生物化學(xué)ii核酸的降解與核苷酸代謝

1、.核酸的降解和核苷酸代謝核酸的降解和核苷酸代謝(Degradation of nucleic acid and nucleotides metabolism)一、核酸和核苷酸的分解代謝一、核酸和核苷酸的分解代謝二、核苷酸的生物合成二、核苷酸的生物合成.核酸營養(yǎng)與核酸代謝核酸營養(yǎng)與核酸代謝.Nitrogenous Bases Planar, aromatic, and heterocyclic Derived from purine or pyrimidine.Structure of Nucleotide Bases.Sugars D-Ribose and 2-Deoxyribose*Lack

2、s a 2-OH group.NucleosidesResult from linking one of the sugars with a purine or pyrimidine base through an N-glycosidic linkage Purines bond to the C1 carbon of the sugar at their N9 atoms Pyrimidines bond to the C1 carbon of the sugar at their N1 atoms.Phosphate Groups Mono-, di- or triphosphates.

3、Phosphates can be bonded to either C3 or C5 atoms of the sugar.Nucleotides Result from linking one or more phosphates with a nucleoside onto the 5 end of the molecule through esterification.Nucleotides DNA (deoxyribonucleic acid) is a polymer of deoxyribonucleotides Both deoxy- and ribonucleotides c

4、ontain Adenine, Guanine and Cytosine Ribonucleotides contain Uracil Deoxyribonucleotides contain ThymineMonomers for nucleic acid polymersNucleoside Triphosphates are important energy carriers (ATP, GTP)Important components of coenzymes FAD, NAD+ and Coenzyme A.FAD NADCoenzyme A：3-磷酸磷酸-ADP-泛酰泛酰-巰基乙胺

5、巰基乙胺巰基乙胺泛酸ADP. Nucleosides: Purine nucleosides end in “-sine” Adenosine, Guanosine Pyrimidine nucleosides end in “-dine” Thymidine, Cytidine, Uridine Nucleotides: Start with the nucleoside name from above and add “mono-”, “di-”, or “triphosphate” Adenosine Monophosphate, Cytidine Triphosphate, Deoxy

6、thymidine Diphosphate. 1909-1934年，美國生物化學(xué)家年，美國生物化學(xué)家Owen證明，核酸證明，核酸的分解單位是核苷酸。的分解單位是核苷酸。 1961年，美國生化學(xué)家年，美國生化學(xué)家Joan Oro模擬大氣放電，模擬大氣放電，在有氰化氫參加的反應(yīng)體系中發(fā)現(xiàn)有氨基酸和腺在有氰化氫參加的反應(yīng)體系中發(fā)現(xiàn)有氨基酸和腺嘌呤生成。嘌呤生成。 1963年，年，Ponnamperuma在類似的實(shí)驗(yàn)中也得到了在類似的實(shí)驗(yàn)中也得到了腺嘌呤。后來，他又與腺嘌呤。后來，他又與Ruth Mariner、Carl Sagan將腺嘌呤與核糖連接成為腺苷；再連接磷酸，得到將腺嘌呤與核糖連接成為腺苷

7、；再連接磷酸，得到了腺苷三磷酸了腺苷三磷酸(ATP)。核酸分解與合成背景知識核酸分解與合成背景知識. 早在演繹核苷酸生物合成前，生物化學(xué)家就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)早在演繹核苷酸生物合成前，生物化學(xué)家就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)動(dòng)物會排泄動(dòng)物會排泄3種不同的含氮廢物，即種不同的含氮廢物，即NH2、尿素和尿、尿素和尿酸。酸。尿酸就是嘌呤化合物的代謝產(chǎn)物尿酸就是嘌呤化合物的代謝產(chǎn)物。 在在1950年間，年間，John 和和G. Robert Greenberg采用同位采用同位素示蹤結(jié)合嘌呤核苷酸降解物素示蹤結(jié)合嘌呤核苷酸降解物尿酸分析證明，嘌尿酸分析證明，嘌呤分子的原子呤分子的原子N1來自天冬氨酸，來自天冬氨酸，N3和和N9來自谷

8、氨酰胺來自谷氨酰胺等，完成了嘌呤生物合成過程的演繹。更為重要的是，等，完成了嘌呤生物合成過程的演繹。更為重要的是，他們還發(fā)現(xiàn)嘌呤不是以游離含氮堿，而是以他們還發(fā)現(xiàn)嘌呤不是以游離含氮堿，而是以核苷酸形核苷酸形式式在體內(nèi)合成的。在體內(nèi)合成的。核酸分解與合成背景知識核酸分解與合成背景知識.1964年，科學(xué)家確定年，科學(xué)家確定Lesch-Nyhan綜合征與綜合征與次黃嘌呤次黃嘌呤-鳥嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶（鳥嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶（HGPRT）缺）缺陷有關(guān)。至今已發(fā)現(xiàn)，核苷酸的合成和分解代謝陷有關(guān)。至今已發(fā)現(xiàn)，核苷酸的合成和分解代謝障礙與很多遺傳性、代謝性疾病有關(guān)。障礙與很多遺傳性、代謝性疾病有關(guān)。模擬核苷酸

