《生物化学》教学课件：第九章 核苷酸代谢

1、第九章,核苷酸代谢,Nucleotide Metabolism,第一节核苷酸代谢概论,Outline for Nucleotide Metabolism,核苷酸(nucleotide)是构成核酸(nucleic acid)的基本单位。 主要由机体自身合成，不属于营养必需物质。,一、核苷酸的生理功用：, 作为合成核酸的原料：如用ATP，GTP，CTP，UTP合成RNA，用dATP，dGTP，dCTP，dTTP合成DNA。 作为能量的贮存和供应形式：除ATP之外，还有GTP，UTP，CTP等。 参与代谢或生理活动的调节：如环核苷酸cAMP和cGMP作为激素的第二信使。 参与构成酶的辅酶或辅基：如在

2、NAD+，NADP+，FAD，FMN，CoA中均含有核苷酸的成分。 作为代谢中间物的载体：如用UDP携带糖基，用CDP携带胆碱，胆胺或甘油二酯，用腺苷携带蛋氨酸（SAM）等。,从头合成途径(de novo synthesis pathway),补救合成途径(salvage synthesis pathway),二、核苷酸的合成代谢有从头合成和补救合成两种途径,食物核蛋白,单核苷酸,食物中核酸的消化,三、核苷酸的降解和补救合成具有重要 生物学意义,单核苷酸,最后水解产生戊糖和含氮碱。 这些水解产物中，只有磷酸和戊糖可被吸收利用。 碱基则主要被分解而排出体外。,核苷酸的补救合成途径回收利用现成的嘌

3、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,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,第二节嘌呤核苷酸的合成与分解代谢,Anabolism and Catabolism of Purine Nucleotides,一、嘌呤核苷酸从头合成起始于5-磷酸核糖,嘌呤核苷酸的从头

4、合成途径是指利用磷酸核糖、氨基酸（谷氨酰胺、天冬氨酸、甘氨酸）、一碳单位（N10-CHO-FH4）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,N10-CHO-FH4,嘌呤碱合成的元素来源,N10-CHO-FH4,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。,可分为二个阶段 (1) 次黄嘌呤核苷酸（IMP）的生成 (2) AMP与GMP的生成,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 -磷酸核糖与ATP，经

5、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中最先合成的核苷酸是IMP,（一） 次黄嘌呤核苷酸的合成：,首先在磷酸核糖焦磷酸合成酶(PRPP激酶)的催化下，消耗ATP，由5-磷酸核糖合成PRPP(1-焦磷酸-5-磷酸核糖)。然后再经过10步反应，合成第一个嘌呤核苷酸次黄苷酸（IMP）。,磷酸核糖焦磷酸合成酶 5-磷酸核糖 PRPPIMP ATP,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

6、甘氨酸 二氧化碳,IMP,H2N-1-R-5-P（PRA) （5-磷酸核糖胺）,关键酶,IMP生成总反应过程,（二）腺苷酸及鸟苷酸的合成： IMP在腺苷酸代琥珀酸合成酶的催化下，由天冬氨酸提供氨基合成腺苷酸代琥珀酸（AMP-S），然后裂解产生AMP。 IMP也可在IMP脱氢酶的催化下，以NAD+为受氢体，脱氢氧化为黄苷酸（XMP），后者再在鸟苷酸合成酶催化下，由谷氨酰胺提供氨基合成鸟苷酸（GMP）。,腺苷酸及鸟苷酸的合成：,黄嘌呤核苷酸,嘌呤核苷酸从头合成并不是先合成嘌呤碱，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

7、苷酸从头合成特点:,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,这一途径可在大多数组织细胞中进行,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),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,腺嘌呤 + PRPP,AMP + PPi,腺嘌呤磷酸核糖转移酶,次黄嘌

8、呤鸟嘌呤磷酸核糖转移酶,HGPRT,次黄嘌呤+ PRPP,IMP + PPi,鸟嘌呤 + PRPP,GMP + PPi,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,生理意义：,1 . 嘌呤核苷酸的补救合成途径比从头合成简单，消耗ATP少，节省一些氨基酸的消耗； 2. 体内某些组织器官（如脑、骨髓、红细胞等），由于缺乏从头合成酶系，只能靠补救合成方式合成核苷酸，以供合成核酸等的需要。,三、嘌呤核苷酸的分解代谢,碱基既可以参加核苷酸的补救合成途径，又可进一步分解，经氧化生成尿酸(uric acid)。 人和猿类等缺乏分解尿酸的能力，因此尿

9、酸是嘌呤核苷酸在人体内分解代谢的终产物 体内嘌呤核苷酸的分解代谢主要在肝、小肠及肾中进行， 关键酶为黄嘌呤氧化酶,1) PRPP合成酶、PRPP酰胺转移酶可被IMP、AMP、GMP抑制； 2) R-5-P增加PRPP合成酶活性，PRPP增加酰胺转移酶活性。,四、嘌呤核苷酸的合成代谢受反馈抑制调节,3) AMP抑制AMP生成，但不影响GMP的生成，GTP促进AMP生成； GMP抑制GMP生成，ATP促进GMP生成。这种交叉调节作用对维持ATP及GTP浓度的平衡具有重要的作用.,腺嘌呤磷酸核糖转移酶（APRT） 受AMP的反馈抑制 次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶（HGPRT） 受IMP与GMP的反

10、馈抑制,补救合成途径反馈调节,Anabolism and Catabolism of Pyrimidine Nucleotides,第三节嘧啶核苷酸的合成与分解代谢,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（Gln 、Asp ）、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,嘧啶合成的元素来源,（一）尿苷酸（uridine monophosphate)的合成： 在氨基甲酰磷酸合酶的催化下，以Gln，CO2，ATP为原料合成氨基甲酰磷酸。 然后先合成含嘧啶环的乳清酸(OA)； OA再与PRPP

