生物化學核苷酸代謝課件

第九章,核苷酸代謝,本章重點 重點：熟悉嘌呤環(huán)和嘧啶環(huán)上各個原子的來源。了解嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸從頭合成的過程以及最初產物，二者合成途徑的差異。了解核苷酸補救合成途徑的重要意義。 了解核苷酸降解的過程和終產物，尿酸堆積引起的疾病和治療方法。,核酸,核苷酸,磷酸（P）,核苷,戊糖（R）,堿基（B）,復習：,核 糖 脫氧核糖,2,O,OH,H,HOCH,H,OH,H,1,2,3,4,5,H,H,戊糖：,嘌呤：,嘧啶：,腺嘌呤（A）,鳥嘌呤（G）,胞嘧啶（C）,尿嘧啶（U）,胸腺嘧啶（T）,核苷酸：,磷酸脫氧胞苷（dCMP）,由磷酸、戊糖和堿基三種成分構成的化合物,第一節(jié),概 述,一、核酸的消化與吸收,吸收及吸收后的去向 吸收 單核苷酸、核苷、P、R、B均可在小腸吸收。 單核苷酸、核苷吸收進入腸粘膜細胞后可再 繼續(xù)水解。 吸收后的去向 P、R可被機體利用 B很少利用、分解后排出。,1、核酸酶的定義及分類 指所有可以水解核酸的酶。 依據底物不同分類 DNA酶(deoxyribonuclease, DNase)： 專一降解DNA的酶。 RNA酶 (ribonuclease, RNase)： 專一降解RNA的酶。 依據切割部位不同 核酸內切酶：限制性核酸內切酶 非限制性核酸內切酶 核酸外切酶：53或35核酸外切酶,二、核 酸 酶（Nuclease）,什么是核酸內切酶(endonuclease)？,凡能水解核酸分子內磷酸二酯鍵的酶叫核酸內切酶；,什么是核酸外切酶(exonuclease)？,凡能從核酸鏈的一端逐個水解下核苷酸的酶稱為核酸外切酶；,什么是限制性核酸內切酶？,在細菌內存在一類能識別并水解外源雙鏈DNA的核酸內切酶，稱為限制性核酸內切酶。,限制性內切酶的命名和意義,Eco R I,序號,屬名,種名,株名,例：Eco R I，這是從大腸桿菌（Ecoli）R菌珠中分離出的一種限制性內切酶,限制性內切酶是分析染色體結構、制作DNA限制圖譜、進行DNA序列測定和基因分離、基因體外重組等研究中不可缺少的工具，是一把天賜的神刀，用來解剖纖細的DNA分子。,參與DNA的合成與修復及RNA合成后的剪接等重要基因復制和基因表達過程 負責清除多余的、結構和功能異常的核酸，同時也可以清除侵入細胞的外源性核酸 在消化液中降解食物中的核酸以利吸收 體外重組DNA技術中的重要工具酶,生物體內的核酸酶負責細胞內外催化核酸的降解,2、核酸酶的功能,三、核苷酸的生物功用,作為核酸合成的原料 體內能量的利用形式 參與代謝和生理調節(jié) 組成輔酶 活化中間代謝物,核苷酸是一類代謝上極為重要的物質。它幾乎參與了細胞所有的生化過程： 1、核苷酸是核酸生物合成的前體; 2、ATP、GTP是機體的主要能源物質； 3、核苷酸衍生物是許多生物合成的活性中間體。如：尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）是糖原合成中糖基的供體； 4、ATP是生物能量代謝中通用的高能化合物； 5、腺苷酸參與NAD、NADP、FAD和輔酶A等的合成； 6、某些核苷酸是代謝的調節(jié)物質。