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1、第十三章,核苷酸代谢,Nucleotide Metabolism,体外实验资料：,19091934年，美国生物化学家Owen证明，核酸的分解单位是核苷酸。,1961年，美国生化学家Juan Oro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嘌呤生成。,1963年，Ponnamperuma在类似的实验中也得到了腺嘌呤。后来，他又与Ruth Mariner、Carl Sagan将腺嘌呤与核糖连接成为腺苷；再连接磷酸，得到了腺苷三磷酸(ATP)。,体内实验资料：,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3种不同的含氮废物，即NH3、尿素和尿酸。尿酸就是嘌呤化合物的代谢产物
2、。,在1950年间，John M. Buchanan和G. Robert Greenberg采用同位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N1来自门冬氨酸，N3和N9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含氮碱，而是以核苷酸形式在体内合成的。,这些发现促进了对核苷酸代谢相关疾病的认识。,1987年，科学家确定Lesch-Nyhan综合征与次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶（HGPRT）缺陷有关。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。 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、
3、有效的抗代谢药物。,第一节 核苷酸代谢概论,Outline for Nucleotide Metabolism,一、核苷酸具有多种生物学功能,核苷酸是核酸（RNA和DNA）的活性前体物质,核苷酸衍生物作为活性中间物参与生物合成过程,高能化合物ATP 与GTP可为细胞代谢提供能量,腺嘌呤核苷酸是很多辅酶的组成成分,核苷酸和核苷以介质形式参与生理功能调节,鸟嘌呤核苷可构成核酸的特殊结构,cAMP、cGMP和GTP/GDP参与胞内的信号转导,从头合成途径(de novo synthesis pathway),补救合成途径(salvage synthesis pathway),二、核苷酸的合成代谢有从
4、头合成和补救合成两种途径,食物核蛋白,单核苷酸,食物中核酸的消化,三、核苷酸的降解和补救合成具有重要 生物学意义,单核苷酸,核苷酸的补救合成途径回收利用现成的嘌呤/嘧啶碱或核苷合成核苷酸。,细胞内同样存在核酸酶，使细胞内部的核酸逐步分解为核苷酸，或进一步分解为碱基、戊糖和磷酸，以维持细胞内遗传物质的稳定。,细胞内核酸的消化,R-5-P （5-磷酸核糖）,PP-1-R-5-P（PRPP) （磷酸核糖焦磷酸）,IMP,ATP,AMP,PRPP合成酶,AMP,GMP,UMP,TMP,CTP,嘌呤/嘧啶碱,嘌呤/嘧啶核苷酸,四、磷酸核糖焦磷酸是从头合成和补救合成途径的交叉点,第二节 嘌呤核苷酸的合成与
5、分解代谢,Anabolism and Catabolism of Purine Nucleotides,嘌呤核苷酸的结构,GMP,AMP,一、嘌呤核苷酸从头合成起始于5-磷酸核糖,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。,定义,嘌呤环的C、N原子来自谷氨酰胺、天冬氨酸、一碳单位和CO2,器官定位：主要器官是肝，其次是小肠和胸腺。 细胞定位：胞质,合成部位,合成过程,首先合成嘌呤核苷酸的共同前体IMP，然后由IMP转化为AMP和GMP。,IMP合成途径可分为二阶段11步反应,第一阶段生成 5磷酸核糖-1 -焦
6、磷酸（PRPP）,5 -磷酸核糖与ATP，经PRPP激酶 (PRPPK；或称PRPP合成酶 ，PRPP synthetase)催化，生成PRPP。,第二个阶段生成IMP,（一）嘌呤核苷酸从头合成途径中最先合成的核苷酸是IMP,R-5-P （5-磷酸核糖）,PP-1-R-5-P（PRPP) （磷酸核糖焦磷酸）,谷氨酰胺 酰胺基N N10甲酰四氢叶酸 天冬氨酸-氨基N 甘氨酸 二氧化碳,IMP,H2N-1-R-5-P（PRA) （5-磷酸核糖胺）,关键酶,IMP的合成过程, GAR合成酶 转甲酰基酶 FGAM合成酶 AIR合成酶,目 录,IMP生成总反应过程,目 录,腺苷酸代琥珀酸合成酶 IMP脱
7、氢酶 腺苷酸代琥珀酸裂解酶 GMP合成酶,目 录,（二）AMP和GMP可由IMP转变生成, 嘌呤核苷酸从头合成并不是先合成嘌呤碱再与核糖和磷酸结合生成核苷酸，而是在磷酸核糖分子上逐步合成的。 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:,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、嘌呤核苷酸补救合成有两种方式,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(hypo
8、xanthine- guanine phosphoribosyl transferase, HGPRT),参与合成的酶,（一） 嘌呤与PRPP经磷酸核糖转移酶催化生成核苷酸,合成过程,腺苷激酶(adenosine kinase),（二） 腺嘌呤核苷经腺苷激酶催化生成AMP,参与合成的酶,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。,嘌呤核苷酸的相互转变,核苷酸在核苷酸酶的作用下水解成核苷和磷酸 核苷在核苷磷酸化酶催化下磷酸解得到游离的 嘌呤碱及1-磷酸核糖 1-磷酸核糖在磷酸核糖变位酶的作用下可转变为5-磷酸核糖，参与戊
