生物化学核酸代谢

null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)一、核酸和核苷酸的分解代谢 二、核苷酸的生物合成 三、辅酶核苷酸的生物合成Nitrogenous BasesNitrogenous BasesPlanar, aromatic, and heterocyclic Derived from purine or pyrimidineStructure of Nucleotide BasesStructure of Nucleotide BasesSugarsSugars D-Ribose and 2’-Deoxyribose*Lacks a 2’-OH groupNucleosidesNucleosidesResult 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 atoms Phosphate GroupsPhosphate GroupsMono-, di- or triphosphates Phosphates can be bonded to either C3 or C5 atoms of the sugar Phosphates can be bonded to either C3 or C5 atoms of the sugar NucleotidesNucleotidesResult from linking one or more phosphates with a nucleoside onto the 5’ end of the molecule through esterificationNucleotidesNucleotidesDNA (deoxyribonucleic acid) is a polymer of deoxyribonucleotides Both deoxy- and ribonucleotides contain Adenine, Guanine and Cytosine Ribonucleotides contain Uracil Deoxyribonucleotides contain Thymine Monomers for nucleic acid polymers Nucleoside Triphosphates are important energy carriers (ATP, GTP) Important components of coenzymes FAD, NAD+ and Coenzyme AnullFAD NADCoenzyme ANaming ConventionsNaming ConventionsNucleosides: Purine nucleosides end in “-sine” Adenosine, Guanosine Pyrimidine nucleosides end in “-dine” Thymidine, Cytidine, Uridine Nucleotides: Start with the nucleoside name from above and add “mono-”, “di-”, or “triphosphate” Adenosine Monophosphate, Cytidine Triphosphate, Deoxythymidine Diphosphatenull体外实验资料：1909-1934年，美国生物化学家Owen 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 ，核酸的分解单位是核苷酸。1961年，美国生化学家Joan Oro模拟大气放电，在有氰化氢参加的反应体系中发现有氨基酸和腺嘌呤生成。1963年，Ponnamperuma在类似的实验中也得到了腺嘌呤。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，得到了腺苷三磷酸(ATP)。null体内实验资料：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种不同的含氮废物，即NH3、尿素和尿酸。尿酸就是嘌呤化合物的代谢产物。在1950年间，John M.Buchanan和G.Robert Greenberg采用同位素示踪结合嘌呤核苷酸降解物——尿酸分析证明，嘌呤分子的原子N1来自门冬氨酸，N3和N9来自谷氨酰胺等，完成了嘌呤生物合成过程的演绎。更为重要的是，他们还发现嘌呤不是以游离含氮碱，而是以核苷酸形式在体内合成的。null1964年，科学家确定Lesch-Nyhan综合征与次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶（HGPRT）缺陷有关。至今已发现，核苷酸的合成和分解代谢障碍与很多遗传性、代谢性疾病有关。 模拟核苷酸组成成分，如取代碱基、核苷和核苷酸的类似物已发展为在临床上常用、有效的抗代谢药物。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酸的降解和核苷酸代谢 1 核酸的酶促降解 核糖核酸酶、脱氧核糖核酸酶、限制性内切酶 2 核苷酸的降解 3 核苷酸的合成代谢 （1）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 嘧啶核苷酸的合成：从头合成和补救途径 （2）脱氧核苷酸的生物合成 核糖核苷酸的还原 脱氧胸腺嘧啶核苷酸的合成核酸的降解和核苷酸代谢一、核酸和核苷酸的分解代谢一、核酸和核苷酸的分解代谢 动物和异养型微生物可以分泌消化酶类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用，对脱氧核糖核苷不起作用。）（核苷磷酸化酶存在广泛）null核酸的酶促降解核酸核酸酶单核苷酸磷酸单脂酶核苷嘧啶/嘌呤核糖/脱氧核糖核苷酶核苷磷酸化酶嘧啶（嘌呤）核糖-1-磷酸脱氧核糖-1-磷酸核糖-5-磷酸磷酸戊糖途径醛缩酶乙醛甘油醛-3-磷酸核 酸 酶 核 酸 酶 1、核酸酶的分类（1）根据对底物的 专一性分为（2）根据切割位点分为null核酸外切酶：作用于核酸链的末端（3’端或5’端），逐个水解下核苷酸。 脱氧核糖核酸外切酶：只作用DNA 核糖核酸外切酶:只作用于RNA 核酸内切酶：从核酸分子内部切断3’,5’-磷酸二酯键。 限制性内切酶：在细菌细胞内存在的一类能识别并水解外源双链DNA的核酸内切酶，可用于特异切割DNA,常作为工具酶。