1、第十一章 核苷酸代谢教学目标：1熟悉核酸酶促降解 2掌握嘌呤和嘧啶的分解2了解核苷酸的合成。 课时安排：4第一节 核酸的酶促降解一、核酸分解过程动物可以分泌水解酶类来分解食物中的核蛋白和核酸类物质，植物一般不能消化体外的有机物质。但所有生物细胞都含有与核酸代谢有关的酶类。核酸酶作用核酸链的磷酸二酯键产生寡聚核苷酸和单核苷酸。按作用底物分为核糖核酸酶（RNase）和脱氧核糖核酸酶（DNase） ；按作用部位有核酸内切酶和核酸外切酶；在细菌中存在一类能识别并水解外源 DNA 的核酸内切酶，称作限制性内切酶，可用于特异切割DNA，是很有用的工具酶。核酸的分解过程如下：核酸 核苷酸 核苷+磷酸 嘌呤碱
2、和嘧啶碱+戊糖-1-磷酸核苷酸酶（磷酸单脂酶）水解核苷酸生成核苷和磷酸。分解核苷的酶有两类：核苷磷酸化酶将核苷和磷酸转化成游离碱基和戊糖-1-磷酸，反应是可逆的，此酶存在广泛。核苷水解酶主要在植物和微生物体内，只对核糖核苷水解，生成碱基和戊糖。第二节 嘌呤和嘧啶的分解一、嘌呤碱的分解1.不同种类的生物分解嘌呤碱的能力不同，因而代谢终产物不同。人、猿、鸟类和某些爬虫类和昆虫以尿酸作为嘌呤碱分解的终产物而排泄。其他生物能进一步降解尿酸为尿嚢素、尿嚢酸、尿素，甚至氨。2.嘌呤的分解首先是由各种脱氨酶水解脱去氨基，腺嘌呤转化成次黄嘌呤，鸟嘌呤转化为黄嘌呤。脱氨反应也可在核苷或核苷酸水平上发生。在动物组
3、织中，腺嘌呤脱氨酶的含量极少，而腺苷酸脱氨酶和腺苷脱氨酶的活性较高，生成的次黄苷酸和次黄苷经磷酸化酶催化生成次黄嘌呤，然后在黄嘌呤氧化酶作用下氧化生成尿酸。3.在人体内嘌呤的分解主要在肝脏、小肠及肾脏中进行。正常人血浆中尿酸的含量为2060mg/L，超过 80 mg/L 时，尿酸盐晶体沉积于关节、软组织、软骨及肾而导致关节炎、尿路结石和肾病，称痛风症。治疗痛风的常用药物是别嘌呤醇，与次黄嘌呤结构非常类似，在细胞内被转换为别黄嘌呤，是黄嘌呤脱氢酶的一个很强的抑制剂，可防止非正常的高水平的尿酸的形成。二、嘧啶碱的分解1.有氨基的嘧啶先水解脱氨，如胞嘧啶脱氨生成尿嘧啶。在人和某些动物体内其脱氨过程也
4、可能在核苷或核苷酸水平进行。先是 5 - 核苷酸酶水解三种嘧啶核苷酸生成相应的核苷和磷酸，然后，胞苷经胞苷脱氨酶催化脱氨形成尿苷。尿苷和胸苷经磷酸化酶磷酸解分别生成尿嘧啶和核糖-1-磷酸以及胸腺嘧啶和脱氧核糖-1-磷酸。2.嘧啶降解产物易溶于水，有氨、碳酸、-丙氨酸或 -氨基异丁酸。进一步降解生成乙酰 C0A 和琥珀酰 C0A。胞嘧啶尿嘧啶二氢尿嘧啶-脲基丙酸-丙氨酸乙酰 C0ATCA胸腺嘧啶二氢胸腺嘧啶-脲基异丁酸-氨基异丁酸琥珀酰 C0ATCA3.在哺乳动物中，嘧啶的降解主要在肝脏进行。第三节 核苷酸的生物合成一、合成的基本途径1.有从头合成和补救合成两条基本途径。从头合成是由简单的前体分
5、子（如氨基酸、CO2、NH3、戊糖磷酸）经过较复杂的酶促反应逐步合成核苷酸，是主要途径。补救合成是利用体内游离的碱基或核苷合成核苷酸，是省能的、简单的反应过程，消耗的 ATP 少，节省一些氨基酸的消耗。2.肝组织主要进行从头合成，而脑、骨髓、红细胞等只能进行补救合成。新生及年轻组织的内源性核苷酸从头合成比例大；而衰老组织及肝功能降低时，补救合成比例增大。二、嘌呤核苷酸的合成 (一)从头合成1.原料和部位用同位素标记示综实验，证明生物体内能利用二氧化碳、甲酸盐、谷氨酰胺、天冬氨酸和甘氨酸作为合成嘌呤环的前体。嘌呤环的 N-1 来自天冬氨酸的氨基；N-3、N-9 来自谷氨酰胺的酰胺基；C-2、C-
