1、核酸的降解和核苷酸代谢核酸的降解和核苷酸代谢(Degradation of nucleic acid and nucleotides metabolism)一、核酸和核苷酸的分解代谢一、核酸和核苷酸的分解代谢二、核苷酸的生物合成二、核苷酸的生物合成核酸营养与核酸代谢核酸营养与核酸代谢含氮碱类含氮碱类 平面，芳烃，杂环 来自嘌呤或嘧啶碱基的结构碱基的结构糖糖 D-核糖 和 2-脱氧核糖*缺少一个缺少一个 2-OH 基团基团核苷核苷把一个嘌呤或嘧啶基把一个嘌呤或嘧啶基与与糖通过糖通过N-糖苷键的糖苷键的产物产物 嘌呤的N9原子与糖的C1形成糖苷键 嘧啶的 N1原子与糖的C1 形成糖苷键 磷酸基团磷
2、酸基团 单-，二-或三磷酸磷酸基团可接合到糖的磷酸基团可接合到糖的C3或或C5原子原子核苷酸核苷酸 一个或更多的磷酸基团通过酯化反应结合的核苷在分子的5端的产物核苷酸核苷酸 DNA(脱氧核酸)是一种脱氧核糖核苷酸的聚合物 脱氧核糖核苷酸和核糖核苷酸都含有腺嘌呤，鸟嘌呤与胞嘧啶 核糖核苷酸含有尿嘧啶-脱氧核糖核苷酸含有胸腺嘧啶是核酸聚合物的单体三磷酸核苷是重要的能量载体（ATP，GTP）是辅酶的重要成分 FAD,NAD+和辅酶AFAD NADCoenzyme A：3-磷酸磷酸-ADP-泛酰泛酰-巯基乙胺巯基乙胺巯基乙胺泛酸ADP 核苷:嘌呤核苷以“-sine”结尾 腺苷，鸟苷 嘧啶核苷以“-di
3、ne”结尾 胸腺嘧啶，胞嘧啶，尿嘧啶 核苷酸:从上面核苷的名字开始并加上“mono-”,“di-”,或“triphosphate”如：一磷酸腺苷，胞苷，脱氧胸苷二磷酸 1909-1934年，美国生物化学家年，美国生物化学家Owen证明，核酸证明，核酸的分解单位是核苷酸。的分解单位是核苷酸。1961年，美国生化学家年，美国生化学家Joan Oro模拟大气放电，模拟大气放电，在有氰化氢参加的反应体系中发现有氨基酸和腺在有氰化氢参加的反应体系中发现有氨基酸和腺嘌呤生成。嘌呤生成。1963年，年，Ponnamperuma在类似的实验中也得到了在类似的实验中也得到了腺嘌呤。后来，他又与腺嘌呤。后来，他又
4、与Ruth Mariner、Carl Sagan将腺嘌呤与核糖连接成为腺苷；再连接磷酸，得到将腺嘌呤与核糖连接成为腺苷；再连接磷酸，得到了腺苷三磷酸了腺苷三磷酸(ATP)。核酸分解与合成背景知识核酸分解与合成背景知识 早在演绎核苷酸生物合成前，生物化学家就已经发现早在演绎核苷酸生物合成前，生物化学家就已经发现动物会排泄动物会排泄3种不同的含氮废物，即种不同的含氮废物，即NH2、尿素和尿、尿素和尿酸。酸。尿酸就是嘌呤化合物的代谢产物尿酸就是嘌呤化合物的代谢产物。在在1950年间，年间，John M.Buchanan和和G.Robert Greenberg采用同位素示踪结合嘌呤核苷酸降解物采用同位
5、素示踪结合嘌呤核苷酸降解物尿酸分析证明，嘌呤分子的原子尿酸分析证明，嘌呤分子的原子N1来自天冬氨酸，来自天冬氨酸，N3和和N9来自谷氨酰胺等，完成了嘌呤生物合成过程来自谷氨酰胺等，完成了嘌呤生物合成过程的演绎。更为重要的是，他们还发现嘌呤不是以游离的演绎。更为重要的是，他们还发现嘌呤不是以游离含氮碱，而是以含氮碱，而是以核苷酸形式核苷酸形式在体内合成的。在体内合成的。核酸分解与合成背景知识核酸分解与合成背景知识1964年，科学家确定年，科学家确定Lesch-Nyhan综合征与综合征与次黄嘌呤次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶（鸟嘌呤磷酸核糖转移酶（HGPRT）缺）缺陷有关。至今已发现，核苷酸的合成
6、和分解代谢陷有关。至今已发现，核苷酸的合成和分解代谢障碍与很多遗传性、代谢性疾病有关。障碍与很多遗传性、代谢性疾病有关。模拟核苷酸组成成分，如取代碱基、核苷和模拟核苷酸组成成分，如取代碱基、核苷和核苷酸的类似物已发展为在临床上常用、有效的核苷酸的类似物已发展为在临床上常用、有效的抗代谢药物。抗代谢药物。核苷酸的功能核苷酸的功能 核苷酸是核酸生物合成的前体 核苷酸衍生物是许多生物合成的活性中间物，例如：UDP-葡萄糖和CDP-二酯酰甘油分别是糖原和磷酸甘油酯合成的中间物 ATP是生物能量代谢中通用的高能化合物 腺苷酸是三种重要辅酶的组分 某些核苷酸是代谢的调节物质。如：cAMP和cGMP是许多激