如：3，5-環(huán)式腺苷酸（cAMP）是第二信使物質，參與代謝調節(jié)； 7、一些核苷酸的類似物是重要的藥物。在治療癌癥、病毒感染、自身免疫疾病和遺傳性疾病等方面都有其獨特的作用。,核苷酸的重要性,核苷酸代謝的動態(tài),單核苷酸庫,氨基酸 葡萄糖 磷酸,核苷酸的從頭合成,核酸的降解,核苷酸的降解 產物的再利用,核苷酸的降解,核酸的合成,第二節(jié),嘌呤和嘧啶的分解,嘌呤堿的最終 代謝產物,AMP,GMP,I （次黃嘌呤）,G,X （黃嘌呤）,黃嘌呤氧化酶,黃嘌呤氧化酶,一、嘌呤堿的分解代謝,（醇式）,主要在肝、小腸、腎進行,不同生物體內存在的酶不同，嘌呤分解的終產物不同,排尿酸動物：靈長類、鳥類、昆蟲、排尿酸爬蟲類 排尿囊素動物：哺乳動物（靈長類除外）、腹足類 排尿囊酸動物：硬骨魚類 排尿素動物：大多數魚類、兩棲類 某些低等動物能將尿素進一步分解成NH3和CO2排出。 植物分解嘌呤的途徑與動物相似，產生各種中間產物（尿囊素、尿囊酸、尿素、NH3）。 微生物分解嘌呤類物質，生成NH3、CO2及有機酸（甲酸、乙酸、乳酸、等）。,痛風癥,痛風癥一詞來源于拉丁語“GUTTA”，痛風癥患者由于體內嘌呤核苷酸分解代謝異常，可致血中尿酸水平升高，以尿酸鈉晶體沉積于軟骨、關節(jié)、軟組織及腎臟，臨床上表現為皮下結節(jié)，關節(jié)疼痛等。 （尿酸鹽沉積于關節(jié)腔內引起關節(jié)炎，尿酸沉積于腎臟成為腎結石）。 引起痛風有幾個原因，其中包括次黃嘌呤-鳥嘌呤磷酸核糖轉移酶活性的部分缺陷，導致嘌呤回收下降，使嘌呤分解生成更多的尿酸。痛風也可能是由于嘌呤生物合成調控的缺陷引起的。治療痛風的最有效藥物是與次黃嘌呤結構非常類似的別嘌呤醇（下圖）。,痛風癥的治療機制,鳥嘌呤,次黃嘌呤,黃嘌呤,尿酸,黃嘌呤氧化酶,黃嘌呤氧化酶,次黃嘌呤,別嘌呤醇,痛風癥的治療機制,鳥嘌呤,次黃嘌呤,黃嘌呤,尿酸,黃嘌呤氧化酶,黃嘌呤氧化酶,別嘌呤醇,次黃嘌呤,別嘌呤醇,在細胞內別嘌呤醇被轉換為羥嘌呤醇，羥嘌呤醇是黃嘌呤脫氫酶的一個很強的抑制劑， 服用別嘌呤醇可以防止非正常的高水平的尿酸的形成，因此可以防止尿酸的沉積和腎結石的形成。在用別嘌呤醇治療期間，次黃嘌呤和黃嘌呤都不會堆積，它們經次黃嘌呤-鳥嘌呤磷酸核糖轉移酶催化轉換為IMP和黃嘌呤核苷酸，然后形成AMP和GMP。次黃嘌呤和黃嘌呤的溶解度比尿酸鈉和尿酸大得多，如果它們不能通過補救途徑被重新利用也可經腎臟排泄掉。,二、嘧啶核苷酸的分解,嘧啶的降解,嘧啶降解將生成容易代謝的產物，嘧啶可以降解為氨、碳酸、 -丙氨酸或-氨基異丁酸。進一步降解還可生成乙酰CoA或琥珀酰CoA。,胞嘧啶,NH3,尿嘧啶,二氫尿嘧啶,H2O,CO2 + NH3,-丙氨酸,胸腺嘧啶,-脲基異丁酸,-氨基異丁酸,H2O,丙二酸單酰CoA,乙酰CoA,TAC,肝,尿素,甲基丙二酸單酰CoA,琥珀酰CoA,TAC,糖異生,第三節(jié),核苷酸的生物合成,一、核苷酸合成的基本途徑,從頭合成途徑 利用磷酸核糖、氨基酸、CO2和NH3等簡單物質為原料，經過一系列酶促反應合成核苷酸，此途徑不經過堿基、核苷的中間階段，從無到有的途徑。 補救合成途徑 利用體內游離的堿基或核苷合成核苷酸的途徑，補救合成途徑中所需的堿基和核苷來自于細胞內核酸的降解。