生物化学终版－核酸的降解与核苷酸代谢课件

核酸的降解和核苷酸代谢核酸的降解和核苷酸代谢(Degradation of nucleic acid and nucleotides metabolism)吴慧吴慧生物化学下册生物化学下册2014-06-11核酸的降解和核苷酸代谢(Degradationofnuc个人简介个人简介 吴慧吴慧吉林大学，生命科学学院，艾滋病疫苗国家工程实验室，讲师教育及工作经历教育及工作经历2002/09-2006/07，北京师范大学，生命科学学院，学士2006/09-2011/07，中国协和医科大学，北京生命科学研究所（NIBS），博士2013/08至今，吉林大学，生命科学学院，艾滋病疫苗国家工程实验室，讲师主持基金及项目主持基金及项目国家自然科学基金青年基金项目：81301803，Snail、G9a和CDYLb在肝癌EMT和侵袭转移过程中的作用及机制研究。2014.01-2016.12，23万中国博士后科学基金第54批面上资助一等资助：2013M540246，G9a和CDYLb在肝癌EMT和侵袭转移过程中的作用机制研究。2013.5-2014.10，8万吉林省青年科研基金：20140520008JH，阿尔茨海默症蛋白疫苗研究。2014.01-2016.12，5万个人简介吴慧研究背景学科方向学科方向：微生物学研究方向研究方向：1.老年痴呆疫苗的设计、研究和临床前评价。2.表观遗传学因子在肝癌侵袭转移过程中的机制研究。协助指导研究生协助指导研究生：付璐（2014级博士生）胡越（2013级硕士生）李瑛楠（2013级硕士生）研究背景学科方向：微生物学老年痴呆疫苗的设计、研究和临床前评价吉林省青年科研基金：吉林省青年科研基金：20140520008JH，阿尔茨海默症蛋白疫苗研究，阿尔茨海默症蛋白疫苗研究老年痴呆疫苗的设计、研究和临床前评价吉林省青年科研基金：20表观遗传学因子在肝癌侵袭转移过程中的机制研究国家自然科学基金青年基金项目：国家自然科学基金青年基金项目：81301803，Snail、G9a和和CDYLb在肝癌在肝癌EMT和侵袭转移过程中的作用及机制研究和侵袭转移过程中的作用及机制研究表观遗传学因子在肝癌侵袭转移过程中的机制研究国家自然科学基金研究背景学科方向学科方向：微生物学研究方向研究方向：1.老年痴呆疫苗的设计、研究和临床前评价。2.表观遗传学因子在肝癌侵袭转移过程中的机制研究。协助指导研究生协助指导研究生：付璐（2014级博士生）胡越（2013级硕士生）李瑛楠（2013级硕士生）研究背景学科方向：微生物学课程内容核酸部分静态生物化学静态生物化学 核酸的研究历史核酸的研究历史 核酸的结构核酸的结构 核酸的性质核酸的性质动态生物化学动态生物化学核酸和核苷酸的分解代谢核酸和核苷酸的分解代谢核苷酸的生物合成核苷酸的生物合成 课程内容核酸部分静态生物化学Nitrogenous BasesPlanar,aromatic,and heterocyclicDerived from purine or pyrimidineNitrogenousBasesPlanar,aromaStructure of Nucleotide Bases26262424245StructureofNucleotideBases2SugarsD-Ribose and 2-Deoxyribose*Lacks a 2-OH group22SugarsD-RibNucleosidesResult from linking one of the sugars with a purine or pyrimidine base through an N-glycosidic linkage Purines bond to the C1 carbon of the sugar at their N9 atoms Pyrimidines bond to the C1 carbon of the sugar at their N1 atoms9NucleosidesResultfromlinkingPhosphate GroupsMono-,di-or triphosphatesPhosphateGroupsMono-,di-orPhosphates can be bonded to either C3 or C5 atoms of the sugarPhosphatescanbebondedtoeiNucleotidesResult from linking one or more phosphates with a nucleoside onto the 5 end of the molecule through esterificationNucleotidesResultfromlinkingNucleotidesDNA(deoxyribonucleic acid)is a polymer of deoxyribonucleotidesBoth deoxy-and ribonucleotides contain Adenine,Guanine and CytosineRibonucleotides contain UracilDeoxyribonucleotides contain ThymineMonomers for nucleic acid polymersNucleoside Triphosphates are important energy carriers(ATP,GTP)Important components of coenzymes FAD,NAD+and Coenzyme ANucleotidesDNA(deoxyribonucleFAD NADCoenzyme A：3-磷酸磷酸-ADP-泛酰泛酰-巯基乙胺巯基乙胺巯基乙胺泛酸ADPADPADPFADNANucleosides:Purine nucleosides end in“-sine”Adenosine,GuanosinePyrimidine nucleosides end in“-dine”Thymidine,Cytidine,UridineNucleotides:Start with the nucleoside name from above and add“mono-”,“di-”,or“triphosphate”Adenosine Monophosphate,Cytidine Triphosphate,Deoxythymidine DiphosphateNucleosides:1909-1934年年，美美国国生生物物化化学学家家Owen证证明明，核核酸酸的分解单位是核苷酸。