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核酸与核苷酸代谢 Nucleic acid &Nucleotide Metabolism
宋潇达
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上节课内容： α-酮酸的去路： ①氨基化生成非必需氨基酸（如丙氨酸、谷氨酸和天冬氨酸由一步转氨反应合成，其它的也是通过短的，不太耗能的途径合成）；②转变成糖和脂肪；③氧化供能 生糖氨基酸 生酮氨基酸 一碳单位 概念：甲基、亚甲基（-CH2-）、次甲基（-CH=）、甲酰基、亚胺甲基（-CH=NH）等，称为一碳单位。 一碳单位主要来源于丝氨酸、甘氨酸、组氨酸及色氨酸的代谢。 碳单位不能游离存在，必须与载体四氢叶酸（FH4或THFA）结合转运和参与代谢。 S-腺苷甲硫氨酸（SAM） 甲硫氨酸循环 主要是作为合成嘌呤和嘧啶核苷酸的原料。是将氨基酸和核苷酸代谢联系起来，与细胞的增殖、生长和机体发育过程有密切关系。
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氨基酸的脱羧作用 γ-氨基丁酸（GABA），是一种抑制性神经递质 组胺可控制血管收缩以及胃分泌胃酸 5-羟色胺（5-HT），也是一种神经递质 牛磺酸 疾病： 苯丙氨酸和酪氨酸是两种重要的芳香族氨基酸。苯丙氨酸经羟化作用生成酪氨酸。后者参与儿茶酚胺、黑色素等代谢。苯酮酸尿症、白化病等遗传病与它们代谢异常有关。 磺胺类药物的机理 包括TMP
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目录 Section 1. 总览 Section 2. 核酸的消化，吸收及分解 Section 3. 核苷酸的分解
嘌呤的分解 嘧啶的分解 Section 4. 核苷酸的合成 嘧啶合成 嘌呤的合成 核糖核苷酸及脱氧核糖核苷酸的合成 核苷酸是核酸的基本结构单位，具有多种重要的生理功能。人体内的核苷酸主要由机体细胞自身合成。因此，一般不作为营养必需物质。食物中的核酸多以核蛋白的形式存在，受胃酸作用，分解成核酸与蛋白质；核酸经胰液和肠液各种水解酶的作用逐步水解，食物来源的嘌呤和嘧啶极少被机体利用。动物可以分泌水解酶类来分解食物中的核蛋白和核酸类物质，植物一般不能消化体外的有机物质。但所有生物细胞都含有与核酸代谢有关的酶类。 本章重点讨论核苷酸在体内的合成。 目录
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Section 1. 总览 碱基：嘌呤(Purine)& 嘧啶(Pyrimidine)
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糖：核糖(Ribose) & 脱氧核糖(Deoxyribose)
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核苷：糖 + 碱基 腺苷(Adenosine)：核糖 + 腺嘌呤
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Naming Review
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Section 2. 核酸的消化，吸收及分解 食物核蛋白 胃酸 蛋白质 核酸 (RNA及DNA) 胰核酸酶 核苷酸 胰、肠核苷酸酶 磷酸
核酸酶作用核酸链的磷酸二酯键产生寡聚核苷酸和单核苷酸。按作用底物分为核糖核酸酶（RNase）和脱氧核糖核酸酶（DNase）；按作用部位有核酸内切酶和核酸外切酶；在细菌中存在一类能识别并水解外源DNA的核酸内切酶，称作限制性内切酶，可用于特异切割DNA，是很有用的工具酶。 核苷磷酸化酶将核苷和磷酸转化成游离碱基和戊糖-1-磷酸，反应是可逆的，此酶存在广泛 磷酸 核苷 核苷磷酸化酶 戊糖 碱基
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Section 3. Purine Catabolism
黄嘌呤 次黄嘌呤 不同种类的生物分解嘌呤碱的能力不同，因而代谢终产物不同。人、猿、鸟类和某些爬虫类和昆虫以尿酸作为嘌呤碱分解的终产物而排泄。其他生物能进一步降解尿酸为尿嚢素、尿嚢酸、尿素，甚至氨。有什么不同？带核糖的问题。在动物组织中，腺嘌呤脱氨酶的含量极少，而腺苷酸脱氨酶和腺苷脱氨酶的活性较高 肝脏、小肠及肾脏
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痛风（Gout）： 1799年的图片。画示意图。在人体内嘌呤的分解主要在肝脏、小肠及肾脏中进行。正常人血浆中尿酸的含量为20～60mg/L，超过80 mg/L时，尿酸盐晶体沉积于关节、软组织、软骨及肾而导致关节炎、尿路结石和肾病，称痛风症。
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次黄嘌呤 治疗痛风的常用药物是别嘌呤醇，与次黄嘌呤结构非常类似，在细胞内被转换为别黄嘌呤，是黄嘌呤脱氢酶的一个很强的抑制剂，可防止非正常的高水平的尿酸的形成。 别嘌呤醇
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Section 3. Pyrimidine Catabolism
有氨基的嘧啶先水解脱氨，如胞嘧啶脱氨生成尿嘧啶。也可能在核苷或核苷酸水平进行 。胞嘧啶→尿嘧啶→二氢尿嘧啶
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二氢尿嘧啶→β-脲基丙酸→β-丙氨酸→乙酰C0A→TCA
