復(fù)旦大學(xué)生物化學(xué)代謝部分課件-核酸降解與核苷酸代謝1

1、核酸降解及核苷酸代謝一核酸降解二核苷酸的分解代謝三核苷酸的生物合成四輔酶核苷酸的合成核苷酸庫(kù)核酸降解核苷酸合成核酸合成核苷酸降解核苷酸是核酸的基本結(jié)構(gòu)單位，不屬于營(yíng)養(yǎng)必需物質(zhì)。核酸降解 食物中的核酸與蛋白質(zhì)結(jié)合為Nucleoprotein的形式，在胃中受胃酸作用水解為NA和Proteins, NA在小腸被胰Nuclease包括DNase、RNase降解為Pu-Nt、Py-Nt和Oligonucleotide.腸粘膜釋放的phosphodiesterase并協(xié)同胰核酸酶進(jìn)行消化，水解為單核苷酸。腸粘膜細(xì)胞中的nucleotidase phosphomonoesterase，水解Nt為Ns和Pi。

2、脾、肝等組織中的nucleosidase進(jìn)一步水解Ns為戊糖和堿基。 食物核蛋白蛋白質(zhì)核酸(RNA與DNA)胰核酸酶RNaseDNase(磷酸二酯酶)單核苷酸胰、腸核苷酸酶(磷酸單酯酶)核苷磷酸核苷酶(水解或磷酸解)戊糖或磷酸戊糖堿基核酸的消化排出，很少利用核酸酶(Nuclease)核酸酶是作用于核酸磷酸二酯鍵的水解酶，包括核糖核酸酶(RNase)和脫氧核糖核酸酶(DNase)，其中能水解核酸分子內(nèi)磷酸二酯鍵的酶又稱(chēng)為核酸內(nèi)切酶(endonuclease)，從核酸的一端逐個(gè)水解下核苷酸的酶稱(chēng)為核酸外切酶(exonuclease)。 堿基、核苷和核苷酸核苷酸的生理功能作為核酸合成的原料-最主要的

3、功能；體內(nèi)能量的利用形式；參與代謝與生理調(diào)節(jié)- cAMP, cGMP，組成輔酶- NAD+, NADP+, FAD, HS-CoA，活化代謝物-UDPG, CDP-DAG, SAM。 ATP-主要形式；GTP-蛋白質(zhì)合成 UTP-糖原合成；CTP-磷脂合成核苷酸的代謝動(dòng)態(tài)單核苷酸庫(kù)氨基酸 葡萄糖 磷酸核苷酸的全程合成（從頭合成）核酸的降解核苷酸降解產(chǎn)物的再利用補(bǔ)救合成核苷酸的降解核酸的合成核苷酸的分解代謝 生物體普遍存在的磷酸單酯酶或核苷酸酶可催化核苷酸的水解，特異性強(qiáng)的磷酸單酯酶只能水解3-Nt或5-Nt。 催化核苷水解的酶有2類(lèi)，即核苷磷酸化酶和核苷水解酶： Ns phosphorylas

4、eNs + Pi Pu or Py + pentose-1-P（廣泛） Ns hydrolaseNs + H2O Pu or Py + pentose(植物和微生物中，只對(duì)核糖核苷起作用，對(duì)脫氧核糖核苷不作用）核苷酸核苷PiPi1-磷酸核糖堿基補(bǔ)救途徑分解代謝5-磷酸核糖PRPP終末產(chǎn)物經(jīng)尿液排出核苷酸酶磷酸化酶1-磷酸核糖變位酶核苷酸分解代謝大致過(guò)程核苷酸及核苷分解核苷磷酸化酶廣泛存在反應(yīng)可逆局限，只對(duì)核糖Ns發(fā)生作用嘌呤堿的分解 不同生物嘌呤堿的分解能力不同，代謝產(chǎn)物也不同，人和猿類(lèi)及一些排尿酸的動(dòng)物（鳥(niǎo)類(lèi)、某些爬行類(lèi)和昆蟲(chóng)）嘌呤的代謝產(chǎn)物為尿酸。而其他生物可以分解嘌呤為多種不同產(chǎn)物。 嘌