,嘌呤核苷酸的從頭合成途徑是指利用磷酸核糖、氨基酸、一碳單位及二氧化碳等簡單物質為原料，經過一系列酶促反應，合成嘌呤核苷酸的途徑。,肝是體內從頭合成嘌呤核苷酸的主要器官，其次是小腸和胸腺，而腦、骨髓則無法進行此合成途徑。,二、嘌呤核苷酸的合成,定義,合成部位,（一）嘌呤核苷酸的從頭合成,嘌呤堿合成的元素來源,CO2,天冬氨酸,甲?；?（一碳單位）,甘氨酸,甲?；?（一碳單位）,谷氨酰胺 （酰胺基）,合成原料：天冬氨酸、谷氨酰胺、甘氨酸、一碳基團、CO2、磷酸核糖。 合成特點：磷酸核糖為起始物，逐步加原料合成嘌呤環(huán)，形成重要中間產物 IMP（次黃嘌呤核苷酸），再由它轉變?yōu)锳MP和GMP。,IMP的合成,過程復雜，同一類型反應多次出現。,IMP的合成過程, 磷酸核糖酰胺轉移酶 GAR合成酶 轉甲?；?FGAM合成酶 AIR合成酶,IMP生成總反應過程,IMP生成反應過程要點,嘌呤核苷酸的合成并不是先形成游離的嘌呤，然后生成核苷酸，而是直接形成次黃嘌呤核苷酸(IMP，也叫肌苷酸)，以后才轉變?yōu)槠渌堰屎塑账帷?IMP的合成是從5-磷酸核糖開始的。由5-磷酸核糖與ATP反應，生成5-磷酸核糖-1-焦磷酸(PRPP)。 嘌呤的各個原子是在PRPP的C1位置上逐漸加上去的。先由谷氨酰胺提供N元素，生成5-磷酸核糖胺。注意在此反應中，核糖的C1發(fā)生構型變化，由PRPP的-構型變?yōu)?-磷酸核糖胺的-構型,以后，由甘氨酸和甲酰四氫葉酸先后提供C和N原子，并閉合成咪唑環(huán)。 再后，由CO2、天冬氨酸、甲酰四氫葉酸先后提供其他原子，最后形成次黃嘌呤核苷酸。 上述一系列反應的總反應式如下： 2NH3+2甲酸+CO2+甘氨酸+天冬氨酸+5-磷酸核糖 IMP+延胡索酸+9H2O,IMP生成反應過程要點,腺苷酸代琥珀酸合成酶 IMP脫氫酶 腺苷酸代琥珀酸裂解酶 GMP合成酶,AMP和GMP的生成,嘌呤核苷酸是在磷酸核糖分子上逐步合成的。 先合成IMP再轉化生成AMP、GMP。 IMP的合成需5個ATP，6個高能磷酸鍵。 AMP或GMP的合成又需1個ATP。,嘌呤核苷酸從頭合成特點,從頭合成的調節(jié),PRPP,PRA,GTP,+,+,調節(jié)方式：反饋調節(jié)和交叉調節(jié),交叉調節(jié)意義,交叉調節(jié)意義,1、即滿足機體需要，又不至于浪費。 2、維持ATP與GTP濃度的平衡。,利用體內游離的嘌呤或嘌呤核苷，經過簡單的反應，合成嘌呤核苷酸的過程，稱為補救合成（或重新利用）途徑。,（二）嘌呤核苷酸的補救合成途徑,定義：,腺嘌呤磷酸核糖轉移酶 (adenine phosphoribosyl transferase, APRT) 次黃嘌呤-鳥嘌呤磷酸核糖轉移酶(hypoxanthine- guanine phosphoribosyl transferase, HGPRT) 腺苷激酶(adenosine kinase),參與補救合成的酶,合成過程,補救合成的生理意義,補救合成節(jié)省從頭合成時的能量和一些氨基酸的消耗。 體內某些組織器官，如腦、骨髓等只能進行補救合成。,自毀容貌癥Lesch-Nyhan綜合癥,一種X-連鎖隱性遺傳缺陷疾病，見于男性。