核酸酶：作用于核酸的磷酸二酯酶外切核酸酶对核酸的水解位点外切核酸酶对核酸的水解位点5´OHB3´BBBBBBB牛脾磷酸二酯酶 （ 5´端外切得3’－核苷酸）蛇毒磷酸二酯酶 （ 3´端外切得5‘－核苷酸）2、核酸酶的作用特点限制性内切酶 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DNA双螺旋中4-8个碱基对所组成的特异的具有二重旋转对称性的回文序列，并在此序列的某位点水解DNA双螺旋链，产生粘性末端或平末端，这类酶称为限制性内切酶（ristriction endonuclease）。nullnull 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名的第一个字母，用大写 名称的第二、三个字母取自该细菌种名的头二个字母，用小写字母 如果该细菌还有不同的株系，则另加第四个代表株系的字母或数字；最后是用罗马字大写的数字，代表同一菌株中不同限制性内切酶的编号。 限制性内切酶的命名和意义限制性内切酶的命名和意义例：Eco R I，这是从大肠杆菌（Ecoli）R菌珠中分离出的一种限制性内切酶如Hind Ⅲ代表从流感噬血杆菌d株（haemophilus influenzae）中分离到的第三种内切酶。二. 核苷酸的降解二. 核苷酸的降解嘌呤碱的分解 Purine Catabolism嘌呤碱的分解 Purine Catabolism不同动物嘌呤代谢的产物 灵长类、鸟类： 尿酸 其他哺乳动物、软体动物： 尿囊素 硬骨鱼： 尿囊酸 软骨鱼和两栖类： 尿素 大多数海洋无脊椎动物： 氨和CO2 （如甲壳类动物） All purine degradation leads to uric acid (but it might not stop there) null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。嘌呤碱基的脱氨嘌呤碱基的脱氨嘌呤的降解嘌呤的降解 腺嘌呤 鸟嘌呤 H2O H2O NH3 NH3 次黄嘌呤 黄嘌呤 H2O+O2 H2O2 H2O+O2 H2O2 尿囊素 尿酸 H2O CO2+H2O2 2H2O+O2 尿囊酸 尿素 + 乙醛酸 H2O 4NH3 + 2CO2腺嘌呤脱氨酶鸟嘌呤脱氨酶黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶尿酸氧化酶尿囊 素酶尿囊酸酶脲酶嘌呤的分解代谢嘌呤的分解代谢尿酸的进一步分解尿酸的进一步分解nullAdenosine DegradationnullnullA CASE STUDY : GOUTA 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 (NL<7.0 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.A CASE STUDY : GOUTA 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) 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.GoutGoutImpaired excretion or overproduction of uric acid 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 gout Allopurinol treatment – hypoxanthine analog that binds to Xanthine Oxidase to decrease uric acid productionnullALLOPURINOL IS A XANTHINE OXIDASE INHIBITOR A SUBSTRATE ANALOG IS CONVERTED TO AN INHIBITOR, IN THIS CASE A “SUICIDE-INHIBITOR”ALLOPURINOL IS A XANTHINE OXIDASE INHIBITOR A 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 nullAdenosine Deaminase DeficiencyAdenosine Deaminase DeficiencyIn purine degradation, adenosine  inosine Enzyme is Adenosine Deaminase (ADA) ADA deficiency results in SCID “Severe Combined Immunodeficiency Selectively kills lymphocytes Both B- and T-cells Mediate much of immune response null腺苷脱氨酶缺乏症Aadenosine 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。 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 胞嘧啶尿嘧啶二氢尿嘧啶β-脲基丙酸β-丙氨酸胸腺嘧啶的分解代谢胸腺嘧啶的分解代谢β-脲基异丁酸 β-氨基异丁酸二氢胸腺嘧啶胸腺嘧啶null胞嘧啶NH3尿嘧啶二氢尿嘧啶 H2OCO2 + NH3β-丙氨酸胸腺嘧啶β-脲基异丁酸β-氨基异丁酸H2O丙二酸单酰CoA乙酰CoATAC肝尿素甲基丙二酸单酰CoA琥珀酰CoATAC糖异生胸腺嘧啶的分解代谢胸腺嘧啶的分解代谢nullnullnull二、核苷酸的生物合成二、核苷酸的生物合成（一）嘌呤核苷酸的生物合成nullBases/Nucleosides/Nucleotides BaseBase + Sugar= NucleosideBase + Sugar + Phosphate= NucleotideAdenineDeoxyadenosineDeoxyadenosine 5’-triphosphate (dATP)null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 dNDP分解的现成嘌呤、嘧啶ATPnull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 从头合成null嘌呤核苷酸环上原子来源嘌呤核苷酸的合成次黄嘌呤核苷酸的合成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，再转变成各种嘌呤核苷酸。此途径叫嘌呤核苷酸的从头合成途径（de novo synthesis pathway）。 次黄嘌呤核苷酸的合成是在核糖上合成次黄嘌呤的，而不是先合成次黄嘌呤，再与核糖结合的。