第三十三章 核酸的降解和核苷酸代谢

第三十三章 核酸的降解第三十三章 核酸的降解和核苷酸代谢和核苷酸代谢

嘌呤核苷酸的降解• 序列反应• 灵长类的终产物是尿酸 其他物种还会进一步代谢

从尿里排出

黄嘌呤氧化酶

嘌呤核苷酸的分解代谢

尿酸的进一步分解

嘧啶核苷酸的分解

常见的几种与核苷酸代谢相关的疾病

• 痛风——尿酸产生过多引起• 严重联合免疫缺陷病（ SCID ）——腺苷

脱氨酶（ ADA ）单个基因突变引起• Lesch-Nyhan 综合征• 乳清酸尿症

别嘌呤醇治疗痛风的机理

Lesch-Nyhan 综合征

• 是一种隐性的性连锁遗传性疾病，因此患者几乎都是男性，女性仅为携带者。该病的病因是由于 HGPRT 有缺陷造成的。

• 主要症状包括：高尿酸血症、肌强直、智力迟钝和自残等。

抗核酸代谢类药物• 除了可用于治疗癌症以外，还经常用作

抗病毒的药物。（ 1 ）叶酸类似物（ 2 ）谷氨酰胺类似物（ 3 ）碱基类似物 （ 4 ）核苷类似物

常见的叶酸类似物

谷氨酰胺的类似物

嘌呤类似物

嘧啶类似物

5- 氟尿苷酸抑制胸苷酸合酶的机理

核苷类似物

• Energy metabolism (ATP)*• Monomeric units of nucleic acids*• Regulation of physiological processes

– Adenosine controls coronary blood flow– cAMP and cGMP serve as signaling molecules

• Precursor function-GTP to tetrahydrobiopternin• Coenzyme components- 5’-AMP in FAD/NAD+

• Activated intermediates- UDP Glucose• Allosteric effectors- regulate themselves and others

Cellular Roles of Nucleotides

How I hope to make this at least bearable if not mildly interesting

• Purines and Pyrimidines

– Synthesis (de novo and salvage pathways)

– Degradation

– Relevant disease states

– Relevant clinical applications

You are not responsible for any structures

Purines and Pyrimidines

Adenine Guanine

Thymine/Uracil Cytosine

TwoPurines

ThreePyrimidines

HN

CHN

C

CN

CN

C

NH2

H

NC

CC

HN

C

O

CH3

HO

HN

C

CC

N

CH

O

H

H

NH2

HN

CHN

C

CN

CN

C

O

H2N

H

合成途径• 从头合成——从最简单的小分子，如 CO2 和氨基酸

等开始，经过多步反应，消耗更多的能量，最后生成核苷酸的过程 。

• 补救途径——指核苷酸降解的中间产物（包括核苷和碱基）被循环利用，重新转变成核苷酸的过程。

补救途径 从头合成

嘌呤环上各原子的来源

Many Steps Require an Activated Ribose Sugar (PRPP)

5’

嘌呤核苷酸的从头合成• 嘌呤环原子来自 :

– Asp– Gly– Gln– CO2

– N10- 甲酰 - 四氢叶酸 • 还需要消耗

– 4 ATP’s

嘌呤是在核糖环上合成的

IMP 的从头合成

从 IMP 合成 AMP 和 GMP

嘌呤核苷酸的从头合成

ATP GTP

多步反应（不必记）

NCH

NC

CN

CN

C

O

H

NCH

NC

CN

CN

C

O

H2N

H

NCH

NC

CN

CN

C

NH2

H反馈抑制

嘌呤核苷酸的补救合成

次黄嘌呤或

鸟嘌呤+ PRPP = IMP or GMP + PPi

次黄嘌呤 - 鸟嘌呤磷酸核糖转移酶 (HGPRT)

腺嘌呤 + PRPP = AMP + PPi 腺嘌呤磷酸核糖转移酶

(APRT)

嘧啶核苷酸的从头合成

• 嘧啶环先独立合成，然后转移到 PRPP （类似于补救途径）

• 先合成 UMP

• 合成前体：– Gln

– CO2

– Asp– 需要 ATP

NC

CC

HN

C

O

CH3

HO

HN

C

CC

N

CH

O

H

H

NH2

尿嘧啶 胞嘧啶

UMP 的从头合成

Regulation of Pyrimidine Biosynthesis

• Regulation occurs at first step in the pathway (committed step)

