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第十二章 核苷酸代谢 核苷酸的生物功能 ①合成核酸 ②是多种生物合成的活性中间物 糖原合成, UDP-Glc。 磷脂合成, CDP- 乙醇胺, CDP- 二脂酰甘油。 ③生物能量的载体 ATP、GTP ④ 腺苷酸是三种重要辅酶的组分 NAD、FAD、CoA ⑤ 信号分子 cAMP、cGMP. 核酸酶. 核苷酸酶. 核苷磷酸化酶. 核酸. 核苷酸. 核苷 + 磷酸. 碱基 + 戊糖-1-磷酸. 食物中的核酸,经肠道酶系降解成各种核苷酸,分解产生嘌呤、嘧啶、核糖、脱氧核糖和磷酸,然后被吸收。 - PowerPoint PPT Presentation
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第十二章 核苷酸代谢核苷酸的生物功能① 合成核酸② 是多种生物合成的活性中间物 糖原合成, UDP-Glc 。磷脂合成, CDP- 乙
醇胺, CDP- 二脂酰甘油。③ 生物能量的载体 ATP 、 GTP④腺苷酸是三种重要辅酶的组分NAD 、 FAD 、 CoA⑤信号分子 cAMP 、 cGMP
食物中的核酸,经肠道酶系降解成各种核苷酸,分解产生嘌呤、嘧啶、核糖、脱氧核糖和磷酸,然后被吸收。
吸收到体内的嘌呤和嘧啶,大部分被分解,少部分可再利用,合成核苷酸。
人和动物所需的核酸无须直接依赖于食物,只要食物中有足够的磷酸盐、糖和蛋白质,核酸就能在体内正常合成。
核酸的分解代谢:
核酸核酸酶
核苷酸核苷酸酶
核苷 + 磷酸核苷磷酸化酶
碱基 + 戊糖 -1- 磷酸
第一节 核酸和核苷酸的分解代谢
一、 核酸的酶促降解 核酸是核苷酸以 3’ 、 5’- 磷酸二酯键
连成的高聚物,核酸分解代谢的第一步就是分解为核苷酸,作用于磷酸二酯键的酶称核酸酶(实质是磷酸二脂酶)。
根据对底物的专一性可分为:核糖核酸酶、脱氧核糖核酸酶、非特异性核酸酶。
根据酶的作用方式分:内切酶、外切酶。
1 、 核糖核酸酶
只 水 解 RNA 磷 酸 二 酯 键 的 酶( RNase ),不同的 RNase 专一性不同。
牛胰核糖核酸酶( RNaseI ),作用位点是嘧啶核苷 -3’- 磷酸与其它核苷酸间的连接键。
核糖核酸酶 T1 ( RNaseT1 ),作用位点是 3’ - 鸟苷酸与其它核苷酸的5’-OH 间的键。
2 、 脱氧核糖核酸酶 只能水解 DNA 磷酸二酯键的酶。 DNase
牛胰脱氧核糖核酸酶( DNaseI )可切割双链和单链 DNA 。产物是以 5’- 磷酸为末端的寡核苷酸。
牛胰脱氧核糖核酸酶( DNaseⅠ ),降解产物为 3’- 磷酸为末端的寡核苷酸。
限制性核酸内切酶:细菌体内能识别并水解外源双源 DNA 的核酸内切酶,产生 3ˊ-OH 和 5ˊ-P 。
3 、 非特异性核酸酶 既可水解 RNA ,又可水解 DNA 磷酸二酯键
的核酸酶。 小球菌核酸酶是内切酶,可作用于 RNA 或变
性的 DNA ,产生 3’- 核苷酸或寡核苷酸。 蛇毒磷酸二酯酶能从 RNA 或 DNA 链的游离
的 3’-OH 逐个水解,生成 5’- 核苷酸。 牛脾磷酸二脂酶从游离的 5’-OH 开始逐个水
解,生成 3’ 核苷酸。
二、 核苷酸的降解
1 、 核苷酸酶 (磷酸单脂酶)
2 、 核苷酶 ① 核苷磷酸化酶:广泛存在,反应可逆。
核苷 + 磷酸核苷磷酸化酶
碱基 + 戊糖 -1- 磷酸
② 核苷水解酶:主要存在于植物、微生物中,只水解核糖核苷,不可逆
核 糖 核 苷 + H2O
核苷水解酶碱基 + 核糖
三、 嘌呤碱的分解