5、呤堿的分解首先是在脫氨酶的作用下脫去氨基 。Ade和Gua分別生成次黃嘌呤和黃嘌呤，進(jìn)一步代謝生成尿酸。嘌呤分解中的脫氨作用嘌呤堿的分解首先在脫氨酶的作用下水解脫氨，脫氨作用可以在核苷或核苷酸的水平上進(jìn)行。動(dòng)物組織腺嘌呤脫氨酶含量極少，而腺嘌呤核苷脫氨酶及腺嘌呤核苷酸脫氨酶的活性較高，因此腺嘌呤的脫氨分解主要在核苷或核苷酸水平上進(jìn)行。鳥(niǎo)嘌呤脫氨酶分布廣，脫氨分解主要在該酶的作用下進(jìn)行。鳥(niǎo)嘌呤脫氨鳥(niǎo)嘌呤脫氨酶（guanine deaminase)的分布較廣，催化鳥(niǎo)嘌呤的脫氨分解，是鳥(niǎo)苷酸、鳥(niǎo)苷及鳥(niǎo)嘌呤主要的脫氨途徑。 鳥(niǎo)嘌呤脫氨酶 鳥(niǎo)嘌呤 黃嘌呤+NH3核苷酸三級(jí)水平的降解動(dòng)物中基本不發(fā)生主要主

6、要主要嘌呤核苷酸分解的三級(jí)脫氨AMP分解黃嘌呤氧化酶AMP/GMP分解尿囊素次黃嘌呤的分解尿酸生成次黃嘌呤和黃嘌呤在黃嘌呤氧化酶的作用下氧化生成尿酸。 次黃嘌呤+O2+H2O 黃嘌呤+H2O2黃嘌呤+O2+H2O 尿酸+H2O2 黃嘌呤氧化酶黃嘌呤氧化酶嘌呤核苷酸的分解不同生物嘌呤核苷酸的分解產(chǎn)物不同尿囊酸尿囊素尿素氨銨尿酸黃嘌呤氧化酶 (Xanthine Oxidase)催化次黃嘌呤和黃嘌呤氧化生產(chǎn)尿酸。酶為復(fù)合黃素酶，由兩個(gè)相同的亞基組成，分子量260,000，每個(gè)亞基含一個(gè)FAD、一個(gè)鉬原子和一個(gè)Fe4S4中心。反應(yīng)要求分子氧作為電子受體，還原產(chǎn)物是H2O2，進(jìn)入尿酸的氧來(lái)自水。底物與酶

7、結(jié)合后，Mo(VI)被還原為Mo(IV)，電子經(jīng)黃素、鐵硫中心等傳給O2，與氫離子生成H2O2，Mo(IV)氧化為Mo(VI)。 尿 酸Uric Acid嘌呤核苷酸的分解代謝主要在肝臟、小腸及腎臟中進(jìn)行。生理情況下嘌呤合成與分解處于相對(duì)平衡狀態(tài)，尿酸的生成與排泄也較恒定。正常人血漿中尿酸含量約0.12-0.36 mM2-6 mg/dL，男性平均0.27mM4.5mg/dL，女性平均0.21 mM3.5 mg/dL。體內(nèi)核酸大量分解白血病、惡性腫瘤等或食入高嘌呤食物時(shí)，血中尿酸水平升高，超過(guò)0.48 mM8 mg/dL時(shí)，尿酸鹽形成結(jié)晶，沉積于關(guān)節(jié)、軟組織、軟骨及腎等處導(dǎo)致關(guān)節(jié)炎、尿路結(jié)石及腎疾

8、患-痛風(fēng)癥。痛 風(fēng)(Gout) 嘌呤堿分解代謝產(chǎn)生過(guò)多的尿酸，溶解性很差，易形成尿酸鈉結(jié)晶，沉積于關(guān)節(jié)、軟組織、軟骨甚至腎臟等處，也可形成尿酸的尿路結(jié)石。沉積于男性關(guān)節(jié)腔的尿酸鈉結(jié)晶被吞噬細(xì)胞吞噬，尿酸鈉通過(guò)氫鍵與溶酶體膜作用，破壞溶酶體，釋放的水解酶及蛋白因子使局部生成較多致炎物質(zhì)，引起痛風(fēng)性關(guān)節(jié)炎痛風(fēng)。痛風(fēng)的尿酸鈉晶體痛風(fēng)檢測(cè) 診斷痛風(fēng)最簡(jiǎn)便而有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)室檢查是血尿酸測(cè)定。血尿酸升高是診斷痛風(fēng)最直接的實(shí)驗(yàn)室檢查依據(jù)，也是確診的必備條件。急性發(fā)作期絕大多數(shù)病人血清尿酸含量升高。一般采用尿酸酶法測(cè)定，男性大于416mol（7 mg/dL），女性大于357mol（6 mg/dL）應(yīng)該認(rèn)為是痛風(fēng)