9、組成成分，如取代堿基、核苷和模擬核苷酸組成成分，如取代堿基、核苷和核苷酸的類似物已發(fā)展為在臨床上常用、有效的核苷酸的類似物已發(fā)展為在臨床上常用、有效的抗代謝藥物?？勾x藥物。.核苷酸的功能核苷酸的功能 核苷酸是核酸生物合成的前體 核苷酸衍生物是許多生物合成的活性中間物，例如：UDP-葡萄糖和CDP-二酯酰甘油分別是糖原和磷酸甘油酯合成的中間物 ATP是生物能量代謝中通用的高能化合物 腺苷酸是三種重要輔酶的組分 某些核苷酸是代謝的調(diào)節(jié)物質(zhì)。如：cAMP和cGMP是許多激素引起的胞內(nèi)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、脫氧核糖核酸酶脫氧核糖核酸酶、限制性內(nèi)切酶限制性內(nèi)切

10、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：從頭合成和補(bǔ)救途徑嘌呤核苷酸的合成：從頭合成和補(bǔ)救途徑 嘧啶核苷酸的合成：從頭合成和補(bǔ)救途徑嘧啶核苷酸的合成：從頭合成和補(bǔ)救途徑 （2 2）脫氧核糖核苷酸的生物合成）脫氧核糖核苷酸的生物合成 核糖核苷酸的還原核糖核苷酸的還原 脫氧胸腺嘧啶核苷酸的合成脫氧胸腺嘧啶核苷酸的合成核酸的降解和核苷酸代謝核酸的降解和核苷酸代謝.第一部分核酸的解聚作用. 動(dòng)物和異養(yǎng)型微生物可以分泌消化酶來分解核蛋白和核酸類物質(zhì)，以獲得各種核苷酸。（核苷水解酶主要存在于植物和微生物體內(nèi)，并

11、且只能對核糖核苷起作（核苷水解酶主要存在于植物和微生物體內(nèi)，并且只能對核糖核苷起作用，對脫氧核糖核苷不起作用。）用，對脫氧核糖核苷不起作用。）（核苷磷酸化酶存在廣泛）（核苷磷酸化酶存在廣泛）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單酯酶磷酸單酯酶核糖核糖核酸核酸核酸酶核酸酶單核苷酸單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-磷酸磷酸脫氧核糖脫氧核糖-1-1-磷酸磷酸核糖核糖-5-5-磷酸磷酸磷酸戊糖途徑磷酸戊糖途徑醛縮酶醛縮酶乙醛乙醛甘油醛甘油醛-3-3-磷酸磷酸.核核 酸酸 酶酶1、核酸酶的分類

12、、核酸酶的分類.核酸外切酶核酸外切酶：作用于核酸鏈的末端（作用于核酸鏈的末端（3端或端或5端），逐個(gè)水端），逐個(gè)水解下核苷酸。解下核苷酸。脫氧核糖核酸外切酶：只作用脫氧核糖核酸外切酶：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核酸內(nèi)切酶：核酸內(nèi)切酶：從核酸分子內(nèi)部切斷從核酸分子內(nèi)部切斷3,5-磷酸二酯鍵。磷酸二酯鍵。限制性內(nèi)切酶：限制性內(nèi)切酶：在細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)存在的一類能識別并水解外在細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)存在的一類能識別并水解外源雙鏈源雙鏈DNA的核酸內(nèi)切酶，可用于特異切割的核酸內(nèi)切酶，可用于特異切割DNA，常，常作為工具酶。作為工具酶。核酸酶：作用于核酸的磷酸二酯酶核酸酶：作用于核

13、酸的磷酸二酯酶.外切核酸酶對核酸的水解位點(diǎn)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33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55核苷酸）核苷酸）2、核酸酶的作用特點(diǎn)、核酸酶的作用特點(diǎn).限制性內(nèi)切酶限制性內(nèi)切酶原核生物中存在著一類能識別外源原核生物中存在著一類能識別外源DNA雙螺旋雙螺旋中中4-8個(gè)堿基對所組成的特異的具有二重旋轉(zhuǎn)對稱個(gè)堿基對所組成的特異的具有二重旋轉(zhuǎn)對稱性的回文序列，并在此序列的某位點(diǎn)水解性的回文序列，并在此序列的某位點(diǎn)水解DNA雙螺雙螺旋鏈的酶分子，產(chǎn)生粘性末端或平末端，

14、這類酶稱旋鏈的酶分子，產(chǎn)生粘性末端或平末端，這類酶稱為限制性內(nèi)切酶（為限制性內(nèi)切酶（restriction endonuclease）。）。. 限制性內(nèi)切酶名稱的第一個(gè)字母取自獲得此內(nèi)限制性內(nèi)切酶名稱的第一個(gè)字母取自獲得此內(nèi)切酶的細(xì)菌屬名的第一個(gè)字母，用大寫切酶的細(xì)菌屬名的第一個(gè)字母，用大寫 名稱的第二、三個(gè)字母取自該細(xì)菌種名的頭二名稱的第二、三個(gè)字母取自該細(xì)菌種名的頭二個(gè)字母，用小寫字母個(gè)字母，用小寫字母 如果該細(xì)菌還有不同的株系，則另加第四個(gè)代如果該細(xì)菌還有不同的株系，則另加第四個(gè)代表株系的字母或數(shù)字；最后是用羅馬字大寫的數(shù)字表株系的字母或數(shù)字；最后是用羅馬字大寫的數(shù)字，代表同一菌株中不同

