1、生物化学生物化学 Biochemistry第第 九九 章章核核 苷苷 酸酸 代代 谢谢Metabolism of Nucleotides 生物化学生物化学 Biochemistryl 核苷酸的分解代谢核苷酸的分解代谢l 核苷酸的合成代谢核苷酸的合成代谢 核酸酶核酸酶是指所有可以水解核酸的酶。是指所有可以水解核酸的酶。依据底物不同分类依据底物不同分类 DNA DNA酶酶(deoxyribonucleasedeoxyribonuclease,DNaseDNase)RNA RNA酶酶 (ribonucleaseribonuclease,RNaseRNase)依据切割部位不同分类依据切割部位不同分类
2、核酸内切酶：核酸内切酶：限制性核酸内切酶限制性核酸内切酶 非特异性核酸内切酶非特异性核酸内切酶 核酸外切酶：核酸外切酶：5 5 33 或或3 3 55 核酸外切酶。核酸外切酶。一、核苷酸的分解代谢一、核苷酸的分解代谢EcoRI限制性内切酶：限制性内切酶：可识别可识别DNA上的专一性位点，将两条上的专一性位点，将两条链同时切开，可形成粘性末端（如链同时切开，可形成粘性末端（如EcoRI）或非粘性）或非粘性末端（如末端（如 HaeIII）。）。NGAATTCN3535NGAATTCNNG53AATTCNAATTCN35NG基因工程中就象一流外科大夫手中的手术刀基因工程中就象一流外科大夫手中的手术刀
3、生物化学生物化学 Biochemistry（一）核苷酸的水解（一）核苷酸的水解核苷核苷+磷酸磷酸核苷酸酶核苷酸酶核苷酸核苷酸+H H2 2O O碱基碱基+戊糖戊糖核苷酶核苷酶核苷核苷+H H2 2O O生物化学生物化学 Biochemistry碱基碱基+1-1-磷酸磷酸-戊糖戊糖核苷核苷+H H3 3POPO4 4核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶磷酸解磷酸解生物化学生物化学 Biochemistry（二）嘌呤核苷酸的分解代谢（二）嘌呤核苷酸的分解代谢H2OPRPP核苷酸核苷酸酶Pi核苷核苷磷酸化酶Pi嘌呤碱磷酸戊糖途径R-1-PR-5-P补救途径氧化尿酸磷酸核糖焦磷酸磷酸核糖焦磷酸 2 2条途径条途径
4、途径一途径一生物化学生物化学 BiochemistryAMPGMPH（次黄嘌呤）（次黄嘌呤）X（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脱氨酶脱氨酶脱氨酶脱氨酶途径二途径二生物化学生物化学 Biochemistry生物化学生物化学 Biochemistry嘌呤代谢终产物：嘌呤代谢终产物：1.尿酸尿酸：灵长类、鸟类、爬行动物、昆虫；灵长类、鸟类、爬行动物、昆虫；2.尿囊素尿囊素：其他哺乳动物；其他哺乳动物；3.尿囊酸尿囊酸：硬骨鱼；硬骨鱼；4.尿素尿素：软骨鱼、两栖动物；软骨鱼、两栖动物；5.NH4+：海洋无脊椎动物。海洋无脊椎动物。痛风症的治疗机制痛风症的治疗机制鸟嘌
5、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HNHCNCCCNHCHNOHypoxanthineHNHCNCCCNHNHCOAllopurinol别嘌呤醇别嘌呤醇次黄嘌呤次黄嘌呤人血清中尿酸含量为人血清中尿酸含量为20-60mg/L20-60mg/L，当超过，当超过80mg/L80mg/L时，尿酸盐时，尿酸盐晶体在关节、软组织、软骨、肾等处沉淀，导致痛风、尿晶体在关节、软组织、软骨、肾等处沉淀，导致痛风、尿路结石及肾疾病。路结石及肾疾病。生物化学生物化学 Biochemistry每每100g食物含嘌呤的食物含嘌呤的mg数：数：生物