9、患者。除血尿酸測(cè)定外，也可測(cè)定尿酸含量，關(guān)節(jié)腔穿刺檢查，血、尿常規(guī)檢查，血沉檢查，痛風(fēng)石檢查，X線(xiàn)攝片檢查。痛風(fēng)治療治療痛風(fēng)的原則是：合理的飲食控制；充足的水分?jǐn)z入；規(guī)律的生活制度；適當(dāng)?shù)捏w育活動(dòng)；有效的藥物治療；定期的健康檢查。 西醫(yī)對(duì)痛風(fēng)病的治療，較為常用的抗痛風(fēng)藥物：秋水仙堿、別嘌呤醇、丙磺舒、苯溴馬隆、消炎痛、布絡(luò)芬、扶他林等。中醫(yī)對(duì)痛風(fēng)的治療。飲食治療每日嘌呤攝入量不超過(guò)150 mg。常見(jiàn)食物的嘌呤含量范圍一、每100克食物嘌呤含量小于50毫克為低嘌呤的有：五谷類(lèi)：米、麥、高梁、玉米、馬鈴薯、甘薯、面條、通心粉；蛋 類(lèi)：雞蛋、鴨蛋、皮蛋；奶 類(lèi)：牛奶、乳酪、冰琪琳；飲 料：汽水、巧克

10、力、可可、咖啡、麥乳精、果汁、茶、蜂蜜、果凍；以及各種水果、蔬菜和油脂 等。二、每100克食物中含50毫克150毫克嘌呤的為中嘌呤：肉 類(lèi)：雞肉、豬肉、牛肉、羊肉、魚(yú)、蝦、螃蟹；豆 類(lèi)：黑豆、綠豆、紅豆、花豆、碗豆、菜豆、豆干、豆腐以及筍干、金針、銀耳、花生、腰果、芝麻等。三、每100克食物中含150毫克-500毫克嘌呤的食物為高嘌呤：豆苗、黃豆芽、蘆筍、菜花、紫菜、香菇、烏魚(yú)、鯊魚(yú)、鱈魚(yú)、海鰻、動(dòng)物肝、腎、腸等、蚌蛤、干貝帶魚(yú)、扁魚(yú)干、沙丁魚(yú)、蛤蜊、牡蠣、鏈魚(yú)、雞湯、肉湯等。四、每100克食物中大于500毫克嘌呤：小魚(yú)干、烏魚(yú)皮、酵母粉等。高嘌呤食物 豆類(lèi)及蔬菜類(lèi)：黃豆、扁豆、紫菜、香菇。

11、肉類(lèi)：肝（豬肝、牛肝、雞肝、鴨肝、鵝肝）、腸（豬腸、牛腸、雞腸、鴨腸、鵝腸）、心（豬心、牛心、雞心、鴨心、鵝心）、肚與胃（豬肝、牛肝、雞胃、鴨胃、鵝胃）、腎（豬腎、牛腎）、肺腦、胰、肉脯、濃肉汁、肉餡等。 水產(chǎn)類(lèi)：魚(yú)類(lèi)（魚(yú)皮、魚(yú)卵、魚(yú)干、沙丁魚(yú)、風(fēng)尾魚(yú)、鯖魚(yú)、鰱魚(yú)、烏魚(yú)、鯊魚(yú)、帶魚(yú)、吻仔魚(yú)、海鰻、扁魚(yú)干、鯧魚(yú)）、貝殼類(lèi)（蛤蜊、牡蠣、蛤子、蠔、淡菜、干貝）、蝦類(lèi)（草蝦、金勾蝦、小蝦、蝦米）、海參。 其他：酵母粉、各種酒類(lèi)（尤其是啤酒）。 別嘌呤醇與次黃嘌呤別嘌呤醇的作用別黃嘌呤別嘌呤醇的作用機(jī)理別嘌呤在體內(nèi)經(jīng)代謝轉(zhuǎn)變，與PRPP生成別嘌呤核苷酸，不僅消耗了PRPP，使其含量下降，而且還能反饋抑制