15、限制性內(nèi)切酶的編號。，代表同一菌株中不同限制性內(nèi)切酶的編號。 .限制性內(nèi)切酶的命名和意義限制性內(nèi)切酶的命名和意義如如Hind 代表從流感噬血桿菌代表從流感噬血桿菌d株（株（Haemophilus influenzae）中分離到的第三種內(nèi)切酶。）中分離到的第三種內(nèi)切酶。.核苷酸的降解核苷酸的降解核苷磷酸化酶普遍存在，催化反應(yīng)是可逆的。核苷水解酶主要存在于植物與微生物中，并且只針對核糖核苷，對脫 氧核糖核苷是無作用的，反應(yīng)是不可逆的。.第二部分堿基的分解代謝.嘌呤堿的分解Purine Catabolism不同動(dòng)物嘌呤代謝的產(chǎn)物不同動(dòng)物嘌呤代謝的產(chǎn)物 靈長類、鳥類：靈長類、鳥類： 尿酸尿酸其他哺乳動(dòng)

16、物、軟體動(dòng)物：其他哺乳動(dòng)物、軟體動(dòng)物： 尿囊素尿囊素 硬骨魚：硬骨魚： 尿囊酸尿囊酸 軟骨魚和兩棲類：軟骨魚和兩棲類： 尿素尿素 大多數(shù)海洋無脊椎動(dòng)物：大多數(shù)海洋無脊椎動(dòng)物： 氨和氨和CO2 （如甲殼類動(dòng)物）（如甲殼類動(dòng)物）All purine degradation leads to uric acid (but it might not stop there). 嘌呤堿的分解首先是在各種脫氨酶的作用下水解脫去氨基。 脫氨反應(yīng)也可以在核苷或核苷酸的水平上進(jìn)行，在動(dòng)物組織中腺嘌呤脫氨酶的含量極少，而腺嘌呤核苷脫氨酶和腺嘌呤核苷酸脫氨酶的活性極高。嘌呤堿的分解嘌呤堿的分解.嘌呤堿基的脫氨嘌呤堿基

17、的脫氨.嘌呤的降解嘌呤的降解 腺嘌呤腺嘌呤 鳥嘌呤鳥嘌呤 H H2 2O HO H2 2O O NH NH3 3 NH NH3 3 次黃嘌呤次黃嘌呤 黃嘌呤黃嘌呤 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腺嘌呤脫氨酶腺嘌呤脫氨酶鳥嘌呤脫氨酶鳥嘌呤脫氨酶黃嘌呤氧化酶黃嘌呤氧化酶黃嘌黃嘌呤氧

18、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.嘌呤的分解代謝嘌呤的分解代謝NNNHNNH2NHNNHNONH2AdenineGuanineNNNHNOHNNNHNOHOHH2OH2O2H2OH2O2NNNHNOHOHHONHNHNHHNOOO次黃嘌呤黃嘌呤尿酸(稀醇式)次黃嘌呤氧化酶黃嘌呤氧化酶鳥嘌呤脫氨酶腺嘌呤脫氨酶+H2O+H2ONH3NH3黃嘌呤氧化酶.H2OO2CO2NHNHNHHNOOO尿酸(酮式)黃嘌呤氧化酶H2ONH2NHONHHNOO尿囊素尿囊酸NH2NHCONHNH2OOOH尿囊素酶尿囊酸酶H2NCNH2O2+COOHCHO乙醛酸尿素尿酸的進(jìn)一步分

19、解尿酸的進(jìn)一步分解尿酸氧化酶.Adenosine Degradation.A CASE STUDY : GOUT A 45-year-old man awoke from sleep with a painful and swollen right great toe. On the previous night he had eaten a meal of fried liver and onions, after which he met with his poker group and drank a number of beers. He saw his doctor that mor

20、ning, “gouty arthritis” was diagnosed, and some tests were ordered. His serum uric acid level was elevated at 8.0 mg/L (NL7.0 mg/L). The man recalled that his father and his grandfather, both of whom were alcoholics, often complained of joint pain and swelling in their feet.A CASE STUDY : GOUT The d

21、octor recommended that the man use NSAIDs for pain and swelling, increase his fluid intake (but not with alcohol) and rest and elevate his foot. He also prescribed allopurinol (別嘌呤醇別嘌呤醇). A few days later the condition had resolved and allopurinol had been stopped. A repeat uric acid level was obtai

22、ned (7.1 mg/L). The doctor gave the man some advice regarding life style changes.Gout Impaired excretion or overproduction of uric acid 尿酸排泄的削弱與過量產(chǎn)生 Uric acid crystals precipitate into joints (Gouty Arthritis), kidneys, ureters (stones) Xanthine oxidase （黃嘌呤氧化酶） inhibitors inhibit production of uric

23、 acid, and treat gout Allopurinol treatment hypoxanthine analog that binds to Xanthine Oxidase to decrease uric acid production.ALLOPURINOL IS A XANTHINE OXIDASE INHIBITORA SUBSTRATE ANALOG IS CONVERTED TO AN INHIBITOR, IN THIS CASE A “SUICIDE-INHIBITOR”高嘌呤食物：豆苗、黃豆芽、蘆筍、香菇、紫菜、動(dòng)物內(nèi)臟、魚類高嘌呤食物：豆苗、黃豆芽、蘆筍、香