焦磷酸激酶PRPP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谷氨酰氨提供N9甘氨酸提供C4，5和N7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一碳单位提供C8谷氨酰氨提供N3null嘌呤核苷酸的合成代谢CO2提供C6门冬氨酸提供N1一碳单位提供C2nullnull嘌呤核苷酸的合成代谢门冬氨酸提供C6上的氨基谷氨酸提供C2上的氨基ATP和GTP的合成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 生物体内除了能以简单前体物质“从头合成”（de novo synthesis）核苷酸外，还能利用预先形成的碱基和核糖合成核苷酸。这个途径称为“补救途径”（salvage pathway）。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腺苷激酶磷酸核糖转移酶磷酸核糖转移酶只有腺苷激酶，其他核苷酸只能按以下反应产生。null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IMP(次黄嘌呤核苷酸)，然后在单磷酸的水平上转变成AMP、GMP。 IMP合成从5-P-核糖开始的，在ATP参与下先形成PRPP(5-磷酸核糖焦磷酸) 嘌呤的各个原子是在PRPP的C1上逐渐加上去的。由Asp、Gln、 Gly、甲酸、CO2 提供N和C ，合成时先形成右环，再形成左环。 四氢叶酸（FH4）是一碳单位的载体 嘌呤核苷酸生物合成的调节嘌呤核苷酸生物合成的调节①别构酶：受终产物抑制；②③受终产物抑制受终产物抑制nullNucleotide MetabolismNucleotide MetabolismPURINE RIBONUCLEOTIDES: formed de novo i.e., purines are not initially synthesized as free bases First purine derivative formed is Inosine Mono-phosphate (IMP) The purine base is hypoxanthine AMP and GMP are formed from IMPnullDe novo synthesisDe novo synthesis5-磷酸核糖胺,PRAnull甘氨酰胺核苷酸null甲酰甘氨酰胺核苷酸null甲酰甘氨咪核苷酸null5-氨基咪唑核苷酸null5-氨基咪唑-4-羧酸核苷酸null5-氨基咪唑-4-(N-琥珀酸) -甲酰胺核苷酸null5-氨基咪唑-4-(N-琥珀酸) -甲酰胺核苷酸null5-氨基咪唑-4-甲酰胺 核苷酸null5-甲酰胺基咪唑- 4-甲酰胺核苷酸nullSynthesis of AMP and GMPSynthesis of AMP and GMPnullnull延胡索酸nullnullnullADPADPATPATPADPAMPATPGDPADPGTPATPADPGMPATPPurine SalvagePurine SalvageAdenine phosphoribosyl transferase (APRT) Adenine + PRPP  AMP + PPi Hypoxanthine-Guanine phosphoribosyl transferase (HGPRT) Hypoxanthine + PRPP  IMP + PPi Guanine + PRPP  GMP + PPi (NOTE: THESE ARE ALL REVERSIBLE REACTIONS) AMP,IMP,GMP do not need to be resynthesized de novo !Purine Nucleotide Synthesis at a GlancePurine Nucleotide Synthesis at a GlanceATP is involved in 6 steps PRPP in the first step of Purine synthesis is also a precursor for Pyrimidine Synthesis, His and Trp synthesis Regulatory Control of Purine Nucleotide BiosynthesisRegulatory 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 (why?) Amidophosphoribosyl transferase is activated by PRPP levels APRT activity has negative feedback at two sites ATP, ADP, AMP bound at one site GTP,GDP AND GMP bound at the other site Rate of AMP production increases with increasing concentrations of GTP; rate of GMP production increases with increasing concentrations of ATP Intracellular Purine Catabolism Intracellular Purine CatabolismNucleotides broken into nucleosides by action of 5’-nucleotidase (hydrolysis reactions) Purine nucleoside phosphorylase (PNP) Inosine  Hypoxanthine Xanthosine  Xanthine Guanosine  Guanine Ribose-1-phosphate splits off Can be isomerized to ribose-5-phosphate Adenosine is deaminated to Inosine (ADA)Intracellular Purine CatabolismIntracellular Purine CatabolismXanthine is the point of convergence for the metabolism of the purine bases Xanthine  Uric acid Xanthine oxidase catalyzes two reactions null雷-纳（二氏）综合症 Lesch－Nyhan syndrome 雷-纳（二氏）综合症 Lesch－Nyhan syndrome 1964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。 