12、PRPP酰胺轉(zhuǎn)移酶，阻斷嘌呤核苷酸的從頭合成。別嘌呤醇的作用 競(jìng)爭(zhēng)性抑制黃嘌呤氧化酶，阻止尿酸生成； 與PRPP結(jié)合生成別嘌呤醇核苷酸，消耗PRPP，別嘌呤醇核苷酸反饋抑制嘌呤核苷酸的從頭合成-抑制嘌呤核苷酸的合成。自殺底物(Suicide Substrate) 結(jié)構(gòu)與次黃嘌呤相似的別嘌呤醇(allopurinol)，在黃嘌呤氧化酶的作用下氧化為別黃嘌呤(alloxanthine)，后者與酶中心的Mo(IV)牢固結(jié)合，使Mo(IV)不易轉(zhuǎn)變成Mo(VI)而成為酶的滅活物，這種底物類(lèi)似物被稱(chēng)為自殺作用（底）物，這種作用被稱(chēng)為自殺作用。別嘌呤醇還與PRPP作用生成相應(yīng)核苷酸，抑制PRPP-AT，使

13、IMP合成減少。嘧啶堿的分解不同生物嘧啶堿的分解過(guò)程也不一樣，一般情況下含氨基的嘧啶要先水解脫去氨基，脫氨基也可以在核苷或核苷酸水平上進(jìn)行。 嘧啶還原途徑的分解嘧啶氧化途徑的分解嘧啶分解尿嘧啶、胞嘧啶分解胸腺嘧啶的分解嘌呤核苷酸的生物合成Biosynthesis of Purine Nucleotides核苷酸的生物合成可以通過(guò)兩條完全不同的途徑進(jìn)行，由現(xiàn)成的Pu, Py, Pentose及Pi在酶的作用下直接合成NtSalvage Pathway（補(bǔ)救途徑，腦、骨髓）；或由磷酸戊糖先和非Pu或Py環(huán)結(jié)合，在未完成的環(huán)上添加必要的部分，然后閉合成環(huán)De novo Synthesis（全程合成，

14、肝臟、小腸、胸腺）。 嘌呤核苷酸的生物合成De novo synthesis14C標(biāo)記的HCOOH和15N標(biāo)記的氨基酸與鴿肝勻漿物共培養(yǎng)，得到Pu環(huán)各元素的來(lái)源，1950s由J. Buchanan和G. Robert Greenberg提出Hypoxanthine de novo synthesis假說(shuō)，并證明Hypoxanthine Nt是Ade-Nt及Gua-Nt合成的前體。嘌呤核苷酸的結(jié)構(gòu)AMPGMPDe Novo Synthesis of Pu-Nt The pigeon experiment: Isotopic tracer studies (1950s) of IMP biosyn

15、thesis. Labs of John Buchanan and Robert Greenberg.合成所需原料物質(zhì)：-D-ribose-5-P, ATP, Gln, Asp, GTP, N5,N10-methylene THFA, CO2。另需輔助因子：Mg2+, Mn2+, NAD+, THFA-CHO. 合成中先生成IMP，繼而合成AMP和GMP。嘌呤環(huán)元素的來(lái)源“一碳”“一碳”嘌呤環(huán)元素的來(lái)源甘氨當(dāng)中站, 谷氮坐兩邊,左上天冬氨, 頭頂CO2 。大致過(guò)程： 5-磷酸核糖 + ATP PRPP + AMP IMP AMP GMPPRPP合成酶甘氨酸天冬氨酸2谷氨酰胺2一碳單位CO212