24、菇、紫菜、動(dòng)物內(nèi)臟、魚類 .治療痛風(fēng)新藥研發(fā)治療痛風(fēng)新藥研發(fā).飲酒與痛風(fēng)飲酒與痛風(fēng)酒精在體內(nèi)代謝產(chǎn)生乳酸，而血液乳酸水平的提高將抑制腎臟對尿酸的 排泄。啤酒中含有大量的嘌呤，飲酒相當(dāng)于攝入了高嘌呤食物。饑餓狀態(tài)下，體內(nèi)代謝的調(diào)節(jié)可增加尿酸的形成進(jìn)而影響尿酸的水平。機(jī) 理：治 療：采取有效的藥物治療合理控制飲食 多吃堿性食物和蔬菜 少喝啤酒 多飲水，少喝湯（湯里存在大量的嘌呤）規(guī)律而健康的生活習(xí)慣適當(dāng)參加體育及戶外運(yùn)動(dòng).Adenosine Deaminase Deficiency In purine degradation, adenosine inosine Enzyme is Adenosi

25、ne Deaminase (ADA) ADA deficiency results in SCID Severe Combined Immunodeficiency Selectively kills lymphocytes Both B- and T-cells Mediate much of immune response. 腺苷脫氨酶缺乏癥Adenosine deaminase deficiency (ADA) ：一種嚴(yán)重的免疫缺陷癥，腺苷脫氨酶的缺乏可使T淋巴細(xì)胞因代謝產(chǎn)物的累積而死亡，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的聯(lián)合性免疫缺陷癥（SCID）。通常導(dǎo)致嬰兒出生幾個(gè)月后死亡。 .脫氨酶H2OH2ONH

26、3環(huán)化水化酶NNHNH2ONHNHOO二氫尿嘧啶還原酶NADP+NADPH+H+NHNHOOH2NCHNH2CH2CCOOHO尿基丙酸尿基丙酸酶H2OH2NH2CH2CCOOH丙氨酸+ NH3+CO2CytosineUracilNNHNH2O5-甲基胞嘧啶脫氨酶H2ONH3H3CNHNHOOH3C脫氫酶NADP+NADPH+H+胸腺嘧啶NHNHOOH3C二氫尿嘧啶二氫胸腺嘧啶H2O環(huán)化水化酶H2NCHNH2C CHCOOHO尿基異丁酸尿基異丁酸酶H2OH2NH2C CHCOOH氨基異丁酸+ NH3+CO2CH3CH3嘧啶的分解代謝嘧啶的分解代謝.胞嘧啶和尿嘧啶的分解代謝胞嘧啶和尿嘧啶的分解代謝

27、 胞嘧啶胞嘧啶尿嘧啶尿嘧啶二氫尿嘧啶二氫尿嘧啶-脲基丙酸脲基丙酸-丙氨酸丙氨酸.胸腺嘧啶的分解代謝胸腺嘧啶的分解代謝-脲基異丁酸脲基異丁酸 -氨基異丁酸氨基異丁酸二氫胸腺嘧啶二氫胸腺嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶.胞嘧啶胞嘧啶NH3尿嘧啶尿嘧啶二氫尿嘧啶二氫尿嘧啶 H2OCO2 + NH3-丙氨酸丙氨酸胸腺嘧啶胸腺嘧啶-脲基異丁酸脲基異丁酸-氨基異丁酸氨基異丁酸H2O丙二酸單酰丙二酸單酰CoA乙酰乙酰CoATCA肝肝尿素尿素甲基丙二酸單酰甲基丙二酸單酰CoA琥珀酰琥珀酰CoATCA糖異生糖異生.胸腺嘧啶的分解代謝胸腺嘧啶的分解代謝.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

28、核苷酸的生物合成.Bases/Nucleosides/Nucleotides BaseBase + Sugar=NucleosideBase + Sugar + Phosphate=NucleotideAdenineDeoxyadenosineDeoxyadenosine 5-triphosphate(dATP). 概述： 從頭合成基本途徑 半合成（補(bǔ)救合成）（CO2/NH3/AA/戊糖） 核糖核苷酸分解的現(xiàn)成嘌呤、嘧啶ATP.核苷酸合成的兩條途徑核苷酸合成的兩條途徑核糖、氨基酸、CO2、NH3核糖核苷酸脫氧核苷酸輔酶RNA核苷堿基脫氧核苷DNA.嘌呤核苷酸環(huán)上原子來源嘌呤核苷酸環(huán)上原子來源嘌

29、呤核糖核苷酸的合成嘌呤核糖核苷酸的合成.次黃嘌呤核苷酸的合成次黃嘌呤核苷酸的合成 各種嘌呤核苷酸的合成是先合成各種嘌呤核苷酸的合成是先合成次黃嘌呤次黃嘌呤核苷酸核苷酸，再轉(zhuǎn)變成各種嘌呤核苷酸。此途徑叫，再轉(zhuǎn)變成各種嘌呤核苷酸。此途徑叫嘌呤核苷酸的從頭合成途徑嘌呤核苷酸的從頭合成途徑（de novo synthesis pathway）。 次黃嘌呤核苷酸的合成是在核糖上合成次次黃嘌呤核苷酸的合成是在核糖上合成次黃嘌呤的，而不是先合成次黃嘌呤，再與核糖黃嘌呤的，而不是先合成次黃嘌呤，再與核糖結(jié)合的。結(jié)合的。.嘌呤核苷酸的合成嘌呤核苷酸的合成OHHHHOOHHHOCH2POHOOH5-磷酸核糖OHH

