生物化学-核苷酸代谢PPT课件.ppt

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1、第九章,核苷酸代谢,本章重点 重点：熟悉嘌呤环和嘧啶环上各个原子的来源。了解嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸从头合成的过程以及最初产物，二者合成途径的差异。了解核苷酸补救合成途径的重要意义。 了解核苷酸降解的过程和终产物，尿酸堆积引起的疾病和治疗方法。,核酸,核苷酸,磷酸（P）,核苷,戊糖（R）,碱基（B）,复习：,核 糖 脱氧核糖,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）,鸟嘌呤（G）,胞嘧啶（C）,尿嘧啶（U）,胸腺嘧啶（T）,核苷酸：,磷酸脱氧胞苷（dCMP）,由磷酸、戊糖和碱基三种成分构成的化合物,第一节,概 述,一、核酸的消化与

2、吸收,吸收及吸收后的去向 吸收 单核苷酸、核苷、P、R、B均可在小肠吸收。 单核苷酸、核苷吸收进入肠粘膜细胞后可再 继续水解。 吸收后的去向 P、R可被机体利用 B很少利用、分解后排出。,1、核酸酶的定义及分类 指所有可以水解核酸的酶。 依据底物不同分类 DNA酶(deoxyribonuclease, DNase)： 专一降解DNA的酶。 RNA酶 (ribonuclease, RNase)： 专一降解RNA的酶。 依据切割部位不同 核酸内切酶：限制性核酸内切酶 非限制性核酸内切酶 核酸外切酶：53或35核酸外切酶,二、核 酸 酶（Nuclease）,什么是核酸内切酶(endonuclease

3、)？,凡能水解核酸分子内磷酸二酯键的酶叫核酸内切酶；,什么是核酸外切酶(exonuclease)？,凡能从核酸链的一端逐个水解下核苷酸的酶称为核酸外切酶；,什么是限制性核酸内切酶？,在细菌内存在一类能识别并水解外源双链DNA的核酸内切酶，称为限制性核酸内切酶。,限制性内切酶的命名和意义,Eco R I,序号,属名,种名,株名,例：Eco R I，这是从大肠杆菌（Ecoli）R菌珠中分离出的一种限制性内切酶,限制性内切酶是分析染色体结构、制作DNA限制图谱、进行DNA序列测定和基因分离、基因体外重组等研究中不可缺少的工具，是一把天赐的神刀，用来解剖纤细的DNA分子。,参与DNA的合成与修复及RN

4、A合成后的剪接等重要基因复制和基因表达过程 负责清除多余的、结构和功能异常的核酸，同时也可以清除侵入细胞的外源性核酸 在消化液中降解食物中的核酸以利吸收 体外重组DNA技术中的重要工具酶,生物体内的核酸酶负责细胞内外催化核酸的降解,2、核酸酶的功能,三、核苷酸的生物功用,作为核酸合成的原料 体内能量的利用形式 参与代谢和生理调节 组成辅酶 活化中间代谢物,核苷酸是一类代谢上极为重要的物质。它几乎参与了细胞所有的生化过程： 1、核苷酸是核酸生物合成的前体; 2、ATP、GTP是机体的主要能源物质； 3、核苷酸衍生物是许多生物合成的活性中间体。如：尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）是糖原合成中糖基的供体

5、； 4、ATP是生物能量代谢中通用的高能化合物； 5、腺苷酸参与NAD、NADP、FAD和辅酶A等的合成； 6、某些核苷酸是代谢的调节物质。如：3，5-环式腺苷酸（cAMP）是第二信使物质，参与代谢调节； 7、一些核苷酸的类似物是重要的药物。在治疗癌症、病毒感染、自身免疫疾病和遗传性疾病等方面都有其独特的作用。,核苷酸的重要性,核苷酸代谢的动态,单核苷酸库,氨基酸 葡萄糖 磷酸,核苷酸的从头合成,核酸的降解,核苷酸的降解 产物的再利用,核苷酸的降解,核酸的合成,第二节,嘌呤和嘧啶的分解,嘌呤碱的最终 代谢产物,AMP,GMP,I （次黄嘌呤）,G,X （黄嘌呤）,黄嘌呤氧化酶,黄嘌呤氧化酶,一

6、、嘌呤碱的分解代谢,（醇式）,主要在肝、小肠、肾进行,不同生物体内存在的酶不同，嘌呤分解的终产物不同,排尿酸动物：灵长类、鸟类、昆虫、排尿酸爬虫类 排尿囊素动物：哺乳动物（灵长类除外）、腹足类 排尿囊酸动物：硬骨鱼类 排尿素动物：大多数鱼类、两栖类 某些低等动物能将尿素进一步分解成NH3和CO2排出。 植物分解嘌呤的途径与动物相似，产生各种中间产物（尿囊素、尿囊酸、尿素、NH3）。 微生物分解嘌呤类物质，生成NH3、CO2及有机酸（甲酸、乙酸、乳酸、等）。,痛风症,痛风症一词来源于拉丁语“GUTTA”，痛风症患者由于体内嘌呤核苷酸分解代谢异常，可致血中尿酸水平升高，以尿酸钠晶体沉积于软骨、关节