6、化学生物化学 Biochemistry（三）嘧啶核苷酸的分解代谢（三）嘧啶核苷酸的分解代谢嘧啶碱嘧啶碱1-磷酸核糖磷酸核糖嘧啶核苷酸嘧啶核苷酸嘧啶核苷嘧啶核苷核苷酸酶核苷酸酶PPi核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶H2OH2OH2NCH2CH2CO O HH2NCH2CHCO O HCH3NNHONH2H2ONH3HNNHOOCH2CH2NH2NHOHO O CHNNHOOCH3CH2CHNH2NHOHO O CCH3胞 嘧 啶尿 嘧 啶胸 腺 嘧 啶-脲 基 丙 酸CO2+NH3-丙 氨 酸-氨 基 异 丁 酸-脲 基 异 丁 酸生物化学生物化学 Biochemistry二、核苷酸的合成代谢二、核苷酸
7、的合成代谢l从头合成途径从头合成途径(de novo synthesis pathway)是指利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及是指利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及COCO2 2等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成核苷酸的途径。合成核苷酸的途径。l补救合成途径补救合成途径(salvage synthesis pathway)利用体内游离的碱基或核苷，经过简单的反利用体内游离的碱基或核苷，经过简单的反应过程，合成核苷酸的途径。应过程，合成核苷酸的途径。核苷酸的从头核苷酸的从头合成概况合成概况5-磷酸核糖磷酸核糖PRPPAspCO2+Gln氨基甲酰磷酸氨基
8、甲酰磷酸乳清酸乳清酸UMPdTMPUTPCTPGTPATPAMPGMPIMPGlnGlyGln一碳单位一碳单位一碳单位一碳单位CO2Asp磷酸核糖焦磷酸磷酸核糖焦磷酸生物化学生物化学 Biochemistry 肝肝、小肠和胸腺的、小肠和胸腺的胞液胞液。（一）嘌呤核苷酸的从头合成（一）嘌呤核苷酸的从头合成 合成部位合成部位生物化学生物化学 Biochemistry 嘌呤碱合成的元素来源嘌呤碱合成的元素来源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）(1)从头合成途径从头合成途径1.嘌呤核苷酸的从头合
9、成嘌呤核苷酸的从头合成HNNNNOR-5-PPRPP(PRA)(IMP)R-5-PATP AM PPRPP合 成 酶G ln G lu酰 胺 转 移 酶5-磷 酸 核 糖 胺9 步 反 应次 黄 嘌 呤 核 苷 酸磷酸核糖磷酸核糖焦磷酸焦磷酸腺苷酸腺苷酸(AMP)鸟苷酸鸟苷酸(GMP)HHOOOHHHOHCH2OPPOPHHCH2OOOHHHOHOHPAMPATPMg2+PPiOOHHHOHHNH2HCH2OPG ln酰 胺 转 移 酶5-磷 酸 核 糖 1-焦 磷 酸 （PR PP）5-磷 酸 核 糖(R-5-P)PR PP合 成 酶5-磷 酸 核 糖 胺G lu(PRA)谷氨酰胺谷氨酰胺I