首先在各自的脱氨酶的作用下水解脱氨,脱氨反应可发生在嘌呤碱、核苷及核苷酸水平上。
不同种类的生物分解嘌呤碱的能力不同
尿酸:灵长类、鸟类、昆虫、排尿酸爬虫类尿囊素:哺乳动物(灵长类除外)、腹足类尿囊酸:硬骨鱼类尿素:大多数鱼类、两栖类NH3: 低等动物植物与动物相似 - 产生尿囊素、尿囊酸、尿素、
NH3。
微生物 - 产生 NH3、 CO2 及有机酸
四、 嘧啶碱的分解 人和某些动物体内脱氨基过程有的发
生在核苷或核苷酸上。脱下的 NH3 可进一步转化成尿素排出。
第二节 嘌呤核苷酸的合成
一、 从头合成 由 5’- 磷酸核糖 -1’- 焦磷酸( 5’-
PRPP )开始,先合成次黄嘌呤核苷酸,然后由次黄嘌呤核苷酸( IMP )转化为腺嘌呤核苷酸和鸟嘌呤核苷酸。
嘌 呤 环 合 成 的 前 体 : CO2 、 甲 酸盐、 Gln 、 Asp 、 Gly
1 、 次黄嘌呤核苷酸的合成( IMP )
5- 磷酸核糖 + ATP磷酸核糖焦磷酸激酶
5`-PRPP + AMP
( 1 )、 磷酸核糖焦磷酸转酰胺酶(转氨)5- 磷酸核糖焦磷酸 + Gln → 5- 磷酸核糖胺 + Glu +
ppi使原来 α- 构型的核糖转化成 β 构型( 2 )、 甘氨酰胺核苷酸合成酶5- 磷酸核糖胺 +Gly+ATP → 甘氨酰胺核苷酸 +ADP+Pi( 3 )、 甘氨酰胺核苷酸转甲酰基酶甘氨酰胺核苷酸 + N 5 N 10- 甲川 FH4 + H2O → 甲酰甘
氨酰胺核苷酸 + FH4
甲川基可由甲酸或氨基酸供给。
( 4 )、 甲酰甘氨脒核苷酸合成酶 甲酰甘氨酰胺核苷酸 + Gln + ATP + H2O →
甲酰甘氨脒核苷酸 + Glu + ADP + pi 受重氮丝氨酸和 6- 重氮 -5- 氧 - 正亮氨酸不可逆抑制,
这两种抗菌素与 Gln 有类似结构。
( 5 )、 氨基咪唑核苷酸合成酶 甲酰甘氨脒核苷酸 + ATP → 5- 氨基咪唑核苷酸 + ADP + Pi
( 6 )、 氨基咪唑核苷酸羧化酶 5- 氨基咪唑核苷酸 +CO2 →
5- 氨基咪唑 -4 羧酸核苷酸( 7 )、 氨基咪唑琥珀基氨甲酰核苷酸合成酶 5- 氨基咪唑 -4- 羧酸核苷酸 +Asp+ATP → 5- 氨基咪唑 4- ( N- 琥珀基)氨甲酰核苷
酸( 8 )、 腺苷酸琥珀酸裂解酶 5- 氨基咪唑 -4- ( N- 琥珀基)氨甲酰核苷酸 → 5- 氨基咪唑 -4- 氨甲酰核苷酸 + 延胡索酸
( 9 )、 氨基咪唑氨甲酰核苷酸转甲酰基酶 5- 氨基咪唑 -4- 氨甲酰核苷酸 +N10- 甲酰 FH4 → 5-
甲酰胺基咪唑 -4- 氨甲酰核苷酸 +FH4
( 10 )、次黄嘌呤核苷酸环水解酶 5- 甲酰胺基咪唑 -4- 氨甲酰核苷酸 → 次黄嘌呤核苷
酸 +H2O
总反应式:5- 磷酸核糖 + CO2 + 甲川 THFA + 甲酰 THFA + 2Gln
+ Gly + Asp + 5ATP →IMP + 2THFA + 2Glu + 延胡索酸 + 4ADP + 1AMP +
4Pi + PPi
2 、腺嘌呤核苷酸的合成( AMP )
IMP + Asp + GTP
AMP + 延胡索酸
腺 苷 酸 琥 珀 酸 合 成酶
腺苷酸琥珀酸 +GDP + Pi
腺 苷 酸 琥 珀 酸 裂 解酶
从头合成: CO2 、 2 个甲酸盐、 2 个 Gln 、 1 个Gly 、( 1+1 )个 Asp 、( 6+1 )个 ATP ,产生 2 个 Glu 、( 1+1 )个延胡索酸。
Asp 的结构类似物羽田杀菌素,可强烈抑制腺苷酸
琥珀酸合成酶的活性,阻止 AMP 生成。羽田杀菌素: N- 羟基 -N- 甲酰 -Gly
