metabolism of nucleotides
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Metabolism of Nucleotides
核苷酸代谢
第八章
本章主要讨论的问题 核苷酸有哪些重要生理功能? 食物中核酸如何消化、吸收? 体内核苷酸如何代谢 (合成与分解 )? 核苷酸代谢障碍对机体有什么影响? 核苷酸代谢类似物有何临床作用?
P
O
O
OH
OHO
CH2
OHOH
N
N
NH2
OOHO
CH2
OHOH
N
N
NH2
O
核苷酸:AMP, GMP, UMP, CMP
脱氧核苷酸:dAMP, dGMP, dTMP, dCMP
核苷酸 (ribonucleotide)
核苷(脱氧核苷)和磷酸以磷酸酯键连接形成核苷酸(脱氧核苷酸)。
5´ 端
3´ 端
•核苷酸的连接
核苷酸之间以磷酸二酯键连接形成多核苷酸链,即核酸。
C
G
A
核苷酸是核酸的基本结构单位。
人体内的核苷酸主要由机体细胞自身合成。因此,与氨基酸不同,核苷酸不属于营养必需物质。
概述
核酸的降解
核酸
磷酸
核苷酸
核苷
磷酸 - 戊糖 碱基
水
解
胰核酸酶
核苷酸酶
核苷磷酸化酶
何处去?
进入磷酸戊糖途径
或重新合成核酸
?分解
合成
食物核蛋白
蛋白质 胃酸
DNARNARNA
外切酶外切酶内切酶内切酶
特定部位的—特定部位的—限制性内切酶限制性内切酶
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
ATP 、 GTP 参与代谢和生理调节
cAMP 、 cGMP 组成辅酶
NAD 、 FAD 、 CoA 活化中间代谢物
UDPG 、 CDP- 胆碱
核苷酸代谢
核苷酸分解戊糖碱基磷酸
嘌呤( A G X I )分解嘧啶( T U C )分解
核苷酸合成从头合成途径
补救途径
嘌呤核苷酸嘧啶核苷酸
第一节
嘌呤核苷酸的合成与分解代谢 Metabolism of Purine Nucleotides
嘌呤核苷酸的结构
GMPAMP
两条合成途径
1. 从头合成途径(肝、胸腺):
R-5-P 核苷酸
2、补救合成途径(脑、骨髓):
嘌呤或嘧啶碱+ R-5-P 核苷酸。
aa、“ -C” 及CO2等
(一系列酶促反应)
肝、小肠和胸腺的胞液。
(一)嘌呤核苷酸的从头合成
•合成部位
• 从头合成途径除某些细菌外,几乎所有生物体都能合成嘌呤碱。
•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)
甘氨坐中间,谷碳站两边,
左手开天门,头顶二氧碳。
合成过程:两个阶段
IMP 的合成
AMP 和 GMP 的生成
HN
N
N
N
O
R- 5'-P
PRPP
(PRA)
( IMP )
R-5-P
ATP AMP
PRPPºÏ ³Éø
Gln Glu
õ£°· תÒÆø5-Á×ËáºËÌÇ°·
9 ²½·´ Ó¦
´Î »ÆàÑßʺËÜÕËá
(1) IMP 的合成 (11 步反应,过程只需了解 )
1. 从头合成途径
活化
H
H
O
O
OH
H H
OH
CH2
O PP O
P
H
H
CH2O
O
OH
H H
OH
OH
PAMPATP
Mg2+
PPi
O
OH
H H
OH
H
NH2
H
CH2OP
Gln
õ£°· תÒÆø
5-Á×ËáºËÌÇ1-½¹Á×Ëá £¨PRPP£©
5-Á×ËáºËÌÇ(R-5-P)
PRPPºÏ ³Éø
5-Á×ËáºËÌÇ°·
Glu
(PRA)
HO
H2NC
CC
N
CH
N
O
R-5'-PH2N
C
HC
N
CH
N
R-5'-P
C
H2C
NH
CH
HN
R-5'-P
HNO
C
H2C
NH
CH
HN
R-5'-P
OO
CO2
H2O
ATP
O
OH
H H
OH
H
HN
H
CH2OCO
H2C
NH2
POHCO
H2CNH2
FH4
ATP
O
OH
H H
OH
H
NH2
H
CH2OP
ATP
Gln
Glu
5-°±»ùßäßò-4-ôÈËáºËÜÕËᣨ CAIR£©