7、、软组织及肾脏，临床上表现为皮下结节，关节疼痛等。 （尿酸盐沉积于关节腔内引起关节炎，尿酸沉积于肾脏成为肾结石）。 引起痛风有几个原因，其中包括次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶活性的部分缺陷，导致嘌呤回收下降，使嘌呤分解生成更多的尿酸。痛风也可能是由于嘌呤生物合成调控的缺陷引起的。治疗痛风的最有效药物是与次黄嘌呤结构非常类似的别嘌呤醇（下图）。,痛风症的治疗机制,鸟嘌呤,次黄嘌呤,黄嘌呤,尿酸,黄嘌呤氧化酶,黄嘌呤氧化酶,次黄嘌呤,别嘌呤醇,痛风症的治疗机制,鸟嘌呤,次黄嘌呤,黄嘌呤,尿酸,黄嘌呤氧化酶,黄嘌呤氧化酶,别嘌呤醇,次黄嘌呤,别嘌呤醇,在细胞内别嘌呤醇被转换为羟嘌呤醇，羟嘌呤醇是黄嘌

8、呤脱氢酶的一个很强的抑制剂， 服用别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积和肾结石的形成。在用别嘌呤醇治疗期间，次黄嘌呤和黄嘌呤都不会堆积，它们经次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶催化转换为IMP和黄嘌呤核苷酸，然后形成AMP和GMP。次黄嘌呤和黄嘌呤的溶解度比尿酸钠和尿酸大得多，如果它们不能通过补救途径被重新利用也可经肾脏排泄掉。,二、嘧啶核苷酸的分解,嘧啶的降解,嘧啶降解将生成容易代谢的产物，嘧啶可以降解为氨、碳酸、 -丙氨酸或-氨基异丁酸。进一步降解还可生成乙酰CoA或琥珀酰CoA。,胞嘧啶,NH3,尿嘧啶,二氢尿嘧啶,H2O,CO2 + NH3,-丙氨酸,胸腺嘧啶

9、,-脲基异丁酸,-氨基异丁酸,H2O,丙二酸单酰CoA,乙酰CoA,TAC,肝,尿素,甲基丙二酸单酰CoA,琥珀酰CoA,TAC,糖异生,第三节,核苷酸的生物合成,一、核苷酸合成的基本途径,从头合成途径 利用磷酸核糖、氨基酸、CO2和NH3等简单物质为原料，经过一系列酶促反应合成核苷酸，此途径不经过碱基、核苷的中间阶段，从无到有的途径。 补救合成途径 利用体内游离的碱基或核苷合成核苷酸的途径，补救合成途径中所需的碱基和核苷来自于细胞内核酸的降解。,嘌呤核苷酸的从头合成途径是指利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及二氧化碳等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成嘌呤核苷酸的途径。,肝是体内从头合成嘌

10、呤核苷酸的主要器官，其次是小肠和胸腺，而脑、骨髓则无法进行此合成途径。,二、嘌呤核苷酸的合成,定义,合成部位,（一）嘌呤核苷酸的从头合成,嘌呤碱合成的元素来源,CO2,天冬氨酸,甲酰基 （一碳单位）,甘氨酸,甲酰基 （一碳单位）,谷氨酰胺 （酰胺基）,合成原料：天冬氨酸、谷氨酰胺、甘氨酸、一碳基团、CO2、磷酸核糖。 合成特点：磷酸核糖为起始物，逐步加原料合成嘌呤环，形成重要中间产物 IMP（次黄嘌呤核苷酸），再由它转变为AMP和GMP。,IMP的合成,过程复杂，同一类型反应多次出现。,IMP的合成过程, 磷酸核糖酰胺转移酶 GAR合成酶 转甲酰基酶 FGAM合成酶 AIR合成酶,IMP生成总

11、反应过程,IMP生成反应过程要点,嘌呤核苷酸的合成并不是先形成游离的嘌呤，然后生成核苷酸，而是直接形成次黄嘌呤核苷酸(IMP，也叫肌苷酸)，以后才转变为其他嘌呤核苷酸。 IMP的合成是从5-磷酸核糖开始的。由5-磷酸核糖与ATP反应，生成5-磷酸核糖-1-焦磷酸(PRPP)。 嘌呤的各个原子是在PRPP的C1位置上逐渐加上去的。先由谷氨酰胺提供N元素，生成5-磷酸核糖胺。注意在此反应中，核糖的C1发生构型变化，由PRPP的-构型变为5-磷酸核糖胺的-构型,以后，由甘氨酸和甲酰四氢叶酸先后提供C和N原子，并闭合成咪唑环。 再后，由CO2、天冬氨酸、甲酰四氢叶酸先后提供其他原子，最后形成次黄嘌呤核

