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1、第十一章 核酸代谢与蛋白质生物合成,第一节 核酸的分解代谢,核酸的消化与吸收核酸的分解单核苷酸的分解嘌呤的分解嘧啶的分解,核酸的基本结构单位是核苷酸，核酸代谢与核苷酸代谢密切相关。,细胞内存在多种游离的核苷酸，它们几乎参与了细胞的所有生化过程核酸生物合成的前体核苷酸衍生物是许多生物合成的活性中间物ATP是生物能量代谢中通用的高能化合物腺苷酸是三种重要辅酶(烟酰胺核苷酸、黄素腺嘌呤二核苷酸和辅酶A）的组分代谢的调节物质,一 核酸的消化和吸收,人体内的核苷酸虽然可以少量来自食物中核酸消化产物的吸收，但主要由机体细胞自身合成。因此，核苷酸不属于营养必需物质。,核蛋白,蛋白质,核酸,单核苷酸,核苷,磷
2、酸,戊糖（或磷酸戊糖）,含氮碱,胃酸,胃,小肠,胰核酸酶(磷酸二酯酶),核苷酸酶(磷酸单酯酶),核苷酶(水解或磷酸解),分解排出体外,磷酸戊糖通路,核苷酸及其水解产物均可被细胞吸收，但它们的绝大部分在肠粘膜细胞中又被进一步分解。分解产生的戊糖被吸收而参与体内的磷酸戊糖代谢通路；嘌呤和嘧啶碱则主要被分解而排出体外。因此，食物来源的嘌呤和嘧啶碱很少被机体利用。,二 核酸的分解,核酸酶,牛脾磷酸二酯酶,蛇毒磷酸二酯酶,B 嘌呤碱或嘧啶碱,磷酸二酯酶对核酸的水解位置,核糖或脱氧核糖,在细菌内存在一类能识别并水解外源双链DNA分子中特异核苷酸顺序的核酸内切酶，称为限制性内切酶，这是基因工程中的一类工具酶
3、。,限制型内切酶在特定核苷酸序列处切开核苷酸之间的3,5-磷酸二酯键，可使DNA断裂或产生缺口。以双链环状DNA为底物，可得到不同的结果。如果识别序列中的碱基经过修饰，限制性内切酶就不再作用。通常寄主的DNA在特定核苷酸序列处被甲基化而得到保护，但外源DNA则被分解。,断裂,切口,三 单核苷酸的分解,核苷酸酶核苷酶,核苷酸酶,核苷酶,核苷H3PO4,嘌呤碱或嘧啶碱戊糖-1-磷酸,核苷磷酸化酶,四 嘌呤的分解,嘌呤核苷酸可以在核苷酸酶的催化下，脱去磷酸成为嘌呤核苷嘌呤核苷在嘌呤核苷磷酸化酶(purine nucleoside phosphorylase,PNP)的催化下转变为嘌呤嘌呤核苷及嘌呤又
4、可经水解，脱氨及氧化作用生成尿酸,腺嘌呤由腺嘌呤脱氨酶催化脱氨生成次黄嘌呤，次黄嘌呤在黄嘌呤氧化酶作用下氧化成黄嘌呤，进一步氧化成尿酸但人和动物组织中腺嘌呤脱氨酶含量极少，腺嘌呤核苷脱氨酶和腺嘌呤核苷酸脱氨酶的活性极高，因此脱氨分解在核苷和核苷酸水平上进行，再水解成次黄嘌呤,腺嘌呤的分解,次黄嘌呤核苷酸,腺嘌呤核苷酸脱氨酶,鸟嘌呤脱氨酶的分布较广，人和动物组织中有鸟嘌呤脱氨酶，可催化鸟嘌呤脱氨生成黄嘌呤，黄嘌呤再氧化成尿酸,鸟嘌呤的分解,鸟嘌呤H2O,鸟嘌呤脱氨酶,黄嘌呤NH3,嘌呤代谢的终产物,尿酸氧化酶,尿囊酸酶,尿囊素酶,代谢部位,体内嘌呤核苷酸的分解代谢主要在肝脏、小肠及肾脏中进行。,
