIMP腺苷酸代腺苷酸代琥珀酸琥珀酸AMP ADPATPXMPGMPGDP GTP+_IMP腺苷酸代腺苷酸代琥珀酸琥珀酸XMPAMPADPATPGMPGDPGTPATPGTP_+从头合成的调节从头合成的调节调节方式：反馈调节和交叉调节调节方式：反馈调节和交叉调节从头合成调节的意义：从头合成调节的意义：l既满足需要，

10、又不至于浪费；既满足需要，又不至于浪费；l维持维持ATP与与GTP的平衡。的平衡。（二）嘌呤核苷酸的补救合成途径（二）嘌呤核苷酸的补救合成途径l概念概念l利用体内游离的嘌呤或嘌呤核苷，经过简单的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，称为反应，合成嘌呤核苷酸的过程，称为补救合成补救合成（或重新利用）途径。（或重新利用）途径。参与补救合成的酶参与补救合成的酶l腺嘌呤磷酸核糖转移酶腺嘌呤磷酸核糖转移酶l(adenine phosphoribosyl transferase, APRT)l次黄嘌呤次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶鸟嘌呤磷酸核糖转移酶(hypoxanthine

11、- guanine phosphoribosyl transferase, HGPRT)l腺苷激酶腺苷激酶(adenosine kinase)腺嘌呤腺嘌呤 + PRPPAMP + PPiAPRT次黄嘌呤次黄嘌呤 + PRPPIMP + PPiHGPRT鸟嘌呤鸟嘌呤 + PRPPHGPRTGMP + PPi腺嘌呤核苷腺嘌呤核苷腺苷激酶腺苷激酶ATPADPAMP合成过程合成过程补救合成的生理意义补救合成的生理意义l补救合成节省从头合成时的能量和一些氨基酸补救合成节省从头合成时的能量和一些氨基酸的消耗。的消耗。l体内某些组织器官，如脑、骨髓等只能进行补体内某些组织器官，如脑、骨髓等只能进行补救合成。

12、救合成。lHGPRT基因缺失导致基因缺失导致自毁容貌综合症自毁容貌综合症。HGPRT缺陷引起缺陷引起Lesch Nyhan 综合征综合征l次黄嘌呤次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶（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，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，造成中枢神经系脑合成嘌呤核苷酸能力低下，造成中枢神经系统发育不良。统发育不良。l此综合征以高尿酸血症（此综合征以高尿酸血症（hyperuricemia）及）及神经系统症状为特征，又称自毁容貌症。神经系统症状为特征，又称自毁容貌症。（三）嘌呤核苷酸的相互转变IMPAMP腺苷酸代腺苷酸

13、代琥珀酸琥珀酸XMPGMPNH3腺苷酸脱氨酶腺苷酸脱氨酶鸟苷酸还原酶鸟苷酸还原酶NADPH+H+ NADP+NH3（四） 脱氧核糖核苷酸的生成在核苷二磷酸水平上进行在核苷二磷酸水平上进行（N代表代表A、G、U、C等碱基）等碱基）dNDP + ATP 激酶激酶dNTP + ADP二磷酸脱氧核苷二磷酸脱氧核苷NDPdNDP二磷酸核糖核苷二磷酸核糖核苷NADP+NADPH + H+核糖核苷酸还原酶，核糖核苷酸还原酶，Mg2+还原型硫氧化还原型硫氧化还原蛋白还原蛋白-(SH)2氧化型硫氧氧化型硫氧化还原蛋白化还原蛋白SS硫氧化还原蛋白还原酶硫氧化还原蛋白还原酶（FAD）脱氧核苷酸的生成脱氧核苷酸的生成