30、HOOHHHOCH2POHOOH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HHHOOHHHOCH2POHOOHNH25-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謝嘌呤核苷酸的合成代謝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HHHOOHHHOCH2POHOOH

31、NHCH2CHNO甲酰甘氨酰胺核苷酸CHOATPADP+Pi谷酰胺谷氨酸HHHOOHHHOCH2POHOOHNHCH2CHNHN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謝嘌呤核苷酸的合成代謝一碳單位提供一碳單位提供C8C8谷氨酰胺提供谷氨酰胺提供N3N3N10-甲酰甲酰FH4.N10-甲酰FH4FH4CO2ATPADP+PiHHHOOHHHOCH2POHOOHNCHCNH2NCH5-氨基咪唑核苷酸HHHOOHHHOCH2POHOOHNCCNH2NCH5-氨基-4-羧基咪唑核苷酸門冬氨酸HHHOOHHHOCH2POH

32、OOHNCCNH2NCH5-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次黃嘌呤核苷酸嘌呤核苷酸的合成代謝嘌呤核苷酸的合成代謝CO2CO2提供提供C6C6天冬氨酸提供天冬氨酸提供N1N1一碳單位提供一碳單位提供C2C2.HHHOOHHHOCH2POHOOHNCCNNCHCOHNHC次黃嘌呤核苷酸HHHOOHHHOCH2POHOOHNCCNN

33、CHCHHNHNHCHHHOOHHHOCH2POHOOHNCCNNCHCOHNCNNNNNH2OOHOHHHHHOH2PNHNNONH2NOOHHHHHOHOH2PGTPGDP+Pi門冬氨酸NAD+NADH+H+H2OATPADP+Pi谷酰胺谷氨酸延胡索酸HO黃嘌呤腺苷酸代琥珀酸CHH2CCOOHCOOHAMPGMP嘌呤核苷酸的合成代謝嘌呤核苷酸的合成代謝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ATPADPGTPAT

34、P和和GTP的合成的合成嘌呤核苷酸的合成代謝嘌呤核苷酸的合成代謝.核苷酸合成的補(bǔ)救途徑核苷酸合成的補(bǔ)救途徑 生物體內(nèi)除了能以簡單前體物質(zhì)生物體內(nèi)除了能以簡單前體物質(zhì)“從頭合成從頭合成”（de novo synthesis）核苷酸外，還能利用預(yù)先形成）核苷酸外，還能利用預(yù)先形成的堿基和核糖合成核苷酸。這個(gè)途徑稱為的堿基和核糖合成核苷酸。這個(gè)途徑稱為“補(bǔ)救途補(bǔ)救途徑徑”（salvage pathway）。）。.嘌呤核苷酸合成的補(bǔ)救途徑嘌呤核苷酸合成的補(bǔ)救途徑核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶腺苷激酶腺苷激酶磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶只有腺苷激酶，其只有腺苷激酶，其他核苷酸只能按

35、以他核苷酸只能按以下反應(yīng)產(chǎn)生。下反應(yīng)產(chǎn)生。（A）（B）.腺苷酸焦磷酸化酶NNNHNNH2NNNNNH2OOHOHHHHHOPHOOHOOHHHOOHHHOCH2POHOOHPOPOOHOHOOH+POPOOHOHOOHHO嘌呤核苷酸的合成代謝嘌呤核苷酸的合成代謝PRPP補(bǔ)救途徑補(bǔ)救途徑5 5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轉(zhuǎn)移酶.嘌呤核苷酸合成特點(diǎn)嘌呤核苷酸合成特點(diǎn)先形成先形成IMP(次黃嘌呤核苷酸次黃嘌呤核苷酸)，然后在單磷酸的水平上，然后在單磷酸的水平上轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)變成AMP、GMP。IMP合成從合成從5 -P-核糖開始的，在核糖開始的，在ATP參與下先形成參與下先形成P

36、RPP(5-磷酸核糖焦磷酸磷酸核糖焦磷酸)嘌呤的各個(gè)原子是在嘌呤的各個(gè)原子是在PRPP的的C1上逐漸加上去的。由上逐漸加上去的。由Asp、Gln、 Gly、甲酸、甲酸、CO2 提供提供N和和C ，合成時(shí)先形，合成時(shí)先形成右環(huán)，再形成左環(huán)。成右環(huán)，再形成左環(huán)。四氫葉酸（四氫葉酸（FH4）是一碳單位的載體）是一碳單位的載體 .嘌呤核苷酸生物合成的調(diào)節(jié)嘌呤核苷酸生物合成的調(diào)節(jié)別構(gòu)酶：受終產(chǎn)物抑制；別構(gòu)酶：受終產(chǎn)物抑制；受終產(chǎn)物抑制受終產(chǎn)物抑制受終產(chǎn)物抑制受終產(chǎn)物抑制.Nucleotide Metabolism PURINE RIBONUCLEOTIDES: formed de novo i.e.,