5、腺苷脱氨酶(adenosine deaminase,ADA)，ADA的遗传性缺乏，可选择性清除淋巴细胞，导致严重联合免疫缺陷病(Severe combined immunodeficiency disease,SCID)。,痛风症,正常生理情况下，嘌呤合成与分解处于相对平衡状态，所以尿酸的生成与排泄也较恒定。正常人血浆中尿酸含量约 0.120.36mmol/L(26mg/dl)。男性平均为0.27mmol/L(4.5mg/dl)，女性平均为0.21mmol/L(3.5mg/dl)左右。,当体内核酸大量分解(白血病、恶性肿瘤等)或食入高嘌呤食物时，血中尿酸水平升高，当超过0.48mmol/L(8
6、mg/dl)时，尿酸盐将过饱合而形成结晶，沉积于关节、软组织、软骨及肾等处，而导致关节炎、尿路结石及肾疾患，称为痛风症。痛风症多见于成年男性，其发病机理尚未阐明。,临床上常用别嘌呤醇(allopurinol)治疗痛风症。别嘌呤醇与次黄嘌呤结构类似，强烈抑制黄嘌呤氧化酶，别嘌呤醇可被黄嘌呤氧化酶氧化成别黄嘌呤，它与酶活性中心牢固结合，成为酶的灭活物，从而抑制尿酸的生成。别嘌呤醇在体内经代谢转变，与PRPP生成别嘌呤核苷酸，不仅消耗了PRPP，使其含量下降，而且还能反馈抑制PRPP酰胺转移酶，阻断嘌呤核苷酸的从头合成。,五 嘧啶的分解,动物组织内嘧啶的分解过程与嘌呤的分解不同，它的环可以打开，最后
7、可分解成NH3、H2O及CO2。嘧啶的分解代谢主要在肝脏中进行。分解代谢过程中有脱氨基、氧化、还原及脱羧基等反应。,代谢步骤,胞嘧啶脱氨基转变为尿嘧啶。尿嘧啶和胸腺嘧啶先在二氢嘧啶脱氢酶的催化下，由NADPHH供氢，分别还原为二氢尿嘧啶和二氢胸腺嘧啶。二氢嘧啶酶催化嘧啶环水解，分别生成-丙氨酸(-alanine)和-氨基异丁酸(-aminosiobutyrate)。-丙氨酸最后生成乙酰CoA进入TAC,-氨基异丁酸最终生成琥珀酰CoA进入TAC,食入含DNA丰富的食物、经放射线治疗或化学治疗的患者，以及白血病患者，尿中-氨基异丁酸排出量增多。,第二节 核苷酸的生物合成,核糖的来源与5-磷酸核糖
8、焦磷酸的生成 嘌呤核苷酸的合成嘌呤核苷酸的从头合成途径 嘌呤核苷酸的补救合成途径 嘧啶核苷酸的合成嘧啶核苷酸的从头合成嘧啶核苷酸的补救合成途径脱氧核糖核苷酸的合成,一、核糖的来源与5-磷酸核糖焦磷酸的生成,核酸分子中的核糖来源于磷酸戊糖通路中的6-磷酸葡萄糖(6-GP)经降解生成的5-磷酸核糖(R-5-P)。5-磷酸核糖在专一的磷酸核糖焦磷酸激酶的催化下，与ATP作用生成5-磷酸核糖焦磷酸(PRPP)，然后用于单核苷酸的合成。,二、嘌呤核苷酸的合成,体内嘌呤核苷酸的合成有两条途径。利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及CO2等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成嘌呤核苷酸，称为从头合成途径(de