14、l核糖核苷酸还原酶是一种变构酶，包括核糖核苷酸还原酶是一种变构酶，包括R1、R2两个亚基。只有两个亚基。只有R1与与R2结合时才具有活性。在结合时才具有活性。在DNA合成旺盛、分裂速度较快的细胞中，核糖合成旺盛、分裂速度较快的细胞中，核糖核苷酸还原酶体系活性较强。核苷酸还原酶体系活性较强。l为了使合成为了使合成DNA的的4种脱氧核苷酸得到适当的种脱氧核苷酸得到适当的比例，还可通过各种三磷酸核苷对还原酶的变比例，还可通过各种三磷酸核苷对还原酶的变构作用，来调节不同脱氧核苷酸的生成。构作用，来调节不同脱氧核苷酸的生成。（五）（五） 嘌呤核苷酸的抗代谢物嘌呤核苷酸的抗代谢物l嘌呤核苷酸的抗代谢物是一

15、些嘌呤、氨基酸或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。叶酸等的类似物。嘌呤类似物嘌呤类似物氨基酸类似物氨基酸类似物叶酸类似物叶酸类似物6-巯基嘌呤巯基嘌呤6-巯基鸟嘌呤巯基鸟嘌呤8-氮杂鸟嘌呤等氮杂鸟嘌呤等氮杂丝氨酸氮杂丝氨酸等等氨蝶呤氨蝶呤氨甲蝶呤氨甲蝶呤等等次黄嘌呤次黄嘌呤(H)6-巯基嘌呤巯基嘌呤(6-MP)6-巯基嘌呤的结构巯基嘌呤的结构l6-MP可在体内经磷酸核糖化生成可在体内经磷酸核糖化生成6MP核苷酸，核苷酸，并以这种形式抑制并以这种形式抑制IMP转变为转变为AMP及及GMP的反的反应；应；l直接通过竞争性抑制，影响次黄嘌呤直接通过竞争性抑制，影响次黄嘌呤-鸟嘌

16、呤磷鸟嘌呤磷酸核糖转移酶酸核糖转移酶(HGPRT)，使，使PRPP分子中的磷分子中的磷酸核糖不能向鸟嘌呤及次黄嘌呤转移，阻止了酸核糖不能向鸟嘌呤及次黄嘌呤转移，阻止了补救合成途径。补救合成途径。氮杂乙酰丝氨酸氮杂乙酰丝氨酸（azaserine，ASE）N+NCH2COOCH2CHNH2COOH谷氨酰胺（谷氨酰胺（glutamine）NH2COCH2CH2CHNH2COOH6-重氮重氮-5-氧正亮氨酸氧正亮氨酸（diazonorleucine，DAL）NCH2COCH2CH2CHNH2COOHN+氨基酸类似物氨基酸类似物l主要有主要有氮杂丝氨酸氮杂丝氨酸等；等；l化学结构与化学结构与Gln相似；

17、相似；l可干扰可干扰Gln在嘌呤核苷酸合成中的作用，从而抑在嘌呤核苷酸合成中的作用，从而抑制嘌呤核苷酸的合成。制嘌呤核苷酸的合成。NNNNNH2NH2CH2NRCNHCOOHCHCH2CH2COOHOR HR CH3氨蝶呤氨蝶呤Aminopterin, APMethotrexate, MTX氨甲蝶呤氨甲蝶呤叶酸类似物叶酸类似物l主要有主要有氨蝶呤氨蝶呤和和氨甲蝶呤（氨甲蝶呤（MTX）等。等。l能竞争性抑制能竞争性抑制二氢叶酸还原酶二氢叶酸还原酶，使叶酸不能还，使叶酸不能还原成原成FH2和和FH4。由此嘌呤合成原料一碳单位得。由此嘌呤合成原料一碳单位得不到供应，从而抑制嘌呤核苷酸的合成。不到供应

18、，从而抑制嘌呤核苷酸的合成。甲酰甘氨酰甲酰甘氨酰胺核苷酸胺核苷酸（FGAR）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（GAR）=甲酰甘氨甲酰甘氨脒核苷酸脒核苷酸（FGAM）5-氨基异咪唑氨基异咪唑-4-甲酰胺核苷酸甲酰胺核苷酸（AICAR）=5-甲酰胺基咪唑甲酰胺基咪唑-4-甲酰胺核苷酸甲酰胺核苷酸（FAICAR）IMP次黄嘌呤次黄嘌呤（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MTXMTXIMP