16、IMP合成的3個(gè)階段： A:合成激活階段 B:合成咪唑環(huán)的階段 C:合成出IMP的階段磷酸核糖基焦磷酸PRPP嘌呤核苷酸的全程合成反應(yīng)1磷酸核糖基焦磷酸轉(zhuǎn)酰胺酶5-P-核糖胺可被類(lèi)似物抑制PRPP transamidase()()嘌呤核苷酸的全程合成反應(yīng)2甘氨酰胺核苷酸甘氨酰胺核苷酸合成酶嘌呤核苷酸的全程合成反應(yīng)3甲酰甘氨酰胺核苷酸轉(zhuǎn)甲?；缚杀活?lèi)似物抑制HCOOH+ATP甲酰磷酸四氫葉酸嘌呤核苷酸的全程合成反應(yīng)4甲酰甘氨脒核苷酸合成酶可被Gln類(lèi)似物不可逆抑制嘌呤核苷酸的全程合成反應(yīng)55-氨基咪唑核苷酸合成酶環(huán)化酶Mg2+、K+嘌呤核苷酸的全程合成反應(yīng)6氨基咪唑核苷酸羧化酶5-羧基氨基咪唑核

17、苷酸嘌呤核苷酸的全程合成反應(yīng)75-氨基-4-羧基氨基咪唑核苷酸變位酶嘌呤核苷酸的全程合成反應(yīng)8N-琥珀酰-5-氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸合成酶嘌呤核苷酸的全程合成反應(yīng)95-氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸裂解酶嘌呤核苷酸的全程合成反應(yīng)10轉(zhuǎn)甲?；窷-甲酰氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸可被抑制劑抑制嘌呤核苷酸的全程合成反應(yīng)11次黃嘌呤核苷酸環(huán)水解酶，IMP cyclohydrolaseIMP合成酶次黃嘌呤核苷一磷酸由IMP合成AMP和GMP腺苷琥珀酸合成酶裂解酶羽田殺菌素OHC-N（OH）-CH2-COOH，Asp的類(lèi)似物IMP脫氫酶GMP合成酶K+羽田殺菌素(Hadacidin) Asp的結(jié)構(gòu)類(lèi)似物，

18、N-羥-N-甲酰甘氨酸： OHC-N-CH2-COOH OH 可強(qiáng)烈抑制腺苷琥珀酸合成酶的活性，阻止腺苷琥珀酸的合成，抑制AMP的合成。是一種具有抗癌作用的抗菌素，但沒(méi)有用于臨床。P P P P 嘌呤核苷酸循環(huán)IMP合成的總反應(yīng)2 Gln + 2 HCOOH + CO2+ Gly + Asp +R-5-P (or PRPP) IMP + 2Glu + Fumarate反應(yīng)需要5（或7）ATP。嘌呤核苷酸合成的調(diào)節(jié)大腸桿菌腺苷酸和鳥(niǎo)苷酸合成的調(diào)節(jié)許多化療“藥物”作用的靶位是核苷酸合成途徑的酶腫瘤細(xì)胞比絕大多數(shù)正常細(xì)胞生長(zhǎng)快，需要合成更多的核苷酸作為DNA和RNA合成的前體，因此較正常細(xì)胞對(duì)核苷酸

19、合成抑制劑更為敏感。一系列化療試劑通過(guò)抑制核苷酸合成途徑的一個(gè)或多個(gè)酶起作用。 第一類(lèi)是抑制Gln轉(zhuǎn)酰胺酶azaserine(重氮絲氨酸)和acivicin(阿西維辛，異惡唑醋酸)。 第二類(lèi)是抑制胸苷酸合成酶和二氫葉酸還原酶(fluorouracil, methotrexate和aminopterin)。氨甲蝶呤氨基喋呤甲氨喋呤、氨甲喋呤、氨甲葉酸甲氧芐(氨嘧)啶、三甲氧二芐氨嘧啶甲氧芐啶，磺胺類(lèi)及其增效劑，阻止細(xì)菌核酸和蛋白質(zhì)的合成，且甲氧芐啶(TMP)與細(xì)菌的二氫葉酸還原酶的結(jié)合較之對(duì)哺乳類(lèi)動(dòng)物酶的結(jié)合緊密 5-6萬(wàn)倍。與磺胺藥的合用可使細(xì)菌的葉酸合成代謝遭到雙重阻斷，有協(xié)同作用，使磺胺藥

