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1、第九章 核酸代谢,Metabolism of Nucleotides,重点内容,核苷酸的分解与合成过程DNA、RNA分解与合成过程DNA、RNA的代谢机制,目 录,第一节 概述第二节 核苷酸的分解代谢第三节 核苷酸的生物合成第四节 DNA的生物合成第五节 RNA的合成第六节 基因工程,复 习,核苷酸是核酸的基本结构单位。核苷酸的生物学功能：作为核酸合成的原料（主要功能）体内能量的主要利用形式（ATP、GTP等）参与代谢和生理调节（cAMP、cGMP）组成辅酶（NAD、FAD、NADP+、HSCoA等）活化中间代谢物（UDPG、CDP-胆碱、SAM等）核苷酸不属营养物质；食物来源嘌呤和嘧啶碱很少
2、被机体利用,第一节 核苷酸的来源与分解吸收,自身合成（主要途径）食物（次要）,磷酸戊糖途径或重合成核酸,分解为尿素及其他,核酸分解相关的酶类,定义：特定核苷酸序列处切开核苷酸之间3,5-磷酸二酯键，使DNA断裂或产生缺口。如果识别序列的碱基经过修饰，限制性内切酶就不作用。通常寄主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。型限制性内切酶既能催化宿主DNA的甲基化，又催化非甲基化的DNA的水解；型限制性内切酶只催化非甲基化的DNA的水解。,限制性内切酶,限制性内切酶 举例,命名规则：以微生物属名的第一个字母和种名的前两个字母组成，第四个字母表示菌株(品系)如大肠杆菌R菌株中
3、分离的第一种限制酶（EcoRI）识别切割顺序：,C T T A A,G,A A T T C,G,切割位点,切割位点,第二节 核苷酸的分解代谢,核苷酸 核苷+磷酸 碱基+1-P-戊糖,核苷酸酶,核苷磷酸化酶,碱基+戊糖,核苷酶,一、嘌呤碱基的分解,分解主要器官：肝肾小肠 嘌呤 核苷酸,核苷酸酶,嘌呤核 苷磷酸 化酶,嘌呤核苷,磷酸,嘌呤水解、脱氨及 氧化作用生成尿酸,核糖,嘌呤碱 嘌呤核苷酸 补救合成途径 1-磷酸核糖5-磷酸核糖 磷酸戊糖途径,尿酸（终产物）,嘌呤碱基的分解,腺嘌呤分解 第一步：腺嘌呤脱氨酶催化脱氨生成次黄嘌呤；第二步：次黄嘌呤由黄嘌呤氧化酶氧化为黄嘌呤鸟 嘌呤由鸟嘌呤脱氢酶催
4、化脱氨生成黄嘌呤第三步：黄嘌呤氧化为尿酸,注意：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，因此脱氨分解应在核苷和核苷酸水平上进行，再水解为次黄嘌呤。鸟嘌呤脱氨酶的分布较广，可催化鸟嘌呤脱氨生成黄嘌呤，黄嘌呤再氧化成尿酸,次黄嘌呤 核苷酸,腺嘌呤核苷酸脱氨酶,H2ONH3,鸟嘌呤H2O,鸟嘌呤脱氨酶,黄嘌呤NH3,H2O+O2H2O2,黄嘌呤氧化酶,尿酸的生成,尿素,尿囊素,尿囊酸,尿酸,尿酸氧化酶,尿囊素酶,尿囊酸酶,尿素酶,尿酸的排泄方式,医学相关痛风症（男性多发）,正常生理情况下，尿酸生成与排泄恒定。正常人血浆中尿酸含量 0.120.36mmol/L。
5、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(8mg/dl)时，尿酸盐沉积于关节、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。,痛风症的治疗机制别嘌呤醇,次黄嘌呤,黄嘌呤,尿酸,黄嘌呤氧化酶,黄嘌呤氧化酶,别嘌呤醇,别嘌呤醇与次黄嘌呤结构类似，可被黄嘌呤氧化酶氧化成别黄嘌呤，强烈抑制黄嘌呤氧化酶，成为酶的灭活物，从而抑制尿酸的生成。,腺苷脱氨酶(adenosine deaminase,ADA)的遗传性缺乏，导致酶活性下降，细胞免疫和体液免疫下降，可选择性清除淋巴细胞，导致严重联合免疫缺陷病(Severe comb