发病的本质是基于组织中缺少与嘌呤有关的一种酶——次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。Lesch-Nyhan SyndromeLesch-Nyhan SyndromeA defect in production or activity of HGPRT Hypoxanthine-Guanine phosphoribosyl transferase Hypoxanthine + PRPP  IMP + PPi Causes increased level of Hypoxanthine and Guanine ( in degradation to uric acid) Causes gout-like symptoms, but also neurological symptoms  spasticity, aggressiveness, self-mutilation First neuropsychiatric abnormality that was attributed to a single enzyme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。氨甲酰磷酸天冬氨酸null嘧啶核苷酸合成特点：其合成与嘌呤核苷酸的合成不同，先由氨甲酰磷酸与天冬氨酸形成嘧啶环，再与核糖磷酸（PRPP）结合形成 UMP，其关键的中间产物是乳清酸。胞苷酸则由尿苷酸在三磷酸的水平上转变而来。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氨基甲酰磷酸的合成氨基甲酰磷酸的合成CO2提供C2，Gln提供N3嘧啶核苷酸的合成代谢乳清酸的合成乳清酸的合成嘧啶核苷酸的合成代谢null嘧啶核苷酸的合成代谢null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 转移酶尿苷磷酸化酶尿苷激酶尿苷激酶胞嘧啶一般只参与嘧啶核苷激酶催化的这种途径null嘧啶核苷酸的合成代谢①②Pyrimidine Ribonucleotide SynthesisPyrimidine Ribonucleotide Synthesis Uridine Monophosphate (UMP) is synthesized first CTP is synthesized from UTP Pyrimidine ring synthesis completed first; then attached to ribose-5-phosphateN1, C4, C5, C6 : Aspartate C2 : HCO3- N3 : Glutamine amide NitrogennullPyrimidine SynthesisnullnullnullnullUMP Synthesis OverviewUMP Synthesis Overview2 ATPs needed: both used in first step One transfers phosphate, the other is hydrolyzed to ADP and Pi 2 condensation rxns: form carbamoyl aspartate and dihydroorotate (intramolecular) Attachment of base to ribose ring is catalyzed by OPRT; PRPP provides ribose-5-P PPi splits off PRPP – irreversible嘧啶核苷酸合成的调节嘧啶核苷酸合成的调节①氨甲酰磷酸合成酶②天冬氨酸转氨甲酰酶③CTP合成酶乳清酸尿症 (Orotic aciduria) 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。是由于催化嘧啶核苷酸从头合成反应(5)和(6)的双功能酶(乳清酸磷酸核糖转移酶（OPRT）和乳清酸脱羧酶（OMP脱羧酶）) 的基因缺陷所致。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CPSⅡ(氨基甲酰磷酸合成酶）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。 Orotic AciduriaOrotic AciduriaCaused by defect in protein chain with enzyme activities of last two steps of pyrimidine synthesis Increased excretion of orotic acid in urine Symptoms: retarded growth; severe anemia Only known inherited defect in this pathway (all others would be lethal to fetus) Treat with uridine/cytidine nullnull（三）脱氧核糖核苷酸的合成（三）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产生的。在生物体内，腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶四种核糖核苷酸都可以被还原成相应的脱氧核糖核苷酸。催化此反应的酶称为核糖核苷酸还原酶。大肠杆菌核糖核苷酸还原酶大肠杆菌核糖核苷酸还原酶 核糖核苷酸还原酶由R1和R2两个亚基组成，它们分开时没有活性，只有合在一起并有镁离子存在时才有活性。 R1亚基含有两条相同的多肽链，每条多肽链上有两个别构调节位点。一个调节位点结合效应物后影响对底物的特异性，另一个调节位点结合效应物后调节酶的活性。每条肽链上还含有一对参与催化氧化还原反应的巯基和一个参与催化氧化还原反应的酪氨酸。