7、素引起的胞内信使 1 核酸的酶促降解核酸的酶促降解 核糖核酸酶核糖核酸酶、脱氧核糖核酸酶脱氧核糖核酸酶、限制性内切酶限制性内切酶 2 核苷酸的降解核苷酸的降解 3 核苷酸的合成核苷酸的合成 （1 1）核糖核苷酸的生物合成）核糖核苷酸的生物合成 嘌呤核苷酸的合成：从头合成和补救途径嘌呤核苷酸的合成：从头合成和补救途径 嘧啶核苷酸的合成：从头合成和补救途径嘧啶核苷酸的合成：从头合成和补救途径 （2 2）脱氧核糖核苷酸的生物合成）脱氧核糖核苷酸的生物合成 核糖核苷酸的还原核糖核苷酸的还原 脱氧胸腺嘧啶核苷酸的合成脱氧胸腺嘧啶核苷酸的合成核酸的降解和核苷酸代谢核酸的降解和核苷酸代谢第一部分核酸的解聚作
8、用 动物和异养型微生物可以分泌消化酶来分解核蛋白和核酸类物质，以获得各种核苷酸。（核苷水解酶主要存在于植物和微生物体内，并且只能对核糖核苷起作（核苷水解酶主要存在于植物和微生物体内，并且只能对核糖核苷起作用，对脱氧核糖核苷不起作用。）用，对脱氧核糖核苷不起作用。）（核苷磷酸化酶存在广泛）（核苷磷酸化酶存在广泛）核酸的酶促降解核酸的酶促降解核酸的酶促降解核酸的酶促降解磷酸单酯酶磷酸单酯酶核糖核糖核酸核酸核酸酶核酸酶单核苷酸单核苷酸核苷核苷嘧啶嘧啶/嘌呤嘌呤核苷水解酶核苷水解酶核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶嘧啶（嘌呤）嘧啶（嘌呤）核糖核糖-1-1-磷酸磷酸脱氧核糖脱氧核糖-1-1-磷酸磷酸核糖核糖-5-
9、5-磷酸磷酸磷酸戊糖途径磷酸戊糖途径醛缩酶醛缩酶乙醛乙醛甘油醛甘油醛-3-3-磷酸磷酸核核 酸酸 酶酶1、核酸酶的分类、核酸酶的分类核酸外切酶核酸外切酶：作用于核酸链的末端（作用于核酸链的末端（3端或端或5端），逐端），逐个水解下核苷酸。个水解下核苷酸。脱氧核糖核酸外切酶：只作用脱氧核糖核酸外切酶：只作用DNA核糖核酸外切酶核糖核酸外切酶:只作用于只作用于RNA核酸内切酶：核酸内切酶：从核酸分子内部切断从核酸分子内部切断3,5-磷酸二酯键。磷酸二酯键。限制性内切酶：限制性内切酶：在细菌细胞内存在的一类能识别并水解外在细菌细胞内存在的一类能识别并水解外源双链源双链DNA的核酸内切酶，可用于特异切
10、割的核酸内切酶，可用于特异切割DNA，常，常作为工具酶。作为工具酶。核酸酶：作用于核酸的磷酸二酯酶核酸酶：作用于核酸的磷酸二酯酶外切核酸酶对核酸的水解位点5 p p p pOHB p p p p3 BBBBBBB牛脾磷酸二酯酶牛脾磷酸二酯酶（5 5 端外切得端外切得3 3核苷酸核苷酸）蛇毒磷酸二酯酶蛇毒磷酸二酯酶（3 3 端外切得端外切得5 5核苷酸）核苷酸）2、核酸酶的作用特点核酸酶的作用特点限制性内切酶限制性内切酶原核生物中存在着一类能识别外源原核生物中存在着一类能识别外源DNA双螺旋双螺旋中中4-8个碱基对所组成的特异的具有二重旋转对称个碱基对所组成的特异的具有二重旋转对称性的性的回文序
11、列回文序列，并在此序列的某位点水解，并在此序列的某位点水解DNA双螺双螺旋链的酶分子，产生粘性末端或平末端，这类酶称旋链的酶分子，产生粘性末端或平末端，这类酶称为限制性内切酶（为限制性内切酶（restriction endonuclease）。）。限制性内切酶名称的第一个字母取自获得此限制性内切酶名称的第一个字母取自获得此内切酶的细菌属名的第一个字母，用大写内切酶的细菌属名的第一个字母，用大写 名称的第二、三个字母取自该细菌种名的头名称的第二、三个字母取自该细菌种名的头二个字母，用小写字母二个字母，用小写字母 如果该细菌还有不同的株系，则另加第四个如果该细菌还有不同的株系，则另加第四个代表株系
12、的字母或数字；最后是用罗马字大写的数代表株系的字母或数字；最后是用罗马字大写的数字，代表同一菌株中不同限制性内切酶的编号。字，代表同一菌株中不同限制性内切酶的编号。限制性内切酶的命名和意义限制性内切酶的命名和意义如如Hind 代表从流感噬血杆菌代表从流感噬血杆菌d株（株（Haemophilus influenzae）中分离到的第三种内切酶。）中分离到的第三种内切酶。核苷酸的降解核苷酸的降解核苷磷酸化酶普遍存在，催化反应是可逆的。核苷水解酶主要存在于植物与微生物中，并且只针对核糖核苷，对脱 氧核糖核苷是无作用的，反应是不可逆的。第二部分碱基的分解代谢嘌呤碱的分解Purine Catabolism
13、不同动物嘌呤代谢的产物不同动物嘌呤代谢的产物 灵长类、鸟类：灵长类、鸟类：尿酸尿酸其他哺乳动物、软体动物：其他哺乳动物、软体动物：尿囊素尿囊素 硬骨鱼：硬骨鱼：尿囊酸尿囊酸 软骨鱼和两栖类：软骨鱼和两栖类：尿素尿素 大多数海洋无脊椎动物：大多数海洋无脊椎动物：氨和氨和CO2 （如甲壳类动物）（如甲壳类动物）所有的嘌呤降解会产生尿酸（但它可能不会停止于尿酸）所有的嘌呤降解会产生尿酸（但它可能不会停止于尿酸）嘌呤碱的分解首先是在各种脱氨酶的作用下水解脱去氨基。脱氨反应也可以在核苷或核苷酸的水平上进行，在动物组织中腺嘌呤脱氨酶的含量极少，而腺嘌呤核苷脱氨酶和腺嘌呤核苷酸脱氨酶的活性极高。嘌呤碱的分解