6、ined immunodeficiency disease,SCID)。,医学相关SCID,二、嘧啶碱基的分解,嘧啶碱,1-磷酸核糖,嘧啶核苷酸,核苷,核苷酸酶,PPi,核苷磷酸化酶,-丙氨酸、-丙氨酸-氨基异丁酸,CO2+NH3,嘧啶分解特点,嘧啶分解在肝脏中进行，分解为NH3、H2O及CO2嘧啶可开环，分解过程为脱氨基、氧化、还原及脱羧基等反应步骤:胞嘧啶脱氨基转变为尿嘧啶尿嘧啶和胸腺嘧啶在二氨尿嘧啶脱氢酶催化下，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，生成-丙氨酸和-氨基异丁酸-丙氨酸生成乙酰CoA、-氨基异丁酸生成琥珀酰CoA进入TAC。,胞嘧啶,NH3,尿嘧啶,
7、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,丙二酸单酰CoA,乙酰CoA,肝,尿素,甲基丙二酸单酰CoA,琥珀酰CoA,TAC,糖异生,二氢尿嘧啶脱氢酶,二氢胸腺嘧啶酶,二氢尿嘧啶酶,二氢胸腺嘧啶脱氢酶,第三节 核苷酸的合成代谢,一、嘌呤核苷酸的合成二、嘧啶核苷酸的合成三、核苷酸的抗代谢物四、脱氧核糖核苷酸的生成,一、合成途径与核糖的来源,核苷酸合成途径:从头合成与补救合成核糖来源于磷酸戊糖途径5-磷酸核糖在磷酸核糖焦磷酸激酶催化下，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、嘌呤核苷酸的合成代谢,一、从头合成途
8、径(de novo synthesis pathway)定义：利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及二氧化碳等原料，经一系列酶促反应合成嘌呤核苷酸的途径。主要部位:：肝、小肠和胸腺（脑和骨髓不进行）二、补救合成途径(salvage synthesis pathway)定义：脑和骨髓中利用体内游离嘌呤或嘌呤核苷，合成嘌呤核苷酸的过程，称为重新利用途径。,1、嘌呤碱的元素来源,（一）从头合成过程,R-5-P（5-磷酸核糖）,PP-1-R-5-P（磷酸核糖焦磷酸）,IMP,H2N-1-R-5-P（5-磷酸核糖胺）,2、次黄嘌呤核苷酸（IMP）的合成,IMP合成共11步 以磷酸核糖为起始物，逐步加原子形成I
9、MP 需5个ATP，6个高能磷酸键,2、IMP的合成,第一至三步：腺嘌呤 与 PRPP反应为5-磷酸核糖胺 酶：磷酸核糖焦磷酸酰氨转移酶（别构酶）5-磷酸核糖胺与甘氨酸反应为甘氨酰胺核苷酸酶：甘氨酰胺核苷酸合成酶甘氨酰胺核苷酸与亚甲四氢叶酸反应为甲酰甘氨酰胺核苷酸 酶：甘氨酰胺核苷酸甲酰基转移酶,IMP合成四至六步,4.甲酰甘氨酰胺核苷酸与谷氨酰胺反应为甲酰甘氨咪唑核苷酸 酶：甲酰甘氨咪唑核苷酸合成酶5.甲酰甘氨咪唑核苷酸脱水环化为5-氨基咪唑核苷酸（生成嘌呤完整五元环）6.5-氨基咪唑核苷酸与羧化生成5-氨基咪唑-4-羧酸核苷酸 酶：氨基咪唑核苷酸羧化酶,IMP合成七至十步,7.5-氨基咪唑