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调节位点酶活性调节位点活性位点R1亚基R2亚基一对巯基和一个酪氨酸推进UDP和CDP的还原推进GDP和ADP的还原null硫氧还蛋白核糖核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NADP+NADPH+H+硫氧还蛋白还原酶FADATP 、Mg2+Formation of DeoxyribonucleotidesFormation of Deoxyribonucleotidesoxidizedreduced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NADPH+H++SerNADP++Gly N5、N10—CH2 — FH4 FH2二氢叶酸还原酶Ser羟甲基转移酶ONHNOdR-PCH3ONHNOdR-PnulldUMPFH2N5,N10- methylene FH4FH4NADPH+H+NADP+dTMPdTDPADPdTTPATPADPdTMPATPThymidylate synthase methylates dUMP at 5-position to make dTMPN5,N10-methylene THF is 1-C donorSynthesis of the Thymine NucleotidesSynthesis of the Thymine NucleotidesnullThe ribonucleotide reductase, An (R1)2(R2)2- type enzyme , has R1 (86 kD) and R2 (43.5 kD) two subunits E. coli Ribonucleotide Reductase Regulates the level of cellular dNTPs叶酸和四氢叶酸（FH4）叶酸和四氢叶酸（FH4）叶酸N5，N10-CH2-FH4核苷酸合成的其他反应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有4种针对不同NMP的激酶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临床上几种治癌药物的作用机理 嘌呤类似物（6-巯基嘌呤）：可抑制AMP、GMP的生成 谷胺酰胺类似物（氮杂丝氨酸）：可抑制IMP的合成中有谷胺酰胺参与的反应 叶酸类似物（氨基蝶呤、氨甲喋呤）：可抑制IMP合成中有四氢叶酸参与的反应临床上几种治癌药物的作用机理null嘌呤核苷酸的抗代谢物嘌呤类似物:8-氮杂鸟嘌呤H2N6-巯基鸟嘌呤次黄嘌呤6-巯基嘌呤（6-MP）null氨基酸类似物 抑制有谷氨酰胺参与的反应谷氨酰胺氮杂丝氨酸（重氮乙酰丝氨酸）6-重氮-5-氧正亮氨酸null叶酸类似物 抑制有一碳单位参与的反应R=H，氨喋呤R=CH3，氨甲喋呤N NH2NNNHH2N—CH2—N—R—C—N—CHOCH2CH2COOHCOOHH5,6,7,8四氢叶酸null核苷酸的抗代谢物次黄嘌呤(H)6-巯基嘌呤(6-MP)nullMTX（氨甲喋呤）MTX （氨甲喋呤）null Analogs of pymidines /pymidine nucleosides:5-氟尿嘧啶 5-Fu阿糖胞苷 Cytarabine 环胞苷 Cyclocytidine Inhibitors of pymidines synthesis are cancer drugsnull氮杂丝氨酸阿糖胞苷氨甲碟呤氮杂丝氨酸Deoxyribonucleotide FormationDeoxyribonucleotide FormationPurine/Pyrimidine degradation are the same for ribonucleotides and deoxyribonucleotides Biosynthetic pathways are only for ribonucleotide production Deoxyribonucleotides are synthesized from corresponding ribonucleotides Formation of DeoxyribonucleotidesFormation of DeoxyribonucleotidesReduction of 2’ carbon done via a free radical mechanism catalyzed by “Ribonucleotide Reductases” E. coli RNR reduces ribonucleoside diphosphates (NDPs) to deoxyribonucleoside diphosphates (dNDPs) Two subunits: R1 and R2 A Heterotetramer: (R1)2 and (R2)2 in vitro RIBONUCLEOTIDE REDUCTASERIBONUCLEOTIDE REDUCTASER1 SUBUNIT Three allosteric sites Specificity Site Hexamerization site Activity Site Five redox-active –SH groups from cysteines R2 SUBUNIT Tyr 122 radical Binuclear Fe(III) complexnullMechanism of Ribonucleotide Reductase ReactionMechanism of Ribonucleotide Reductase ReactionFree Radical Involvement of multiple –SH groups RR is left with a disulfide group that must be reduced to return to the original enzymeThioredoxin （硫氧还蛋白）Thioredoxin （硫氧还蛋白）Physiologic reducing agent of RNR Cys pair can swap H atoms with disulfide formed regenerate original enzyme Thioredoxin gets oxidized to disulfideOxidized Thioredoxin gets reduced by thioredoxin reductase mediated by NADPH (final electron acceptor)nullnullnullnullnullnullnullThymine FormationThymine FormationFormed by methylating deoxyuridine monophosphate (dUMP) UTP is needed for RNA