14、嘌呤碱的分解嘌呤碱基的脱氨嘌呤碱基的脱氨嘌呤的降解嘌呤的降解 腺嘌呤腺嘌呤 鸟嘌呤鸟嘌呤 H H2 2O HO H2 2O O NH NH3 3 NH NH3 3 次黄嘌呤次黄嘌呤 黄嘌呤黄嘌呤 H H2 2O+OO+O2 2 H H2 2O O2 2 H H2 2O+OO+O2 2 H H2 2O O2 2 尿囊素尿囊素 尿酸尿酸 H H2 2O COO CO2 2+H+H2 2O O2 2 2H 2H2 2O+OO+O2 2 尿囊酸尿囊酸 尿素尿素 +乙醛酸乙醛酸 H H2 2O O 4NH4NH3 3+2CO+2CO2 2腺嘌呤脱氨酶腺嘌呤脱氨酶鸟嘌呤脱氨酶鸟嘌呤脱氨酶黄嘌呤氧化酶黄嘌呤
15、氧化酶黄嘌黄嘌呤氧呤氧化酶化酶尿酸氧化酶尿酸氧化酶尿囊尿囊素酶素酶尿囊酸酶尿囊酸酶脲酶脲酶嘌呤的分解代谢嘌呤的分解代谢NNNHNNH2NHNNHNONH2AdenineGuanineNNNHNOHNNNHNOHOHH2OH2O2H2OH2O2NNNHNOHOHHONHNHNHHNOOO次黄嘌呤黄嘌呤尿酸(稀醇式)次黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶鸟嘌呤脱氨酶腺嘌呤脱氨酶+H2O+H2ONH3NH3黄嘌呤氧化酶H2OO2CO2NHNHNHHNOOO尿酸(酮式)黄嘌呤氧化酶H2ONH2NHONHHNOO尿囊素尿囊酸NH2NHCONHNH2OOOH尿囊素酶尿囊酸酶H2NCNH2O2+COOHCHO乙醛酸尿素
16、尿酸的进一步分解尿酸的进一步分解尿酸氧化酶腺苷降解腺苷降解案例研究：痛风案例研究：痛风 一个一个45岁的人醒来，发现他的右大脚趾疼痛并肿岁的人醒来，发现他的右大脚趾疼痛并肿胀。在前一天晚上他晚饭吃了炒肝和洋葱，之后胀。在前一天晚上他晚饭吃了炒肝和洋葱，之后他遇到了他又玩了扑克并喝了一些啤酒。他遇到了他又玩了扑克并喝了一些啤酒。早上他去看医生，被确诊为痛风性关节炎，被要早上他去看医生，被确诊为痛风性关节炎，被要求进行体检。他的血清尿酸水平为求进行体检。他的血清尿酸水平为8毫克毫克/升升(NL7.0 mg/L).他回忆说，他的父亲和祖父，他们都是酒鬼，经他回忆说，他的父亲和祖父，他们都是酒鬼，经常
17、抱怨关节疼痛和脚肿胀。常抱怨关节疼痛和脚肿胀。案例研究：痛风案例研究：痛风 医生建议，疼痛和肿胀的人使用医生建议，疼痛和肿胀的人使用NSAIDs，增加他的液，增加他的液体摄入（但不是酒精）和休息，把他的脚提起来。他体摄入（但不是酒精）和休息，把他的脚提起来。他还开了药物还开了药物别嘌呤醇别嘌呤醇.几天以后，情况已解决并且已经停止服用嘌呤几天以后，情况已解决并且已经停止服用嘌呤醇了。重新测定尿酸水平（醇了。重新测定尿酸水平（7.1毫克毫克/升）。医升）。医生给他一些关于改变生活方式的建议。生给他一些关于改变生活方式的建议。痛风 尿酸排泄的削弱与过量产生导致发病 尿酸结晶沉淀在关节（痛风性关节炎）
18、，肾脏，输尿管（结石）黄嘌呤氧化酶抑制剂可以抑制尿酸产生,用来治疗痛风药物治疗次黄嘌呤类似物结合黄嘌呤氧化酶降低尿酸的生成嘌呤醇是一种黄嘌呤氧化酶抑制剂一个底物类似物转化为抑制剂，在这种情况下，称为“自杀性抑制剂”高嘌呤食物：豆苗、黄豆芽、芦笋、香菇、紫菜、动物内脏、鱼类高嘌呤食物：豆苗、黄豆芽、芦笋、香菇、紫菜、动物内脏、鱼类 治疗痛风新药研发治疗痛风新药研发饮酒与痛风饮酒与痛风酒精在体内代谢产生乳酸，而血液乳酸水平的提高将抑制肾脏对尿酸的 排泄。啤酒中含有大量的嘌呤，饮酒相当于摄入了高嘌呤食物。饥饿状态下，体内代谢的调节可增加尿酸的形成进而影响尿酸的水平。机 理：治 疗：采取有效的药物治疗
19、合理控制饮食 多吃碱性食物和蔬菜 少喝啤酒 多饮水，少喝汤（汤里存在大量的嘌呤）规律而健康的生活习惯适当参加体育及户外运动腺苷脱氨酶缺乏症腺苷脱氨酶缺乏症 在嘌呤降解过程中,腺苷 次黄（嘌呤核）苷 催化这一反应的酶是腺苷脱氨酶(ADA)ADA 不足导致 SCID 重症联合免疫缺陷 选择性杀伤淋巴细胞 对象是B-和 T-细胞 阻碍免疫反应 腺苷脱氨酶缺乏症Adenosine deaminase deficiency(ADA)：一种严重的免疫缺陷症，腺苷脱氨酶的缺乏可使T淋巴细胞因代谢产物的累积而死亡，从而导致严重的联合性免疫缺陷症（SCID）。通常导致婴儿出生几个月后死亡。脱氨酶H2OH2ONH