19、AMPGMPADPGDPATPGTPdADPdATPdGDPdGTP嘌呤核苷酸合成小结嘌呤核苷酸合成小结二、嘌呤核苷酸的分解代谢核苷酸核苷酸核苷核苷核苷酸酶核苷酸酶Pi核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶碱基碱基1-磷酸核糖磷酸核糖嘌呤碱的最终嘌呤碱的最终代谢产物代谢产物AMPGMPI（次黄嘌呤）（次黄嘌呤）GX（黄嘌呤）（黄嘌呤）黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶l体内嘌呤核苷酸的分解代谢主要在肝脏、小肠体内嘌呤核苷酸的分解代谢主要在肝脏、小肠及肾脏中进行。及肾脏中进行。l黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶是需氧脱氢酶。是尿酸生成的一是需氧脱氢酶。是尿酸生成的一个主要酶。个主要酶。l血中的尿酸及尿酸

20、盐统称尿酸。正常成人血浆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尿酸含量约为0.120.36mmol/L。肾是尿酸及。肾是尿酸及其盐的排泄器官。当血中尿酸含量超过其盐的排泄器官。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、尿路结石及肾疾织及肾等处，而导致关节炎、尿路结石及肾疾病。尿酸沉积引起疼痛称为病。尿酸沉积引起疼痛称为痛风症（痛风症（gout）。痛风症痛风症 血中尿酸含量过高血中尿酸含量过高 ，尿酸盐晶体沉积，尿酸盐晶体沉积l痛风症可能是一种多基因病痛风症可能是一种多基因病l该病发病有家族

21、遗传倾向，可能涉及该病发病有家族遗传倾向，可能涉及HGPRT、PRPP激酶、谷氨酰胺激酶、谷氨酰胺PRPP酰胺基转移酶酰胺基转移酶(GPAT)、葡糖、葡糖-6-磷酸酶磷酸酶(G6PC)、黄嘌呤脱氢、黄嘌呤脱氢酶酶(XDH)。 发病机制发病机制lHGPRT有部分缺陷时，嘌呤核苷酸的补救合成有部分缺陷时，嘌呤核苷酸的补救合成障碍，产生的障碍，产生的IMP、GMP、GDP减少，对嘌呤减少，对嘌呤核苷酸从头合成途径中的核苷酸从头合成途径中的PRPPK、GPAT抑制抑制减弱，导致嘌呤核苷酸从头合成增多。减弱，导致嘌呤核苷酸从头合成增多。l葡糖葡糖-6-磷酸酶缺陷时，磷酸酶缺陷时，G-6-P转化成葡萄糖过

22、转化成葡萄糖过程受阻，程受阻，G-6-P转向磷酸戊糖途径生成过多的转向磷酸戊糖途径生成过多的5-磷酸核糖，它是生成磷酸核糖，它是生成PRPP的原料。的原料。l大部分病人的高尿酸血症是肾尿酸排泄减少所大部分病人的高尿酸血症是肾尿酸排泄减少所至，只有至，只有10%的患者是尿酸生成过多。的患者是尿酸生成过多。痛风症的诱因痛风症的诱因l高嘌呤食物，如动物内脏、沙丁鱼、凤尾鱼、高嘌呤食物，如动物内脏、沙丁鱼、凤尾鱼、鲭鱼、小虾、扁豆、黄豆、浓肉汤，及菌藻类鲭鱼、小虾、扁豆、黄豆、浓肉汤，及菌藻类等；等；l酒；酒；l高蛋白、高脂饮食。高蛋白、高脂饮食。鸟嘌呤鸟嘌呤次黄嘌呤次黄嘌呤黄嘌呤黄嘌呤尿酸尿酸黄嘌呤