的分解单位是核苷酸。1961年年，美美国国生生化化学学家家Joan Oro模模拟拟大大气气放放电电，在在有有氰氰化化氢氢参参加加的的反反应应体体系系中中发发现现有有氨氨基基酸酸和和腺腺嘌呤生成。嘌呤生成。1963年，年，Ponnamperuma在类似的实验中也得到了在类似的实验中也得到了腺嘌呤。后来，他又与腺嘌呤。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，得到了腺苷三磷酸了腺苷三磷酸(ATP)。核酸分解与合成背景知识核酸分解与合成背景知识1909-1934年，美国生物化学家Owen证明，核酸的分解早早在在演演绎绎核核苷苷酸酸生生物物合合成成前前，生生物物化化学学家家就就已已经经发发现现动动物物会会排排泄泄3种种不不同同的的含含氮氮废废物物，即即NH2、尿尿素素和和尿尿酸。酸。尿酸就是嘌呤化合物的代谢产物尿酸就是嘌呤化合物的代谢产物。在在 1950年年 间间，John M.Buchanan和和 G.Robert Greenberg采采用用同同位位素素示示踪踪结结合合嘌嘌呤呤核核苷苷酸酸降降解解物物尿尿酸酸分分析析证证明明，嘌嘌呤呤分分子子的的原原子子N1来来自自天天冬冬氨氨酸酸，N3和和N9来来自自谷谷氨氨酰酰胺胺等等，完完成成了了嘌嘌呤呤生生物物合合成成过过程程的的演演绎绎。更更为为重重要要的的是是，他他们们还还发发现现嘌嘌呤呤不不是是以以游游离离含含氮碱，而是以氮碱，而是以核苷酸形式核苷酸形式在体内合成的。在体内合成的。核酸分解与合成背景知识核酸分解与合成背景知识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1964年年，科科学学家家确确定定Lesch-Nyhan综综合合征征与与次次黄黄嘌嘌呤呤-鸟鸟嘌嘌呤呤磷磷酸酸核核糖糖转转移移酶酶（HGPRT）缺缺陷陷有有关关。至至今今已已发发现现，核核苷苷酸酸的的合合成成和和分分解解代代谢谢障碍与很多遗传性、代谢性疾病有关。障碍与很多遗传性、代谢性疾病有关。模模拟拟核核苷苷酸酸组组成成成成分分，如如取取代代碱碱基基、核核苷苷和和核核苷苷酸酸的的类类似似物物已已发发展展为为在在临临床床上上常常用用、有有效效的的抗代谢药物。抗代谢药物。1964年，科学家确定Lesch-Nyhan综合征与次黄嘌呤核苷酸的功能核苷酸的功能核苷酸是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，例如：UDP-葡萄糖和CDP-二酯酰甘油分别是糖原和磷酸甘油酯合成的中间物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的组分某些核苷酸是代谢的调节物质。如：cAMP和cGMP是许多激素引起的胞内信使核苷酸的功能核苷酸是核酸生物合成的前体 1 核酸的酶促降解核酸的酶促降解 核糖核酸酶核糖核酸酶、脱氧核糖核酸酶脱氧核糖核酸酶、限制性内切酶限制性内切酶 2 核苷酸的降解核苷酸的降解 3 核苷酸的合成核苷酸的合成 （1 1）核糖核苷酸的生物合成）核糖核苷酸的生物合成 嘌呤核苷酸的合成：从头合成和补救途径嘌呤核苷酸的合成：从头合成和补救途径 嘧啶核苷酸的合成：从头合成和补救途径嘧啶核苷酸的合成：从头合成和补救途径 （2 2）脱氧核糖核苷酸的生物合成）脱氧核糖核苷酸的生物合成 核糖核苷酸的还原核糖核苷酸的还原 脱氧胸腺嘧啶核苷酸的合成脱氧胸腺嘧啶核苷酸的合成核酸的降解和核苷酸代谢核酸的降解和核苷酸代谢1核酸的酶促降解核酸的降解和核苷酸第一部分核酸的解聚作用第一部分 动物和异养型微生物可以分泌消化酶来分解核蛋白和核酸类物质，以获得各种核苷酸。（核苷水解酶主要存在于植物和微生物体内，并且只能对核糖核苷起作（核苷水解酶主要存在于植物和微生物体内，并且只能对核糖核苷起作用，对脱氧核糖核苷不起作用。）用，对脱氧核糖核苷不起作用。）（核苷磷酸化酶存在广泛）（核苷磷酸化酶存在广泛）核酸的酶促降解核酸的酶促降解动物和异养型微生物可以分泌消化酶来分解核蛋白和核核酸的酶促降解核酸的酶促降解磷酸单酯酶磷酸单酯酶核糖核糖核酸核酸核酸酶核酸酶单核苷酸单核苷酸核苷核苷嘧啶嘧啶/嘌呤嘌呤核苷水解酶核苷水解酶核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶嘧啶（嘌呤）嘧啶（嘌呤）核糖核糖-1-1-磷酸磷酸脱氧核糖脱氧核糖-1-1-磷酸磷酸核糖核糖-5-5-磷酸磷酸磷酸戊糖途径磷酸戊糖途径醛缩酶醛缩酶乙醛乙醛甘油醛甘油醛-3-3-磷酸磷酸核酸的酶促降解磷酸单酯酶核糖核酸核酸酶单核苷酸核苷嘧啶/嘌呤核核 酸酸 酶酶1、核酸酶的分类、核酸酶的分类（1 1）根据对底物的）根据对底物的 专一性分为专一性分为 （2 2）根据切割位点）根据切割位点 分为分为核糖核酸酶核糖核酸酶(RNase)(RNase)脱氧核糖核酸酶脱氧核糖核酸酶(DNase)(DNase)非特异性核酸酶非特异性核酸酶核酸内切酶核酸内切酶核酸外切酶核酸外切酶核酸酶1、核酸酶的分类（1）根据对底物的核酸外切酶核酸外切酶：作用于核酸链的末端（作用于核酸链的末端（3端或端或5端），逐个水端），逐个水解下核苷酸。解下核苷酸。脱氧核糖核酸外切酶：只作用脱氧核糖核酸外切酶：只作用DNA核糖核酸外切酶核糖核酸外切酶:只作用于只作用于RNA核酸内切酶：核酸内切酶：从核酸分子内部切断从核酸分子内部切断3,5-磷酸二酯键。磷酸二酯键。