20、3环化水化酶NNHNH2ONHNHOO二氢尿嘧啶还原酶NADP+NADPH+H+NHNHOOH2NCHNH2CH2CCOOHO尿基丙酸尿基丙酸酶H2OH2NH2CH2CCOOH丙氨酸+NH3+CO2CytosineUracilNNHNH2O5-甲基胞嘧啶脱氨酶H2ONH3H3CNHNHOOH3C脱氢酶NADP+NADPH+H+胸腺嘧啶NHNHOOH3C二氢尿嘧啶二氢胸腺嘧啶H2O环化水化酶H2NCHNH2C CHCOOHO尿基异丁酸尿基异丁酸酶H2OH2NH2C CHCOOH氨基异丁酸+NH3+CO2CH3CH3嘧啶的分解代谢嘧啶的分解代谢胞嘧啶和尿嘧啶的分解代谢胞嘧啶和尿嘧啶的分解代谢 胞嘧
21、啶胞嘧啶尿嘧啶尿嘧啶二氢尿嘧啶二氢尿嘧啶-脲基丙酸脲基丙酸-丙氨酸丙氨酸胸腺嘧啶的分解代谢胸腺嘧啶的分解代谢-脲基异丁酸脲基异丁酸 -氨基异丁酸氨基异丁酸二氢胸腺嘧啶二氢胸腺嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶胞嘧啶NH3尿嘧啶尿嘧啶二氢尿嘧啶二氢尿嘧啶 H2OCO2+NH3-丙氨酸丙氨酸胸腺嘧啶胸腺嘧啶-脲基异丁酸脲基异丁酸-氨基异丁酸氨基异丁酸H2O丙二酸单酰丙二酸单酰CoA乙酰乙酰CoATCA肝肝尿素尿素甲基丙二酸单酰甲基丙二酸单酰CoA琥珀酰琥珀酰CoATCA糖异生糖异生胸腺嘧啶的分解代谢胸腺嘧啶的分解代谢甲基丙酰半醛第三部分核苷酸的生物合成嘌呤核糖核苷酸的生物合成嘌呤核糖核苷酸的生物合成碱基碱
22、基/核苷核苷/核苷酸核苷酸碱基碱基碱基+糖糖=核苷核苷碱基碱基+糖糖+磷酸基团磷酸基团=核苷酸核苷酸腺嘌呤腺嘌呤脱氧腺苷脱氧腺苷脱氧腺苷脱氧腺苷 5-三磷酸三磷酸(dATP)概述：从头合成基本途径 半合成（补救合成）（CO2/NH3/AA/戊糖）核糖核苷酸分解的现成嘌呤、嘧啶ATP核苷酸合成的两条途径核苷酸合成的两条途径核糖、氨基酸、CO2、NH3核糖核苷酸脱氧核苷酸辅酶RNA核苷碱基脱氧核苷DNA嘌呤核苷酸环上原子来源嘌呤核苷酸环上原子来源嘌呤核糖核苷酸的合成嘌呤核糖核苷酸的合成次黄嘌呤核苷酸的合成次黄嘌呤核苷酸的合成 各种嘌呤核苷酸的合成是先合成各种嘌呤核苷酸的合成是先合成次黄嘌呤次黄嘌呤
23、核苷酸核苷酸，再转变成各种嘌呤核苷酸。此途径叫，再转变成各种嘌呤核苷酸。此途径叫嘌呤核苷酸的从头合成途径嘌呤核苷酸的从头合成途径（de novo synthesis pathway）。次黄嘌呤核苷酸的合成是在核糖上合成次次黄嘌呤核苷酸的合成是在核糖上合成次黄嘌呤的，而不是先合成次黄嘌呤，再与核糖黄嘌呤的，而不是先合成次黄嘌呤，再与核糖结合的。结合的。嘌呤核苷酸的合成嘌呤核苷酸的合成OHHHHOOHHHOCH2POHOOH5-磷酸核糖OHHHOOHHHOCH2POHOOH磷酸核糖焦磷酸酶ATPAMP5-磷酸核糖-1-焦磷酸(PRPP)POPOOHOHOOHH2OPPi谷酰胺谷氨酸HHHOOHHH
24、OCH2POHOOHNH25-磷酸核糖胺ATPADP+Pi甘氨酸HHHOOHHHOCH2POHOOHNHCH2CNH2O甘氨酰胺核苷酸嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢谷氨酰胺提供谷氨酰胺提供N9N9甘氨酸提供甘氨酸提供C4C4，5 5和和N7N7嘌呤核苷酸的合成嘌呤核苷酸的合成N5,N10-甲炔FH4FH4ATPADP+PiHHHOOHHHOCH2POHOOHNHCH2CNH2O甘氨酰胺核苷酸HHHOOHHHOCH2POHOOHNHCH2CHNO甲酰甘氨酰胺核苷酸CHOATPADP+Pi谷酰胺谷氨酸HHHO
25、OHHHOCH2POHOOHNHCH2CHNHN甲酰甘氨酰胺咪唑核苷酸CHOHHHOOHHHOCH2POHOOHNCHCNH2NCH5-氨基咪唑核苷酸嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢一碳单位提供一碳单位提供C8C8谷氨酰胺提供谷氨酰胺提供N3N3N10-甲酰甲酰FH4N10-甲酰FH4FH4CO2ATPADP+PiHHHOOHHHOCH2POHOOHNCHCNH2NCH5-氨基咪唑核苷酸HHHOOHHHOCH2POHOOHNCCNH2NCH5-氨基-4-羧基咪唑核苷酸门冬氨酸HHHOOHHHOCH2POHO