9、 novo synthesis)。利用体内游离的嘌呤或嘌呤核苷，经过简单的反应过程，合成嘌呤核苷酸，称为补救合成(或重新利用)途径(salvage pathway)。,二者在不同组织中的重要性各不相同肝组织中进行从头合成途径，而脑、骨髓等则只能进行补救合成。一般情况下，从头合成途径是合成嘌呤核苷酸的主要途径。,(一)嘌呤核苷酸的从头合成途径,早在1948年，Buchanan等采用同位素标记不同化合物喂养鸽子，并测定排出的尿酸中标记原子的位置，证实合成嘌呤的前身物为：氨基酸(甘氨酸、天冬氨酸和谷氨酰胺)、CO2和一碳单位(N10甲酰FH4，N5、N10甲炔FH4),体内嘌呤核苷酸的合成并非先合成
10、嘌呤碱，然后再与核糖及磷酸结合，而是在磷酸核糖的基础上逐步合成嘌呤核苷酸。嘌呤核苷酸的从头合成主要在细胞质中进行，可分为两个阶段：首先合成次黄嘌呤核苷酸(inosine monophosphate IMP)；然后通过不同途径分别生成AMP和GMP。,IMP的合成包括11步反应,1,1,磷酸核糖焦磷酸转酰胺酶,甘氨酰胺核苷酸,甘氨酰胺核苷酸合成酶,甲酰甘氨酰胺核苷酸,甘氨酰胺核苷酸转甲酰基酶,甲酰甘氨脒核苷酸,甲酰甘氨脒核苷酸合成酶,抑制剂：重氮丝氨酸和6重氮5氧正亮氨酸,5氨基咪唑核苷酸,氨基咪唑核苷酸合成酶,氨基咪唑核苷酸合成酶,5氨基咪唑4羧酸核苷酸,5氨基咪唑4（N-琥珀基）氨甲酰核苷酸
11、,氨基咪唑琥珀基氨甲酰核苷酸合成酶,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,腺苷酸琥珀酸裂解酶,5氨基咪唑4氨甲酰核苷酸,5甲酰氨基咪唑4氨甲酰核苷酸,氨基咪唑氨甲酰核苷酸转甲酰基酶,5甲酰氨基咪唑4氨甲酰核苷酸,次黄嘌呤核苷酸,次黄嘌呤核苷酸合成酶,生成的IMP并不堆积在细胞内，而是迅速转变为AMP和GMP。,抑制剂：羽田杀菌素,次黄嘌呤核苷酸,腺苷酸琥珀酸,腺苷酸琥珀酸合成酶,腺苷酸琥珀酸,腺苷酸琥珀酸裂解酶,次黄嘌呤核苷酸脱氢酶,鸟嘌呤核苷酸合成酶,从头合成途径的特点：,并非先合成嘌呤碱生成重要的中间产物IMPPRPP合成酶、磷酸核糖酰胺转移酶是限速酶
12、肝是体内从头合成嘌呤核苷酸的主要器官，其次是小肠粘膜和胸腺,ATP和GTP,AMP和GMP可进一步在激酶的作用下，以ATP为磷酸供给体，经过两步磷酸化反应，分别生成ATP和GTP,要参与核酸的合成，一磷酸核苷必须先转变为二磷酸核苷再进一步转变成三磷酸核苷。二磷酸核苷由碱基特异的核苷一磷酸激酶(nucleoside monophosphate kinase)催化，由相应一磷酸核苷生成。,AMP+ATP,GDP+ADP,GMP+ATP,2ADP,腺苷激酶,鸟苷激酶,二磷酸核苷转变为相应的三磷酸核苷由核苷二磷酸激酶(nucleoside diphosphate kinase)催化。二磷酸核苷激酶对底
13、物的碱基及戊糖(核糖或脱氧核糖)均无特异性。,GTP+ADP,GDP+ATP,核苷二磷酸激酶,从头合成途径的调节,从头合成是体内合成嘌呤核苷酸的主要途径，但此过程要消耗氨基酸及ATP。机体对合成速度有着精细的调节。在大多数细胞中，分别调节IMP，ATP和GTP的合成。不仅调节嘌呤核苷酸的总量，而且使ATP和GTP的水平保持相对平衡,IMP途径的调节主要在合成的前二步反应，即催化PRPP和PRA的生成。磷酸核糖焦磷酸激酶受IMP、AMP和GMP的反馈抑制磷酸核糖酰胺转移酶受到IMP、AMP、GMP的反馈抑制。PRPP可变构激活磷酸核糖酰胺转移酶,第二水平的调节作用于IMP向AMP和GMP转变过程
