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(hypox
8、anthine- 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，参与戊糖
9、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的
10、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结合成为乳清
11、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,Ribonucle
13、otide 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,丙二酸
14、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代
15、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
16、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，重症病例中常表现出举止异常、自咬口唇、手指，又称自毁容貌症。,2腺苷脱氨酶缺陷引起重症联合免疫缺陷,腺苷脱氨酶（ADA）缺陷是本病主要原因。,A
17、DA的底物是腺苷和脱氧腺苷，产物是次黄苷和脱氧次黄苷。ADA缺陷致使脱氧腺苷堆积，在脱氧腺苷激酶的作用下生成dAMP，在核苷酸激酶的催化下，生成dADP和dATP。过多的dATP抑制核糖核苷酸还原酶，导致dGDP、dCDP以及dTTP生成减少。4种脱氧核苷酸的不平衡导致DNA的合成受阻。继而导致B细胞和T细胞的联合缺陷。患者胸腺萎缩，免疫功能低下，骨骼发育异常。,3. 乳清酸尿症与嘧啶核苷酸代谢异常有关,嘧啶核苷酸代谢障碍可能引起嘧啶中间代谢产物增加，但表现异常的病例不多见。乳清酸尿症是其中之一 。,II型乳清酸尿症仅涉及乳清酸核苷酸脱羧酶，症状较轻。,I型乳清酸尿症涉及乳清酸磷酸核糖转移酶(
18、OPRT)或乳清酸核苷酸脱羧酶(OMP decarxylase)缺陷。酶的活性障碍，导致血中乳清酸堆积、尿嘧啶核苷酸合成减少、胞嘧啶核苷酸和胸腺嘧啶核苷酸合成也受影响，RNA和DNA合成不足。临床上应用胞苷和尿苷能获得很好的疗效。,4. 叶酸缺乏导致新生儿脊柱裂,新生儿脊柱裂是一类典型新生儿缺陷，其成因在于发育早期神经管功能的不完整或紊乱。多项研究显示，孕妇在妊娠前3个月若膳食中补充摄入叶酸，则可降低新生儿70%的疾病风险。这显示了叶酸的多种衍生物在合成DNA前体物质的过程中的重要作用。,（二）高尿酸血症可引起痛风,血中尿酸水平超过溶解能力就称为高尿酸血症 (hyperuricemia) 。,
19、血中的尿酸及尿酸盐统称尿酸。正常成人血浆尿酸含量约为0.120.36mmol/L。当血中尿酸含量超过0.64 mmol/L时，尿酸盐晶体即可沉积于关节、软组织及肾等处，而导致关节炎、尿路结石及肾疾病。尿酸沉积引起疼痛称为痛风症（gout）。,痛风可能是一种多基因病，该病发病有家族遗传倾向，可能涉及HGPRT、PRPP激酶、谷氨酰胺PRPP酰胺基转移酶(GPAT)、葡萄糖-6-磷酸酶(G6PC)、黄嘌呤脱氢酶(XDH)、黄嘌呤氧化酶。,大部分患者的高尿酸血症是肾尿酸排泄减少所致，只有10%的患者是尿酸生成过多。,葡萄糖-6-磷酸酶缺陷时，G-6-P转化成葡萄糖过程受阻，G-6-P转向磷酸戊糖途径
20、生成过多的5-磷酸核糖，它是生成PRPP的原料。,HGPRT有部分缺陷时，嘌呤核苷酸的补救合成障碍，产生的IMP、GMP、GDP减少，对嘌呤核苷酸从头合成途径中的PPRTK、GPAT抑制减弱，导致嘌呤核苷酸从头合成增多。,临床上用别嘌呤醇(allopurinol)治疗痛风症有一定疗效。,二、抗代谢物作用机制主要是阻断核苷酸合成,（一）抗代谢物多为核苷酸代谢重要底物或辅酶类似物,核苷酸的抗代谢物是一些嘌呤、嘧啶、氨基酸、核苷和叶酸的类似物。它们主要以竞争性抑制方式干扰、阻断核苷酸合成代谢，或以假乱真掺入核酸，从而阻止核酸以及蛋白质的生物合成。 这些核苷酸代谢类似物不仅是研究生物化学代谢途径的工具
21、，也是治疗某些疾病的有效药物。,嘌呤核苷酸的抗代谢物,嘌呤核苷酸的抗代谢物是一些嘌呤、氨基酸或叶酸等的类似物。,一些人工合成的抗代谢物,嘌呤类似物,氨基酸类似物,叶酸类似物,氨蝶呤,Aminopterin, AP,Methotrexate, MTX,氨甲蝶呤,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),某些改变了核糖结构的核苷类似物,（二）抗代谢物也可影响代谢旺盛的正常细胞,由于肿瘤细胞生长旺盛，因而摄取抗代谢物多，肿瘤细胞被阻碍或杀伤。但体内代谢旺盛的组织细也受抗代谢物的影响，因而出现相应副作用。,（三）常见抗代谢物涉及多种作用机制,嘌呤类似物6-巯基嘌呤,嘧
22、啶类似物5-氟尿嘧啶,核苷类似物阿糖胞苷,叶酸类似物氨基蝶呤和氨甲蝶呤,1. 嘌呤类似物6-巯基嘌呤（6-mercaptopurine,6-MP）,目 录,目 录,氨基酸类似物氮杂丝氨酸,2嘧啶类似物5-氟尿嘧啶（5-fluorouridine,5-FU）,5-氟尿嘧啶的结构与胸腺嘧啶相似，它在体内可转变为脱氧氟尿嘧啶核苷一磷酸（FdUMP）和氟尿嘧啶核苷三磷酸（FUTP）。FdUMP是胸腺核苷酸合酶的抑制剂，可使dTMP合成受阻，DNA合成受到影响；FUTP掺入RNA分子后，异常的结构会破坏RNA的功能，因而干扰蛋白质的合成。临床上对消化系统肿瘤（食管癌、胃癌、肠癌、胰腺癌、肝癌）和乳腺癌疗效较好。,3核苷类似物阿糖胞苷(arabinosyl cytosine,araC),阿糖胞(嘧啶核)苷能抑制CDP还原为dCDP，从而阻碍DNA的合成，也可深入DNA中干扰复制。临床上用于治疗成人急性粒细胞性白血病或单核细胞白血病。,4叶酸类似物氨基蝶呤和氨甲蝶呤 （methotrexate, MTX）,氨基蝶呤和氨甲蝶呤都是叶酸类似物，能竞争性抑制二氢叶酸还原酶活性，使二氢叶酸不能还原为四氢叶酸，嘌呤核苷酸和dTMP的合成受阻，DNA合成障碍，从而抑制了嘌呤和嘧啶核苷酸的合成，故能干扰蛋白质的合成。临床用于治疗儿童急性白血病和绒毛膜上皮癌。,目 录,