嘧啶的降解主要在肝脏进行 产物易溶于水
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Section 4. 核苷酸的合成 分为两种途径： ⌘ 补救合成途径（Salvage Pathway）： 嘌呤和活化核糖
⌘ 从头合成途径（De Novo Pathway）： 氨基酸，ATP，二氧化碳和活化核糖 有从头合成和补救合成两条基本途径。从头合成是由简单的前体分子（如氨基酸、CO2、NH3、戊糖磷酸）经过较复杂的酶促反应逐步合成核苷酸，是主要途径。补救合成是利用体内游离的碱基或核苷合成核苷酸，是省能的、简单的反应过程，消耗的ATP少，节省一些氨基酸的消耗。 肝组织主要进行从头合成，而脑、骨髓、红细胞等只能进行补救合成。新生及年轻组织的内源性核苷酸从头合成比例大；而衰老组织及肝功能降低时，补救合成比例增大。
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从头合成途径所需的底物来源。补救合成途径不需要对应的底物。
嘌呤和嘧啶环上原子的来源： 天冬氨酸 谷氨酰胺 N10-甲酰基-四氢叶酸 甘氨酸 二氧化碳 氨基甲酰磷酸 天冬氨酸 用同位素标记示综实验， 比较重要 从头合成途径所需的底物来源。补救合成途径不需要对应的底物。
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5-磷酸核糖焦磷酸（PRPP）的合成： ⌘ PRPP的用途：嘧啶，嘌呤核苷的从头合成；嘧啶，嘌呤核苷的补救合成；组氨酸，色氨酸的合成 ⌘ 由5-磷酸核糖（R-5-P）和ATP为原料 ⌘ PRPP synthetase 被产物AMP，及GMP，IMP等抑制
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Section 4.1 嘧啶的从头合成： 先合成尿嘧啶核苷酸再转化为 胞嘧啶核苷酸。 分别转化为脱氧胸腺嘧啶核苷酸和 脱氧胞嘧啶核苷酸
嘧啶环的原料来自谷氨酰胺、天冬氨酸及CO2。主要在肝脏胞液中进行。 先合成嘧啶环，再与PRPP反应形成最初产物尿嘧啶核苷酸（UMP），涉及6步反应。
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⌘ 需要氨基甲酰磷酸合成酶（Carbamoyl-P synthetase II）
第一步：合成氨基甲酰磷酸 氨甲酰磷酸合成酶（CPS-Ⅱ）催化谷氨酰胺、HCO3-和ATP生成氨甲酰磷酸（在真核生物中，有两种氨甲酰磷酸合成酶，线粒体中的是CPS-I，是首先发现的，生成的氨甲酰磷酸用于合成尿素；胞液中的CPS-Ⅱ，催化嘧啶合成的第一步关键反应）。 ⌘ 总共需要两分子ATP ⌘ 需要氨基甲酰磷酸合成酶（Carbamoyl-P synthetase II）
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第二，三，四步：合成乳清酸 Asparate transcarbamoylase Dihydroorotase dehydrogenase
天冬氨酸转氨甲酰酶催化氨甲酰磷酸结合天冬氨酸生成氨甲酰天冬氨酸；二氢乳清酸酶将其环化；二氢乳清酸脱氢酶进一步氧化生成乳清酸
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⌘ PRPP与乳清酸反应生成乳清酸核苷酸（OMP）
第五步：合成乳清酸核苷酸 ⌘ PRPP与乳清酸反应生成乳清酸核苷酸（OMP） 乳清酸磷酸核糖转移酶催化乳清酸与PRPP反应生成乳清苷酸（OMP）
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第六步：乳清酸核苷酸脱羧合成尿嘧啶核苷酸
OMP decarboxylase 乳清苷酸脱羧酶催化脱羧生成UMP。
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胞嘧啶核苷酸的合成 CTP synthetase CTP是由UMP合成的
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先合成次黄嘌呤核苷酸（IMP）再转化为腺嘌呤核苷酸（AMP）和鸟嘌呤核苷酸（GMP）。
Section 4.2 嘌呤的从头合成： 先合成次黄嘌呤核苷酸（IMP）再转化为腺嘌呤核苷酸（AMP）和鸟嘌呤核苷酸（GMP）。 分别转化为脱氧腺嘌呤核苷酸（dATP）和脱氧鸟嘌呤核苷酸（dGTP） 用同位素标记示综实验，证明生物体内能利用二氧化碳、甲酸盐、谷氨酰胺、天冬氨酸和甘氨酸作为合成嘌呤环的前体。嘌呤环的N-1来自天冬氨酸的氨基；N-3、N-9来自谷氨酰胺的酰胺基；C-2、C-8的来自甲酸盐；C-6来自CO2；C-4、C-5、N-7来自甘氨酸。 从头合成的器官主要有肝脏、小肠粘膜及胸腺，在胞液中进行 次黄嘌呤核苷酸（IMP）
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第一阶段第5步反应形成咪唑五元环。先是PRPP转酰胺酶(关键酶)催化PRPP脱去焦磷酸并结合来自谷氨酰胺的氨基，生成5-磷酸核糖胺（PRA）。然后由甘氨酰胺核苷酸合成酶、甘氨酰胺核苷酸转甲酰基酶、甲酰甘氨脒核苷酸合成酶、氨基脒唑核苷酸合成酶依次将甘氨酸、一碳单位等基团连接上去形成5-氨基咪唑核苷酸（AIR）。
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第二阶段的第10步反应形成嘧啶六元环
