生物化學(xué)精品課程8八核苷酸代謝

1、第八章核苷酸代謝制作：曾凡才審校：(2009 年 4 月)一、內(nèi)容提示：本章主要講述嘌呤核苷酸及嘧啶核苷酸的與分解代謝，抗代謝物的作用機(jī)理等內(nèi)容。(一) 核酸的消化吸收：核苷酸（nucleotide）是核酸的基本組成。機(jī)體可利用一些小分子化合物核苷酸，所以人體不需要外界供給核苷酸，核苷酸不屬于營養(yǎng)必需物質(zhì)。食物中的核酸多以白形式存在。白在胃中受胃酸作用，分解成核酸與蛋白質(zhì)。核酸主要在小腸中被消化，在各種水解酶作用下，最終分解為堿基、戊糖和磷酸。吸收入體內(nèi)的戊糖和磷酸可用來再核酸，堿基則大部分被分解，然后排出體外。(二) 核苷酸的生理功用：核苷酸（nucleotide）在體內(nèi)分布廣泛，細(xì)胞中主要

2、以 5-核苷酸形式存在，其中又以 5-ATP 含量最多。由于核糖核苷酸的作用范圍廣，所以，細(xì)胞中核糖核苷酸的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過脫氧核糖核苷酸。核苷酸的生物功用主要有： 作為核酸的原料，這是核苷酸最主要的功用。 體內(nèi)能量的利用形式，如 ATP 是細(xì)胞內(nèi)主要的供能物質(zhì)。 參與代謝和生理調(diào)節(jié)，如 c、cGMP 是多種細(xì)胞膜受體激素作用的第二信使。 參與組成輔酶，如腺苷酸是 NAD+、FAD、輔酶 A 等多種輔酶的組成成分。 活化中間代謝物，如 UDP-葡萄糖是糖原、糖蛋白的活性原料，CDP-二?；视褪橇字幕钚栽?，S-腺苷蛋氨酸（SAM）是活性甲基的載體等。(三) 嘌呤核苷酸的1嘌呤核苷酸的代謝：代謝

3、：嘌呤核苷酸的有兩條途徑：一是從頭途徑，這是主要途徑；另一是補救途徑。 嘌呤核苷酸從頭途徑（de novo synthesis）：嘌呤核苷酸（purine nucleotide）從頭的主要是肝臟，其次是小腸粘膜和胸腺，亞細(xì)胞部位是胞液。所需的基本原料是 5-磷酸核糖、谷氨酰胺、甘氨酸、一碳、CO2 和天冬氨酸。5-磷酸核糖首先在酶催化下活化生成 5-磷酸核糖-1-焦磷酸（PRPP），然后經(jīng)過一系列酶促反應(yīng)，首先生成次黃嘌呤核苷酸（inosine monophosphate，IMP）。IMP在酶的催化下，通過不同的途徑分別生成（ adenosine monophosphate）和 GMP （ g

4、uanosinemonophosphate）。GTP。嘌呤核苷酸從頭和 GMP 即可在相應(yīng)激酶的催化下，由 ATP 提供磷酸基，進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)?ATP 和的一個重要特點是一開始就在磷酸核糖分子上逐步嘌呤核苷酸，而不是首先單獨嘌呤堿，然后再與磷酸核糖結(jié)合。體內(nèi)嘌呤核苷酸可以相互轉(zhuǎn)變，以保持彼此平衡。 嘌呤核苷酸補救途徑（salvage pathway）：細(xì)胞利用現(xiàn)成嘌呤堿或嘌呤核苷重新嘌呤核1苷酸的過程，稱為補救。嘌呤核苷酸補救的生理意義一方面在于可以節(jié)省從頭時能量和一些氨基酸的消耗；另一方面，體內(nèi)某些組織，例如腦、骨髓等由于缺乏有關(guān)酶，不能從頭嘌呤核苷酸，它們只能利用由紅細(xì)胞從肝運送來的嘌呤堿及

5、腺嘌呤核苷通過補救途徑得到嘌呤核苷酸。2嘌呤核苷酸的分解代謝：嘌呤核苷酸在核苷酸酶和核苷酸磷酸化酶的作用下，可生成嘌呤堿和 1-磷酸核糖。嘌呤堿既可以參與嘌呤核苷酸的補救，也可以進(jìn)一步分解成黃嘌呤，最后生成尿酸（uric acid）。尿酸生成過多則會導(dǎo)致痛風(fēng)癥。1-磷酸核糖在磷酸核糖變位酶催化下轉(zhuǎn)變成 5-磷酸核糖，它又可以參與核苷酸的(三) 嘧啶核苷酸的代謝：。1嘧啶核苷酸的代謝：嘧啶核苷酸（pyrimidine nucleotide）也有從頭兩條途徑。從頭（denovo途和補救synthesis）的原料是谷氨酰胺、CO2、天冬氨酸和 5-磷酸核糖。嘧啶核苷酸與嘌呤核苷酸的從頭是先嘧啶環(huán)，然

