《生物化學(xué)》本科課件08章 核苷酸的代謝

1、核苷酸的代謝（Nucleotide etabolism ） 2學(xué)時(shí) 大連醫(yī)科大學(xué) 生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室孔英 教授請(qǐng)從一位未來(lái)醫(yī)生的角度，圍繞高尿酸血癥引發(fā)痛風(fēng)及其生化作用機(jī)制，論述人類飲食平衡的重要性。本章將主要討論的問(wèn)題 一. 核苷酸有哪些功能？ 二. 食物中的核酸是如何降解的？ 三. 核苷酸是如何合成與分解的？ 四. 核苷酸代謝障礙對(duì)機(jī)體有什么影響？ 五. 核苷酸代謝類似物有何臨床作用？ 核苷酸的功能 核酸的構(gòu)成單位 dNTP是合成DNA的原料； NTP是合成RNA的原料；2. 能量代謝作用 ATP直接供能者3. 生理調(diào)節(jié)介質(zhì) cAMP、cGMP作為激素的第二信使4. 輔酶的組成成分

2、 AMP參與合成多種輔酶： （ HSCoA、FAD、NAD+、NADP+ ）5. 形成代謝活化中間體 UDPG, CDP-DG, SAM-核苷酸的合成與分解 Nucleotides Biosynthesis1-3Purine Pyrimidine Adenine Guanine Cytosine Uracil Thymine de novo pathway salvage pathwayBases/Nucleosides/Nucleotides BaseNucleosideNucleotideAdenineDeoxyadenosineDeoxyadenosine 5-triphosphate(

3、dATP)apostrophe核苷酸的結(jié)構(gòu)與命名 酯鍵核苷(脫氧核苷) + 磷酸 核苷酸(脫氧核苷酸) 含一個(gè)磷酸基團(tuán)的核苷酸稱為核苷一磷酸(NMP) 兩個(gè)磷酸基團(tuán)的核苷酸稱為核苷二磷酸(NDP) 三個(gè)磷酸基團(tuán)的核苷酸稱為核苷三磷酸(NTP)Nucleoproteins, RNA/DNA, Nucleotides, Nucleosides and Bases in FoodRNA/DNA, Nucleotides, Nucleosides and BasesIn stomach Nucleotides, Nucleosides and Bases In small intestineGastr

4、ic acid and pepsinEndonucleases: RNase and DNase* Nucleotides: AMP, GMP, UMP, CMP, TMP, mmol dAMP, dGMP, dCMP, dTMP, mol* Nucleosides: Adenosine, Guanosine, Cytidine, Uridine, Deoxyadenosine, Deoxyguanosine, Deoxycytidine, Thymidine * Bases: Adenine, Guanine, Cytosine, Thymine, UracilIngestionSmall

5、intestine epithelial cellsNotes 食物核蛋白蛋白質(zhì)核酸(RNA or DNA)胰核酸酶RNA酶DNA酶(磷酸二酯酶)單核苷酸胰、腸核苷酸酶(磷酸單酯酶)核苷磷酸核苷酶(水解或磷酸解)戊糖或磷酸戊糖堿基核酸的消化排出，很少利用 “核酸是人體細(xì)胞中的關(guān)鍵物質(zhì)， 補(bǔ)充外源核酸，就能延年益壽， 乃至“長(zhǎng)壽不老” ； 補(bǔ)充DNA，則細(xì)胞生長(zhǎng)加快， 人體機(jī)能就充滿活力”?！拔覀兯芯砍龅纳怂岵扇「鼮榭茖W(xué)的提取方法，直接從動(dòng)物臟器中提取。DNA含量高，純度高，與人體同源性高。產(chǎn)品是口服液，更易被人體腸胃吸收和利用” We 嘌呤核苷酸代謝包括合成代謝-分解代謝（1）嘌呤的元素

6、來(lái)源 用同位素標(biāo)記化合物進(jìn)行的研究證明，生物體內(nèi)能利用 谷氨酰胺，天冬氨酸、甘氨酸、一碳單位和CO2為元素來(lái)源合成嘌呤堿基（2）從頭合成途徑的特點(diǎn)胞液以5-磷酸核糖（5-PR）為原料，經(jīng)11步反應(yīng)生成次黃嘌呤核苷酸（IMP）IMP由氨基酸，CO2，一碳單位逐步提供元素或基團(tuán)，在5-磷酸核糖分子上完成嘌呤堿基合成從IMP出發(fā)再合成AMP和GMP。 (3) IMP合成的途徑(11步) 3個(gè)階段 A:合成激活階段(第1步反應(yīng))。 B:合成咪唑環(huán)的階段(2- 6步反應(yīng))。 C:合成出IMP的階段(7-11步反應(yīng))。 (4) AMP和GMP的合成 （二） 合成過(guò)程 (胞液) AMPR-5-P PRPP