20、抗菌活性增強(qiáng)，并可使抑菌作用轉(zhuǎn)為殺菌作用，減少耐藥菌株，主要用于抗感染，不宜于抗腫瘤。 甲氨蝶呤為抗葉酸類(lèi)抗腫瘤藥，主要通過(guò)對(duì)二氫葉酸還原酶的抑制而達(dá)到阻礙腫瘤細(xì)胞DNA的合成，進(jìn)而抑制腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)與繁殖。本藥選擇性地作用于S期。 常用于治療白血病、絨毛膜上皮癌、頭頸部癌、婦科癌、牛皮癬等。Gln類(lèi)似物AT-125氮絲氨酸重氮乙酰絲氨酸Salvage Synthesis of Pu-Nt利用現(xiàn)成的Ade、Hypoxanthine和Gua通過(guò)腺嘌呤磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶（APRT)及次黃嘌呤鳥(niǎo)嘌呤磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶（HGPRT)實(shí)現(xiàn)AMP、IMP、GMP的補(bǔ)救合成。 人體細(xì)胞大多為全程合成，但腦和骨髓

21、中幾乎只能通過(guò)補(bǔ)救途徑合成。嘌呤核苷酸的補(bǔ)救合成嘌呤核苷的再利用 腺嘌呤核苷 AMP ATP ADP腺苷激酶APRTHGPRT嘌呤核苷酸的補(bǔ)救合成萊-納二氏（Lesch-Nyhan) 綜合癥-自毀容貌綜合癥HGPRT缺陷的男性?xún)和憩F(xiàn)為一種強(qiáng)制性的自殘行為-自毀容貌綜合癥，為先天性遺傳疾?。ㄈ狈GPRT)，行為對(duì)立，侵略性強(qiáng)，自咬手指、腳趾、嘴唇等，智力低下。自毀容貌綜合癥機(jī)理HGPRT基因點(diǎn)突變嘌呤核苷酸的抗代謝藥物抗代謝藥物結(jié)構(gòu)上與代謝物相似，但它們不能作為機(jī)體的建造材料。在細(xì)胞內(nèi)，抗代謝藥物被誤認(rèn)為是“它們”的代謝物，以“正?；衔铩钡姆绞竭M(jìn)行加工處理。由于存在著抗代謝藥物這樣的“誘餌

22、”，因而阻礙了細(xì)胞重要功能的發(fā)揮，使細(xì)胞不能生長(zhǎng)和生存。許多治療腫瘤的抗代謝藥物是通過(guò)影響核酸的合成而起作用的。如果不能合成新的DNA和RNA，細(xì)胞就不能分裂。 嘌呤核苷酸抗代謝物主要是一些嘌呤、氨基酸或葉酸等的類(lèi)似物。 采用競(jìng)爭(zhēng)性抑制或“以假亂真”等方式抑制合成代謝中的酶，干擾和阻斷核苷酸的合成, 從而進(jìn)一步阻止核酸以及蛋白質(zhì)的生物合成。 腫瘤細(xì)胞的核酸與蛋白質(zhì)代謝旺盛, 因此抗代謝物可用于腫瘤的化療。嘌呤核苷酸的抗代謝物嘌呤類(lèi)似物的作用6MP（6-巰基嘌呤-次黃嘌呤結(jié)構(gòu)相似）6MP-核苷酸（IMP的類(lèi)似物，反饋抑制IMP全稱(chēng)合成中PRPP與5-磷酸核糖胺的形成）抑制從頭合成（抑制IMP向AMP和GMP的轉(zhuǎn)變） 抑制補(bǔ)救合成 (抑制HGPRT)可用作抗癌藥物HGPRT嘌呤核苷酸的抗代謝物1. 嘌呤類(lèi)似物:8-氮雜鳥(niǎo)嘌呤N OHNNNHN SHNNNHN SHNNNHH2NN OHNNNHN6-巰基鳥(niǎo)嘌呤次黃嘌呤6-巰基嘌呤（6-MP）（8-Azaguanine） 氨基酸類(lèi)似物主要有氮雜絲氨酸等?；瘜W(xué)結(jié)構(gòu)與Gln相似?？筛蓴_Gln在嘌呤核苷酸合成中的作用，從而抑制嘌呤核苷酸的合成。嘌呤核苷酸的抗代謝物2. 氨基酸類(lèi)似物：