限制性内切酶：限制性内切酶：在细菌细胞内存在的一类能识别并水解外在细菌细胞内存在的一类能识别并水解外源双链源双链DNA的核酸内切酶，可用于特异切割的核酸内切酶，可用于特异切割DNA，常，常作为工具酶。作为工具酶。核酸酶：作用于核酸的磷酸二酯酶核酸酶：作用于核酸的磷酸二酯酶核酸外切酶：作用于核酸链的末端（3端或5端），逐个水解下外切核酸酶对核酸的水解位点5 p p p pOHB p p p p3BBBBBBB牛脾磷酸二酯酶牛脾磷酸二酯酶（55端外切得端外切得3 3核苷酸）核苷酸）蛇毒磷酸二酯酶蛇毒磷酸二酯酶（33端外切得端外切得5 5核苷酸）核苷酸）2、核酸酶的作用特点、核酸酶的作用特点外切核酸酶对核酸的水解位点5ppppOHBpp限制性内切酶限制性内切酶 类型 命名 意义 原核生物中存在着一类能识别外源原核生物中存在着一类能识别外源DNA双螺旋双螺旋中中4-8个碱基对所组成的特异的具有二重旋转对称性个碱基对所组成的特异的具有二重旋转对称性的的回文序列回文序列，并在此序列的某位点水解，并在此序列的某位点水解DNA双螺旋双螺旋链的酶分子，产生粘性末端或平末端，这类酶称为链的酶分子，产生粘性末端或平末端，这类酶称为限制性内切酶（限制性内切酶（restriction endonuclease）。）。限制性内切酶类型原核生物中存在着一类能识别外源D生物化学终版核酸的降解与核苷酸代谢课件 限限制制性性内内切切酶酶名名称称的的第第一一个个字字母母取取自自获获得得此此内内切酶的细菌属名的第一个字母，用大写切酶的细菌属名的第一个字母，用大写 名名称称的的第第二二、三三个个字字母母取取自自该该细细菌菌种种名名的的头头二二个字母，用小写字母个字母，用小写字母 如如果果该该细细菌菌还还有有不不同同的的株株系系，则则另另加加第第四四个个代代表表株株系系的的字字母母或或数数字字；最最后后是是用用罗罗马马字字大大写写的的数数字字，代表同一菌株中不同限制性内切酶的编号。代表同一菌株中不同限制性内切酶的编号。限制性内切酶名称的第一个字母取自获得此内切酶的细菌属限制性内切酶的命名和意义限制性内切酶的命名和意义Eco R I序号序号序号序号属名属名属名属名种名种名种名种名株名株名株名株名例：例：例：例：Eco R IEco R I，这是从大肠杆菌（这是从大肠杆菌（这是从大肠杆菌（这是从大肠杆菌（E.coliE.coli）R R菌珠中分离菌珠中分离菌珠中分离菌珠中分离出的一种限制性内切酶出的一种限制性内切酶出的一种限制性内切酶出的一种限制性内切酶如如Hind 代表从流感噬血杆菌代表从流感噬血杆菌d株（株（Haemophilus influenzae）中分离到的第三种内切酶。）中分离到的第三种内切酶。限制性内切酶的命名和意义EcoRI序号属名种名株名例：E核苷酸的降解核苷酸的降解核苷磷酸化酶普遍存在，催化反应是可逆的。核苷水解酶主要存在于植物与微生物中，并且只针对核糖核苷，对脱 氧核糖核苷是无作用的，反应是不可逆的。核苷酸的降解核苷磷酸化酶普遍存在，催化反应是可逆的。第二部分碱基的分解代谢第二部分嘌呤碱的分解Purine Catabolism不同动物嘌呤代谢的产物不同动物嘌呤代谢的产物 灵长类、鸟类：灵长类、鸟类：尿酸尿酸其他哺乳动物、软体动物：其他哺乳动物、软体动物：尿囊素尿囊素 硬骨鱼：硬骨鱼：尿囊酸尿囊酸 软骨鱼和两栖类：软骨鱼和两栖类：尿素尿素 大多数海洋无脊椎动物：大多数海洋无脊椎动物：氨和氨和CO2 （如甲壳类动物）（如甲壳类动物）All purine degradation leads to uric acid(but it might not stop there)嘌呤碱的分解PurineCatabolism不同动物嘌呤嘌呤碱的分解首先是在各种脱氨酶的作用下水解脱去氨基。脱氨反应也可以在核苷或核苷酸的水平上进行，在动物组织中腺嘌呤脱氨酶的含量极少，而腺嘌呤核苷脱氨酶和腺嘌呤核苷酸脱氨酶的活性极高。嘌呤碱的分解嘌呤碱的分解嘌呤碱的分解首先是在各种脱氨酶的作用下水解脱去氨基。嘌呤碱的嘌呤碱基的脱氨嘌呤碱基的脱氨嘌呤碱基的脱氨嘌呤的降解嘌呤的降解 腺嘌呤腺嘌呤 鸟嘌呤鸟嘌呤 H H2 2O HO H2 2O O NH NH3 3 NH NH3 3 次黄嘌呤次黄嘌呤 黄嘌呤黄嘌呤 H H2 2O+OO+O2 2 H H2 2O O2 2 H H2 2O+OO+O2 2 H H2 2O O2 2 尿囊素尿囊素 尿酸尿酸 H H2 2O COO CO2 2+H+H2 2O O2 2 2H 2H2 2O+OO+O2 2 尿囊酸尿囊酸 尿素尿素 +乙醛酸乙醛酸 H H2 2O O 4NH4NH3 3+2CO+2CO2 2腺嘌呤脱氨酶腺嘌呤脱氨酶鸟嘌呤脱氨酶鸟嘌呤脱氨酶黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶黄嘌黄嘌呤氧呤氧化酶化酶尿酸氧化酶尿酸氧化酶尿囊尿囊素酶素酶尿囊酸酶尿囊酸酶脲酶脲酶嘌呤的降解腺嘌呤鸟嘌呤的分解代谢嘌呤的分解代谢黄嘌呤氧化酶嘌呤的分解代谢黄嘌呤氧化酶尿酸的进一步分解尿酸的进一步分解尿酸氧化酶尿酸的进一步分解尿酸氧化酶生物化学终版核酸的降解与核苷酸代谢课件生物化学终版核酸的降解与核苷酸代谢课件A CASE STUDY:GOUTA 45-year-old man awoke from sleep with a painful and swollen right great toe.On the previous night he had eaten a meal of fried liver and onions,after which he met with his poker group and drank a number of beers.He saw his doctor that morning,“gouty arthritis”was diagnosed,and some tests were ordered.His serum uric acid level was elevated at 8.0 