7、IMP GMP 1) R-5-P 5-磷酸核糖 2) PRPP 磷酸核糖焦磷酸 3) IMP 次黃嘌呤核苷酸 4) AMP 腺苷酸 5) GMP 鳥苷酸 ATP 各種原料* PRPPPRAN10-CHOFH4N10-CHOFH4由IMP合成AMP和GMPkinaseADPkinaseGDPATPGTPGDPAMPGTPkinaseGDPkinaseADPGTPATPADPGMPATPADP, ATP, GDP and GTP biosynthesis嘌呤核苷酸是在磷酸核糖分子上逐步合成的。先合成 IMP，再轉(zhuǎn)變成 AMP或GMP。PRPP是5-磷酸核糖的活性供體。嘌呤核苷酸從頭合成特點(diǎn) (5)

8、 嘌呤核苷酸從頭合成的調(diào)節(jié) 正性調(diào)節(jié)-負(fù)性調(diào)節(jié) 正性調(diào)節(jié)： 前端正性調(diào)節(jié)-兩個(gè)關(guān)鍵酶的促進(jìn)作用。 PRPPK和GPAT，底物ATP、5-磷酸核糖 和PRPP促進(jìn)其活性，增加IMP的合成。 后端正性調(diào)節(jié)-由ATP促進(jìn)GMP合成酶 由GTP促進(jìn)腺苷酸代琥珀酸合成酶 增加GTP和ATP的合成。2）負(fù)性調(diào)節(jié)主要為合成產(chǎn)物反饋抑制性調(diào)節(jié)6個(gè)長(zhǎng)反饋調(diào)節(jié):由AMP，GMP和IMP分別反饋抑制PRPPK和GPAT這兩關(guān)鍵酶的活性。2個(gè)短反饋調(diào)節(jié):由AMP反饋抑制ASS，由GMP反饋抑制IMPD的活性所進(jìn)行的反饋抑制來(lái)調(diào)節(jié)嘌呤核苷酸的從頭合成。 Regulation of De Novo Synthesis o

9、fPurine NucleotidesGln:PRPP amidotransferaseRibose-5-phosphatePRPP5-PhosphoribosylamineIMPXMPAMPADPATPGMPGDPGTPAdenylosuccinate +Adenylosuccinate Synthesase Ribose-5-phosphatePyrophosphokinase IMPdehydrogenase 2ActiveInactiveKey StepThe disease is probably best known for its behavioural abnormalitie

10、s. Compulsive, aggressive behaviour takes many forms, the most striking of which is self-injury through biting. The lips, the inside of the mouth and the fingers are favorite targets. 自毀容貌綜合征Interconversion of Purine nucleotidesXMP AMPS（腺苷一磷酸代琥珀酸）IMPNH3Adenine DeaminaseNADP+NH3NADPHGuanine Reductase

11、AMPGMPVvvv (二) 嘌呤核苷酸的分解代謝3個(gè)基本過(guò)程。 (1)核苷酸在核苷酸酶作用下水解為核苷。 （核苷磷酸化酶） 嘌呤堿基 磷酸核糖變位酶 (2)核苷- 1-磷酸核糖- 5-磷酸核糖-進(jìn)磷酸戊糖途徑進(jìn)行代謝。 參加核苷酸的補(bǔ)救合成。 (3)嘌呤堿基 分解形成尿酸隨尿液排出嘌呤核苷酸的分解代謝 正常人血漿尿酸含量：0.12-0.36mmol/L 男: 0.27mmol/L，女:0.21mmol/L以尿酸及其鈉鹽形式存在, 均難溶于水0.48mmol/L(8mg%), 析出結(jié)晶, 沉積在關(guān)節(jié)和軟骨等處 痛風(fēng)癥進(jìn)食高嘌呤膳食時(shí)體內(nèi)核酸大量分解(白血病,惡性腫瘤）腎臟疾病尿酸排泄障礙血中尿

12、酸臨床上用別嘌呤醇治療The uric acid and the goutUric acid Over 0.48 mmol/L, In the plasmaGout, Urate crystallization in joints, soft tissue, cartilage and kidneyHypoxanthine Xanthine Hypoxanthine Allopurinol Out of bodyIn urineDiabetese nephrosis 年年 一、嘧啶核苷酸的合成代謝 （一）嘧啶核苷酸的從頭合成先合成嘧啶環(huán)，再與磷酸核糖相連。先合成UMP，再轉(zhuǎn)變成dTMP和CTP