3 、 IMP + NAD + +H2O
IMP 脱氢酶黄嘌呤核苷酸 + NADH + H+
鸟嘌呤核苷酸的合成
IMP + NAD + +H2O
IMP 脱氢酶黄嘌呤核苷酸 + NADH + H+
黄嘌呤核苷酸 + Gln (或 NH4+ )
+ ATP + H2O
GMP 合成酶 GMP + Glu +
AMP + PPi
4 、 AMP 、 GMP 生物合成的调节
5- 磷酸核糖焦磷酸转酰胺酶是关键酶,可被终产物 AMP 、 GMP 反馈抑制。
AMP 过量可反馈抑制自身的合成。 GMP 过量可反馈抑制自身的合成。
5 、 药物对嘌呤核苷酸合成的影响
① 羽田杀菌素与 Asp 竞争腺苷酸琥珀酸合成酶,阻止次黄嘌呤核
苷酸转化成 AMP 。② 重氮乙酰丝氨酸、 6- 重氮 -5- 氧正亮氨酸,是
Gln 的结构类似物,抑制 Gln 参与的反应。③ 氨基蝶呤、氨甲蝶呤 叶酸的结构类似物,能与二氢叶酸还原酶发
生不可逆结合,阻止 FH4 的生成,从而抑制 FH4参与的各种一碳单位转移反应。
二、 补救途径1 、 磷酸核糖转移酶途径(重要途径) 嘌呤碱和 5-PRPP 在特异的磷酸核糖转移酶的
作用下生成嘌呤核苷酸
嘌呤核苷 + 磷酸核苷磷酸化酶
嘌呤碱 + 戊糖 -1- 磷酸
腺嘌呤 + 5-PRPP
腺 嘌 呤 磷 酸 核 糖 转 移酶 AMP + PPi
次 黄 嘌 呤 ( 鸟 嘌 呤 ) + 5-PRPP
次黄嘌呤:鸟嘌呤磷酸核糖转移酶
IMP ( GMP )+ PPi
2、核苷激酶途径 腺嘌呤在核苷磷酸化酶作用下转化为腺嘌呤核
苷,后者在核苷磷酸激酶的作用下与 ATP 反应,生成腺嘌呤核苷酸。
碱基 + 核糖 -1- 磷酸核苷磷酸化酶
核苷 + Pi
腺苷 + ATP腺苷激酶
腺苷酸 + ADP
嘌呤核苷酸的从头合成与补救途径之间存在平衡。 Lesch-Nyan 综合症就是由于次黄嘌呤:鸟嘌呤磷酸核糖转移酶缺陷, AMP 合成增加,大量积累尿酸,肾结石和痛风。
第三节 嘧啶核苷酸的合成一、 从头合成
与嘌呤核苷酸合成不同,在合成嘧啶核苷酸时,首先合成嘧啶环,再与磷酸核糖结合,生成尿嘧啶核苷酸,最后由尿嘧啶核苷酸转化为胞嘧啶核苷酸和胸腺嘧啶脱氧核苷酸。
合成前体:氨甲酰磷酸、 Asp
1 、 尿嘧啶核苷酸的合成
氨甲酰磷酸的合成:
Gln +HCO3 - + 2ATP
氨甲酰磷酸合成酶
氨 甲 酰 磷 酸 +Glu + 2ADP + Pi
天冬氨酸转氨甲酰酶氨甲酰磷酸 + Asp 氨甲酰天冬氨酸 + Pi
二氢乳清酸酶氨甲酰天冬氨酸 二氢乳清酸 + H2O
二 氢 乳 清 酸 脱 氢 酶 /FAD 、 FMN二 氢 乳 清 酸 +
NAD+
乳清酸 + NADH + H+
乳清苷酸焦磷酸化酶/Mg2+乳清酸 + PRPP 乳清苷酸 + PPi
乳清苷酸脱羧酶乳清苷酸 UMP + CO2
2 、 胞嘧啶核苷酸的合成尿 嘧 啶 核 苷 三 磷 酸 可 直 接 与 NH3 ( 细 菌 ) 或
Gln (植物)反应,生成胞嘧啶核苷三磷酸。
UMP + ATP
尿嘧啶核苷酸激酶/ Mg2+
UDP + ADP
UDP + ATP核苷二磷酸激酶/ Mg2+
UTP + ADP
CTP 合成酶UTP + Gln ( NH4
+ ) + ATP + H2O
CTP + Glu +ADP+ Pi
3、嘧啶核苷酸生物合成的调节(大肠杆菌)
氨甲酰磷酸合成酶: 受 UMP 反馈抑制天冬氨酸转氨甲酰酶: 受 CTP 反馈抑制CTP 合成酶: 受 CTP 反馈抑制
4 、 药物对嘧啶核苷酸合成的影响
5-氟尿嘧啶抑制胸腺嘧啶脱氧核苷酸的合成。 5-氟尿嘧啶在人体内转变成相应的核苷酸,