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Regulation Pyrimidine Synthesis
Regulation Purine Synthesis 主要调节酶氨甲酰磷酸合成酶Ⅱ受UMP反馈抑制 1.调节位点：有3处。PRPP合成酶受AMP和GMP等的反馈抑制；谷氨酰胺-PRPP转酰胺酶是最主要的调控部位，它受到AMP和GMP等的变构抑制；由IMP转变成AMP或GMP时也受它们的反馈抑制。
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Deoxyibonucleotides
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Ribonucleotide Reductase
A tetramer: R12R22 or α2β2
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Ribonucleotide Reductase
RNR is an α2β2 tetramer: an α2 dimer, R1 (86 kD) associated with a β2 dimer, R2 (43.5 kD). A = an activity site on each α (an on-off switch) S = a specificity site on each α (indicates substrates to be used at C) C = a catalytic site at each αβ interface
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The R2 subunit Each β subunit of R2 contains and Fe+3 and Tyr122.
Radical formation by iron initiates the reaction: Fe+3 (in R2) + 122Tyr-OH (in R2) – > Fe Tyr-O∙ The radical then transfers to Cys: 122Tyr-O∙ + 439Cys-SH (in R1) – > 122Tyr-OH + 439Cys-S∙
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Step 1 e transfer from Cys on R1 to Tyr on R2:
122Tyr-O∙ + 439Cys-SH (in R1) – > 122Tyr-OH + 439Cys-S∙
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Step 2 H· transfer from C3' in the ribosyl group to the thiol radical leaves a C radical at 3'
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Step 3 A carbonyl forms at C3', the radical moves to C2' and eliminates OH- which forms water. 225Cys-SH & 262Cys-SH (R1) > 225Cys-S- 262Cys-SH
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Step 4 Disulfide formation moves H: to C2' and the radical goes back to C3'
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Step 5 C3' radical regains H· leaving the thiol radical
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Step 6 e transfer back from Tyr in R2 and a gain of a proton completes the cycle.
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Disulfide Reduction Mechanism
Regeneration of the Cys thiols from the disulfide in R1 uses thioredoxin and thioredoxin reductase. 225Cys-S-S262Cys SH SH S-S Thioredoxin Thioredoxin FADH2 NADP+ Reductase 225Cys-SH 262Cys-SH S-S SH SH Thioredoxin Thioredoxin FAD NADPH
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Thymidylate Synthesis
The pathway for dTMP synthesis. dUTPase is very active and converts dUTP -- > dUMP as soon as it is formed so that there is no chance for it to be incorporated into DNA.