• 2ATP + CO2 + Glutamine = carbamoyl phosphate

Inhibited by UTPIf you have lots of UTP around this means you won’t

make more that you don’t need

X

嘧啶核苷酸合成的补救途径• 类似于嘌呤核苷酸的补救合成，由嘧啶磷

酸核糖转移酶催化。• 核苷激酶

UTP/CTP 的合成 （容易解决）

核苷二磷酸激酶

ATP ATP

NC

CC

N

CH

O

H

H

NH2

NC

CC

HN

C

O

CH3

HO

H

NC

CC

HN

C

O

CH3

HO

H

ATP + Gln

特殊的激酶催化 NMP 转变成 NDP

核苷单磷酸激酶

• 核苷单磷酸激酶对碱基有特异性

AMP + ATP 2ADP

GMP + ATP GDP + ADP

腺苷酸激酶

鸟苷酸激酶

脱氧核苷酸的合成

OH

HHO

H

H

HOCH2

OH

OH

1´

2´3´

4´5´O

H

HHO

H

H

HOCH2 OH

H

1´

2´3´

4´

5´碱基 碱基

脱氧核苷酸 核苷酸

如何除去 2´- 位的氧？

核苷酸还原酶

核苷酸还原酶核苷酸还原酶 催化脱氧核苷酸的形成 受到高度调节 调节细胞内 dNTP 的水平 在 DNA 复制之前被激活 受反馈抑制

脱氧核苷酸的合成

NDP 还原酶的作用机理

大肠杆菌核苷酸还原酶

核苷酸还原的自由基作用机制

NDP 的还原

TTP 的合成（难题）

NC

CC

HN

C

O

CH3

HO

H

NC

CC

HN

C

O

CH3

HO

H

胸苷酸合酶

• 甲基供体为 N5,N10- 亚甲基四氢叶酸。• N5,N10- 亚甲基四氢叶酸供出亚甲基以后而转变为二氢叶

酸，二氢叶酸被 NADPH 还原成四氢叶酸，四氢叶酸则在丝氨酸转羟甲基酶的催化下，与丝氨酸反应重新转变为 N5,N10- 亚甲基四氢叶酸。

CH3

dTMP 的合成

二氢叶酸还原酶

胸苷酸合酶

二氢叶酸N5,N10- 亚甲基四氢叶酸

四氢叶酸

胸苷酸的合成

脱氧嘧啶核苷酸的形成

嘌呤核苷酸合成的调节• 嘌呤核苷酸的从头合成途径之中受到调节的酶

有： PRPP 合成酶、谷氨酰胺 :PRPP 氨基转移酶、腺苷酸琥珀酸合成酶和次黄苷酸脱氢酶，其中谷氨酰胺 :PRPP 氨基转移酶为限速酶。

• IMP 、 AMP 和 GMP 既能反馈抑制 PRPP 合成酶的活性，还能抑制谷氨酰胺 :PRPP 氨基转移酶的活性。而作为底物的 PRPP 激活谷氨酰胺 :PRPP 氨基转移酶的活性，从而直接启动了嘌呤核苷酸的从头合成途径。

嘌呤核苷酸合成的调节

嘧啶核苷酸合成的调节• 细菌 细菌嘧啶核苷酸合成的限速酶为天冬氨酸转氨甲酰基

酶，其中 CTP 和 UTP 为它的反馈抑制剂， ATP 为别构激活剂。

• 哺乳动物 哺乳动物嘧啶核苷酸合成的限速酶是 CPS-II 。 UDP

或 UTP 抑制它的活性， PRPP 则激活它的活性。 EGF能够诱导 CPS-II 的磷酸化，使其降低对 UTP 抑制的敏感性，但增强了对 PRPP 激活的敏感性。

此外，乳清苷酸脱羧酶也是一个调节位点，其活性受到 UMP 的抑制

核苷酸还原酶的调节核苷酸还原酶的调节 别构调节

– 总活性 : + ATP, -dATP– 底物特异性 :

• ATP 刺激 CDP,UDP 还原• (d)TTP 刺激 GDP 还原• (d)TTP 抑制 CDP,UDP 还原• dGTP 刺激 ADP 还原 , 抑制 GDP, CDP, UDP 还

原

大肠杆菌的核苷酸还原酶的结构模型

核苷酸还原酶活性的调节机制