再转变成脱氧核苷酸,可抑制脱氧胸腺嘧啶核酸合成酶,干扰尿嘧啶脱氧核苷酸经甲基化生成脱氧胸苷的过程, DNA 合成受阻。
二、 补救途径( 1 ) 嘧啶核苷激酶途径(重要途径)嘧啶碱与 1- 磷酸核糖生成嘧啶核苷,然后由尿苷
激酶催化尿苷和胞苷形成 UMP 和 CMP 。
嘧啶碱 + 1- 磷酸核糖
核苷磷酸化酶嘧啶核苷 + Pi
尿苷(胞苷) + ATP
尿 苷 激 酶 /Mg2+
UMP ( CMP ) + ADP
( 2 )磷酸核糖转移酶途径(胞嘧啶不行)
尿嘧啶磷酸核糖转移酶尿嘧啶 + 5-PRPP UMP + PPi
第四节 脱氧核苷酸的合成 脱氧核糖核苷酸是由相应的核糖核苷酸衍生而
来的。( 1 )腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶核糖核苷酸经还原,将核糖第二位碳原子的氧脱去,即成为相应的脱氧核糖核苷酸。
( 2 )胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸:先由尿嘧啶核糖核苷酸还原形成尿嘧啶脱氧核糖核苷酸,然后尿嘧啶再经甲基化转变成胸腺嘧啶。
一、 核糖核苷酸的还原
ADP 、 GDP 、 CDP 、 UDP均可分别被还原 成 相 应 的 脱 氧 核 糖 核 苷 酸 :dADP 、 dGDP 、 dCDP 、 dUDP 等,其中dUDP 甲基化,生成 dTDP 。
还原反应一般在核苷二磷酸( NDP )水平上进行, ATP 、 dATP 、 dTTP 、 dGTP 是还原酶的变构效应物,个别微生物(赖氏乳菌杆菌)在核苷三磷酸水平上还原( NTP )。
1 、 核苷酸还原酶系
由硫氧还蛋白、硫氧还蛋白还原酶和核苷酸
还原酶( B1 、 B2 )三部分组成。 B1 、 B2亚基结合后,才具有催化活性。 B1上的巯基和 B2上的酪氨酸残基是活性
中心的催化基因。 另外核苷酸还原酶所需的还原当量还可来自谷胱甘肽。
2 、 核苷酸还原酶结构模型及催化机理
B1亚基上有两个调节部位,一个影响整个酶的活性(一级调节部位),另一个调节对底物的专一性(底物结合部位)
一级调节部位: ATP 是生物合成的信号分子,而 dATP 是核苷酸被还原的信号。
底物调节部位: .① 与 ATP 结合,可促进嘧啶类的 UDP 、 CDP 还原成 dUDP 、 dCDP ;② 与 dTTP 或 dGTP 结 合 , 可 促 使GDP ( ADP )还原成 dGDP ( dADP )
催化机理 自由基催化转换模型。
3、脱氧核苷酸的补救途径(脱氧核苷激酶途径)脱氧核苷酸也能利用已有的碱基或核苷进行合成
(补救途径),但只有脱氧核苷激酶途径,不存在类似的磷酸核糖转移酶途径
核苷磷酸化酶碱基 + 脱氧核糖 -1- 磷酸
脱氧核苷 + 磷酸
脱氧核苷激酶脱氧核苷 ATP 脱氧核苷酸 + ADP
二、 胸腺嘧啶脱氧核苷酸的合成
胸腺嘧啶核苷酸合成酶dUMP + N5,N10- 亚甲
基 THFAdTMP + 二氢叶酸
二 氢 叶 酸 还原酶7 , 8- 二 氢 叶 酸 +
NADPH + H+
5 , 6 , 7 , 8-THFA + NDAP+
Ser 羟 甲 基 转 移酶Ser + THFA Gly+N5,N10-亚甲基 THFA+H2O
第五节 辅酶核苷酸的生物合成 NAD 、 NADP 是脱氢辅酶,在生物氧化还
原系统中传递氢。合成途径:( 1 )烟酸单核苷酸焦磷酸化酶( 2 )脱酰胺 -NAD 焦磷酸化酶( 3 ) NAD 合成酶 NADP 的合成: NAD 激酶催化 NAD 与
ATP 反应,使 NAD 的腺苷酸残基的核糖 2’-OH 磷酸化,生成 NADP 。