由于遺傳缺陷導致次黃嘌呤-鳥嘌呤磷酸核糖轉移酶（HGPRT）缺失所致?；颊弑憩F為尿酸增高及神經異常。如腦發(fā)育不全、智力低下、攻擊和破壞性行為、常咬傷自己的嘴唇、手和足趾，故稱自毀容貌癥。,（三）嘌呤核苷酸的相互轉變,（四） 脫氧核糖核苷酸的生成,二磷酸脫氧核苷,NDP,dNDP,二磷酸核糖核苷,NADP+,NADPH + H+,核糖核苷酸還原酶，Mg2+,還原型硫氧化還原蛋白-(SH)2,氧化型硫氧化還原蛋白,硫氧化還原蛋白還原酶 （FAD）,脫氧核苷酸的生成,（五） 嘌呤核苷酸的抗代謝物,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。,次黃嘌呤 (H或I),6-巰基嘌呤 (6-MP),6-巰基嘌呤的結構,能夠抑制嘌呤核苷酸合成的一些抗代謝藥物，通常是屬于嘌呤、氨基酸或葉酸的類似物，主要通過對代謝酶的競爭性抑制作用，來干擾或抑制嘌呤核苷酸的合成，因而具有抗腫瘤治療作用。 在臨床上應用較多的嘌呤核苷酸類似物主要是6-巰基嘌呤（6-MP）。6-MP的化學結構與次黃嘌呤類似，因而可以抑制IMP轉變?yōu)锳MP或GMP，從而干擾嘌呤核苷酸的合成,氨基嘌呤（葉酸拮抗物）和氨甲喋呤在癌癥治療中的應用原理（如何影響核酸合成）？,二者是葉酸類似物，競爭性抑制由葉酸轉化為二氫葉酸時的二氫葉酸還原酶的活性，使葉酸無法有效地轉變?yōu)槎淙~酸和四氫葉酸； 影響嘌呤和嘧啶核苷酸的合成中一碳單位的轉移，減少核苷酸合成速度，進而嚴重影響核酸的合成。,從頭合成途徑 補救合成途徑,三、嘧啶核苷酸的合成代謝,（一）嘧啶核苷酸的從頭合成,主要是肝細胞胞液,嘧啶核苷酸的從頭合成是指利用磷酸核糖、氨基酸、一碳單位及二氧化碳等簡單物質為原料，經過一系列酶促反應，合成嘧啶核苷酸的途徑。,定義,合成部位,嘧啶合成的元素來源,合成過程,1. 尿嘧啶核苷酸的合成,其活性可作為肝細胞分化程度的指標之一,其活性可作為細胞增殖程度指標之一,2. 胞嘧啶核苷酸的合成,UDP,UTP,3. dTMP或TMP的生成,dUMP,脫氧胸苷一磷酸 dTMP,嘧啶核苷酸從頭合成特點,先合成嘧啶環(huán)，后與R-5-P結合。 先合成UMP、再轉化生成CTP、dTMP等,從頭合成的調節(jié),ATP + CO2+ 谷氨酰胺,氨基甲酰磷酸,UMP,氨基甲酸天冬氨酸,UTP,CTP,天冬氨酸,嘌呤核苷酸,ATP + 5-磷酸核糖,嘧啶核苷酸,PRPP,（二） 嘧啶核苷酸的補救合成,嘧啶 + PRPP,磷酸嘧啶核苷 + PPi,嘧啶磷酸核糖轉移酶,尿嘧啶核苷+ATP,尿苷激酶,UMP +ADP,脫氧胸腺嘧啶核苷+ ATP,胸苷激酶,dTMP +ADP,核苷酸生物合成與核酸生物合成的關系,（三）嘧啶核苷酸的抗代謝物,嘧啶類似物,胸腺嘧啶(T),5-氟尿嘧啶(5-FU),能夠抑制嘧啶核苷酸合成的抗代謝藥物也是一些嘧啶核苷酸的類似物，通過對酶的競爭性抑制而干擾或抑制嘧啶核苷酸的合成。 主要的抗代謝藥物是5-氟尿嘧啶（5-FU）。5-FU在體內可轉變?yōu)镕-dUMP，其結構與dUMP相似，可競爭性抑制胸苷酸合成酶的活性，從而抑制胸苷酸的合成。