6、后再與 5-磷酸核糖相連而成。其過程是首先由谷氨酰胺徑不同，嘧啶核苷酸的與 CO2 生成氨基甲酰磷酸，然后經(jīng)過與天冬氨酸、PRPP 進(jìn)行一系列反應(yīng)首先生成 UMP（uridinemonophosphate）。UMP 在激酶催化下生成 UTP，UTP 可氨基化生成 CTP。細(xì)胞利用分解產(chǎn)生的嘧啶堿嘧啶核苷酸的過程就是嘧啶核苷酸的補救途徑（salvage pathway）?；蜞奏ず塑罩匦?嘧啶核苷酸的分解代謝：嘧啶核苷酸在核苷酸酶及核苷酸磷酸化酶催下脫去磷酸及核糖，生成嘧啶堿。胞嘧啶、尿嘧啶降解的終產(chǎn)物是 NH3 、CO2 及 - 丙氨酸；胸腺嘧啶降解的終產(chǎn)物是 NH3 、CO2 及 - 氨基異丁

7、酸（-aminoisobutyric acid）。(四) 脫氧核苷酸的生成：脫氧核苷酸是（ribonucleotide reduDNA 的原料，它的生成是通過相應(yīng)的二磷酸核苷(NDP)在核糖核酸還原酶e）的催化下直接還原成二磷酸脫氧核苷(dNDP)，然后在激酶的催化下生成三磷酸脫氧核苷(dNTP)。嘌呤脫氧核苷酸和嘧啶脫氧核苷酸都是以這種方式生成的。但是 dTMP 的是由dUMP 經(jīng)甲基化形成的，dUMP 主要來自 dUDP 的水解和 dCMP 的脫氨基。某一種特定的 NDP 被還原酶還原成 dNDP 時，需要特定 NTP 的促進(jìn)；同時也受另一些 NTP 的抑制。通過這樣的調(diào)節(jié)，使的四種脫氧核

8、苷酸得到適當(dāng)?shù)谋壤?。DNA(五) 抗代謝物對核苷酸的抑制：嘌呤核苷酸的抗代謝物是一些嘌呤、氨基酸或葉酸等的類似物。它們主要以競爭性抑制或“以假亂真”等方式來阻斷嘌呤核苷酸的代謝，從而進(jìn)一步核酸以及蛋白質(zhì)的生物。腫瘤細(xì)胞的核酸及蛋白質(zhì)十分旺盛，由此，這些抗代謝物具有抗腫瘤作用。6-巰基嘌呤（6-mercaptopurine，6-MP）的化學(xué)結(jié)構(gòu)與次黃嘌呤相似，唯一不同的是分子中 C6 上由2巰基取代了羥基。6-MP 可在體內(nèi)經(jīng)磷酸化而生成 6-MP 核苷酸，并以這種形式抑制 IMP 轉(zhuǎn)變?yōu)榧?GMP 的反應(yīng)。6-MP 還能通過競爭性抑制，GMP 和 IMP 的補救。氮雜絲氨酸（azaserine

9、）的化學(xué)結(jié)構(gòu)與谷氨酰胺相似，可干擾谷氨酰胺在嘌呤核苷酸中的作用，從而抑制嘌呤核苷酸的。氨喋呤（aminopterin）及氨甲蝶呤（methotrexate）都是葉酸的類似物，使嘌呤環(huán)中的由一碳提供的碳原子不能供應(yīng)，從而抑制嘌呤核苷酸的。與嘌呤核苷酸一樣，嘧啶核苷酸的抗代謝物也是一些嘧啶、氨基酸和葉酸等的類似物。氨基酸和葉酸的類似物前面已述。嘧啶的類似物主要是 5-氟尿嘧啶（5-fluorouracil，5-FU），它的結(jié)構(gòu)與胸腺嘧啶相似，因此其主要作用是以 F-dUMP 的形式競爭性抑制脫氧胸苷酸的。二、重點：(一) 脫氧核糖核苷酸的生成：脫氧核糖核苷酸（deoxyribonucleotide