5-°±»ùßäßòºËÜÕËᣨ AIR£©
¼×õ£̧ Ê°±ßäºËÜÕËᣨ FGAM£©
¼×õ£̧ Ê°±õ£°·ºËÜÕËᣨ FGAR£©
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¸Ê°±õ£°· ºËÜÕËᣨ GAR£©
Gly
ת¼×õ£»ùøADP+Pi
GARºÏ ³Éø
PRA
N10-CHO FH4
FGAMºÏ ³Éø
AIRºÏ ³Éø
HN
HCN
C
CC
N
CH
N
O
R-5'-P
H2N
HC
NH
C
CC
N
CH
N
O
R-5'-P
O
H2N
H2NC
CC
N
CH
N
O
R-5'-P
H2O
FH4
NH
H2NC
CC
N
CH
N
O
R-5'-P
HC
CH2
COOH
COOH
HO
H2NC
CC
N
CH
N
O
R-5'-P
H2OATP
IMP 5-¼×õ£°· »ùßäßò-4-¼×õ£°· ¡¡ ¡¡ ºËÜÕËᣨ FAICAR£©
5-°±»ùßäßò-4-¼×õ£°·ºËÜÕËá £¨ AICAR£©
»· Ë®½âø
ת¼×õ£»ùø
N10-CHO FH4
5-°±»ùßäßò-4-(N-çúçêËá)¼×õ£°· ºËÜÕËá (SAICAR)
ÑÓºúË÷Ëá
Áѽâø
5-°±»ùßäßò-4-ôÈËáºËÜÕËᣨ CAIR£©
Asp
ºÏ ³Éø
① R-5’-P 活化( PRPP )② Gln 提供 N9( PR
A ) ③ Gly 加合, 提供 4 , 5 ,N7④ C1 提供 8
⑤ Gln 提供 N3
⑥ 环化
P
AMPPRPP 合成酶
P P
ATP
酰胺转移酶
N
C
C
N
C
2
(脱水)
HN
咪唑环
⑦ CO2 提供 6
O
C║
⑧ Asp 提供 N1
N
⑨ 裂解
HOOC |
CH2 |
CH |
HOOC
⑩ C1 提供 2
(咪唑环)
C
11 环化 ( IMP )
(脱水)
① 腺苷酸代琥珀酸合成酶; ② 腺苷酸代琥珀酸裂解酶 ③ IMP 脱氢酶; ④ GMP 合成酶
AMP 和 GMP 的生成
AMP ADP ATP
ADPATP
激酶
ADPATP
激酶
GMP GDP GTP
ADPATP
激酶
ADPATP
激酶
从头合成途径的特点①参与从头合成途径的酶均在胞液中;②先合成 IMP :在 5- 磷酸核糖分子上,由氨基酸, CO2,一碳单位逐步提供元素或基团,完成 IMP 的合成;
③从 IMP 出发再合成 AMP 和 GMP ;④IMP 的合成需 5个 ATP , 6个高能磷酸键; AMP 或 GMP 的合成又各需 1个 ATP 。
嘌呤核苷酸从头合成的调节
原则之一:满足需求,防止供过于求。
ATP
GTP
R-5-P
ATP
PRPP合成酶
PRPP
酰胺转移酶
PRA IMP
AMPS AMP ADP
XMP GMP GDP
原则之二:相互调整,比例平衡
IMP
AMPS
XMP
AMP ADP
GMP GDP GTP
ATP
ATP
GTP
( 二 ) 嘌呤核苷酸的补救合成
•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
•补救合成过程
IMP
HGPRT
PRPP
PPi
GMP
PPi
APRT
PRPP
AMP
次黄嘌呤 鸟嘌呤 腺嘌呤
- -
腺嘌呤核苷 AMP
ATP ADP
腺苷激酶
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。
遗传疾病
Lesch-Nyhan 莱 - 尼综合征 , 自毁容貌综合征----- 罕见的性染色体 X 连锁遗传病疾病生化本质 :HGPRT 基因缺陷缺乏 HGPRT ,使补救合成途径受阻,导致中枢神经系统功能失常,自我损伤。 缺乏 HGPRT ,使得次黄嘌呤和鸟嘌呤不能转换为 IMP 和 GMP ,而是降解为尿酸, 明显的高尿酸血症。
临床表现:
1 、高尿酸血症和高 尿酸尿症2 、痛风性关节炎3 、智力迟钝,大 脑瘫痪4、舞蹈样动作, 自残行为
(三)嘌呤核苷酸的相互转变
IMP
AMP
腺苷酸代琥珀酸 XMP