13、。特點(diǎn)1. 嘧啶核苷酸的從頭合成 （1）嘧啶元素來(lái)源 CO2、谷氨酰胺、天冬氨酸 是嘧啶堿基的元素來(lái)源 （2）嘧啶核苷酸從頭合成的特點(diǎn)需要的酶系大多在胞液內(nèi)，但 二氫乳清酸脫氫酶位于線粒體內(nèi)合成從CO2和谷氨酰胺開始，經(jīng)6步反 應(yīng)先合成出尿嘧啶核苷酸（UMP）。由UMP出發(fā)再合成其它的嘧啶核苷酸。(3) 從頭合成途徑 UMP的從頭合成分三個(gè)階段： 第一個(gè)階段是氨基甲酰磷酸的合成。 第二個(gè)階段是氨基甲酰天冬氨酸的合成。 第三個(gè)階段是嘧啶環(huán)的合成。 (4) TMP的合成 嘧啶核苷酸的從頭合成途徑 的合成TMP (5) 嘧啶核苷酸從頭合成的調(diào)節(jié)正性調(diào)節(jié):ATP-磷酸核糖焦磷酸激酶 OPRT-乳清酸磷

14、酸核糖轉(zhuǎn)移酶 嘌呤和嘧啶核苷酸從頭合成途徑有共同的正性調(diào)節(jié)。保證嘌呤和嘧啶核苷酸合成速度的同步化，以便合成出等量的嘌呤和嘧啶核苷酸。2）嘧啶核苷酸負(fù)性調(diào)節(jié) -合成產(chǎn)物的反饋抑制進(jìn)行調(diào)節(jié)A:氨基甲酰磷酸合成酶（CPS） 由UTP反饋抑制。B:天冬氨酸轉(zhuǎn)氨基甲酰酶(CAT) 由CTP反饋抑制。C:CTP合成酶(CTPS) 由CTP反饋抑制。 嘧啶核苷酸從頭合成的調(diào)節(jié) 2. 嘧啶核苷酸的補(bǔ)救合成 嘧啶核苷酸的補(bǔ)救合成主要有兩種方式。（1）一步合成方式 尿嘧啶+PRPP 尿嘧啶磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶 UMP + Ppi（2）二步合成方式尿嘧啶+1-磷酸核糖 尿苷磷酸化酶 尿嘧啶核苷+Pi尿嘧啶核苷+ATP 核

15、苷激酶 Mg2+ UMP + ADP嘧啶核苷酸的分解代謝脫氧核糖核苷酸的生成體內(nèi)脫氧核糖核苷酸是通過(guò)相應(yīng)的核糖核苷酸還原生成的。這種還原反應(yīng)是由核糖核苷酸還原酶催化，在二磷酸核苷（NDP）水平上進(jìn)行的。脫氧核糖核苷酸合成 嘌呤脫氧核苷酸和嘧啶脫氧核苷酸:由相應(yīng)核苷酸通過(guò)還原其核糖上2位羥基生成：（1）催化核苷酸脫氧:核糖核苷酸還原酶 兩種亞基組成四聚體: R1活性中心含1谷氨酸和3半胱氨酸，核苷酸還原供氫體 R2含1個(gè)酪氨酸殘基，接受R1電子生成硫自由基而活化 結(jié)合在R1上的核苷酸C2脫氧，與另2個(gè)半胱氨酸殘基的氫生成水，2個(gè)半胱氨酸殘基氧化形成二硫鍵。R2將電子轉(zhuǎn)移到R1，生成游離的脫氧核苷

16、酸。 R1亞基上二硫鍵可被硫氧還蛋白還原 酶恢復(fù)到初始狀態(tài)。 被氧化的硫氧還蛋白在硫氧還蛋白還原酶催化下，以NADPH為輔酶還原 脫氧核糖核苷酸的生成過(guò)程 核苷酸代謝障礙和抗代謝物一. 核苷酸代謝障礙-疾病 參與核苷酸代謝的某些酶的缺失或調(diào)節(jié)失常，都會(huì)引起核苷酸代謝障礙和疾病。 目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)核苷酸代謝障礙能引起多種疾病。它們大多是嘌呤核苷酸代謝障礙引起的疾病。 臨床疾病 缺陷的酶 原 因 臨床特點(diǎn) 遺傳類型 1嘌呤核苷酸代謝障礙 痛風(fēng) PRPP合成酶 調(diào)節(jié)失常 嘌呤產(chǎn)生和 x-染色體連 HGPRT酶 排謝過(guò)多 鎖，隱性遺傳 Lesch-Nyhan 綜合征 HGPRT酶 遺傳缺陷 嘌呤產(chǎn)生排泄