12、苷酸。 上述一系列反应的总反应式如下： 2NH3+2甲酸+CO2+甘氨酸+天冬氨酸+5-磷酸核糖 IMP+延胡索酸+9H2O,IMP生成反应过程要点,腺苷酸代琥珀酸合成酶 IMP脱氢酶 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再转化生成AMP、GMP。 IMP的合成需5个ATP，6个高能磷酸键。 AMP或GMP的合成又需1个ATP。,嘌呤核苷酸从头合成特点,从头合成的调节,PRPP,PRA,GTP,+,+,调节方式：反馈调节和交叉调节,交叉调节意义,交叉调节意义,1、即满足机体需要，又不至于浪费。 2、维持ATP与GTP浓

13、度的平衡。,利用体内游离的嘌呤或嘌呤核苷，经过简单的反应，合成嘌呤核苷酸的过程，称为补救合成（或重新利用）途径。,（二）嘌呤核苷酸的补救合成途径,定义：,腺嘌呤磷酸核糖转移酶 (adenine phosphoribosyl transferase, APRT) 次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶(hypoxanthine- guanine phosphoribosyl transferase, HGPRT) 腺苷激酶(adenosine kinase),参与补救合成的酶,合成过程,补救合成的生理意义,补救合成节省从头合成时的能量和一些氨基酸的消耗。 体内某些组织器官，如脑、骨髓等只能进行补救合成。

14、,自毁容貌症Lesch-Nyhan综合症,一种X-连锁隐性遗传缺陷疾病，见于男性。由于遗传缺陷导致次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶（HGPRT）缺失所致。患者表现为尿酸增高及神经异常。如脑发育不全、智力低下、攻击和破坏性行为、常咬伤自己的嘴唇、手和足趾，故称自毁容貌症。,（三）嘌呤核苷酸的相互转变,（四） 脱氧核糖核苷酸的生成,二磷酸脱氧核苷,NDP,dNDP,二磷酸核糖核苷,NADP+,NADPH + H+,核糖核苷酸还原酶，Mg2+,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 （FAD）,脱氧核苷酸的生成,（五） 嘌呤核苷酸的抗代谢物,嘌呤核苷酸的抗代谢物是

15、一些嘌呤、氨基酸或叶酸等的类似物。,次黄嘌呤 (H或I),6-巯基嘌呤 (6-MP),6-巯基嘌呤的结构,能够抑制嘌呤核苷酸合成的一些抗代谢药物，通常是属于嘌呤、氨基酸或叶酸的类似物，主要通过对代谢酶的竞争性抑制作用，来干扰或抑制嘌呤核苷酸的合成，因而具有抗肿瘤治疗作用。 在临床上应用较多的嘌呤核苷酸类似物主要是6-巯基嘌呤（6-MP）。6-MP的化学结构与次黄嘌呤类似，因而可以抑制IMP转变为AMP或GMP，从而干扰嘌呤核苷酸的合成,氨基嘌呤（叶酸拮抗物）和氨甲喋呤在癌症治疗中的应用原理（如何影响核酸合成）？,二者是叶酸类似物，竞争性抑制由叶酸转化为二氢叶酸时的二氢叶酸还原酶的活性，使叶酸无

16、法有效地转变为二氢叶酸和四氢叶酸； 影响嘌呤和嘧啶核苷酸的合成中一碳单位的转移，减少核苷酸合成速度，进而严重影响核酸的合成。,从头合成途径 补救合成途径,三、嘧啶核苷酸的合成代谢,（一）嘧啶核苷酸的从头合成,主要是肝细胞胞液,嘧啶核苷酸的从头合成是指利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及二氧化碳等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成嘧啶核苷酸的途径。,定义,合成部位,嘧啶合成的元素来源,合成过程,1. 尿嘧啶核苷酸的合成,其活性可作为肝细胞分化程度的指标之一,其活性可作为细胞增殖程度指标之一,2. 胞嘧啶核苷酸的合成,UDP,UTP,3. dTMP或TMP的生成,dUMP,脱氧胸苷一磷酸 dTM