mg/L(NL7.0 mg/L).The man recalled that his father and his grandfather,both of whom were alcoholics,often complained of joint pain and swelling in their feet.ACASESTUDY:GOUTA45-year-oA CASE STUDY:GOUTThe doctor recommended that the man use NSAIDs for pain and swelling,increase his fluid intake(but not with alcohol)and rest and elevate his foot.He also prescribed allopurinol(别嘌呤醇别嘌呤醇).A few days later the condition had resolved and allopurinol had been stopped.A repeat uric acid level was obtained(7.1 mg/L).The doctor gave the man some advice regarding life style changes.ACASESTUDY:GOUTThedoctorGoutImpaired excretion or overproduction of uric acid 尿酸排泄的削弱与过量产生Uric acid crystals precipitate into joints(Gouty Arthritis),kidneys,ureters(stones)Xanthine oxidase（黄嘌呤氧化酶）inhibitors inhibit production of uric acid,and treat goutAllopurinol treatment hypoxanthine analog that binds to Xanthine Oxidase to decrease uric acid productionGoutImpairedexcretionorover生物化学终版核酸的降解与核苷酸代谢课件ALLOPURINOL IS A XANTHINE OXIDASE INHIBITORA SUBSTRATE ANALOG IS CONVERTED TO AN INHIBITOR,IN THIS CASE A“SUICIDE-INHIBITOR”高嘌呤食物：豆苗、黄豆芽、芦笋、香菇、紫菜、动物内脏、鱼类高嘌呤食物：豆苗、黄豆芽、芦笋、香菇、紫菜、动物内脏、鱼类 ALLOPURINOLISAXANTHINEOXID生物化学终版核酸的降解与核苷酸代谢课件治疗痛风新药研发治疗痛风新药研发治疗痛风新药研发饮酒与痛风饮酒与痛风酒精在体内代谢产生乳酸，而血液乳酸水平的提高将抑制肾脏对尿酸的 排泄。啤酒中含有大量的嘌呤，饮酒相当于摄入了高嘌呤食物。饥饿状态下，体内代谢的调节可增加尿酸的形成进而影响尿酸的水平。机 理：治 疗：采取有效的药物治疗合理控制饮食 多吃碱性食物和蔬菜 少喝啤酒 多饮水，少喝汤（汤里存在大量的嘌呤）规律而健康的生活习惯适当参加体育及户外运动饮酒与痛风酒精在体内代谢产生乳酸，而血液乳酸水平的提高将抑制Adenosine Deaminase DeficiencyIn purine degradation,adenosine inosineEnzyme is Adenosine Deaminase(ADA)ADA deficiency results in SCIDSevere Combined ImmunodeficiencySelectively kills lymphocytesBoth B-and T-cellsMediate much of immune responseAdenosineDeaminaseDeficiency腺苷脱氨酶缺乏症Adenosine deaminase deficiency(ADA)：一种严重的免疫缺陷症，腺苷脱氨酶的缺乏可使T淋巴细胞因代谢产物的累积而死亡，从而导致严重的联合性免疫缺陷症（SCID）。通常导致婴儿出生几个月后死亡。腺苷脱氨酶缺乏症Adenosinedeaminasede嘧啶的分解代谢嘧啶的分解代谢嘧啶的分解代谢胞嘧啶和尿嘧啶的分解代谢胞嘧啶和尿嘧啶的分解代谢 胞嘧啶胞嘧啶尿嘧啶尿嘧啶二氢尿嘧啶二氢尿嘧啶-脲基丙酸脲基丙酸-丙氨酸丙氨酸胞嘧啶和尿嘧啶的分解代谢胞嘧啶尿嘧啶二氢尿嘧啶-脲基丙酸胸腺嘧啶的分解代谢胸腺嘧啶的分解代谢-脲基异丁酸脲基异丁酸 -氨基异丁酸氨基异丁酸二氢胸腺嘧啶二氢胸腺嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶的分解代谢-脲基异丁酸胞嘧啶胞嘧啶NH3尿嘧啶尿嘧啶二氢尿嘧啶二氢尿嘧啶 H2OCO2+NH3-丙氨酸丙氨酸胸腺嘧啶胸腺嘧啶-脲基异丁酸脲基异丁酸-氨基异丁酸氨基异丁酸H2O丙二酸单酰丙二酸单酰CoA乙酰乙酰CoATCA肝肝尿素尿素甲基丙二酸单酰甲基丙二酸单酰CoA琥珀酰琥珀酰CoATCA糖异生糖异生胞嘧啶NH3尿嘧啶二氢尿嘧啶H2OCO2+NH3-胸腺嘧啶的分解代谢胸腺嘧啶的分解代谢胸腺嘧啶的分解代谢-脲基异丁酸脲基异丁酸-脲基异丁酸-氨基异丁酸氨基异丁酸-脲基异丁酸脲基异丁酸-氨基异丁酸-脲基异丁酸甲基丙酰半醛-氨基异丁酸氨基异丁酸甲基丙酰半醛-氨基异丁酸生物化学终版核酸的降解与核苷酸代谢课件-氨基异丁酸氨基异丁酸-丙氨酸丙氨酸-氨基异丁酸-丙氨酸第三部分核苷酸的生物合成第三部分嘌呤核糖核苷酸的生物合成嘌呤核糖核苷酸的生物合成嘌呤核糖核苷酸的生物合成Bases/Nucleosides/Nucleotides BaseBase+Sugar=NucleosideBase+Sugar+Phosphate=NucleotideAdenineDeoxyadenosineDeoxyadenosine 