17、x-染色體連 多,腦性癱瘓, 鎖，隱性遺傳 自毀容貌癥 免疫缺陷癥 腺苷脫氨酶 遺傳缺陷 B細(xì)胞免疫缺陷, 常染色體隱性遺傳 (ADA)缺乏 脫氧腺苷尿癥 嘌呤核苷磷 酸化酶(PNP) 腎結(jié)石 APRT酶 遺傳缺陷 2，8-二羥基腺 常染色體隱性遺傳 嘌呤腎結(jié)石黃嘌呤尿 黃嘌呤氧化酶 遺傳缺陷 黃嘌呤腎結(jié)石， 常染色體隱性遺傳 低尿酸血癥 2嘧啶核苷酸代謝障礙先天性乳清 乳清酸磷酸 遺傳缺陷 乳清酸排泄多 常染色體隱性遺傳酸尿癥 核糖轉(zhuǎn)移酶 紅細(xì)胞性貧血 乳清酸核苷酸 遺傳缺陷 乳清酸排泄較多 常染色體隱性遺傳 脫羧酶人工合成的6類核苷酸代謝類似物（1）嘌呤核苷酸代謝類物（2）嘧啶核苷酸代謝類

18、似物（3）氨基酸類似物（4）葉酸類似物（5）核苷類似物（6）作用于核糖核苷酸還原酶代謝類似物 (二) 核苷酸代謝類似物功能 人工合成核苷酸代謝類似物大都是核苷酸代謝過(guò)程中必需的代謝中間體的類似物。它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)與代謝中間體相類似。因此，它們可以“冒名頂替”，“以假亂真”，干擾、抑制或阻斷核苷酸合成，進(jìn)而干擾、抑制或阻斷核酸及蛋白質(zhì)的合成，使細(xì)胞的分裂和增殖無(wú)法進(jìn)行。這些核苷酸代謝類似物不僅是進(jìn)行生化代謝途徑研究的工具，也是治療疾病的有效物藥。CC（1）嘌呤核苷酸代謝類物嘌呤核苷酸的代謝類似物 Chemotherapeutic Agents for cancers1. Analogs of pu

19、rineN OHNNNHN SHNNNHN SHNNNHH2Ninosine6-mercaptopurine8-azoguanine6-mercaptoguanineN OHNNNHNH2NN OHNNNHH2Nguanine(2)嘧啶核苷酸 代謝類似物CC嘧啶核苷酸代謝類似物 （3）氨基酸類似物氮雜絲氨酸（azaserine，AS），6-重氮-5-氧正亮氨酸 （diazonorleucine，DAL），磷乙天冬氨酸（N-phosphoacetyl-l-asparate， PALA）等。氨基酸類似物：氮雜絲氨酸 (AS) 是 Gln的類似物.葉酸類似物：氨蝶呤 (AP)和甲氨蝶呤 (MTX)

20、核糖、氨基酸和葉酸的代謝類似物 （4）葉酸類似物 氨蝶呤(aminopterin，AP） 甲氨蝶呤（methotrexate，MTX）Azaserine（氮雜絲氨酸）Cytarabine（阿糖胞苷）MTX（氨甲蝶呤）5FU (5FdUMP/5FUTP)The mechanism of the Chemotherapeutic Agents-2（5）核苷類似物 （6）作用于核糖核苷酸還原酶的代謝類似物 羥基脲（hydroxyurea，HU） 羥基胍（hydroxyguanidine，HG） 胍唑（guanazole，GZ）。 核糖核苷酸還原酶的代謝類似物NH一些抗代謝藥物的功能 藥物名稱 6-巰基嘌呤(6MP) 正常代謝物 嘌呤核苷酸 治療的疾病 白血病自身免疫性病妊娠滋養(yǎng) 細(xì)胞腫瘤等 主要作用的酶 IMP脫氫酶腺苷酸代琥珀酸合成酶 作用的代謝途徑 嘌呤核核苷酸合成 藥物名稱 別嘌呤醇(APO) 正常代謝物 黃嘌呤、烏嘌呤、次黃嘌呤 黃嘌呤氧化酶 治療的疾病 痛風(fēng) 主要作用的酶 黃嘌呤氧化酶 作用的代謝途 嘌呤核苷酸分解 藥物名稱 利巴韋林（病毒唑），5-氮基咪唑- 4-羧酸核苷酸 正常代謝物 5-氨基咪唑-4-羧酸核苷酸 治療的疾病 廣譜抗病毒藥呼吸道合胞病毒流感