10、MP的生成的生成HOH2NCCCNCHNOR-5-PH2NCHCNCHNR-5-PCH2CNHCHHNR-5-PHNOCH2CNHCHHNR-5-POOCO2H2OATPOOHHHOHHHN HCH2OCOH2CNH2POHCOH2CNH2FH4ATPOOHHHOHHNH2HCH2OPATPGlnGlu5-氨基咪唑-4-羧酸核苷酸（CAIR）5-氨基咪唑核苷酸（AIR）甲酰甘氨咪核苷酸（FGAM）甲酰甘氨酰胺核苷酸（FGAR）羧化酶甘氨酰胺核苷酸（GAR）Gly转甲酰基酶ADP+PiGAR合成酶PRAN10-CHO FH4FGAM合成酶AIR合成酶5-5-磷酸核糖胺磷酸核糖胺甘氨酸甘氨酸一碳一
11、碳单位单位谷氨酰胺谷氨酰胺CO2谷氨谷氨酰胺酰胺HNHCNCCCNCHNOR-5-PH2NHCNHCCCNCHNOR-5-POH2NH2NCCCNCHNOR-5-PH2OFH4NHH2NCCCNCHNOR-5-PHCCH2COOHCOOHHOH2NCCCNCHNOR-5-PH2OATPIMP 5-甲酰胺基咪唑-4-甲酰胺 核苷酸（FAICAR）5-氨基咪唑-4-甲酰胺核苷酸（AICAR）环水解酶转甲酰基酶N10-CHO FH45-氨基咪唑-4-(N-琥珀酸)甲酰胺核苷酸(SAICAR)延胡索酸裂解酶5-氨基咪唑-4-羧酸核苷酸（CAIR）Asp合成酶天冬氨酸天冬氨酸一碳单位一碳单位次黄嘌呤次黄
12、嘌呤核苷酸核苷酸AMP和和GMP的生成的生成HNNNNNHCHHOOCCH2COOHHNNHNNOOHNNHNNOHNNNNNH2HNNNNH2NOIMPXMPH2OGlnGluATPAMPGTPAspNADH+H+腺苷酸代琥珀酸（AMPS）AMPS 裂解酶延胡索酸GMP 合成酶NAD+H2OR-5-PR-5-PR-5-PR-5-PGMPR-5-PAMPS合成酶IMP脱氢酶黄嘌呤黄嘌呤核苷酸核苷酸次黄嘌呤次黄嘌呤核苷酸核苷酸鸟苷酸鸟苷酸腺苷酸腺苷酸生物化学生物化学 Biochemistry嘌呤核苷酸的相互转变嘌呤核苷酸的相互转变IMPAMP腺苷酸代腺苷酸代琥珀酸琥珀酸XMPGMPNH3腺苷酸脱
13、氨酶腺苷酸脱氨酶鸟苷酸还原酶鸟苷酸还原酶NADPH+H+NADP+NH3次黄嘌呤次黄嘌呤核苷酸核苷酸黄嘌呤黄嘌呤核苷酸核苷酸生物化学生物化学 BiochemistryAMPADPATPADPATP激酶激酶ADPATP激酶激酶GMPGDPGTPADPATP激酶激酶ADPATP激酶激酶生物化学生物化学 Biochemistryl 由由5-5-磷酸核糖焦磷酸磷酸核糖焦磷酸（PRPPPRPP）供给核苷酸的磷酸与核糖部）供给核苷酸的磷酸与核糖部分；分；l 嘌呤碱的合成是以嘌呤碱的合成是以PRPPPRPP为基础，添加原子或基团，形成嘌为基础，添加原子或基团，形成嘌呤的基本框架结构；呤的基本框架结构；l 嘌
14、呤的合成先由嘌呤的合成先由GlnGln、GlyGly、一碳单位形成闭合的五元环，、一碳单位形成闭合的五元环，再由再由COCO2 2、天冬氨酸和一碳单位形成闭合的六元环；、天冬氨酸和一碳单位形成闭合的六元环；l 嘌呤的合成嘌呤的合成首先合成次黄嘌呤核苷酸（首先合成次黄嘌呤核苷酸（IMPIMP），然后再转，然后再转变为变为AMPAMP和和GMPGMP。（2）嘌呤核苷酸从头合成特点）嘌呤核苷酸从头合成特点（3）嘌呤核苷酸嘌呤核苷酸从头合成的调节从头合成的调节调节方式：调节方式：反馈调节和交叉调节反馈调节和交叉调节生物化学生物化学 Biochemistryl 既满足需要，又不致于浪费。既满足需要，又不