37、purines are not initially synthesized as free bases First purine derivative formed is Inosine Mono-phosphate (IMP) The purine base is hypoxanthine AMP and GMP are formed from IMP.De novo synthesis5-5-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-

38、4-羧酸咪唑核苷酸羧酸咪唑核苷酸.5-5-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.Synthesis of AMP and GMP.延胡索酸延胡索酸.kinaseADPkinaseADPATPATPADPAMPATPkinaseGDPkinaseADPGTPATPADPGMPATP.Purine Salvage Adenine phosphoribosyl transferase (APRT) Adenine + PRPP AMP

39、+ PPi Hypoxanthine-Guanine phosphoribosyl transferase (HGPRT)Hypoxanthine + PRPP IMP + PPiGuanine + PRPP GMP + PPi (NOTE: THESE ARE ALL REVERSIBLE REACTIONS) .Purine Nucleotide Synthesis at a Glance ATP is involved in 6 steps PRPP in the first step of Purine synthesis is also a precursor for Pyrimid

40、ine Synthesis, His and Trp synthesis.Regulatory Control of Purine Nucleotide Biosynthesis GTP is involved in AMP synthesis and ATP is involved in GMP synthesis (reciprocal control of production) PRPP is a biosynthetically “central” molecule Rate of AMP production increases with increasing concentrat

41、ions of GTP; rate of GMP production increases with increasing concentrations of ATP.Intracellular Purine Catabolism Nucleotides broken into nucleosides by action of 5-nucleotidase (hydrolysis reactions) Purine nucleoside phosphorylase (PNP) Inosine Hypoxanthine Xanthosine Xanthine Guanosine Guanine

42、Ribose-1-phosphate splits off Can be isomerized to ribose-5-phosphate Adenosine is deaminated to Inosine (ADA).Intracellular Purine Catabolism Xanthine is the point of convergence for the metabolism of the purine bases Xanthine Uric acid Xanthine oxidase catalyzes two reactions.雷雷-納（二氏）綜合癥納（二氏）綜合癥 L

43、eschNyhan syndrome 1964年首由Lesch和Nyhan二氏報(bào)道的一種先天性的代謝疾病。表現(xiàn)為血高尿酸癥、高度智力障礙、腦源性麻痹、自傷癥（自我咬傷）等的伴性遺傳性疾病伴性遺傳性疾病。 發(fā)病的本質(zhì)是基于組織中缺少與嘌呤有關(guān)的一種酶嘌呤有關(guān)的一種酶次次黃嘌呤鳥嘌呤轉(zhuǎn)磷酸核糖基酶黃嘌呤鳥嘌呤轉(zhuǎn)磷酸核糖基酶（hypoxanthine（guanine）phosphoribosyltransferase，HGPRT），鳥嘌呤和次黃嘌呤補(bǔ)救途徑障礙，導(dǎo)致產(chǎn)生過量的尿酸，導(dǎo)致腎結(jié)石和痛風(fēng)。 自我咬傷是咬自己的手指、嘴唇、頰部的一種怪癖，可作本癥的一種重要特征。對于診斷原因不明的腦源性麻痹的

44、男性病例中，在懷疑為本癥時(shí)，測定其尿中和血中的尿酸是必要的。.Lesch-Nyhan Syndrome A defect in production or activity of HGPRT Hypoxanthine-Guanine phosphoribosyl transferase Hypoxanthine + PRPP IMP + PPi Causes increased level of Hypoxanthine and Guanine ( in degradation to uric acid) Causes gout-like symptoms, but also neurolog

45、ical symptoms spasticity, aggressiveness, self-mutilation 痙攣 具有侵略性 自我傷害 First neuropsychiatric abnormality that was attributed to a single enzyme (神經(jīng)精神不正常).嘧啶核糖核苷酸的生物合成嘧啶核糖核苷酸的生物合成. 嘧啶核苷酸的嘧啶環(huán)是由嘧啶核苷酸的嘧啶環(huán)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.嘧啶核苷酸合成特點(diǎn)：其合成與嘌呤核苷嘧啶核苷酸合成特點(diǎn)：其合

46、成與嘌呤核苷酸的合成不同，先由酸的合成不同，先由氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸與與天冬氨天冬氨酸酸形成形成嘧啶環(huán)嘧啶環(huán)，再與，再與5-磷酸核糖焦磷酸磷酸核糖焦磷酸（PRPP）結(jié)合形成）結(jié)合形成 UMP，其關(guān)鍵的中間，其關(guān)鍵的中間產(chǎn)物是產(chǎn)物是乳清酸乳清酸。胞苷酸胞苷酸則由則由尿苷酸尿苷酸在三磷酸的水平上轉(zhuǎn)變在三磷酸的水平上轉(zhuǎn)變而來。而來。.嘧啶環(huán)碳原子和氮原子的來源嘧啶環(huán)碳原子和氮原子的來源嘧啶核苷酸的合成代謝嘧啶核苷酸的合成代謝天冬氨酸.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 CCH2OHOCH2CO