10、-4-羧酸核苷酸与天冬氨酸缩合为5-氨基咪唑-4-氢酸核苷酸酶：氨基咪唑琥珀到氨甲基核苷酸合成酶5-氨基咪唑-4-氢酸核苷酸脱去延胡索酸生成5-氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸酶：腺苷酸裂解酶9-10.5-氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸接受甲酰四氢叶酸甲酰基，并脱水环化为IMP酶：水解酶、甲酰转移酶,IMP生成总反应过程,催化反应的四个酶腺苷酸琥珀酸合成酶 IMP脱氢酶腺苷酸琥珀酸裂解酶 GMP合成酶,3 AMP和GMP的生成,4 ATP和GTP的生成,（二）嘌呤核苷酸的补救合成途径,1、补救合成特点某些组织器官，如白细胞、血小板、脑、骨髓等只能进行补救合成。消耗能量少氨基酸消耗少同样由PRPP提供磷酸
11、核糖相关疾病：自毁容颜症,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(hypoxanthine-guanine phosphoribosyl transferase,HGPRT)胞苷激酶(kinase),2、参与补救合成的酶,3 补救合成过程,AMP合成的两条途径,IMP和GMP的合成,（三）嘌呤合成的调节,调节方式：反馈调节和交叉调节PRPP合成酶磷酸核糖酰胺转移酶于IMP向AMP和GMP的转变过程抗代谢物如：6-巯基嘌呤、6-巯基鸟嘌呤等阻断核苷酸的生成，是抗癌作用的节点所在,嘌呤合成调节机制,嘌呤抗
12、代谢物分子结构,嘌呤类似物,氨基酸类似物,叶酸类似物,三、嘧啶核苷酸的合成代谢,从头合成途径(de novo synthesis pathway)补救合成途径(salvage synthesis pathway),（一）嘧啶核苷酸的从头合成,定义：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。嘧啶环各元素来源,1 尿嘧啶核苷酸的从头合成过程,特点：先合成嘧啶环，再与磷酸核糖相连嘧啶环的合成开始于氨基甲酰磷酸,氨基甲酰磷酸合成酶（CPS）的区别,尿嘧啶核苷酸从头合成经转酰、环化、脱水、脱氢等合成嘧啶环催化反应的酶为多功能酶共六步反应,第二步限速步骤
13、,第三步 环化,第四步 嘧啶环生成反应部位：线粒体,第五步获得磷酸核糖,第六步产生生成,2 胞嘧啶核苷酸的合成,UDP,UTP,（二）嘧啶核苷酸的补救合成,定义：外源核酸及自身核苷酸分解产生的嘧啶及核苷的重新利用 尿嘧啶补救合成的两条途径：途径一合成关键酶是磷酸核糖转移酶途径二催化反应的酶尿苷激酶,胞嘧啶可被尿苷激酶催化生成胞嘧啶核苷酸。,（三）嘧啶合成的调节,ATP+CO2+谷氨酰胺,氨基甲酰磷酸,UMP,氨基甲酸天冬氨酸,UTP,CTP,嘌呤核苷酸,ATP+5-磷酸核糖,嘧啶核苷酸,PRPP,抑制,抑制,抑制,5-氟尿嘧啶 阿糖胞苷 环胞苷,（四）嘧啶核苷酸抗代谢物,总结：两种核苷酸的生物
14、合成,从头合成途径 嘌呤：在磷酸核糖焦磷酸基础上合成嘌呤环 嘧啶：先形成嘧啶环，再与核糖环结合补救合成途径 嘌呤：磷酸核糖转移酶(重要)嘌呤核苷激酶(次要)嘧啶：嘧啶核苷激酶(重要)磷酸核糖转移酶(次要),特点：在核苷二磷酸水平上 直接还原需要ATP提供能量催化反应：硫氧还蛋白还原酶和核苷二磷酸还原酶,四、脱氧核苷酸的生成代谢,N代表A、G、U、C等碱基,（一）脱氧核苷酸生成过程,过程：NADPH传递电子给硫氧还蛋白还原酶辅基FAD;电子由FADH2到核糖核苷酸还原酶辅基硫氧还蛋白巯基载体上;核苷酸还原酶催化核苷二磷酸上2-羟基由还原型硫氧还蛋白的氢取代生成相应脱氧核糖核苷酸。,核糖核苷酸还原酶的别构调节,硫氧还蛋白还原酶,硫氧还蛋白,核苷酸还原酶,（二）dTMP的生成,脱氧胸腺苷酸由脱氧尿苷酸（dUMP）经甲基化生成。,总结各种核苷酸的相互转变,