10、）可以由核糖核苷酸還原生成。需特別注意的是，所有的還原反應(yīng)均在二磷酸核苷水平上進(jìn)行。腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶核糖核苷酸(NDP)經(jīng)還原，將其中核糖第二位碳原子上的氧脫去，即成為相應(yīng)的脫氧核糖核苷酸(dNDP)。脫氧胸苷酸的生成則有兩條途徑：一條途徑是由尿苷二磷酸還原生成脫氧尿苷二磷酸，后者再經(jīng)脫磷酸和甲基化反應(yīng)轉(zhuǎn)變成脫氧胸苷酸，即 UDPdUDPdUMPdTMP。另一條途徑是由脫氧胞苷酸經(jīng)脫氨基反應(yīng)生成脫氧尿苷酸，后者再經(jīng)甲基化反應(yīng)生成脫氧胸苷酸，即 CDPdCDPdCMPdUMPdTMP。催化核糖核苷酸還原的酶是核糖核苷酸還原酶系，該酶系由核糖核苷酸還原酶、硫氧化還原蛋白和硫氧化還原蛋

11、白還原酶三種成分組成，還原反應(yīng)所需的氫由 N H+H+提供。核糖核苷酸還原酶催化核糖核苷酸(NDP)還原時所需的氫原子實際上直接來源于還原型硫氧化還原蛋白的巰基(2-SH)，后者在反應(yīng)后轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸土蜓趸€原蛋白(-S-S-)；氧化型硫氧化還原蛋白再在硫氧化還原蛋白還原酶(輔基為 FAD)的催化下，利用 N H+H+供氫，使氧化型硫氧化還原蛋白(-S-S-)再重新還原為還原型硫氧化還原蛋白(2-SH)。(二) 嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸的基本原料及分解產(chǎn)物的比較：嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸的基本原料及分解產(chǎn)物的相同與不同之處見下表。核苷酸相同點不同 點5-磷酸核糖CO2嘌呤核苷酸天冬氨酸谷氨酰胺甘氨酸

12、一碳的原料5-磷酸核糖CO2-嘧啶核苷酸天冬氨酸谷氨酰胺1-磷酸核糖NH3尿酸(靈長類)嘌呤核苷酸分解的產(chǎn)物C、U1-磷酸核糖CO2NH3-丙氨酸嘧啶核苷酸T1-磷酸核糖CO2NH3-氨基異丁酸3三、知識擴(kuò)展：(一) 聯(lián)系相關(guān)內(nèi)容，加深對核苷酸代謝的理解：1核苷酸代謝與核苷酸的分子結(jié)構(gòu)：學(xué)習(xí)本章內(nèi)容時，應(yīng)注意與“核酸的結(jié)構(gòu)與功能”中關(guān)于核苷酸的組成成分，核苷酸分子中的連接鍵以及分子間連接方式等內(nèi)容聯(lián)系起來，深刻理解核苷酸的與分解代謝。譬如，嘌呤或嘧啶核苷酸時，均以 5-磷酸核糖為原料，這是因為通常機(jī)體所需的核苷酸大部分是 5-核苷酸，且在過，可將 5-磷酸核糖的 1 位羥基活化后(形成 PRP

13、P)再與含氮堿基連接形成糖苷鍵。而在分解代謝時，5-核苷酸首先在磷酸酶的催化下脫去 5-磷酸基形成核苷，然后核苷再發(fā)生磷酸解，從而生成 1-磷酸核糖。2核苷酸代謝與和轉(zhuǎn)錄：通過核苷酸的代謝，可以得到 DNA與修復(fù)，RNA 轉(zhuǎn)錄時所需的全部原料。即 DNA與修復(fù)時所需的四種脫氧核糖核苷酸(dATP、dGTP、dCTP、dTTP)都可以通過相應(yīng)的嘌呤或嘧啶核苷酸代謝反應(yīng)得到；RNA 轉(zhuǎn)錄時所需的四種核糖核苷酸(ATP、GTP、CTP、UTP)也可以通過相應(yīng)的嘌呤或嘧啶核苷酸代謝反應(yīng)得到。3核苷酸代謝與氧化磷酸化：需特別注意由代謝生成的 ATP 與由氧化磷酸化生成的 ATP 之間的聯(lián)系和區(qū)別。前者的

14、主要目的是為機(jī)體轉(zhuǎn)錄RNA 提供原料，后者的主要目的則是為機(jī)體提供能源物質(zhì)。在原料 ATP 的過，需要消耗能源 ATP。原料 ATP 的生成是通過利用一些簡單的前體物質(zhì)逐步，而能源 ATP 的生成則是利用物質(zhì)分解代謝的化學(xué)能通過氧化磷酸化途徑直接將磷酸化后生成。原料 ATP 在參與 RNA 的后，不能夠立即進(jìn)入再循環(huán)過程；而能源 ATP 在分解供能后生成的，可以迅速再磷酸化生成 ATP。原料 ATP 在細(xì)胞的胞液中(二) 核苷酸代謝與醫(yī)學(xué)的關(guān)系：1核苷酸代謝與疾病的發(fā)生：，而能源 ATP 在細(xì)胞的線粒體中。核苷酸是核酸的基本結(jié)構(gòu)，而核酸又與蛋白質(zhì)的生物密切相關(guān)，因而核苷酸過程障礙或分解代謝紊亂