14、。GMP反馈抑制IMP向XMP转变，AMP则反馈抑制IMP转变为腺苷酸代琥珀酸，从而防止生成过多AMP和GMP。此外，腺嘌呤和鸟嘌呤的合成是平衡的。GTP加速IMP向AMP转变，而ATP则可促进GMP的生成，这样使腺嘌呤和鸟嘌呤核苷酸的水平保持相对平衡，以满足核酸合成的需要。,(二)嘌呤核苷酸的补救合成途径,骨髓、脑组织不能按上述“从头合成”嘌呤核苷酸的途径进行合成，必须依靠从肝运来的嘌呤或核苷合成核苷酸，这种细胞利用现成的嘌呤碱或嘌呤核苷重新合成嘌呤核苷酸的过程，称为补救合成。补救合成过程比较简单，消耗能量也少。,1.嘌呤碱与PRPP直接合成嘌呤核苷酸,这条补救合成途径比较重要。有两种特异性
15、不同的酶参与嘌呤核苷酸的补救合成：腺嘌呤磷酸核糖转移酶(adenine phosphoribosyl transferase，APRT)和次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶(hypoxanthine-guanine phosphoribosyl transferase，HGPRT)。由PRPP提供磷酸核糖，它们分别催化AMP和IMP、GMP的补救合成。,腺嘌呤+PRPP AMP+PPi次黄嘌呤+PRPP IMP+PPi鸟嘌呤+PRPP GMP+PPi,APRT,HGPRT,HGPRT,2.腺嘌呤与1-磷酸核糖作用,这条补救合成途径是次要的人体由嘌呤核苷的重新利用只有通过腺苷激酶催化，使腺嘌呤核苷生
16、成腺嘌呤核苷酸。,腺嘌呤+1-磷酸核糖,腺苷+Pi,腺苷磷酸化酶,腺嘌呤核苷酸,ATP,AMP,腺苷激酶,嘌呤核苷酸补救合成的生理意义,一方面在于可以节省从头合成时所需的能量和一些氨基酸的消耗另一方面，体内某些组织器官，例如脑、骨髓等由于缺乏有关酶，不能从头合成嘌呤核苷酸，它们只能利用由红细胞从肝运送来的自由嘌呤碱或嘌呤核苷补救合成嘌呤核苷酸。对这些组织器官来说，补救合成途径具有更重要的意义。,Lesch-Nyhan综合征,由于某些基因缺陷而导致HGPRT完全缺失的患儿，表现为自毁容貌征或称Lesch-Nyhan综合征。目前，人们希望利用基因工程进行治疗,Lesch-Nyhan综合征是由于HG
17、PRT的严重遗传缺陷所致。此种疾病是一种性连锁遗传缺陷，见于男性。患者表现为尿酸增高及神经异常。如脑发育不全、智力低下、攻击和破坏性行为、常咬伤自己的嘴唇、手和足趾，所以也称自毁容貌症。其尿酸增高较易解释，由于HGPRT缺乏，使得分解产生的PRPP不能被利用而堆积，PRPP促进嘌呤的从头合成，从而使嘌呤分解产物尿酸增高。而神经系统症状的机制尚不清楚。,三、嘧啶核苷酸的合成,与嘌呤核苷酸一样，体内嘧啶核苷酸的合成也有两条途径，即从头合成与补救合成,(一)嘧啶核苷酸的从头合成途径,同位素示踪实验表明，嘧啶核苷酸中嘧啶碱合成的原料来自谷氨酰胺、CO2和天冬氨酸。嘧啶环中的第1位氮、第4位碳，第5位碳