,5-F-尿嘧啶的抗癌原理,5-F-尿嘧啶是胸腺嘧啶核苷酸合成酶的抑制劑，在體內轉化為相應的核苷一磷酸和三磷酸后，它可以與酶上的SH基結合，再與四氫葉酸形成三元復合物，酶不能去除F，而干擾了尿嘧啶甲基化，進而不能合成TMP，也就使快速分化的細胞由于缺乏dTMP而不能合成DNA死亡。,某些改變了核糖結構的核苷類似物,氮雜絲氨酸,阿糖胞苷,氨甲碟呤,5FU,小結,嘌呤核苷酸的從頭合成開始合成的嘌呤核苷酸是IMP。同位素標記實驗表明，嘌呤環(huán)的碳和氮原子分別來自簡單的化合物例如甘氨酸、谷氨酰胺、天冬氨酸、CO2和10-甲酰四氫葉酸。而且嘌呤環(huán)的組裝是在PRPP提供的核糖-5-磷酸的基礎上逐步連接上這些前體單位提供的碳和氮原子的。IMP是嘌呤核苷酸合成的一個分支點，它可以轉換為AMP或GMP。嘌呤合成的調控步驟是PRPP轉酰胺酶催化形成磷酸核糖胺的反應。該酶受到AMP或GMP的部分抑制，但受到AMP和GMP聯合在一起的強烈抑制。,小結,在核苷酸合成的補救途徑中，PRPP可以直接與腺嘌呤、鳥嘌呤或次黃嘌呤反應分別生成AMP，GMP或IMP。但當次黃嘌呤-鳥嘌呤磷酸核糖轉移酶缺乏時，會引起Lesch-Nyhan綜合癥，這是一種導致痙攣和智力障礙的疾病。 在 嘧啶核苷酸UMP的合成中，是先合成嘧啶環(huán)，然后再與PRPP反應連接上核糖-5-磷酸的。嘧啶環(huán)是由天冬氨酸、CO2和谷氨酰胺組裝的。在原核生物中，催化嘧啶合成的第二步反應的天冬氨酸轉氨甲酰酶受到終產物CTP和UTP的別構抑制。,小結,脫氧核苷酸是通過核苷酸中核糖部分的C-2還原后合成的。反應是由核苷酸還原酶催化的，反應需要NADPH。在大多數生物體中，脫氧核糖的形成是發(fā)生在核苷二磷酸水平。但在某些微生物中，是發(fā)生在核苷三磷酸水平。 胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）是由dUMP通過甲基化反應形成的5,10-亞甲基四氫葉酸提供一碳單位。在鳥類和爬行類動物中，來自氨基酸和嘌呤分解代謝的氮可以整合到IMP中，并最終以尿酸排泄。靈長類也可以將過量的嘌呤降解為尿酸。大多數生物可以將尿酸進一步分解為尿囊素、尿囊酸、尿素，甚至氨。對于人，尿酸的過量生成將導致痛風病。 嘧啶可以降解為氨、碳酸、b-丙氨酸或b-氨基異丁酸。進一步降解還可生成乙酰CoA或琥珀酰CoA。,嘌啉核苷酸的合成（AMP、GMP）：過程很復雜，重要掌握2點： PRPP是合成的直接起始物，在PRPP上添加原料合成堿基，核苷酸也合成了。 嘌啉環(huán)上的原子來源。 嘧啶核苷酸的合成（CMP、UMP）：過程很復雜，重要掌握2點： PRPP是合成的間接起始物，先合成嘧啶環(huán)再加到PRPP上。 嘧啶環(huán)的原子來源。,一、選擇題 1、嘌呤環(huán)中第4位和第5位碳原子來自下列哪種化合物？（ ） A、甘氨酸 B、天冬氨酸 C、丙氨酸 D、谷氨酸 2、嘌呤核苷酸的嘌呤核上第1位N原子來自（ ） A、Gly B、Gln C、ASP D、甲酸 3、dTMP合成的直接前體是：（ ） A dUMP B、TMP C、TDP D、dUDP 二、名詞解釋 限制性內切酶 核苷酸的從頭合成和補救途徑 三、問答題： 1、 降解核酸的酶有哪幾類？舉例說明它們的作用方式和特異性。 2、 什么是限制性內切酶？有何特點？它的發(fā)現有何特殊意義？,