5-triphosphate(dATP)Bases/Nucleosides/Nucleotides概述：从头合成基本途径半合成（补救合成）（CO2/NH3/AA/戊糖）核糖核苷酸分解的现成嘌呤、嘧啶ATP概述：（CO2/NH3/AA/戊糖）核苷酸合成的两条途径核苷酸合成的两条途径核糖、氨基酸、CO2、NH3核糖核苷酸脱氧核苷酸辅酶RNA核苷碱基脱氧核苷DNA补救途径补救途径补救途径补救途径 从头合成从头合成从头合成从头合成核苷酸合成的两条途径核糖、氨基酸、CO2、NH3核糖核苷酸脱嘌呤核苷酸环上原子来源嘌呤核苷酸环上原子来源嘌呤核糖核苷酸的合成嘌呤核糖核苷酸的合成125867349嘌呤核苷酸环上原子来源嘌呤核糖核苷酸的合成125867349次黄嘌呤核苷酸的合成次黄嘌呤核苷酸的合成 各各种种嘌嘌呤呤核核苷苷酸酸的的合合成成是是先先合合成成次次黄黄嘌嘌呤呤核核苷苷酸酸，再再转转变变成成各各种种嘌嘌呤呤核核苷苷酸酸。此此途途径径叫叫嘌嘌呤呤核核苷苷酸酸的的从从头头合合成成途途径径（de novo synthesis pathway）。次次黄黄嘌嘌呤呤核核苷苷酸酸的的合合成成是是在在核核糖糖上上合合成成次次黄黄嘌嘌呤呤的的，而而不不是是先先合合成成次次黄黄嘌嘌呤呤，再再与与核核糖糖结合的。结合的。次黄嘌呤核苷酸的合成各种嘌呤核苷酸的合成是先合成次黄嘌呤核苷酸的合成嘌呤核苷酸的合成嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢谷氨酰胺提供谷氨酰胺提供N9N9甘氨酸提供甘氨酸提供C4C4，5 5和和N7N7嘌呤核苷酸的合成嘌呤核苷酸的合成代谢谷氨酰胺提供N9甘氨酸提嘌呤核苷酸的合成嘌呤核苷酸的合成嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢一碳单位提供一碳单位提供C8C8谷氨酰胺提供谷氨酰胺提供N3N3N10-甲酰甲酰FH4嘌呤核苷酸的合成嘌呤核苷酸的合成代谢一碳单位提供C8谷氨酰胺嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢CO2CO2提供提供C6C6天冬氨酸提供天冬氨酸提供N1N1一碳单位提供一碳单位提供C2C2ATPATP嘌呤核苷酸的合成代谢CO2提供C6天冬氨酸提供N1一碳单位提嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢天冬氨酸提供天冬氨酸提供C6C6上的氨基上的氨基谷氨酰胺提供谷氨酰胺提供C2C2上的氨基上的氨基嘌呤核苷酸的合成代谢天冬氨酸提供C6上的氨基谷氨酰胺提供C2ATP和和GTP的合成的合成嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢ATP和GTP的合成嘌呤核苷酸的合成代谢核苷酸合成的补救途径核苷酸合成的补救途径 生生物物体体内内除除了了能能以以简简单单前前体体物物质质“从从头头合合成成”（de novo synthesis）核核苷苷酸酸外外，还还能能利利用用预预先先形形成成的的碱碱基基和和核核糖糖合合成成核核苷苷酸酸。这这个个途途径径称称为为“补补救救途径途径”（salvage pathway）。）。核苷酸合成的补救途径生物体内除了能以简单前体物质“从嘌呤核苷酸合成的补救途径嘌呤核苷酸合成的补救途径核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶腺苷激酶腺苷激酶磷酸核糖转移酶磷酸核糖转移酶磷酸核糖转移酶磷酸核糖转移酶只有腺苷激酶，其只有腺苷激酶，其他核苷酸只能按以他核苷酸只能按以下反应产生。下反应产生。（A）（B）嘌呤核苷酸合成的补救途径核苷磷酸化酶腺苷激酶磷酸核糖转移酶磷嘌呤核苷酸的合成代谢嘌呤核苷酸的合成代谢PRPP补救途径补救途径5 5磷酸核糖焦磷酸磷酸核糖焦磷酸腺嘌呤腺嘌呤腺嘌呤磷酸核糖转移酶嘌呤核苷酸的合成代谢PRPP补救途径5磷酸核糖焦磷酸腺嘌呤嘌呤核苷酸合成特点嘌呤核苷酸合成特点先形成先形成IMP(次黄嘌呤核苷酸次黄嘌呤核苷酸)，然后在单磷酸的水平上，然后在单磷酸的水平上转变成转变成AMP、GMP。IMP合成从合成从5-P-核糖开始的，在核糖开始的，在ATP参与下先形成参与下先形成PRPP(5-磷酸核糖焦磷酸磷酸核糖焦磷酸)嘌呤的各个原子是在嘌呤的各个原子是在PRPP的的C1上逐渐加上去的。由上逐渐加上去的。由Asp、Gln、Gly、甲酸、甲酸、CO2 提供提供N和和C，合成时先形，合成时先形成右环，再形成左环。成右环，再形成左环。四氢叶酸（四氢叶酸（FH4）是一碳单位的载体）是一碳单位的载体 嘌呤核苷酸合成特点先形成IMP(次黄嘌呤核苷酸)，然后在单磷嘌呤核苷酸生物合成的调节嘌呤核苷酸生物合成的调节别构酶：受终产物抑制；别构酶：受终产物抑制；受终产物抑制受终产物抑制受终产物抑制受终产物抑制嘌呤核苷酸生物合成的调节别构酶：受终产物抑制；受终产物生物化学终版核酸的降解与核苷酸代谢课件Nucleotide MetabolismPURINERIBONUCLEOTIDES:formeddenovoi.e.,purinesarenotinitiallysynthesizedasfreebasesFirstpurinederivativeformedisInosineMono-phosphate(IMP)ThepurinebaseishypoxanthineAMPandGMPareformedfromIMPNucleotideMetabolismPURINERI生物化学终版核酸的降解与核苷酸代谢课件De novo