15、致于浪费。l 维持维持ATPATP与与GTPGTP浓度的平衡。浓度的平衡。嘌呤核苷酸从头合成的调节的意义嘌呤核苷酸从头合成的调节的意义生物化学生物化学 Biochemistry2.嘌呤核苷酸的补救合成嘌呤核苷酸的补救合成 腺嘌呤磷酸核糖转移酶腺嘌呤磷酸核糖转移酶(APRT)(APRT)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)(HGPRT)腺苷激酶腺苷激酶(adenosine(adenosine kinasekinase)（1）参与补救合成的酶）参与补救合成的酶 细胞利用现成的嘌呤碱或嘌呤核苷重新合成细胞利用现成的嘌呤碱或嘌呤核苷重新合成嘌呤核苷酸的过程称为补救合
16、成。嘌呤核苷酸的过程称为补救合成。部位：动物的肝脏中部位：动物的肝脏中生物化学生物化学 Biochemistry（2）补救合成过程）补救合成过程腺腺嘌嘌呤呤核核苷苷AMPATPADP腺腺苷苷激激酶酶生物化学生物化学 Biochemistry（3 3）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补救合成节省从头合成时的能量和一些氨基酸的消耗。酸的消耗。l体内某些组织器官，如脑、骨髓等只能进行体内某些组织器官，如脑、骨髓等只能进行补救合成。补救合成。生物化学生物化学 Biochemistry3.嘌呤核苷酸的抗代谢物嘌呤核苷酸的抗代谢物 嘌呤核苷酸的抗代谢物是一些嘌
17、呤、氨基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。酸或叶酸等的类似物。主要以竞争性抑制干扰或阻断嘌呤核苷酸主要以竞争性抑制干扰或阻断嘌呤核苷酸的合成代谢，从而进一步的合成代谢，从而进一步阻止核酸以及蛋阻止核酸以及蛋白质的生物合成。白质的生物合成。生物化学生物化学 Biochemistry次黄嘌呤次黄嘌呤(H)6-巯基嘌呤巯基嘌呤(6-MP)（1）嘌呤类似物：主要有）嘌呤类似物：主要有6-巯基嘌呤巯基嘌呤(6-Mercaptopurine，6-MP)生物化学生物化学 Biochemistry6-MP6-MP核苷酸核苷酸从头合成途径从头合成途径补救合成途径补救合成途径HGPRT PR
18、PP酰胺转移酶酰胺转移酶IMPAMP 和和 GMP-6-MP 核苷酸核苷酸是是 IMP的类似物的类似物生物化学生物化学 Biochemistry（2）氨基酸类似物：）氨基酸类似物：氮杂丝氨酸氮杂丝氨酸(AS)(AS)是是GlnGln的类似物，干扰谷氨酰胺在嘌呤的类似物，干扰谷氨酰胺在嘌呤核苷酸合成中的作用，从而抑制嘌呤核苷酸的合成。核苷酸合成中的作用，从而抑制嘌呤核苷酸的合成。（3）叶酸类似物：）叶酸类似物：氨蝶呤氨蝶呤(AP)(AP)和氨甲蝶呤和氨甲蝶呤(MTX)(MTX)能竞争性抑制能竞争性抑制FHFH2 2还原酶，使叶酸还原酶，使叶酸不能还原成不能还原成FHFH2 2和和FHFH4 4，
19、从而抑制嘌呤中，从而抑制嘌呤中C C8 8和和C C2 2原子中一碳单位原子中一碳单位的供应。的供应。MTX生物化学生物化学 Biochemistry主要是主要是肝细胞胞液肝细胞胞液合成部位合成部位（二）嘧啶核苷酸的生物合成（二）嘧啶核苷酸的生物合成先合成嘧啶环，再与磷酸核糖相连。先合成嘧啶环，再与磷酸核糖相连。先合成先合成UMPUMP，再转变成，再转变成dTMPdTMP和和CTPCTP。特点特点生物化学生物化学 Biochemistry嘧啶合成的元素来源嘧啶合成的元素来源氨基甲酰磷酸氨基甲酰磷酸NCNCCC123456AspCO2Gln生物化学生物化学 Biochemistry1.从头合成途