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Thymidylate Synthase
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Dihydrofolate Reductase
Regeneration of THF
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Serine Hydroxymethyl Transferase
Regeneration of methylene-THF use by for thymidylate synthase.
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Regulation of Ribonucleotide Reductase
A representation of the α2 dimer showing the activity site, the specificity site and the catalytic site.
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Regulation of RNR Bound Bound Substrate at A at S accepted at C
ATP (on) ATP or dATP CDP or UDP ATP (on) dTTP GDP favored CDP, UDP inhibited ATP (on) dGTP ADP favored CDP, UDP, GDP inhibited dATP (off) Any No reaction
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Nucleotide Salvage Pathways 补救合成
Using PRPP PURINES: Adenine + PRPP > AMP + PPi phosphoribosyl transferase Guanine + PRPP > GMP + PPi hypoxanthine-guanine phosphoribosyl transferase Hypoxanthine + PRPP > IMP + PPi 外源的或降解产生的碱基和核苷，可被生物体重新利用。在哺乳动物的某些组织及微生物中广泛存在多种磷酸核糖转移酶，催化嘌呤碱和PRPP合成嘌呤核苷酸。腺嘌呤磷酸核糖转移酶催化腺嘌呤与PRPP形成AMP和PPi（PPi水解，使得反应不可逆）。次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶（HGPRT）催化次黄嘌呤转变为IMP或鸟嘌呤转变为GMP，同时生成PPi（此酶的特性使低浓度的PRPP条件下，补救合成比从头合成优先发生）。
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Lesch-Nyhan Syndrome Absence of HGPRTase X-linked (Gene on X)
Occurs primarily in males Characterized by: Increased uric acid Spasticity Neurological defects Aggressive behavior Self-mutilation 1964年，Lesch-Nyhan描述了一种严重的代谢病，其特征是智力迟钝，痉挛，表现出强制性的自残行为，甚至自毁容貌，称为莱-纳综合症或自毁容貌症。该病限于男性，是X染色体上HGPRT酶基因缺陷引起，缺乏HGPRT酶的细胞含高浓度的PRPP，从头合成的速率大大增加，过量的IMP降解的尿酸达到正常的6倍，体内过量的尿酸引起该症。
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Nucleotide Salvage Pathways 补救合成
PYRIMIDINES: Uracil + PRPP > UMP + PPi phosphoribosyl transferase Orotate orotate Uracil + PRPP > PyMP + PPi Cytosine phosphoribosyl transferase 催化UMP补救合成的酶类有尿嘧啶磷酸核糖转移酶，尿苷磷酸化酶，尿苷激酶。催化的反应如下： 尿嘧啶 + PRPP → UMP + PPi 尿嘧啶 + R-1-P → 尿苷+ Pi 尿苷 + ATP → UMP + ADP
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抗代谢物 抗代谢物是一些与嘌呤、氨基酸或叶酸等结构类似的物质。它们主要以竞争性抑制等方式干扰或阻断嘌呤或嘧啶核苷酸的合成，进而阻止核酸及蛋白质的合成。肿瘤细胞的核酸及蛋白质合成十分旺盛，抗代谢物具有抗肿瘤作用 5-氟尿嘧啶（5-FU）的结构与胸腺嘧啶相似，在体内经补救合成途径转变为脱氧5-氟尿嘧啶核苷酸后，可抑制胸苷酸合成酶，阻断dUMP合成dTMP。 氨基蝶呤及氨甲蝶呤都是叶酸的结构类似物，能与二氢叶酸还原酶发生不可逆结合，结果阻止四氢叶酸的生成，从而抑制了它参于的各种一碳单位转移反应。氨甲蝶呤的主要作用点是dTMP合成中的一碳单位转移反应。
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氨基酸类似物有重氮丝氨酸及6-重氮-5-氧正亮氨酸等。它们的结构与谷氨酰胺相似，可干扰谷氨酰胺在嘌呤核苷酸合成中的作用。
6-巯基嘌呤（6-MP）等，对急性白血病疗效显著。它竞争性抑制补救合成途径中的HGPRT活性，阻止了补救合成途径；而6-MP在体内经酶催化生成巯基嘌呤核苷酸，可阻断IMP转变成AMP及GMP，抑制核酸的合成。
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谢谢大家!
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