18、及第6位碳来自天冬氨酸的氨基；第2位碳、第3位氮来自氨甲酰磷酸,1.尿嘧啶核苷酸的合成,嘧啶环的合成开始于氨基甲酰磷酸的生成。氨基甲酰磷酸也是尿素合成的原料，但是尿素合成中所需的氨基甲酰磷酸是在肝线粒体中由氨基甲酰磷酸合成酶催化生成的而嘧啶合成所用的氨基甲酰磷酸则是在细胞浆中用谷氨酰胺为氮源，由氨基甲酰磷酸合成酶(carbamoyl phosphate synthetase，CPS)催化生成的。这两种合成酶的许多性质不同。,两种氨基甲酰磷酸合成酶的比较,氨基甲酰磷酸+天冬氨酸,氨甲酰天冬氨酸,二氢乳清酸,天冬氨酸氨基甲酰磷酸转移酶,二氢乳清酸酶,PRPP+乳清酸,二氢乳清酸脱氢酶,乳清酸核苷酸
19、,乳清酸核苷酸焦磷酸化酶,尿嘧啶核苷酸,乳清酸核苷酸脱羧酶,(OMP),尿嘧啶核苷酸的合成过程,2.胞嘧啶核苷酸的合成,体内其它类型的嘧啶核苷酸都是由尿嘧啶核苷酸转变而来的。由尿嘧啶核苷酸转变为胞嘧啶核苷酸是在尿嘧啶核苷三磷酸的水平上进行的。,尿嘧啶核苷三磷酸可以由尿嘧啶核苷酸在相应的激酶作用下经ATP转移磷酸基而生成。催化尿嘧啶核苷酸转变为尿嘧啶核苷二磷酸的酶为特异的尿嘧啶核苷酸激酶(uridine-5-phosphate kinase)。催化尿嘧啶核苷二磷酸转变为尿嘧啶核苷三磷酸的酶为特异性较广的核苷二磷酸激酶(nucleoside diphosphokinase)。,UMP+ATP,UD
20、P+ADP,尿嘧啶核苷酸激酶,Mg2+,UDP+ATP,核苷二磷酸激酶,UTP+ADP,Mg2+,尿嘧啶、尿嘧啶核苷和尿嘧啶核苷酸都不能氨基化变成相应的胞嘧啶化合物，只有尿嘧啶核苷三磷酸才能氨基化生成胞嘧啶核苷三磷酸。在细菌中尿嘧啶核苷三磷酸可以直接与氨作用，动物组织则需要由谷氨酰胺供给氨基。反应要由ATP供给能量。催化此反应的酶为CTP合成酶(CTP Synthetase)。,UTP+谷氨酰胺+ATP+H2O,CTP+谷氨酸+ADP+Pi,CTP合成酶,3.嘧啶核苷酸从头合成的调节,在细菌中，天冬氨酸氨基甲酰转移酶(ATCase)是嘧啶核苷酸从头合成的主要调节酶。在大肠杆菌中，ATCase受
21、ATP的变构激活，而CTP为其变构抑制剂。而在许多细菌中，UTP是ATCase的主要变构抑制剂。在动物细胞中，ATCase不是调节酶。嘧啶核苷酸合成主要由CPS-调控。UDP和UTP抑制其活性，而ATP和PRPP为其激活剂。第二水平的调节是OMP脱羧酶，UMP和CMP为其竞争抑制剂。此外，OMP的生成受PRPP的影响。,4.乳清酸尿症(Orotic aciduria),乳清酸尿症是一种遗传性疾病，主要表现为尿中排出大量乳清酸、生长迟缓和重度贫血。这是由于催化嘧啶核苷酸从头合成反应的乳清酸磷酸核糖转移酶和乳清酸核苷酸脱羧酶的缺陷所致。临床用尿嘧啶或胞嘧啶治疗。尿嘧啶经磷酸化可生成UMP，抑制CP