26、OHNCCNH2NCH5-氨基-4-氨甲酰咪唑核苷酸COOHCOHNCCOOHHCH2HOOC延胡索酸HHHOOHHHOCH2POHOOHNCCNH2NCHCOH2N5-甲酰氨-4-氨甲酰咪唑核苷酸HHHOOHHHOCH2POHOOHNCCNHNCHCOH2NCOHHHHOOHHHOCH2POHOOHNCCNNCHCOHNHC次黄嘌呤核苷酸嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢CO2CO2提供提供C6C6天冬氨酸提供天冬氨酸提供N1N1一碳单位提供一碳单位提供C2C2HHHOOHHHOCH2POHOOHNCCNN
27、CHCOHNHC次黄嘌呤核苷酸HHHOOHHHOCH2POHOOHNCCNNCHCHHNHNHCHHHOOHHHOCH2POHOOHNCCNNCHCOHNCNNNNNH2OOHOHHHHHOH2PNHNNONH2NOOHHHHHOHOH2PGTPGDP+Pi门冬氨酸NAD+NADH+H+H2OATPADP+Pi谷酰胺谷氨酸延胡索酸HO黄嘌呤腺苷酸代琥珀酸CHH2CCOOHCOOHAMPGMP嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢天冬氨酸提供天冬氨酸提供C6C6上的氨基上的氨基谷氨酰胺提供谷氨酰胺提供C2C2上的氨
28、基上的氨基AMP一磷酸核苷激酶ATPADPADP二磷酸核苷激酶ATPADPATPGMP一磷酸核苷激酶ATPADPGDP二磷酸核苷激酶ATPADPGTPATP和和GTP的合成的合成嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢核苷酸合成的补救途径核苷酸合成的补救途径 生物体内除了能以简单前体物质生物体内除了能以简单前体物质“从头合成从头合成”（de novo synthesis）核苷酸外，还能利用预先形成）核苷酸外，还能利用预先形成的碱基和核糖合成核苷酸。这个途径称为的碱基和核糖合成核苷酸。这个途径称为“补救途补救途径径”
29、（salvage pathway）。）。嘌呤核苷酸合成的补救途径嘌呤核苷酸合成的补救途径核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶腺苷激酶腺苷激酶磷酸核糖转移酶磷酸核糖转移酶磷酸核糖转移酶磷酸核糖转移酶只有腺苷激酶，其只有腺苷激酶，其他核苷酸只能按以他核苷酸只能按以下反应产生。下反应产生。（A）（B）腺苷酸焦磷酸化酶NNNHNNH2NNNNNH2OOHOHHHHHOPHOOHOOHHHOOHHHOCH2POHOOHPOPOOHOHOOH+POPOOHOHOOHHO嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢PRPP补救途径补救途径5 5
30、磷酸核糖焦磷酸磷酸核糖焦磷酸腺嘌呤腺嘌呤腺嘌呤磷酸核糖转移酶嘌呤核苷酸合成特点嘌呤核苷酸合成特点先形成先形成IMP(次黄嘌呤核苷酸次黄嘌呤核苷酸)，然后在单磷酸的水平上，然后在单磷酸的水平上转变成转变成AMP、GMP。IMP合成从合成从5-P-核糖开始的，在核糖开始的，在ATP参与下先形成参与下先形成PRPP(5-磷酸核糖焦磷酸磷酸核糖焦磷酸)嘌呤的各个原子是在嘌呤的各个原子是在PRPP的的C1上逐渐加上去的。由上逐渐加上去的。由Asp、Gln、Gly、甲酸、甲酸、CO2 提供提供N和和C，合成时先形，合成时先形成右环，再形成左环。成右环，再形成左环。四氢叶酸（四氢叶酸（FH4）是一碳单位的载
31、体）是一碳单位的载体 嘌呤核苷酸生物合成的调节嘌呤核苷酸生物合成的调节别构酶：受终产物抑制；别构酶：受终产物抑制；受终产物抑制受终产物抑制受终产物抑制受终产物抑制核苷酸代谢核苷酸代谢 嘌呤核苷酸:从头合成 i.e.,嘌呤不是作为游离碱进行最初合成 形成的第一个嘌呤衍生物是肌苷单磷酸(IMP)这个嘌呤的碱基是次黄嘌呤 AMP 和 GMP 由IMP形成从头合成从头合成5-5-磷酸核糖磷酸核糖胺胺,PRA,PRA甘氨酰胺甘氨酰胺核苷酸核苷酸甲酰甲酰甘氨酰胺核苷酸甘氨酰胺核苷酸甲酰甘氨甲酰甘氨咪咪核苷酸核苷酸5-5-氨基氨基咪唑咪唑核苷酸核苷酸5-5-氨基氨基-4-4-羧酸咪唑核苷酸羧酸咪唑核苷酸5-