GMP
NH3
腺苷酸脱氨酶鸟苷酸还
原酶
NADPH+H+
NADP+
NH 3
(四)脱氧核糖核苷酸的生成
在核苷二磷酸水平上进行( N 代表 A 、 G 、 U 、 C 等碱基)
dNDP + ATP 激酶
dNTP + ADP
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 S
S
硫氧化还原蛋白还原酶(FAD)
激酶 激酶 AMP/GMP ADP/GDP ATP/GTP ATP ADP ATP ADP NADPH+H+ 核糖核苷酸还原酶 NADP++H2O 激酶 dADP/dGDP dATP/dGTP ATP ADP
三磷酸嘌呤核苷的合成:
嘌呤核苷酸抗代谢物主要是一些嘌呤、氨基酸或叶酸等的类似物。
采用竞争性抑制或“以假乱真”等方式抑制合成代谢中的酶,从而干扰和阻断核苷酸的合成 , 从而进一步阻止核酸以及蛋白质的生物合成。 由于肿瘤细胞的核酸与蛋白质代谢旺盛 , 因此抗代谢物可用于肿瘤的化疗。
( 五 ) 嘌呤核苷酸的抗代谢物
嘌呤类似物 氨基酸类似物 叶酸类似物6-巯基嘌呤6-巯基鸟嘌呤8-氮杂鸟嘌呤等
氮杂丝氨酸等 氨蝶呤氨甲蝶呤等
次黄嘌呤(H)
6-巯基嘌呤(6-MP)
•6-巯基嘌呤 ( 6-Mercaptopurine , 6-MP)
6-MP 6-MP 核苷酸
从头合成途径
补救合成途径
HGPRT
PRPP 酰胺转移酶IMP
AMP 和 GMP
--
-
-
-
6-MP 核苷酸是 IMP 的类似物
氨基酸类似物氮杂丝氨酸 (AS) 是 Gln 的类似物 .
H2N C CH2
O
CH2 CH
NH2
COOH Gln
C
O
CH2 CH
NH2
COOH ASNN CH2 O
叶酸类似物 氨蝶呤 (AP) 和甲氨蝶呤 (MTX)
R=H:AP
folic acid
N
NN
N
NH2
H2N
CH2 N C
R O
NH CH
COOH
R=CH3:TXT
CH2 CH2 COOH
N
NN
N
OH
H2N
CH2 N C
H O
NH CH
COOH
CH2 CH2 COOH
MTX
FH2 FH4FH2 »¹Ô ø
Ò¶Ëá
NADPH + H+
NADP+NADPH + H+
NADP+
AP »ò MTX
- -FH2 »¹Ô ø
甲酰甘氨酰胺核苷酸
( FGAR )
PRPP
谷氨酰胺( Gln )
=
PRA
甘氨酰胺核苷酸
( GAR )
= = 甲酰甘氨脒核苷酸
( FGAM )
5- 氨基异咪唑 -4- 甲酰胺核苷酸
( AICAR )
=5- 甲酰胺基咪唑 -4- 甲酰胺核苷酸( FAICAR )IMP次黄嘌呤
( H )
PRPP PPi
=
AMP
=
PRPP
PPi
=
腺嘌呤( A )
GMP
=
=
PRPPPPi
鸟嘌呤 (G)
6-MP
6-MP
6-MP
6-MP
6-MP
6-MP
氮杂丝氨酸
氮杂丝氨酸
氮杂丝氨酸
MTX
MTX
二、嘌呤核苷酸的分解代谢
核苷酸 核苷核苷酸酶
Pi
核苷磷酸化酶
碱基1- 磷酸核糖
•部位:肝、小肠、肾
特点:嘌呤环不被打破 产物不易溶于水。
嘌呤碱的最终
代谢产物
• 痛风症一词来源于拉丁语“ GUTTA”,指该病是由于一种毒物一点一点地进入关节造成的。 • 正常人血浆尿酸含量 0.12~ 0.36 mmol/L ( 2 ~
6mg%) 。• 由于嘌呤代谢异常,使尿酸生成增多,血尿酸增加( >0.48mmol/L ),难溶的尿酸盐晶体沉积于关节、软骨、肾等处,导致关节炎、尿路结石及肾疾病等。
痛风症( gout )
痛风的尿酸钠晶体
嘌呤代谢紊乱——
痛风病
高嘌呤饮食
体内核酸大量分解
肾疾病
嘌呤核苷酸代谢酶缺陷
血中尿酸含量升高
N
N
N
N
OH
N
N
NN
OH
痛风的治疗
次黄嘌呤 别嘌呤醇
别嘌呤醇
抑制黄嘌呤氧化酶,从而抑制尿酸的生成与 PRPP 反应生成别嘌呤核苷酸,减少嘌呤核苷酸的生成
•别嘌呤醇抑制尿酸的生成
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
别嘌呤醇减少嘌呤核苷酸的生成
C