22、S活性，从而抑制嘧啶核苷酸的从头合成。,(二)嘧啶核苷酸的补救合成途径,各种嘧啶核苷主要通过嘧啶核苷激酶的催化而生成相应的嘧啶核苷酸嘧啶磷酸核糖转移酶是嘧啶核苷酸补救合成的次要酶,嘧啶磷酸核糖转移酶已从人红细胞中纯化，它能利用尿嘧啶、胸腺嘧啶及乳清酸作为作用物(实际上与前述的乳清酸磷酸核糖转移酶是同一种酶)，但对胞嘧啶不起作用胞嘧啶不能直接与PRPP反应生成CMP。但尿苷激酶也能催化胞苷被ATP磷酸化而形成CMP。,胞嘧啶核苷+ATP,CMP+ADP,尿苷激酶,Mg2+,四、脱氧核糖核苷酸的合成,DNA与RNA有两方面不同：其核苷酸中戊糖为2-脱氧核糖而非核糖。含有胸腺嘧啶碱基，不含尿嘧啶碱基
23、。脱氧核糖核苷酸是脱氧核糖核酸合成的前体。此外，某些脱氧核糖核苷酸衍生物在代谢中还起着重要作用。如dTDP-鼠李糖可由dTDP-葡萄糖还原而成；dTDP-葡萄糖还可转化成dTDP-半乳糖。,生物体内脱氧核糖核苷酸可由相应的核糖核苷二磷酸还原生成。脱氧核糖核苷酸，所含的脱氧核糖并非先形成后再结合成为脱氧核糖核苷酸，而是在核糖核苷二磷酸水平上直接还原生成，由核糖核苷酸还原酶催化。,ADP，GDP，CDP,dADP，dGDP，dCDP,核糖核苷酸还原酶,胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸的形成则需两个步骤，首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。,UMP,dUMP
24、,dTMP,还原,胸腺嘧啶核苷酸合成酶,N5，N10-CH2-FH4,FH2,脱氧核糖核苷酸合成的调节,四种dNTP的合成水平受到反馈调节，同时保持dNTP的适当比例也是细胞正常生长所必需的。实际上，缺少任一种dNTP都是致命的，而一种dNTP过多也可致突变，因为过多的dNTP可错误掺入DNA链中。核糖核苷酸还原酶的活性对脱氧核糖核苷酸的水平起着决定作用。各种dNTP通过变构效应调节不同脱氧核糖核苷酸生成。因为，某一种特定NDP经还原酶作用生成dNDP时，需要特定NTP的促进，同时受到另一些NTP的抑制。通过调节使4种dNTP保持适当的比例,核糖核苷酸还原酶的别构调节,当存在混合的NDP底物时
25、，由ATP促使CDP和UDP还原生成dUDP和dCDP。经dUDP转变为dTTP，dTTP则反馈抑制CDP和UDP还原，同时促进dGDP的生成，dGDP磷酸化生成dGTP则抑制GDP、CDP和UDP的还原，而促进ADP的还原生成dADP。当dATP升高与酶活性位点结合，则抑制所有NDP的还原反应。细胞内dCTP和dTTP的适当比例并非由核糖核苷酸还原酶调节，而是通过脱氧胞嘧啶脱氨酶(deoxycytidine deaminase)决定。此酶催化dUMP的生成，dUMP则是dTTP的前体。此酶受dCTP激活，受dTTP抑制。,核苷酸从头合成的抗代谢物,1.嘌呤类似物,次黄嘌呤,6-巯基嘌呤,2.Gln类似物Gln H2N-CO-CH2-CH2-CHNH2COOH重氮丝氨酸 N-=N+=CH-CO-O-CH2-CHNH2-COOH3.叶酸类似物氨基蝶呤、氨甲基蝶呤嘧啶类似物5-氟尿嘧啶,小结：比较两种核苷酸的生物合成,从头合成途径：嘌呤核苷酸 并非先合成嘌呤环 嘧啶核苷酸 先形成嘧啶环补救合成途径：嘌呤核苷酸 磷酸核糖转移酶(重要)嘌呤核苷激酶(次要)嘧啶核苷酸 嘧啶核苷激酶(重要)磷酸核糖转移酶(次要),