47、HO+NH2COOPOOHOHGluGln氨基甲酰磷酸CO2CO2提供提供C2C2，GlnGln提供提供N3N3嘧啶核苷酸的合成代謝嘧啶核苷酸的合成代謝.乳清酸的合成乳清酸的合成NH2COOPOOHOH氨基甲酰磷酸H2NCH CCH2OHOCOHO+Asp門冬氨酸氨基甲酰轉(zhuǎn)移酶PiCH2CHNHCNH2OCOOHOOH氨基甲酰門冬氨酸二氫乳清酸酶H2OCH2CHNHCHNOCOOHO二氫乳清酸脫氫酶NAD+NADH+H+CHCNHCHNOCOOHO二氫乳清酸乳清酸嘧啶核苷酸的合成代謝嘧啶核苷酸的合成代謝.嘧啶核苷酸的合成代謝嘧啶核苷酸的合成代謝脫 羧 酶CO2乳 清 酸 核 苷焦 磷 酸 化

48、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ATPADPUTPC T P 合 成 酶 ,M g 2 +ATPADP+PiNHOONOOHOHHHHHOPOOHOPHOOHOPOOHOGlnGluNHNH2ONOOHOHHHHHOPOOHOPHOOHOPOOHOUTPCTP.脫羧酶CO2乳清酸核苷焦磷酸化酶PRPPPPiCHCNHCHNOCOOHO乳清酸CHCNCHNOCOOHOO

49、OHOHHHHHOP-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ATPADPUTPC T P 合成酶, M g 2 +ATPADP+PiNHOONOOHOHHHHHOPOOHOPHOOHOPOOHOGlnGluNHNH2ONOOHOHHHHHOPOOHOPHOOHOPOOHOUTPCTP嘧啶核苷酸的合成代謝嘧啶核苷酸的合成代謝ATPATP提供能量提供能量.嘧啶核苷酸合成的補(bǔ)救途徑嘧啶核苷酸合成的補(bǔ)救途徑UMP磷酸核糖磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶轉(zhuǎn)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參與嘧啶核苷激

50、酶催化的這種途徑胞嘧啶一般只參與嘧啶核苷激酶催化的這種途徑(A)(B).NHNHOONHOONOOHOHHHHHOP-OO-OUMPNHOONOOHOHHHHHHO尿苷尿苷激酶尿苷磷酸化 酶焦磷酸酶HHHOOHHHOCH2OHPOOOH核糖-1-磷酸HOPiATPADPOHHHOOHHHOCH2POHOOHPOPOOHOHOOHPRPP嘧啶核苷酸的合成代謝嘧啶核苷酸的合成代謝.Pyrimidine Ribonucleotide Synthesis Uridine Monophosphate (UMP) is synthesized first CTP is synthesized from U

51、TP Pyrimidine ring synthesis completed first; then attached to ribose-5-phosphateN1, C4, C5, C6 : AspartateC2 : HCO3-N3 : Glutamine amide Nitrogen.2 ATP + HCO3- + Glutamine + H2OCOOPO3-2NH2Carbamoyl PhosphateNH2CNHCHCH2CCOOOHOOCarbamoyl AspartateHNCNHCHCH2CCOOOODihydroorotateHNCNHCCHCCOOOOOrotateHNC

52、NCCHCCOOOOHHCH2OHOHHHOO2-O3POrotidine-5-monophosphate(OMP)HNCNCHCHCOOHHCH2OHOHHHOO2-O3PUridine Monophosphate(UMP)2 ADP +Glutamate + PiCarbamoylPhosphateSynthetase IIAspartateTranscarbamoylase(ATCase)AspartatePiH2ODihydroorotaseQuinoneReducedQuinoneDihydroorotateDehydrogenasePRPPPPiOrotate Phosphorib

53、osylTransferaseCO2OMP DecarboxylasePyrimidine Synthesis.UMP Synthesis Overview 2 ATPs needed: both used in first step One transfers phosphate, the other is hydrolyzed to ADP and Pi 2 condensation: form carbamoyl aspartate and dihydroorotate (intramolecular) Attachment of base to ribose ring is catal

54、yzed by OPRT; PRPP provides ribose-5-P PPi splits off PRPP irreversible.嘧啶核苷酸合成的調(diào)節(jié)嘧啶核苷酸合成的調(diào)節(jié)氨甲酰磷酸合成酶氨甲酰磷酸合成酶天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶CTPCTP合成酶合成酶.乳清酸尿癥乳清酸尿癥(Oroticaciduria) 乳清酸尿癥是一種遺傳性疾病，主要表現(xiàn)為尿中排出乳清酸尿癥是一種遺傳性疾病，主要表現(xiàn)為尿中排出大量乳清酸、生長遲緩和重度貧血。是由于催化嘧啶核苷大量乳清酸、生長遲緩和重度貧血。是由于催化嘧啶核苷酸從頭合成反應(yīng)酸從頭合成反應(yīng)(5)(5)和和(6)(6)的雙功能酶的雙功能酶