20、径从头合成途径（1）尿嘧啶核苷酸的合成）尿嘧啶核苷酸的合成氨甲酰磷酸合成酶2ATP2ADP+PiGluGlnHCO3-+(CPS-)氨甲酰磷酸COPO3H2H2NO+NCNCCC123456AspCO2GlnGlnCO2氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸HNNOOHNNOOCOOHHNNHOOCOOHHNCNHCCH2COOCOOHHNH2CNHCCH2COOCOOHHHONH2CH2NCCH2COOCOOHHHOOP氨氨甲甲酰酰磷磷酸酸氨氨甲甲酰酰天天冬冬氨氨酸酸H2O二二氢氢乳乳清清酸酸酶酶NAD+NADH+H+PRPPPPiCO2 UMPPiR-5-PR-5-P天天冬冬氨氨酸酸氨氨甲甲酰酰转转移移酶酶
21、Asp二二氢氢乳乳清清酸酸脱脱氢氢酶酶 UTP磷磷酸酸核核糖糖转转移移酶酶脱脱羧羧酶酶乳乳清清酸酸核核苷苷酸酸乳乳清清酸酸二二氢氢乳乳清清酸酸生物化学生物化学 Biochemistry（2）CTP的合成的合成 是在三磷酸水平上进行的。是在三磷酸水平上进行的。UTPCTPGln+ATPGlu+ADP+PiCTP NNNH2OR5 PPPHNNOOR5 PPPCDPCMP磷酸酶磷酸酶生物化学生物化学 Biochemistry（3 3）途径的特点）途径的特点l首先合成嘧啶环（区别于嘌呤核苷酸的合首先合成嘧啶环（区别于嘌呤核苷酸的合成）成），再与，再与PRPPPRPP结合；结合；l嘧啶环上的原子或基团
22、来自嘧啶环上的原子或基团来自氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸和和天天冬氨酸冬氨酸；l首先合成首先合成UMPUMP，再由，再由UMPUMP转化成其它核苷酸。转化成其它核苷酸。生物化学生物化学 Biochemistry（4）从头合成的调节）从头合成的调节氨氨基基甲甲酰酰磷磷酸酸氨基甲酰天冬氨酸UMPATP+CO2+GlnPRPPUTPCTPATP+R-5-P嘌呤核苷酸嘧啶核苷酸哺乳动物细菌生物化学生物化学 Biochemistry2.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+
23、ADP胸腺嘧啶核苷胸腺嘧啶核苷+ATP胸苷激酶胸苷激酶TMP+ADP3.嘧啶核苷酸的抗代谢物嘧啶核苷酸的抗代谢物（1）嘧啶类似物）嘧啶类似物5-5-氟尿嘧啶氟尿嘧啶(5-FU)(5-FU)是胸腺嘧啶的类似物，是是胸腺嘧啶的类似物，是胸苷合成酶的抑制剂，抑制胸苷合成酶的抑制剂，抑制TMPTMP的合成的合成。胸腺嘧啶胸腺嘧啶5-氟尿嘧啶氟尿嘧啶HNNHOOFHNNHOOCH3thymine5-FU生物化学生物化学 Biochemistry5-FU5-FdUMP5-FUTPdUMPdTMP合成合成RNA破坏破坏 RNA的结构的结构生物化学生物化学 Biochemistry（2）氨基酸类似物）氨基酸类