11、结合成为乳清酸核苷酸； 然后再生成UMP。 合成第一个嘧啶核苷酸，即UMP。,Gln+CO2+2ATP,氨基甲酰磷酸合酶,氨基甲酰磷酸,天冬氨酸转氨甲酰酶,Asp,氨甲酰天冬氨酸,(脱氢、脱羧、环化),UMP(尿嘧啶核苷酸),嘧啶核苷酸从头合成过程,（二）CTP来源于UTP的氨基化,（三）dTMP来源于dUMP的甲基化,1. NDP dNDP 2. UTP CTP 3. dCMP dUMP dTMP,二、嘧啶核苷酸的补救合成途径,由分解代谢产生的嘧啶/嘧啶核苷转变为嘧啶核苷酸的过程称为补救合成途径(salvage pathway)。 以嘧啶核苷的补救合成途径较重要,（一）嘧啶磷酸核糖转移酶催化

12、部分嘧啶碱基与PRPP 生成嘧啶核苷酸 U, T,OA（乳清酸）对C不起作用,（二）嘧啶核苷激酶催化,胸苷激酶的活性与细胞增殖密切相关，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。,嘧啶碱,嘧啶核苷酸,三、嘧啶核苷酸分解,胞嘧啶的分解代谢,胸腺嘧啶的分解代谢,胞嘧啶,NH3,尿嘧啶,二氢尿嘧啶,H2O,CO2 + NH3,-丙氨酸,胸腺嘧啶,-脲基异丁酸,-氨基异丁酸,H2O,肝,尿素,产物水容性较好，泌尿系统排出,哺乳类动物是CPS II,关键酶：,底物调节:,产物反馈抑制性调节:,UMP反馈抑制CPS II,UMP和CTP反馈抑制天冬氨酸转氨甲酰酶,ADP和

13、GDP反馈抑制PRPP激酶,ATP激活PRPP激酶和CPS II,四、嘧啶核苷酸合成代谢受精细调节,第四节体内核苷酸的转化,The Conversion of Nucleotides in vivo,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,ribonucleotide reductase,脱氧核苷酸的生成,ATP结合核糖核苷酸还原酶可使该酶活化， dATP结合核糖核苷酸还原酶可使该酶抑制,dTMP合酶 dTMP synthase,dUMP,dTMP,dTMP的生成： N5，N10 CH2FH4直接 提供甲基用于dUMP向dTMP的转化。,二、

14、核苷二磷酸和核苷三磷酸可以相互转化,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：,核苷二磷酸激酶特异性不如核苷一磷酸激酶高，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。,第五节核苷酸代谢与医学的关系,Nucleotide Metabolism and Medicine,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,1HGPRT缺陷引起Lesch 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

15、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。 寿命不超20岁。,2腺苷脱氨酶缺陷引起重症联合免疫缺陷,腺苷脱氨酶（ADA）缺陷是本病主要原因。,ADA的底物是腺苷和脱氧腺苷。 ADA缺陷致使脱氧腺苷堆积，在脱氧腺苷激酶的作用下生成dAMP，在核苷酸激酶的催化下，生成dADP和dATP。 过多的dATP抑制核糖核苷酸还原酶，导致dGDP、dCDP以及dTTP生成减少。导致DNA的合成受阻。 继而导致B细胞和T细胞的联合缺陷。患者胸腺萎缩，免疫功能低下，骨骼发育异常。,3

16、. 乳清酸尿症与嘧啶核苷酸代谢异常有关,嘧啶核苷酸代谢障碍可能引起嘧啶中间代谢产物增多。乳清酸尿症是其中之一 。,II型乳清酸尿症仅涉及乳清酸核苷酸脱羧酶，症状较轻。,I型乳清酸尿症：乳清酸磷酸核糖转移酶或乳清酸核苷酸脱羧酶缺陷。 导致血中乳清酸堆积，各个嘧啶核苷酸合成也受影响，RNA和DNA合成不足。 临床上应用胞苷和尿苷能获得很好的疗效。,（二）高尿酸血症可引起痛风,高尿酸血症： 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

17、晶体即可沉积于关节、软组织及肾等处，而导致关节炎、尿路结石及肾疾病。 尿酸沉积引起疼痛称为痛风症（gout）。,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。,葡萄糖-6-磷酸酶缺陷时，G-6-P转化成葡萄糖过程受阻，G-6-P转向磷酸戊糖途径生成过多的5-磷酸核糖，它是生成PRPP的原料。,次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶（HGPRT）有部分缺陷时，嘌呤核苷酸的补救合成障碍，产生的IMP、GMP、GDP减少，对嘌呤核苷酸从头合成途径中的PPRTK、

18、GPAT抑制减弱。 导致嘌呤核苷酸从头合成增多。,临床上用别嘌呤醇(allopurinol)治疗痛风症有一定疗效。,大部分患者的高尿酸血症是肾尿酸排泄减少所致，只有10%的患者是尿酸生成过多。,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重要底物或辅酶类似物,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。 这些核苷酸代谢类似物是治疗某些疾病的有效药物。,嘌呤类似物,氨基酸类似物,叶酸类似物,氨基蝶呤,Aminopterin, AP,Methotrexate, MTX,氨甲蝶呤,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),（二）抗代谢物也可影响代谢旺盛的正常细胞,由于肿瘤细胞生长旺盛，因而摄取抗代谢物多，肿瘤细胞被阻碍或杀伤。 但体内代谢旺盛的组织细也受抗代谢物的影响，因而出