55、( (乳清酸磷酸核糖轉(zhuǎn)乳清酸磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶（移酶（OPRTOPRT）和乳清酸脫羧酶（）和乳清酸脫羧酶（OMPOMP脫羧酶）脫羧酶）) ) 的基因缺的基因缺陷所致。臨床用尿苷或胞苷治療。尿苷經(jīng)磷酸化可生成陷所致。臨床用尿苷或胞苷治療。尿苷經(jīng)磷酸化可生成UMPUMP，抑制，抑制CPS(CPS(氨基甲酰磷酸合成酶）氨基甲酰磷酸合成酶）活性，從而抑制活性，從而抑制嘧啶核苷酸的從頭合成，從而避免乳清酸在體內(nèi)的積累。嘧啶核苷酸的從頭合成，從而避免乳清酸在體內(nèi)的積累。 .Orotic Aciduria Caused by defect in protein chain with enzyme activit

56、ies of last two steps of pyrimidine synthesis Increased excretion of orotic acid in urine Symptoms: retarded growth; severe anemia Only known inherited defect in this pathway (all others would be lethal to fetus) Treat with uridine/cytidine .脫氧核糖核苷酸的生物合成脫氧核糖核苷酸的生物合成.脫氧核糖核苷酸的合成脫氧核糖核苷酸的合成 脫氧核糖核苷酸是由脫氧核

57、糖核苷酸是由核糖核苷酸還原產(chǎn)生核糖核苷酸還原產(chǎn)生的。在生物體內(nèi)，腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和的。在生物體內(nèi)，腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶四種核糖核苷酸都可以被還原成相應(yīng)的尿嘧啶四種核糖核苷酸都可以被還原成相應(yīng)的脫氧核糖核苷酸。催化此反應(yīng)的酶稱為脫氧核糖核苷酸。催化此反應(yīng)的酶稱為核糖核核糖核苷酸還原酶苷酸還原酶。.大腸桿菌核糖核苷酸還原酶大腸桿菌核糖核苷酸還原酶 核糖核苷酸還原酶由核糖核苷酸還原酶由R1和和R2兩個(gè)亞基組成，它們分開兩個(gè)亞基組成，它們分開時(shí)沒有活性，只有合在一起并有時(shí)沒有活性，只有合在一起并有鎂離子鎂離子存在時(shí)才有活性。存在時(shí)才有活性。 R1亞基含有兩條相同的多肽鏈，每條多肽鏈上有

58、亞基含有兩條相同的多肽鏈，每條多肽鏈上有兩個(gè)兩個(gè)別構(gòu)調(diào)節(jié)位點(diǎn)別構(gòu)調(diào)節(jié)位點(diǎn)。一個(gè)調(diào)節(jié)位點(diǎn)結(jié)合效應(yīng)物后影響對底物的。一個(gè)調(diào)節(jié)位點(diǎn)結(jié)合效應(yīng)物后影響對底物的特異性，另一個(gè)調(diào)節(jié)位點(diǎn)結(jié)合效應(yīng)物后調(diào)節(jié)酶的活性，每特異性，另一個(gè)調(diào)節(jié)位點(diǎn)結(jié)合效應(yīng)物后調(diào)節(jié)酶的活性，每條肽鏈上還含有一對參與催化氧化還原反應(yīng)的條肽鏈上還含有一對參與催化氧化還原反應(yīng)的巰基巰基。每個(gè)。每個(gè)R2亞基亞基均含有參與催化氧化還原反應(yīng)的均含有參與催化氧化還原反應(yīng)的酪氨酸酪氨酸。.核糖核苷酸還原酶示意圖核糖核苷酸還原酶示意圖底物特異性底物特異性調(diào)節(jié)位點(diǎn)調(diào)節(jié)位點(diǎn)酶活性調(diào)節(jié)酶活性調(diào)節(jié)位點(diǎn)位點(diǎn)活性位點(diǎn)活性位點(diǎn)R1R1亞基亞基R2R2亞基亞基一對巰基和一

59、個(gè)一對巰基和一個(gè)酪氨酸酪氨酸推進(jìn)推進(jìn)UDPUDP和和CDPCDP的還原的還原推進(jìn)推進(jìn)GDPGDP和和ADPADP的還原的還原別構(gòu)效應(yīng)物別構(gòu)效應(yīng)物.硫氧還蛋白硫氧還蛋白核糖核苷酸還原酶系核糖核苷酸還原酶系硫氧還蛋白還原酶硫氧還蛋白還原酶核糖核苷酸還原酶核糖核苷酸還原酶.核糖核苷酸的還原反應(yīng)核糖核苷酸的還原反應(yīng)核糖核苷酸還原酶核糖核苷酸還原酶NADP+NADPH+H+硫氧還蛋白硫氧還蛋白還原酶還原酶FADH2ATP 、Mg2+硫氧還蛋白硫氧還蛋白（還原型）（還原型）SHSH硫氧還蛋白硫氧還蛋白（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+

60、H2O脫氧核糖核苷二磷酸脫氧核糖核苷二磷酸.Formation of Deoxyribonucleotidesoxidizedreduced.核糖核苷酸還原酶催化反應(yīng)時(shí)的氫傳遞過程核糖核苷酸還原酶催化反應(yīng)時(shí)的氫傳遞過程.脫氧胸腺嘧啶核苷酸的合成脫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 FH2二氫葉酸二氫葉酸還原酶還原酶SerSer羥甲基羥甲基轉(zhuǎn)移酶轉(zhuǎn)移酶ONHNOdR-PCH3ONHNOdR-P.COHNCCHCHNOdR-5-PdUMPCOHNCC-CH3CHNOdR-5-PdTMP synthase