24、似物如氮杂丝氨酸类似谷氨酰胺，可以抑制如氮杂丝氨酸类似谷氨酰胺，可以抑制CTPCTP的合成。的合成。如甲氨喋呤抑制叶酸代谢，使如甲氨喋呤抑制叶酸代谢，使dUMPdUMP不能利用一碳不能利用一碳单位甲基生成单位甲基生成dTMPdTMP。（3）叶酸类似物）叶酸类似物生物化学生物化学 Biochemistry叶酸类似物叶酸类似物（AP 、MTX）FH2FH4FH2 还原酶叶酸NADPH+H+NADP+NADPH+H+NADP+AP 或 MTX-FH2 还原酶氨蝶呤氨蝶呤氨甲喋呤氨甲喋呤生物化学生物化学 Biochemistry（4）核苷类似物）核苷类似物NNNH2Oara-cOHOHHHCH2OHH
25、OHNNNH2OcytosineOHOHOHHCH2OHHH阿糖胞苷阿糖胞苷胞嘧啶胞嘧啶阿糖胞苷能抑制阿糖胞苷能抑制CDPCDP还原成还原成dCDPdCDP，是重要的抗癌药物。，是重要的抗癌药物。生物化学生物化学 BiochemistryUMPUTPCTPCDPdCDPUDPdUDPdUMPdTMP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生物化学生物化学 Biochemistry（三）（三）脱氧核糖核苷酸的生成脱氧核糖核苷酸的生成l体内脱氧核糖核苷酸是通过相应的核糖核苷酸体内脱氧核糖核苷酸是通过相应的核糖核苷酸还原还原生成的。生成的。l这种还原反应是由这种还原反
26、应是由核糖核苷酸还原酶核糖核苷酸还原酶催化，在催化，在二磷酸核苷（二磷酸核苷（NDPNDP）水平）水平上进行的。上进行的。生物化学生物化学 BiochemistryADPGDPCDPUDPNADP+dADPdGDPdCDPdUDP核糖核苷酸还原酶还原型硫氧化还原蛋白-(SH)2氧化型硫氧化还原蛋白硫氧化还原蛋白还原酶NADPH+H+SS图9-18 脱氧核糖核苷酸的生成生物化学生物化学 BiochemistrySSH2OMg2+NADPHNADP+SHSH硫氧化还原蛋白核糖核苷酸还原酶 NDP（N=A,G,C,U）dNDPdNTPATPADP激酶O碱基CH2HOHOPPO碱基CH2OHOHOPP
27、FAD硫氧化还原蛋白硫氧化还原蛋白还原酶+H+1.脱氧核糖核苷酸的生成过程脱氧核糖核苷酸的生成过程生物化学生物化学 Biochemistry 核糖核苷酸还原酶的调节核糖核苷酸还原酶的调节CDPdCDPdCTPATPUDPdUDPdTTPGDPdGDPdGTPADPdADPdATP生物化学生物化学 Biochemistry2.dTMP或或TMP的生成的生成 是在一磷酸水平上进行的是在一磷酸水平上进行的dUMPdUDPdCMPdTMPH2OPiH2ONH3NADPHNADP+thymidylate synthaseHNNOOR 5 PdCH3reductaseHNNOOR 5 Pd+H+FH2胸腺
28、嘧啶核苷酸合成酶胸腺嘧啶核苷酸合成酶生物化学生物化学 Biochemistry嘌呤核苷酸合成小结嘌呤核苷酸合成小结生物化学生物化学 Biochemistry嘧啶核苷酸合成小结嘧啶核苷酸合成小结复习题：复习题：1.概念概念（1）SAM （2）核苷酸的从头合核苷酸的从头合2.讨论核苷酸在体内的主要生理功能。讨论核苷酸在体内的主要生理功能。3.讨论讨论PRPP（磷酸核糖焦磷酸）在核苷酸代（磷酸核糖焦磷酸）在核苷酸代谢中的重要性。谢中的重要性。4.试从合成原料、合成程序、反馈调节等方面试从合成原料、合成程序、反馈调节等方面比较嘌呤核苷酸与嘧啶核苷酸从头合成的异比较嘌呤核苷酸与嘧啶核苷酸从头合成的异同点。同点。