6、8 的来自甲酸盐；C-6 来自 CO2；C-4、C-5、N-7 来自甘氨酸。从头合成的器官主要有肝脏、小肠粘膜及胸腺，在胞液中进行2.反应过程 嘌呤核苷酸合成的起始物是核糖-5-磷酸（来自戊糖磷酸途径） ，PRPP 合成酶催化 ATP的焦磷酸基团转移到核糖-5-磷酸的 C-1，形成 PRPP。从头合成的最初产物是次黄嘌呤核苷酸（IMP） ，其他各种嘌呤核苷酸都是 IMP 衍生而来。（1）次黄嘌呤核苷酸的合成由 PRPP 到 IMP 的合成过程有十步反应，全过程含酰胺键合成、脱水环化、酰基化、氨基化和裂解几个类型的反应： 第一阶段第 5 步反应形成咪唑五元环。先是 PRPP 转酰胺酶(关键酶)催
7、化 PRPP 脱去焦磷酸并结合来自谷氨酰胺的氨基，生成 5-磷酸核糖胺（PRA） 。然后由甘氨酰胺核苷酸合成酶、甘氨酰胺核苷酸转甲酰基酶、甲酰甘氨脒核苷酸合成酶、氨基脒唑核苷酸合成酶依次将甘氨酸、一碳单位等基团连接上去形成 5-氨基咪唑核苷酸（AIR） 。第二阶段的第 10 步反应形成嘧啶六元环。涉及的酶有氨基脒唑核苷酸羧化酶、氨基脒唑琥珀基氨甲酰核苷酸合成酶、腺苷酸基琥珀酸裂解酶、氨基脒唑氨甲酰核苷酸转甲酰基酶、IMP 环化水解酶。（2）AMP 和 GMP 是 IMP 的衍生物 由 IMP 合成 AMP 的两步反应类似于 IMP 合成中的第（7） 、 （8）步反应。腺苷酸基琥珀酸合成酶与腺苷
8、酸基琥珀酸裂解酶催化，消耗 GTP，反应是可逆的。 IMP 转换成 GMP 在 IMP 脱氢酶和 GMP 合成酶催化下完成，先氧化成 XMP，再以谷氨酰胺上的酰胺基取代 XMP 中 C-2 上的氧，消耗 ATP，反应是不可逆的。（二）从头合成的调节和抗代谢物1.调节位点：有 3 处。PRPP 合成酶受 AMP 和 GMP 等的反馈抑制；谷氨酰胺-PRPP 转酰胺酶是最主要的调控部位，它受到 AMP 和 GMP 等的变构抑制；由 IMP 转变成 AMP 或 GMP 时也受它们的反馈抑制。2.抗代谢物抗代谢物是一些与嘌呤、氨基酸或叶酸等结构类似的物质。它们主要以竞争性抑制等方式干扰或阻断嘌呤或嘧啶
9、核苷酸的合成，进而阻止核酸及蛋白质的合成。肿瘤细胞的核酸及蛋白质合成十分旺盛，抗代谢物具有抗肿瘤作用。嘌呤类似物有 6-巯基嘌呤（6-MP）等，对急性白血病疗效显著。它竞争性抑制补救合成途径中的 HGPRT 活性，阻止了补救合成途径；而 6-MP 在体内经酶催化生成巯基嘌呤核苷酸，可阻断 IMP 转变成 AMP 及 GMP，抑制核酸的合成。氨基酸类似物有重氮丝氨酸及 6-重氮-5-氧正亮氨酸等。它们的结构与谷氨酰胺相似，可干扰谷氨酰胺在嘌呤核苷酸合成中的作用。（三）补救合成外源的或降解产生的碱基和核苷，可被生物体重新利用。在哺乳动物的某些组织及微生物中广泛存在多种磷酸核糖转移酶，催化嘌呤碱和
10、PRPP 合成嘌呤核苷酸。腺嘌呤磷酸核糖转移酶催化腺嘌呤与 PRPP 形成 AMP 和 PPi（PPi 水解，使得反应不可逆） 。次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶（HGPRT）催化次黄嘌呤转变为 IMP 或鸟嘌呤转变为 GMP，同时生成PPi（此酶的特性使低浓度的 PRPP 条件下，补救合成比从头合成优先发生） 。1964 年，Lesch-Nyhan 描述了一种严重的代谢病，其特征是智力迟钝，痉挛，表现出强制性的自残行为，甚至自毁容貌，称为莱-纳综合症或自毁容貌症。该病限于男性，是 X染色体上 HGPRT 酶基因缺陷引起，缺乏 HGPRT 酶的细胞含高浓度的 PRPP，从头合成的速率大大增加，过