32、5-氨基咪唑氨基咪唑-4-(N-4-(N-琥珀酸琥珀酸)-氨甲酰氨甲酰核苷酸核苷酸5-5-氨基咪唑氨基咪唑-4-4-氨甲酰氨甲酰核苷酸核苷酸5-甲酰胺甲酰胺-4-氨甲酰咪唑氨甲酰咪唑核苷酸核苷酸合成合成AMP 和和GMP延胡索酸延胡索酸激酶激酶ADP激酶激酶ADPATPATPADPAMPATP激酶激酶GDP激酶激酶ADPGTPATPADPGMPATP嘌呤再利用嘌呤再利用 腺嘌呤转磷酸核糖基酶腺嘌呤转磷酸核糖基酶(APRT)腺嘌呤+PRPP AMP+PPi 次黄嘌呤鸟嘌呤转磷酸核糖基酶次黄嘌呤鸟嘌呤转磷酸核糖基酶(HGPRT)次黄嘌呤+PRPP IMP+PPi鸟嘌呤+PRPP GMP+PPi(注
33、释:这些反应都是可逆的)嘌呤核苷酸合成嘌呤核苷酸合成 ATP 的合成步骤由的合成步骤由6步构成步构成 PRPP 包含在嘌呤合成的第一步，也是包含在嘌呤合成的第一步，也是嘧啶合成的前体嘧啶合成的前体,His 和和 Trp 合成的前体合成的前体嘌呤核苷酸生物合成的调节控制嘌呤核苷酸生物合成的调节控制 GTP参与参与AMP的合成而的合成而ATP参与参与GMP的合成的合成（产物相互控制）（产物相互控制）PRPP 是生物合成的一个是生物合成的一个 中心分子中心分子 GTP的浓度增加会导致AMP生成速度增长；ATP的浓度增加会导致GMP生成速度增长细胞内的嘌呤分解代谢细胞内的嘌呤分解代谢 核苷酸分解为核苷
34、（水解反应），由5-核苷酸酶催化反应 嘌呤核苷磷酸化酶(PNP)肌苷 次黄嘌呤 黄质核甙 黄嘌呤 鸟苷 鸟嘌呤 1-磷酸核糖分裂 可异构化为磷酸核糖 腺苷脱氨基生成肌苷(ADA)细胞内的嘌呤分解代谢细胞内的嘌呤分解代谢 黄嘌呤是嘌呤碱基代谢的集合点 黄嘌呤 尿酸黄嘌呤氧化酶催化两个反应雷雷-纳（二氏）综合症纳（二氏）综合症 LeschNyhan syndrome 1964年首由Lesch和Nyhan二氏报道的一种先天性的代谢疾病。表现为血高尿酸症、高度智力障碍、脑源性麻痹、自伤症（自我咬伤）等的伴性遗传性疾病伴性遗传性疾病。发病的本质是基于组织中缺少与嘌呤有关的一种酶嘌呤有关的一种酶次次黄嘌呤
35、鸟嘌呤转磷酸核糖基酶黄嘌呤鸟嘌呤转磷酸核糖基酶（hypoxanthine（guanine）phosphoribosyltransferase，HGPRT），鸟嘌呤和次黄嘌呤补救途径障碍，导致产生过量的尿酸，导致肾结石和痛风。自我咬伤是咬自己的手指、嘴唇、颊部的一种怪癖，可作本症的一种重要特征。对于诊断原因不明的脑源性麻痹的男性病例中，在怀疑为本症时，测定其尿中和血中的尿酸是必要的。雷雷-纳（二氏）综合症纳（二氏）综合症 HGPRT 的量或活性不足次黄嘌呤鸟嘌呤转磷酸核糖基酶次黄嘌呤鸟嘌呤转磷酸核糖基酶 HGPRT 次黄嘌呤+PRPP IMP+PPi 使次黄嘌呤和鸟嘌呤含量增加(导致降解为尿酸的
36、量增加)导致痛风症状 还有一些神经性症状 spasticity,aggressiveness,self-mutilation 痉挛 具有侵略性 自我伤害 最早的时候神经精神异常，归因于一个的酶嘧啶核糖核苷酸的生物合成嘧啶核糖核苷酸的生物合成 嘧啶核苷酸的嘧啶环是由嘧啶核苷酸的嘧啶环是由氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸和和天冬天冬氨酸氨酸合成的合成的。氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸天冬氨酸天冬氨酸嘧啶核苷酸的生物合成嘧啶核苷酸的生物合成嘧啶核苷酸合成特点：其合成与嘌呤核嘧啶核苷酸合成特点：其合成与嘌呤核苷酸的合成不同，先由苷酸的合成不同，先由氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸与与天冬天冬氨酸氨酸形成形成嘧啶环嘧啶环，再与，再与5-
37、磷酸核糖焦磷酸磷酸核糖焦磷酸（PRPP）结合形成）结合形成 UMP，其关键的中间，其关键的中间产物是产物是乳清酸乳清酸。胞苷酸胞苷酸则由则由尿苷酸尿苷酸在三磷在三磷酸的水平上转变而来。酸的水平上转变而来。嘧啶环碳原子和氮原子的来源嘧啶环碳原子和氮原子的来源嘧啶核苷酸的合成代谢嘧啶核苷酸的合成代谢天冬氨酸氨基甲酰磷酸的合成氨基甲酰磷酸的合成CO2 +H2NCH CCH2OHOCH2CNH2O氨基甲酰磷酸合成酶II2ATP2ADP+PiH2NCH CCH2OHOCH2COHO+NH2COOPOOHOHGluGln氨基甲酰磷酸CO2CO2提供提供C2C2，GlnGln提供提供N3N3嘧啶核苷酸的合成