9、糖磷酸途径；嘌呤碱重新利用或氧化成尿酸,三、嘌呤核苷酸经分解代谢产生尿酸,目 录,体内嘌呤核苷酸的分解代谢主要在肝、小肠及肾中进行。,从头合成途径反馈抑制调节,5,PR, ATP,PRPPK,PRPP,PRA,IMP,XMP,AS,GMP,AMP,GDP,ADP,GTP,ATP,_,GMPS,IMPD,GPAT,ASS,5,PR, ATP,PRPPK,PRPP,PRA,IMP,XMP,AS,GMP,AMP,GDP,ADP,GTP,ATP,+,+,+,_,GMPS,IMPD,_,_,_,_,_,_,GPAT,+,+,+,+,ASS,_,_,四、嘌呤核苷酸的合成代谢受反馈抑制调节,APRT受AMP
10、的反馈抑制 HGPRT受IMP与GMP的反馈抑制,补救合成途径反馈调节,Anabolism and Catabolism of Pyrimidine Nucleotides,第三节 嘧啶核苷酸的合成与分解代谢,嘧啶核苷酸的结构,嘧啶核苷酸的从头合成,肝细胞胞液和线粒体,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,一、嘧啶核苷酸的从头合成过程比嘌呤核苷酸简单,嘧啶合成的元素来源,合成原料来源,与嘌呤核苷酸的从头合成途径不同，嘧啶核苷酸的合成是先合成含嘧啶环的乳清酸(OA)；OA再与PRPP结合成为乳
11、清酸核苷酸（orotidine-5-phoshate ，OMP），然后再生成UMP。,胞嘧啶核苷酸、胸腺嘧啶核苷酸由UMP转变而成。,合成途径,谷氨酰胺 + HCO3-,（一）UMP的从头合成可分为6步反应,*在细菌细胞中只有一种氨基甲酰磷酸合成酶，生成的CP用于精氨酸和嘧啶的合成,天冬氨酸转氨基甲酰酶 ATCase,aspartate transcarbamoylase,二清乳清酸酶,dihydroorotase,aspartic acid,carbamoyl phosphate,CP,carbamoyl aspartate,dihydroorotic acid,（DHOA）,DHOA脱氢酶
12、 (DHOA dehydrogenase),orotic acid,(OA),乳清酸磷酸核糖转移酶,Orotate phosphoribosyl Transferase (OPRT),orotidine 5-monophosphate,OMP 脱羧酶 (OMPD),decarboxylase,uridine 5 -monophosphate,目 录,（二）CTP来源于UTP的氨基化,（三）dTMP来源于dUMP的甲基化,dUMP,dTMP,UDP,脱氧核苷酸还原酶,dUDP,CTP,CDP,dCDP,dCMP,Ribonucleotide reductase,脱氧核苷酸还原酶,Ribonucl
13、eotide reductase,dCMP deaminase,dCMP脱氨酶,H2O,Pi,二、嘧啶核苷酸的补救合成途径与嘌呤核苷酸类似,（一）嘧啶磷酸核糖转移酶催化部分嘧啶碱基与PRPP 生成嘧啶核苷酸,（二）嘧啶核苷激酶催化嘧啶核苷转变成 嘧啶核苷酸,胸苷激酶的活性与细胞增殖状态密切相关，在正常肝中活性很低，再生肝中活性升高，恶性肿瘤中明显升高，并与恶性程度有关。,嘧啶碱,嘧啶核苷酸,三、嘧啶核苷酸经分解产生小分子 可溶性物质,胞嘧啶的分解代谢,胸腺嘧啶的分解代谢,胞嘧啶,NH3,尿嘧啶,二氢尿嘧啶,H2O,CO2 + NH3,-丙氨酸,胸腺嘧啶,-脲基异丁酸,-氨基异丁酸,H2O,丙二
14、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,哺乳类动物是CPS II 细菌中，则是ATCase,关键酶：,底物调节:,产物反馈抑制性调节:,UMP反馈抑制CPS II,UMP和CTP反馈抑制ATCase,ADP和GDP反馈抑制PRPPK,CTP反馈抑制CTPS,ATP激活PRPPK和CPS II PRPP激活OPRT,四、嘧啶核苷酸合成代谢受精细调节,嘧啶核苷酸从头合成的调节,第四节 体内核苷酸的转化,The Conversion of Nucleotides in vivo,一、核糖核苷二磷酸还原成脱氧核糖核苷酸,在核苷二磷酸水平上进行 N
15、代表A、G、U、C等碱基,ribonucleotide reductase,脱氧核苷酸的生成,脱氧核苷二磷酸的合成,当某个特定的NDP在核糖核苷酸还原酶催化下还原成dNDP时，需要特异NTP来促进该反应的发生，同时其他的NTP又能抑制该酶的活性，以此维持各种脱氧核糖核苷酸合成反应的平衡进行。,dTMP合酶 dTMP synthase,dUMP,dTMP,dTMP的生成,二、核苷二磷酸和核苷三磷酸可以相互转化,4种核苷（或脱氧核苷）一磷酸可以分别在特异的核苷一磷酸激酶作用下，由ATP供给磷酸基，而转变成核苷（或脱氧核苷）二磷酸。,例如：,NDP激酶可以催化所有嘌呤、嘧啶的核糖或脱氧核糖核苷二、三磷酸之间的转化。,第五节 核苷酸代谢与医学的关系,Nucleotide Metabolism and Medicine,一、核苷酸代谢障碍可引发多种疾病,（一）多种遗传性疾病与核苷酸代谢缺陷有关,1HGPRT缺陷引起Lesch Nyhan 综合征,次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶（HGPRT）基因缺陷引起嘌呤核苷酸补救合成途径障碍，脑合成嘌呤核苷酸能力低下，造成中枢神经系统发育不良。,此综合征以高尿酸血症（hyperuricemia）及神经系统症状为特征，