OH
N
NNH
H
N别嘌呤醇
PRPP
别嘌呤醇核苷酸
嘌呤核苷酸从头合成的酶
黄嘌呤氧化酶
嘌呤核苷酸合成↓
反馈 尿酸生成减少
治疗方案 一方面抑制尿酸的生成,如:用别嘌呤醇抑制黄
嘌呤氧化酶。 另一方面促进尿酸的排泄,如:使用含碱性的药
物(如口服小苏打片或枸橼酸钾),使尿液中的pH值升高。尿酸在碱性环境中不容易形成结晶,可以减轻其对肾
小管的伤害。小苏打只能降低从血液中经肾脏代谢还没有从尿道口排除的尿酸,可防止在泌尿系统中生成酸性结石。
第二节
嘧啶核苷酸的合成与分解代谢Metabolism of Pyrimidine Nucleotides
嘧啶核苷酸的结构
一、嘧啶核苷酸的合成代谢 从头合成(肝)
补救合成(脑,骨髓)
利用简单物质为原料,经一系列酶促反应,合成嘧啶核苷酸
利用体内游离的嘧啶或嘧啶核苷,经过简单的反应过程,合成嘧啶核苷酸。
( 一 ) 嘧啶核苷酸的从头合成嘧啶碱的元素来源
特点Py
Gln
CO2
3
2
45
6
N
1N
Asp
嘧啶碱的元素来源
1. 从头合成途径
⑴ UMP 的合成⑵ CTP 的合成⑶ TMP 的合成
① 氨基甲酰磷酸的生成
氨基甲酰磷酸合成酶ⅡGln + CO2
2ATP
H N|
O=C
P|
O-
O║
C
C|
C
NH
② 与天冬氨酸化合Asp氨基甲酰转移酶
③ 二氢乳清酸的生成
(氨甲酰Asp)
(脱水) (嘧啶环)
HO-
COO
2 H
H
2
④ 乳清酸的生成 (脱氢)
⑤ 乳清酸核苷酸的生成(OMP)
(PRPP) (PPi)R-5’-P
⑥ UMP的生成 (脱羧)
CTP
UMP
UDP
K
UTP
K
CTP
GlnATP
UTPO║
U
NH2║
C
+NH2
CTP合成酶
UMP
UDP
UTP
CTP
dUDP
dUMP
O║
U
NH2║
C
O║
-CH3
T
dCMP dTMP
一碳单位TMP合酶
dTMPdUMP 甲基化总反应:
先合成嘧啶环,再与磷酸核糖相连
dTMP或 TMP 的生成
TMP 合酶
N5, N10- 甲烯 FH4 FH2
FH2还原酶FH4
NADP+ NADPH+H+
dUMP 脱氧胸苷一磷酸dTMP
UDP脱氧核苷酸还原酶
dUDP
CTP CDP dCDP dCMP
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
-
Py
AA
Folic acid
( 二 ) 嘧啶核苷酸的补救合成
(三 ) 嘧啶核苷酸的抗代谢物
嘧啶磷酸核糖转移酶Py 磷酸嘧啶核苷
U,T乳清酸
尿苷激酶
胸苷激酶
PRPP PPi
尿嘧啶核苷
脱氧胸苷
UMP
dTMP
ATP
ATP
ADP
ADP
核苷
T ≈
FCH3
5FU
阿糖胞苷胞苷 核糖结构改变
O
OHOH H
C
O
OH
HO
C
竞争
以假乱真
某些改变了核糖结构的核苷类似物
1. Py类似物 UMP
UDP
UTP
CTP
Gln
dUDP
dUMP
一碳单位
dTMP
dCDP
5FU
FdUMP TMP 合酶 氮杂丝氨酸
氨甲喋呤
CDP
阿糖胞苷
( 5FU )
2. AA,叶酸类似物
3. 核苷类似物(阿糖胞苷)
二、嘧啶核苷酸的分解代谢
嘧啶碱
1- 磷酸核糖
嘧啶核苷酸 核苷 核苷酸酶
PPi
核苷磷酸化酶
胞嘧啶NH3
尿嘧啶
二氢尿嘧啶 H2O
CO2 + NH3
β-丙氨酸
胸腺嘧啶
β-脲基异丁酸
β- 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
嘧啶核苷酸与嘌呤核苷酸分解代谢最大的不同是嘧啶环被彻底打破,产物易溶于水,故嘧啶代谢异常的疾病较少。
本章要求 掌握:核苷酸从头合成的成环原料、基 本
阶段及特点,嘌呤核苷酸分解代谢终产物及其临床意义 .
熟悉:临床常见核苷酸抗代谢物及其作 用机理。
了解:核苷酸的合成代谢和分解代谢过 程,核酸的消化与吸收。
请谈谈你学习《生物化学》和《生物化学实验》的体会。
欢迎同学们为我们的生化教学献计献策!谢谢!
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