38、代谢嘧啶核苷酸的合成代谢乳清酸的合成乳清酸的合成NH2COOPOOHOH氨基甲酰磷酸H2NCH CCH2OHOCOHO+Asp门冬氨酸氨基甲酰转移酶PiCH2CHNHCNH2OCOOHOOH氨基甲酰门冬氨酸二氢乳清酸酶H2OCH2CHNHCHNOCOOHO二氢乳清酸脱氢酶NAD+NADH+H+CHCNHCHNOCOOHO二氢乳清酸乳清酸嘧啶核苷酸的合成代谢嘧啶核苷酸的合成代谢嘧啶核苷酸的合成代谢嘧啶核苷酸的合成代谢脱羧酶CO2乳清酸核苷焦磷酸化酶PRPPPPiCHCNHCHNOCOOHO乳清酸CHCNCHNOCOOHOOOHOHHHHHOP-OO-ONHOONOOHOHHHHHOP-OO-O乳
39、清酸核苷酸尿苷酸UMP一磷酸核苷激酶ATPADPUDP二磷酸核苷激酶ATPADPUTPCTP合成酶,Mg2+ATPADP+PiNHOONOOHOHHHHHOPOOHOPHOOHOPOOHOGlnGluNHNH2ONOOHOHHHHHOPOOHOPHOOHOPOOHOUTPCTP脱羧酶CO2乳清酸核苷焦磷酸化酶PRPPPPiCHCNHCHNOCOOHO乳清酸CHCNCHNOCOOHOOOHOHHHHHOP-OO-ONHOONOOHOHHHHHOP-OO-O乳清酸核苷酸尿苷酸UMP一磷酸核苷激酶ATPADPUDP二磷酸核苷激酶ATPADPUTPCTP合成酶,Mg2+ATPADP+PiNHOONOO
40、HOHHHHHOPOOHOPHOOHOPOOHOGlnGluNHNH2ONOOHOHHHHHOPOOHOPHOOHOPOOHOUTPCTP嘧啶核苷酸的合成代谢嘧啶核苷酸的合成代谢ATPATP提供能量提供能量嘧啶核苷酸合成的补救途径嘧啶核苷酸合成的补救途径UMP磷酸核糖磷酸核糖转移酶转移酶尿苷磷酸化酶尿苷磷酸化酶尿苷激酶尿苷激酶胞苷激酶胞苷激酶胞嘧啶一般只参与嘧啶核苷激酶催化的这种途径胞嘧啶一般只参与嘧啶核苷激酶催化的这种途径(A)(B)NHNHOONHOONOOHOHHHHHOP-OO-OUMPNHOONOOHOHHHHHHO尿苷尿苷激酶尿苷磷酸化 酶焦磷酸酶HHHOOHHHOCH2OHPOO
41、OH核糖-1-磷酸HOPiATPADPOHHHOOHHHOCH2POHOOHPOPOOHOHOOHPRPP嘧啶核苷酸的合成代谢嘧啶核苷酸的合成代谢Pyrimidine Ribonucleotide Synthesis Uridine Monophosphate(UMP)is synthesized first CTP is synthesized from UTP Pyrimidine ring synthesis completed first;then attached to ribose-5-phosphateN1,C4,C5,C6:AspartateC2:HCO3-N3:Glutami
42、ne amide Nitrogen2 ATP+HCO3-+Glutamine+H2OCOOPO3-2NH2Carbamoyl PhosphateNH2CNHCHCH2CCOOOHOOCarbamoyl AspartateHNCNHCHCH2CCOOOODihydroorotateHNCNHCCHCCOOOOOrotateHNCNCCHCCOOOOHHCH2OHOHHHOO2-O3POrotidine-5-monophosphate(OMP)HNCNCHCHCOOHHCH2OHOHHHOO2-O3PUridine Monophosphate(UMP)2 ADP+Glutamate+PiCarba
43、moylPhosphateSynthetase IIAspartateTranscarbamoylase(ATCase)AspartatePiH2ODihydroorotaseQuinoneReducedQuinoneDihydroorotateDehydrogenasePRPPPPiOrotate PhosphoribosylTransferaseCO2OMP DecarboxylasePyrimidine SynthesisUMP Synthesis Overview 2 ATPs needed:both used in first step One transfers phosphate
44、,the other is hydrolyzed to ADP and Pi 2 condensation:form carbamoyl aspartate and dihydroorotate(intramolecular)Attachment of base to ribose ring is catalyzed by OPRT;PRPP provides ribose-5-P PPi splits off PRPP irreversible嘧啶核苷酸合成的调节嘧啶核苷酸合成的调节氨甲酰磷酸合成酶氨甲酰磷酸合成酶天冬氨酸转氨甲酰酶天冬氨酸转氨甲酰酶CTPCTP合成酶合成酶乳清酸尿症乳清酸尿