11、量的 IMP 降解的尿酸达到正常的 6 倍，体内过量的尿酸引起该症。三、嘧啶核苷酸的合成（一）从头合成1 1 原料和部位嘧啶环的原料来自谷氨酰胺、天冬氨酸及 CO2。主要在肝脏胞液中进行。2. 合成过程与嘌呤核苷酸从头合成不同的是先合成嘧啶环，再与 PRPP 反应形成最初产物尿嘧啶核苷酸（UMP） ，涉及 6 步反应。（1）UMP 的合成 氨甲酰磷酸合成酶（CPS-）催化谷氨酰胺、HCO3 -和 ATP 生成氨甲酰磷酸（在真核生物中，有两种氨甲酰磷酸合成酶，线粒体中的是 CPS-I，是首先发现的，生成的氨甲酰磷酸用于合成尿素；胞液中的 CPS-，催化嘧啶合成的第一步关键反应） 。天冬氨酸转氨甲
12、酰酶催化氨甲酰磷酸结合天冬氨酸生成氨甲酰天冬氨酸；二氢乳清酸酶将其环化；二氢乳清酸脱氢酶进一步氧化生成乳清酸；然后由乳清酸磷酸核糖转移酶催化乳清酸与 PRPP 反应生成乳清苷酸（OMP） ，乳清苷酸脱羧酶催化脱羧生成 UMP。（2）CTP 是由 UMP 合成的 UMP 转换成 CTP 涉及三步反应。尿苷酸激酶催化 ATP 的 -磷酸转移给 UMP 形成 UDP，核苷二磷酸激酶催化第二个 ATP 的 -磷酸转移给 UDP 生成 UTP，最后 CTP 合成酶催化来自谷氨酰胺的酰胺氮转移至 UTP 的 C-4，形成 CTP。（3）脱氧核苷酸的合成在大多数生物中，ADP、GDP、CDP 和 UDP 四
13、种核苷二磷酸可在核苷二磷酸还原酶的催化下生成相应的脱氧核苷二磷酸 dNDP。NADPH 为合成的还原力，电子从 NADPH 向还原酶转移需要经过黄素蛋白和硫氧还蛋白的转递。DNA 合成需要的 dTMP 是由 dUMP 甲基化形成的。首先 dUDP 转换为 dUMP（有多条途径，一条是核苷单磷酸激酶催化 dUDP 与 ADP 反应生成 dUMP 和 ATP；另一条是 dUDP 先形成dUP，然后水解生成 dUMP 和 PPi。dCMP 经脱氨也可形成 dUMP） 。dUMP 转换成 dTMP 的反应是由胸苷酸合成酶催化的， N 5，N 10CH2-FH4 提供一碳单位后，形成二氢叶酸，经二氢叶酸
14、还原酶催化又成为 FH4，再在丝氨酸羟甲基转移酶催化下，结合丝氨酸生成 N5，N 10 CH2-FH4。（二）从头合成的调节和抗代谢物1.调节位点原核生物和真核生物从头合成的酶不同，途径受到的调节也不同。大肠杆菌嘧啶核苷酸的合成在三个控制点上受到终产物的反馈抑制。第一个调节酶是氨甲酰磷酸合成酶，它受 UMP 反馈抑制。另两个调节酶是天冬氨酸转氨甲酰酶（主要调节位点）和 CTP 合成酶，它们受 CTP 的反馈抑制。在哺乳动物，主要调节酶氨甲酰磷酸合成酶受 UMP 反馈抑制，PRPP 和 IMP 可以激活该酶。嘧啶与嘌呤两类核苷酸合成上有协调控制关系，PRPP 合成酶是共同需要的酶，可同时接受这两
15、类核苷酸的反馈调节。2.抗代谢物5-氟尿嘧啶（5-FU）的结构与胸腺嘧啶相似，在体内经补救合成途径转变为脱氧 5-氟尿嘧啶核苷酸后，可抑制胸苷酸合成酶，阻断 dUMP 合成 dTMP。氨基蝶呤及氨甲蝶呤都是叶酸的结构类似物，能与二氢叶酸还原酶发生不可逆结合，结果阻止四氢叶酸的生成，从而抑制了它参于的各种一碳单位转移反应。氨甲蝶呤的主要作用点是 dTMP 合成中的一碳单位转移反应。大多数正常细胞的分裂要比癌细胞慢得多，对氨甲蝶呤的敏感性低。（三）补救合成催化 UMP 补救合成的酶类有尿嘧啶磷酸核糖转移酶，尿苷磷酸化酶，尿苷激酶。催化的反应如下：尿嘧啶 + PRPP UMP + PPi尿嘧啶 + R-1-P 尿苷+ Pi尿苷 + ATP UMP + ADP思考题：1、比较不同生物体分解嘌呤的最终代谢产物2、列出嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸从头合成的前体物质，概述合成途径的基本过程，指出主要的调控步骤3、列出核苷酸从头合成的主要抗代谢物4、在大肠杆菌和动植物细胞中，脱氧核苷酸是怎样合成的？5、写出核苷酸补救合成的主要反应式。