23、氧化酶黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶别嘌呤醇别嘌呤醇痛风症的治疗痛风症的治疗别嘌呤醇别嘌呤醇第二节第二节嘧啶核苷酸的代谢嘧啶核苷酸的代谢Metabolism of Pyrimidine Nucleotides嘧啶核苷酸的结构嘧啶核苷酸的结构一、嘧啶核苷酸的合成代谢一、嘧啶核苷酸的合成代谢l从头合成途径从头合成途径l补救合成途径补救合成途径（一）嘧啶核苷酸的从头合成（一）嘧啶核苷酸的从头合成主要是肝细胞胞液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嘧啶核苷酸的从头合成是指利用磷酸核糖、氨基酸、二氧化碳及一碳单位等简单物糖、氨基酸、二氧化碳及一碳单位等简单物质为原料，经过一系列酶促反

24、应，合成嘧啶质为原料，经过一系列酶促反应，合成嘧啶核苷酸的途径。核苷酸的途径。 概念概念合成部位合成部位天冬氨酸天冬氨酸GlnCO2嘧啶合成的元素来源嘧啶合成的元素来源1. 尿嘧啶核苷酸的合成尿嘧啶核苷酸的合成谷氨酰胺谷氨酰胺 + HCO3-氨基甲酰磷氨基甲酰磷酸合成酶酸合成酶II2ATP2ADP+Pi谷氨酸谷氨酸 + 氨基甲酰磷酸氨基甲酰磷酸合成过程合成过程CPS-ICPS-II肝细胞线粒体中肝细胞线粒体中氨氨N-乙酰谷氨酸乙酰谷氨酸胞液（所有细胞）胞液（所有细胞）谷氨酰胺谷氨酰胺无无分布分布氮源氮源变构激活剂变构激活剂功能功能尿素合成尿素合成嘧啶嘧啶 合成合成CPS-ICPS-II肝细胞线

25、粒体中肝细胞线粒体中氨氨N-乙酰谷氨酸乙酰谷氨酸胞液（所有细胞）胞液（所有细胞）谷氨酰胺谷氨酰胺无无分布分布氮源氮源变构激活剂变构激活剂功能功能尿素合成尿素合成嘧啶嘧啶 合成合成氨基甲酰磷酸合成酶氨基甲酰磷酸合成酶 I、II 的区别的区别氨基甲酰磷酸合成酶氨基甲酰磷酸合成酶ATPADP尿苷酸激酶尿苷酸激酶UDP二磷酸核苷激酶二磷酸核苷激酶ATPADPUTPCTP合成酶合成酶谷氨酰胺谷氨酰胺ATP谷氨酸谷氨酸ADP+Pi2. 胞嘧啶核苷酸的合成胞嘧啶核苷酸的合成TMP合酶合酶N5, N10-甲烯甲烯FH4FH2FH2还原酶还原酶FH4NADP+NADPH+H+dUMP脱氧胸苷一磷酸脱氧胸苷一磷酸

26、dTMPUDP脱氧核苷酸还原酶脱氧核苷酸还原酶dUDPCTPCDPdCDPdCMP3. dTMP或或TMP的生成的生成从头合成的调节从头合成的调节-ATP + CO2+ 谷氨酰胺谷氨酰胺氨基甲酰磷酸氨基甲酰磷酸UMP氨基甲酸天冬氨酸氨基甲酸天冬氨酸UTPCTP天冬氨酸天冬氨酸嘌呤核苷酸嘌呤核苷酸ATP + 5-磷酸核糖磷酸核糖嘧啶核苷酸嘧啶核苷酸PRPP-（二）（二） 嘧啶核苷酸的补救合成嘧啶核苷酸的补救合成嘧啶嘧啶 + PRPP磷酸嘧啶核苷磷酸嘧啶核苷 + PPi嘧啶磷酸核糖转移酶嘧啶磷酸核糖转移酶尿嘧啶核苷尿嘧啶核苷 + ATP尿苷激酶尿苷激酶UMP +ADP胸腺嘧啶核苷胸腺嘧啶核苷 + ATP胸苷激酶胸苷激酶TMP +ADPCDPdUDPUDPUTPCTPdCDPdCTPdTTPdUMPUMPdCMPdTMPdTDP嘧啶核苷酸合成小结嘧啶核苷酸合成小结（三）嘧啶核苷酸的抗代谢物（三）嘧啶核苷酸的抗代谢物l 概念概念:l一些