15、，均可導(dǎo)致疾病的發(fā)生。 嘌呤核苷酸分解代謝異常，使尿酸在血液中含量過高，當(dāng)血中尿酸鹽濃度超過 0.42mmol/L（8.0mg/dl）時，由于尿酸鹽過飽和而形成結(jié)晶，沉積于關(guān)節(jié)、軟組織、軟骨及腎等處，而導(dǎo)致關(guān)節(jié)炎、及腎疾患，稱為痛風(fēng)癥。一般認(rèn)為，血中尿酸含量過高可導(dǎo)致痛風(fēng)癥，多見于成年，但原發(fā)性痛風(fēng)的代謝缺陷未最后闡明。臨應(yīng)用別嘌呤醇治療痛風(fēng)癥，是因其結(jié)構(gòu)與次黃嘌呤相似，只在分子中 N7 與C8 互換了位置而已。故可競爭性抑制黃嘌呤氧化酶，從而抑制次黃嘌呤及黃嘌呤轉(zhuǎn)變成尿酸。4 在嘌呤核苷酸生成的補救途徑中，若次黃嘌呤-鳥嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶（HGPRT）缺乏，則產(chǎn)生 Lesch-Nyhan 綜

16、合征（自毀容貌征），本癥屬于性連鎖隱性遺傳病，是一種嘌呤代謝異常癥，以高尿酸與中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能失常為其特征。性缺乏 HGPRT 的患兒，在 23 歲時即出現(xiàn)腦發(fā)育不良和智力發(fā)育遲緩，紅細(xì)胞性貧血，高尿酸血癥，共濟(jì)失調(diào)，并伴有咬唇，手指及足趾等自殘性行為。 在嘧啶核苷酸從頭途徑中，酸核糖轉(zhuǎn)移酶與酸核苷酸（OMP）脫羧酶組成一個復(fù)合體，這兩種酶中的任一種性缺乏都能造成酸在血液中積聚，最后產(chǎn)生酸尿癥。2抗代謝物治療腫瘤的生化機(jī)理：抗代謝物是指一些人工的化合物，在結(jié)構(gòu)上分別與嘌呤、嘧啶、氨基酸及葉酸類似?？勾x物可作為抗腫瘤藥物應(yīng)用于臨床，阻斷腫瘤細(xì)胞中核苷酸的，進(jìn)而導(dǎo)致核酸和蛋白質(zhì)生物，從而抑制腫瘤

17、細(xì)胞增殖。 6-巰基嘌呤(6-MP)、6-硫代鳥嘌呤(6-TG)、8-氮雜鳥嘌呤(8-AG)是抗代謝物中的嘌呤類似物?，F(xiàn)以 6-MP 為例說明其治療一些活性，阻斷嘌呤核苷酸的補救的生化機(jī)理。由于它的結(jié)構(gòu)類似于次黃嘌呤，能競爭性抑制 HGPRT途徑；而 6-MP 在 HGPRT 催化下與 PRPP 作用生成 6-MP 核苷酸，則抑制 IMP 轉(zhuǎn)變?yōu)榧?GMP；此外 6-MP 核苷酸還能反饋抑制 PRPP 酰胺轉(zhuǎn)移酶活性，干擾 5-磷酸核糖胺的生成，從而阻斷嘌呤核苷酸的從頭，因而臨常將 6-MP 用作抗腫瘤藥物或免疫抑制藥物。 5-氟尿嘧啶(5-FU)是最常用的嘧啶類似物，其結(jié)構(gòu)與胸腺嘧啶類似，故可競爭性抑制尿苷酸和胞苷酸的補救，更主要的是它在體內(nèi)轉(zhuǎn)變成 5-FU 脫氧核苷酸(5-FdUMP)后，結(jié)構(gòu)上與 dUMP 類似，酶，降低 dTMP 的生成；如以 FUMP 的形式摻入 RNA 分子，則影響 RNA 的結(jié)構(gòu)與可抑制胞苷酸功能，干擾蛋白質(zhì)的生物。 氮雜絲氨酸(AS)是谷氨酰胺的結(jié)構(gòu)類似物，能與 PRPP 酰胺轉(zhuǎn)移酶和甲酰甘氨脒核苷酸酶催化部位的氨基酸側(cè)鏈