17、P,嘧啶核苷酸从头合成特点,先合成嘧啶环，后与R-5-P结合。 先合成UMP、再转化生成CTP、dTMP等,从头合成的调节,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） 嘧啶核苷酸的补救合成,嘧啶 + PRPP,磷酸嘧啶核苷 + PPi,嘧啶磷酸核糖转移酶,尿嘧啶核苷+ATP,尿苷激酶,UMP +ADP,脱氧胸腺嘧啶核苷+ ATP,胸苷激酶,dTMP +ADP,核苷酸生物合成与核酸生物合成的关系,（三）嘧啶核苷酸的抗代谢物,嘧啶类似物,胸腺嘧啶(T),5-氟尿嘧啶(5-FU)

18、,能够抑制嘧啶核苷酸合成的抗代谢药物也是一些嘧啶核苷酸的类似物，通过对酶的竞争性抑制而干扰或抑制嘧啶核苷酸的合成。 主要的抗代谢药物是5-氟尿嘧啶（5-FU）。5-FU在体内可转变为F-dUMP，其结构与dUMP相似，可竞争性抑制胸苷酸合成酶的活性，从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剂，在体内转化为相应的核苷一磷酸和三磷酸后，它可以与酶上的SH基结合，再与四氢叶酸形成三元复合物，酶不能去除F，而干扰了尿嘧啶甲基化，进而不能合成TMP，也就使快速分化的细胞由于缺乏dTMP而不能合成DNA死亡。,某些改变了核糖结构的核苷类似物,氮杂丝氨酸,

19、阿糖胞苷,氨甲碟呤,5FU,小结,嘌呤核苷酸的从头合成开始合成的嘌呤核苷酸是IMP。同位素标记实验表明，嘌呤环的碳和氮原子分别来自简单的化合物例如甘氨酸、谷氨酰胺、天冬氨酸、CO2和10-甲酰四氢叶酸。而且嘌呤环的组装是在PRPP提供的核糖-5-磷酸的基础上逐步连接上这些前体单位提供的碳和氮原子的。IMP是嘌呤核苷酸合成的一个分支点，它可以转换为AMP或GMP。嘌呤合成的调控步骤是PRPP转酰胺酶催化形成磷酸核糖胺的反应。该酶受到AMP或GMP的部分抑制，但受到AMP和GMP联合在一起的强烈抑制。,小结,在核苷酸合成的补救途径中，PRPP可以直接与腺嘌呤、鸟嘌呤或次黄嘌呤反应分别生成AMP，G

20、MP或IMP。但当次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶缺乏时，会引起Lesch-Nyhan综合症，这是一种导致痉挛和智力障碍的疾病。 在 嘧啶核苷酸UMP的合成中，是先合成嘧啶环，然后再与PRPP反应连接上核糖-5-磷酸的。嘧啶环是由天冬氨酸、CO2和谷氨酰胺组装的。在原核生物中，催化嘧啶合成的第二步反应的天冬氨酸转氨甲酰酶受到终产物CTP和UTP的别构抑制。,小结,脱氧核苷酸是通过核苷酸中核糖部分的C-2还原后合成的。反应是由核苷酸还原酶催化的，反应需要NADPH。在大多数生物体中，脱氧核糖的形成是发生在核苷二磷酸水平。但在某些微生物中，是发生在核苷三磷酸水平。 胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）是由dU

21、MP通过甲基化反应形成的5,10-亚甲基四氢叶酸提供一碳单位。在鸟类和爬行类动物中，来自氨基酸和嘌呤分解代谢的氮可以整合到IMP中，并最终以尿酸排泄。灵长类也可以将过量的嘌呤降解为尿酸。大多数生物可以将尿酸进一步分解为尿囊素、尿囊酸、尿素，甚至氨。对于人，尿酸的过量生成将导致痛风病。 嘧啶可以降解为氨、碳酸、b-丙氨酸或b-氨基异丁酸。进一步降解还可生成乙酰CoA或琥珀酰CoA。,嘌啉核苷酸的合成（AMP、GMP）：过程很复杂，重要掌握2点： PRPP是合成的直接起始物，在PRPP上添加原料合成碱基，核苷酸也合成了。 嘌啉环上的原子来源。 嘧啶核苷酸的合成（CMP、UMP）：过程很复杂，重要掌握2点： PRPP是合成的间接起始物，先合成嘧啶环再加到PRPP上。 嘧啶环的原子来源。,一、选择题 1、嘌呤环中第4位和第5位碳原子来自下列哪种化合物？（ ） 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原子来自（ ） A、Gly B、Gln C、ASP D、甲酸 3、dTMP合成的直接前体是：（ ） A dUMP B、TMP C、TDP D、dUDP 二、名词解释 限制性内切酶 核苷酸的从头合成和补救途径 三、问答题： 1、 降解核酸的酶有哪几类？举例说明它们的作用方式和特异性。 2、 什么是限制性内切酶？有何特点？它的发现有何特殊意义？,