synthesis5-5-磷酸核糖磷酸核糖胺胺,PRA,PRADenovosynthesis5-磷酸核糖胺,PRA甘氨酰胺甘氨酰胺核苷酸核苷酸甘氨酰胺核苷酸甲酰甲酰甘氨酰胺核苷酸甘氨酰胺核苷酸甲酰甘氨酰胺核苷酸甲酰甘氨甲酰甘氨咪咪核苷酸核苷酸甲酰甘氨咪核苷酸5-5-氨基氨基咪唑咪唑核苷酸核苷酸5-氨基咪唑核苷酸生物化学终版核酸的降解与核苷酸代谢课件5-5-氨基氨基-4-4-羧酸咪唑核苷酸羧酸咪唑核苷酸5-氨基-4-羧酸咪唑核苷酸5-5-氨基咪唑氨基咪唑-4-(N-4-(N-琥珀酸琥珀酸)-氨甲酰氨甲酰核苷酸核苷酸5-氨基咪唑-4-(N-琥珀酸)5-5-氨基咪唑氨基咪唑-4-4-氨甲酰氨甲酰核苷酸核苷酸5-氨基咪唑-4-氨甲酰5-甲酰胺甲酰胺-4-氨甲酰咪唑氨甲酰咪唑核苷酸核苷酸5-甲酰胺-4-氨甲酰咪唑核苷酸生物化学终版核酸的降解与核苷酸代谢课件Synthesis of AMP and GMPSynthesisofAMPandGMP生物化学终版核酸的降解与核苷酸代谢课件延胡索酸延胡索酸延胡索酸生物化学终版核酸的降解与核苷酸代谢课件生物化学终版核酸的降解与核苷酸代谢课件kinaseADPkinaseADPATPATPADPAMPATPkinaseGDPkinaseADPGTPATPADPGMPATPkinaseADPkinaseADPATPATPADPAMPPurine SalvageAdenine phosphoribosyl transferase(APRT)Adenine+PRPP AMP+PPiHypoxanthine-Guanine phosphoribosyl transferase(HGPRT)Hypoxanthine+PRPP IMP+PPiGuanine+PRPP GMP+PPi(NOTE:THESE ARE ALL REVERSIBLE REACTIONS)PurineSalvageAdeninephosphorPurine Nucleotide Synthesis at a GlanceATP is involved in 6 stepsPRPP in the first step of Purine synthesis is also a precursor for Pyrimidine Synthesis,His and Trp synthesisPurineNucleotideSynthesisaRegulatory Control of Purine Nucleotide BiosynthesisGTP is involved in AMP synthesis and ATP is involved in GMP synthesis(reciprocal control of production)PRPP is a biosynthetically“central”molecule Rate of AMP production increases with increasing concentrations of GTP;rate of GMP production increases with increasing concentrations of ATPRegulatoryControlofPurineNIntracellular Purine CatabolismNucleotides broken into nucleosides by action of 5-nucleotidase (hydrolysis reactions)Purine nucleoside phosphorylase(PNP)Inosine HypoxanthineXanthosine XanthineGuanosine GuanineRibose-1-phosphate splits offCan be isomerized to ribose-5-phosphateAdenosine is deaminated to Inosine(ADA)IntracellularPurineCatabolisIntracellular Purine CatabolismXanthineisthepointofconvergenceforthemetabolismofthepurinebasesXanthineUricacidXanthineoxidasecatalyzestworeactionsIntracellularPurineCatabolis生物化学终版核酸的降解与核苷酸代谢课件雷雷-纳（二氏）综合症纳（二氏）综合症 LeschNyhan syndrome1964年首由Lesch和Nyhan二氏报道的一种先天性的代谢疾病。表现为血高尿酸症、高度智力障碍、脑源性麻痹、自伤症（自我咬伤）等的伴性遗传性疾病伴性遗传性疾病。发病的本质是基于组织中缺少与嘌呤有关的一种酶嘌呤有关的一种酶次次黄嘌呤鸟嘌呤转磷酸核糖基酶黄嘌呤鸟嘌呤转磷酸核糖基酶（hypoxanthine（guanine）phosphoribosyltransferase，HGPRT），鸟嘌呤和次黄嘌呤补救途径障碍，导致产生过量的尿酸，导致肾结石和痛风。自我咬伤是咬自己的手指、嘴唇、颊部的一种怪癖，可作本症的一种重要特征。对于诊断原因不明的脑源性麻痹的男性病例中，在怀疑为本症时，测定其尿中和血中的尿酸是必要的。雷-纳（二氏）综合症LeschNyhansyndroLesch-Nyhan SyndromeA defect in production or activity of HGPRT Hypoxanthine-Guanine phosphoribosyl transferase Hypoxanthine+PRPP IMP+PPiCauses increased level of Hypoxanthine and Guanine(in degradation to uric acid)Causes gout-like symptoms,but also neurological symptoms spasticity,aggressiveness,self-mutilation 痉挛 具有侵略性 自我伤害First neuropsychiatric abnormality that was attributed to a single enzymeLesch-NyhanSyndromeAdefecti嘧啶核糖核苷酸的生物合成嘧啶核糖核苷酸的生物合成嘧啶核糖核苷酸的生物合成 嘧啶核苷酸的嘧啶环是由嘧啶核苷酸的嘧啶环是由氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸和和天冬天冬氨酸氨酸合成的合成的。氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸天冬氨酸天冬氨酸嘧啶核苷酸的生物合成嘧啶核苷酸的生物合成嘧啶核苷酸的嘧啶环是由氨甲酰磷酸和天冬氨酸合成的。氨甲酰磷嘧啶核苷酸合成特点：其合成与嘌呤核苷嘧啶核苷酸合成特点：其合成与嘌呤核苷酸的合成不同，先由酸的合成不同，先由氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸与与天冬氨天冬氨酸酸形成形成嘧啶环嘧啶环，再与，再与5-磷酸核糖焦磷酸磷酸核糖焦磷酸（PRPP）结合形成）结合形成 UMP，其关键的中间，其关键的中间产物是产物是乳清酸乳清酸。胞苷酸胞苷酸则由则由尿苷酸尿苷酸在三磷在三磷酸的水平上转变而来。酸的水平上转变而来。嘧啶核苷酸合成特点：其合成与嘌呤核苷酸的合成不同，先由氨甲酰嘧啶环碳原子和氮原子的来源嘧啶环碳原子和氮原子的来源嘧啶核苷酸的合成代谢嘧啶核苷酸的合成代谢天冬氨酸嘧啶环碳原子和氮原子的来源嘧啶核苷酸的合成代谢天冬氨酸氨基甲酰磷酸的合成氨基甲酰磷酸的合成CO2CO2提供提供C2C2，GlnGln提供提供N3N3嘧啶核苷酸的合成代谢嘧啶核苷酸的合成代谢氨基甲酰磷酸的合成CO2提供C2，Gln提供N3嘧啶核苷酸的乳清酸的合成乳清酸的合成嘧啶核苷酸的合成代谢嘧啶核苷酸的合成代谢乳清酸的合成嘧啶核苷酸的合成代谢嘧啶核苷酸的合成代谢嘧啶核苷酸的合成代谢嘧啶核苷酸的合成代谢嘧啶核苷酸的合成代谢嘧啶核苷酸的合成代谢ATPATP提供能量提供能量嘧啶核苷酸的合成代谢ATP提供能量嘧啶核苷酸合成的补救途径嘧啶核苷酸合成的补救途径UMP磷酸核糖磷酸核糖转移酶转移酶尿苷磷酸化酶尿苷磷酸化酶尿苷激酶尿苷激酶胞苷激酶胞苷激酶胞嘧啶一般只参与嘧啶核苷激酶催化的这种途径胞嘧啶一般只参与嘧啶核苷激酶催化的这种途径(A)(B)嘧啶核苷酸合成的补救途径UMP磷酸核糖尿苷磷酸化酶尿苷激酶胞嘧啶核苷酸的合成代谢嘧啶核苷酸的合成代谢嘧啶核苷酸的合成代谢Pyrimidine Ribonucleotide SynthesisUridine Monophosphate(UMP)is synthesized firstCTP is synthesized from UTPPyrimidine ring synthesis completed first;then attached to ribose-5-phosphateN1,C4,C5,C6:AspartateC2:HCO3-N3:Glutamine amide NitrogenPyrimidineRibonucleotideSyntPyrimidine SynthesisPyrimidineSynthesis生物化学终版核酸的降解与核苷酸代谢课件生物化学终版核酸的降解与核苷酸代谢课件生物化学终版核酸的降解与核苷酸代谢课件生物化学终版核酸的降解与核苷酸代谢课件UMP Synthesis Overview2ATPsneeded:bothusedinfirststepOnetransfersphosphate,theotherishydrolyzedtoADPandPi2condensation:formcarbamoylaspartateanddihydroorotate(intramolecular)AttachmentofbasetoriboseringiscatalyzedbyOPRT;PRPPprovidesribose-5-PPPisplitsoffPRPPirreversibleUMPSynthesisOverview2ATPsn嘧啶核苷酸合成的调节嘧啶核苷酸合成的调节氨甲酰磷酸合成酶氨甲酰磷酸合成酶天冬氨酸转氨甲酰酶天冬氨酸转氨甲酰酶CTPCTP合成酶合成酶嘧啶核苷酸合成的调节氨甲酰磷酸合成酶天冬氨酸转氨甲酰酶乳清酸尿症乳清酸尿症(Oroticaciduria)乳清酸尿症是一种遗传性疾病，主要表现为尿中排出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。是由于催化嘧啶核苷大量乳清酸、生长迟缓和重度贫血。是由于催化嘧啶核苷酸从头合成反应酸从头合成反应(5)(5)和和(6)(6)的双功能酶的双功能酶(乳清酸磷酸核糖转乳清酸磷酸核糖转移酶（移酶（OPRTOPRT）和乳清酸脱羧酶（）和乳清酸脱羧酶（OMPOMP脱羧酶）脱羧酶）)的基因缺的基因缺陷所致。临床用尿苷或胞苷治疗。尿苷经磷酸化可生成陷所致。临床用尿苷或胞苷治疗。尿苷经磷酸化可生成UMPUMP，抑制，抑制CPS(CPS(氨基甲酰磷酸合成酶）氨基甲酰磷酸合成酶）活性，从而抑制活性，从而抑制嘧啶核苷酸的从头合成，从而避免乳清酸在体内的积累。嘧啶核苷酸的从头合成，从而避免乳清酸在体内的积累。乳清酸尿症(Oroticaciduria)Orotic AciduriaCausedbydefectinproteinchainwithenzymeactivitiesoflasttwostepsofpyrimidinesynthesisIncreasedexcretionoforoticacidinurineSymptoms:retardedgrowth;severeanemiaOnlyknowninheriteddefectinthispathway(allotherswouldbelethaltofetus)Treatwithuridine/cytidineOroticAciduriaCausedbydefec生物化学终版核酸的降解与核苷酸代谢课件生物化学终版核酸的降解与核苷酸代谢课件脱氧核糖核苷酸的生物合成脱氧核糖核苷酸的生物合成脱氧核糖核苷酸的生物合成脱氧核糖核苷酸的合成脱氧核糖核苷酸的合成 脱脱氧氧核核糖糖核核苷苷酸酸是是由由核核糖糖核核苷苷酸酸还还原原产产生生的的。