45、症(Oroticaciduria)乳清酸尿症是一种遗传性疾病，主要表现为尿中排出乳清酸尿症是一种遗传性疾病，主要表现为尿中排出大量乳清酸、生长迟缓和重度贫血。是由于催化嘧啶核苷大量乳清酸、生长迟缓和重度贫血。是由于催化嘧啶核苷酸从头合成反应酸从头合成反应(5)(5)和和(6)(6)的双功能酶的双功能酶(乳清酸磷酸核糖转乳清酸磷酸核糖转移酶（移酶（OPRTOPRT）和乳清酸脱羧酶（）和乳清酸脱羧酶（OMPOMP脱羧酶）脱羧酶）)的基因缺的基因缺陷所致。临床用尿苷或胞苷治疗。尿苷经磷酸化可生成陷所致。临床用尿苷或胞苷治疗。尿苷经磷酸化可生成UMPUMP，抑制，抑制CPS(CPS(氨基甲酰磷酸合成酶
46、）氨基甲酰磷酸合成酶）活性，从而抑制活性，从而抑制嘧啶核苷酸的从头合成，从而避免乳清酸在体内的积累。嘧啶核苷酸的从头合成，从而避免乳清酸在体内的积累。Orotic Aciduria Caused by defect in protein chain with enzyme activities of last two steps of pyrimidine synthesis Increased excretion of orotic acid in urine Symptoms:retarded growth;severe anemia Only known inherited defect
47、 in this pathway(all others would be lethal to fetus)Treat with uridine/cytidine 脱氧核糖核苷酸的生物合成脱氧核糖核苷酸的生物合成脱氧核糖核苷酸的合成脱氧核糖核苷酸的合成 脱氧核糖核苷酸是由脱氧核糖核苷酸是由核糖核苷酸还原产生核糖核苷酸还原产生的。在生物体内，腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和的。在生物体内，腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶四种核糖核苷酸都可以被还原成相应的尿嘧啶四种核糖核苷酸都可以被还原成相应的脱氧核糖核苷酸。催化此反应的酶称为脱氧核糖核苷酸。催化此反应的酶称为核糖核核糖核苷酸还原酶苷酸还原酶。大肠杆菌核糖核
48、苷酸还原酶大肠杆菌核糖核苷酸还原酶 核糖核苷酸还原酶由核糖核苷酸还原酶由R1和和R2两个亚基组成，它们分开两个亚基组成，它们分开时没有活性，只有合在一起并有时没有活性，只有合在一起并有镁离子镁离子存在时才有活性。存在时才有活性。R1亚基含有两条相同的多肽链，每条多肽链上有亚基含有两条相同的多肽链，每条多肽链上有两个两个别构调节位点别构调节位点。一个调节位点结合效应物后影响对底物的。一个调节位点结合效应物后影响对底物的特异性，另一个调节位点结合效应物后调节酶的活性，每特异性，另一个调节位点结合效应物后调节酶的活性，每条肽链上还含有一对参与催化氧化还原反应的条肽链上还含有一对参与催化氧化还原反应的
49、巯基巯基。每个。每个R2亚基亚基均含有参与催化氧化还原反应的均含有参与催化氧化还原反应的酪氨酸酪氨酸。核糖核苷酸还原酶示意图核糖核苷酸还原酶示意图底物特异性底物特异性调节位点调节位点酶活性调节酶活性调节位点位点活性位点活性位点R1R1亚基亚基R2R2亚基亚基一对巯基和一个一对巯基和一个酪氨酸酪氨酸推进推进UDPUDP和和CDPCDP的还原的还原推进推进GDPGDP和和ADPADP的还原的还原别构效应物别构效应物硫氧还蛋白硫氧还蛋白核糖核酸还原酶系核糖核酸还原酶系硫氧还蛋白还原酶硫氧还蛋白还原酶核糖核苷酸还原酶核糖核苷酸还原酶核糖核苷酸的还原反应核糖核苷酸的还原反应核糖核苷酸还原酶核糖核苷酸还原
50、酶NADP+NADPH+H+硫氧还蛋白硫氧还蛋白还原酶还原酶FADATP、Mg2+硫氧还蛋白硫氧还蛋白（还原型）（还原型）SHSH硫氧还蛋白硫氧还蛋白（氧化型）（氧化型）SSOP-P-CH2NOHOH核糖核苷二磷酸核糖核苷二磷酸OP-P-CH2NOHH+H2O脱氧核糖核苷二磷酸脱氧核糖核苷二磷酸脱氧核苷酸的形成脱氧核苷酸的形成氧化态还原态核糖核苷酸还原酶催化反应时的氢传递过程核糖核苷酸还原酶催化反应时的氢传递过程脱氧胸腺嘧啶核苷酸的合成脱氧胸腺嘧啶核苷酸的合成 胸腺嘧啶核苷酸合成酶胸腺嘧啶核苷酸合成酶NADPH+H+SerNADP+Gly N5、N10CH2 FH4 FH2二氢叶酸二氢叶酸还原