在在生生物物体体内内，腺腺嘌嘌呤呤、鸟鸟嘌嘌呤呤、胞胞嘧嘧啶啶和和尿尿嘧嘧啶啶四四种种核核糖糖核核苷苷酸酸都都可可以以被被还还原原成成相相应应的的脱脱氧氧核核糖糖核核苷苷酸酸。催催化化此此反反应应的的酶酶称称为为核核糖糖核核苷酸还原酶苷酸还原酶。脱氧核糖核苷酸的合成脱氧核糖核苷酸是由核糖核苷酸还原大肠杆菌核糖核苷酸还原酶大肠杆菌核糖核苷酸还原酶 核核糖糖核核苷苷酸酸还还原原酶酶由由R1和和R2两两个个亚亚基基组组成成，它它们们分分开开时没有活性，只有合在一起并有时没有活性，只有合在一起并有镁离子镁离子存在时才有活性。存在时才有活性。R1亚亚基基含含有有两两条条相相同同的的多多肽肽链链，每每条条多多肽肽链链上上有有两两个个别别构构调调节节位位点点。一一个个调调节节位位点点结结合合效效应应物物后后影影响响对对底底物物的的特特异异性性，另另一一个个调调节节位位点点结结合合效效应应物物后后调调节节酶酶的的活活性性，每每条条肽肽链链上上还还含含有有一一对对参参与与催催化化氧氧化化还还原原反反应应的的巯巯基基。每每个个R2亚基亚基均含有参与催化氧化还原反应的均含有参与催化氧化还原反应的酪氨酸酪氨酸。大肠杆菌核糖核苷酸还原酶核糖核苷酸还原酶由R1和R2两核糖核苷酸还原酶示意图核糖核苷酸还原酶示意图底物特异性底物特异性调节位点调节位点酶活性调节酶活性调节位点位点活性位点活性位点R1R1亚基亚基R2R2亚基亚基一对巯基和一个一对巯基和一个酪氨酸酪氨酸推进推进UDPUDP和和CDPCDP的还原的还原推进推进GDPGDP和和ADPADP的还原的还原别构效应物别构效应物核糖核苷酸还原酶示意图底物特异性调节位点酶活性调节位点活性位硫氧还蛋白硫氧还蛋白核糖核苷酸还原酶系核糖核苷酸还原酶系硫氧还蛋白还原酶硫氧还蛋白还原酶核糖核苷酸还原酶核糖核苷酸还原酶硫氧还蛋白核糖核苷酸还原酶系硫氧还蛋白还原酶核糖核苷酸还原酶核糖核苷酸的还原反应核糖核苷酸的还原反应核糖核苷酸还原酶核糖核苷酸还原酶NADP+NADPH+H+硫氧还蛋白硫氧还蛋白还原酶还原酶FADH2ATP、Mg2+硫氧还蛋白硫氧还蛋白（还原型）（还原型）SHSH硫氧还蛋白硫氧还蛋白（氧化型）（氧化型）SSOP-P-CH2NOHOH核糖核苷二磷酸核糖核苷二磷酸OP-P-CH2NOHH+H2O脱氧核糖核苷二磷酸脱氧核糖核苷二磷酸核糖核苷酸的还原反应核糖核苷酸还原酶NADP+NADPH+HFormation of DeoxyribonucleotidesoxidizedreducedFormationofDeoxyribonucleoti核糖核苷酸还原酶催化反应时的氢传递过程核糖核苷酸还原酶催化反应时的氢传递过程核糖核苷酸还原酶催化反应时的氢传递过程脱氧胸腺嘧啶核苷酸的合成脱氧胸腺嘧啶核苷酸的合成 胸腺嘧啶核苷酸合成酶胸腺嘧啶核苷酸合成酶NADPH+H+SerNADP+Gly N5、N10CH2 FH4 FH2二氢叶酸二氢叶酸还原酶还原酶SerSer羟甲基羟甲基转移酶转移酶ONHNOdR-PCH3ONHNOdR-P脱氧胸腺嘧啶核苷酸的合成胸腺嘧啶核苷酸合成酶NADPH+COHNCCHCHNOdR-5-PdUMPCOHNCC-CH3CHNOdR-5-PdTMP synthaseFH2N5,N10-methylene FH4FH4DHFRNADPH+H+NADP+dTMPkinasedTDPkinaseADPdTTPATPADPdTMPATPThymidylate synthase methylates dUMP at 5-position to make dTMPN5,N10-methylene THF is 1-C donorCOHNCCHCHNOdR-5-PdUMPCOHNCC-CSynthesis of the Thymine NucleotidesSynthesisoftheThymineNucle叶酸和四氢叶酸（叶酸和四氢叶酸（FH4）叶叶酸酸四四氢氢叶叶酸酸HH105N N5 5，N N1010-CH-CH2 2-FH-FH4 4N N5 5-CHO-FH-CHO-FH4 4CHCH2 2CHOCHO叶酸和四氢叶酸（FH4）叶酸四氢叶酸HH105N5，N10-核苷酸合成的其他反应核苷酸合成的其他反应AMPAMP激酶激酶核苷二磷酸核苷二磷酸激酶激酶脱氧核糖基转移酶脱氧核糖基转移酶有有4 4种针对不同种针对不同NMPNMP的激酶的激酶此酶特异性不强此酶特异性不强此酶可以使碱基与脱氧核苷上的碱基交换此酶可以使碱基与脱氧核苷上的碱基交换核苷酸合成的其他反应AMP激酶核苷二磷酸激酶脱氧核糖基转移酶 嘌呤类似物（嘌呤类似物（6-6-巯基嘌呤）：可抑制巯基嘌呤）：可抑制AMPAMP、GMPGMP的生成的生成 谷胺酰胺类似物（氮杂丝氨酸）：可抑制谷胺酰胺类似物（氮杂丝氨酸）：可抑制IMPIMP的合成中有谷胺酰胺参与的反应的合成中有谷胺酰胺参与的反应 叶酸类似物（氨基喋呤、氨甲喋呤）：可抑制叶酸类似物（氨基喋呤、氨甲喋呤）：可抑制IMPIMP合成中有四氢叶酸参与的反应合成中有四氢叶酸参与的反应临床上几种抗癌药物的作用机理嘌呤类似物（6-巯基嘌呤）：可抑制AMP、GMP的生成临床嘌呤核苷酸的抗代谢物嘌呤核苷酸的抗代谢物嘌呤类似物嘌呤类似物:8-8-氮杂次黄嘌呤氮杂次黄嘌呤N OHNNNHN SHNNNHN SHNNNHH2NN OHNNNHN6-6-巯基鸟嘌呤巯基鸟嘌呤次黄嘌呤次黄嘌呤6-6-巯基嘌呤巯基嘌呤（6-MP）嘌呤核苷酸的抗代谢物嘌呤类似物:8-氮杂次黄嘌呤NOHNN氨基酸类似物氨基酸类似物 抑制有谷氨酰胺参与的反应抑制有谷氨酰胺参与的反应H2NCCH2CH2CHCOOHONH2N+NCH2COCH2CHCOOHONH2N+NCH2CCH2CH2CHCOOHONH2谷氨酰胺谷氨酰胺氮杂丝氨酸（重氮乙酰丝氨酸）氮杂丝氨酸（重氮乙酰丝氨酸）6-6-重氮重氮-5-5-氧正亮氨酸氧正亮氨酸氨基酸类似物抑制有谷氨酰胺参与的反应H2NCCH2叶酸类似物叶酸类似物 抑制有