production, but dUTP not needed for DNA If dUTP produced excessively, would cause substitution errors (dUTP for dTTP) dUTP hydrolyzed by dUTPase (dUTP diphosphohydrolase) to dUMP methylated at C5 to form dTMP rephosphorylate to form dTTPTetrahydrofolate (THF)Tetrahydrofolate (THF)Methylation of dUMP catalyzed by thymidylate synthase Cofactor: N5,N10-methylene THF（甲叉四氢叶酸）oxidized to dihydrofolate THF Regeneration: DHF + NADPH + H+  THF + NADP+ (enzyme: dihydrofolate reductase) THF + Serine  N5,N10-methylene-THF + Glycine (enzyme: serine hydroxymethyl transferase) nullnulldUMPdTMPNADPH + H+NADP+SERINEGLYCINEREGENERATION OF N5,N10 METHYLENETETRAHYDROFOLATEDHFN5,N10 – METHYLENE-THFTHFdihydrofolate reductaseserine hydroxymethyl transferasethymidylate synthaseAnti-Folate DrugsAnti-Folate DrugsCancer cells consume dTMP quickly for DNA replication Interfere with thymidylate synthase rxn to decrease dTMP production (fluorodeoxyuridylate – irreversible inhibitor) – also affects rapidly growing normal cells (hair follicles, bone marrow, immune system, intestinal mucosa) Dihydrofolate reductase step can be stopped competitively (DHF analogs) Anti-Folates: Aminopterin（氨蝶呤）, methotrexate（甲氨蝶呤）, trimethoprim （甲氧苄啶）nullnull偶氮丝氨酸阿西维辛nullnullnull核苷酸分解代谢核苷酸分解代谢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。 All purine degradation leads to uric acid (but it might not stop there) nullGoutGoutImpaired excretion or overproduction of uric acid 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 gout Allopurinol treatment – hypoxanthine analog that binds to Xanthine Oxidase to decrease uric acid productionALLOPURINOL IS A XANTHINE OXIDASE INHIBITOR A SUBSTRATE ANALOG IS CONVERTED TO AN INHIBITOR, IN THIS CASE A “SUICIDE-INHIBITOR”ALLOPURINOL IS A XANTHINE OXIDASE INHIBITOR A 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 null腺苷脱氨酶缺乏症Aadenosine 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。 null核苷酸和脱氧核苷酸的合成核苷酸和脱氧核苷酸的合成记住嘌呤核苷酸有两条合成途径。结合嘌呤核苷酸结构与从头合成途径，说出嘌呤核苷酸各元素或组件的材料来源。熟记二磷酸核苷还原生成脱氧嘌呤核苷酸。写出与嘌呤核苷酸补救合成有关的酶的名称、功能、酶缺陷相关的疾病 结合嘌呤核苷酸合成途径、调节，熟记嘌呤核苷酸抗代谢药物作用机理及临床意义 熟记嘧啶核苷酸从头合成的原料及合成调节。说出嘧啶核苷酸补救合成所需的酶及其催化的反应。明白嘧啶核苷酸抗代谢药物作用机理，记住嘧啶核苷酸分解代谢产物名称 nullBiosynthesis: Purine vs. Pyrimidinestart with ribose, build on nitrogen base Regulated by GTP/ATP Generates IMP Requires Energybuild nitrogen base then added to PRPP Synthesized Regulated by UTP Generates UMP/CMP Requires EnergynullThe metabolic origin of the nine atoms in the purine ring systemN-1: aspartic acid C-2:THF - one carbon units N-3: glutamine C-4, C-5, N-7: glycine C-6: CO2 C-8: THF - one carbon units N-9: glutamineN-1C-2N-3C-6C-8null 各种嘌呤核苷酸的合成是先合成次黄嘌呤核苷酸，再转变成各种嘌呤核苷酸。此途径叫嘌呤核苷酸的从头合成途径（de novo synthesis pathway）。 次黄嘌呤核苷酸的合成是在核糖上合成次黄嘌呤的，而不是先合成次黄嘌呤，再与核糖结合的。嘌呤核苷酸合成特点嘌呤核苷酸合成特点先形成IMP(次黄嘌呤核苷酸)，然后在单磷酸的水平上转变成AMP、GMP。 IMP合成从5-P-核糖开始的，在ATP参与下先形成PRPP(5-磷酸核糖焦磷酸) 嘌呤的各个原子是在PRPP的C1上逐渐加上去的。由Asp、Gln、 Gly、甲酸、CO2 提供N和C ，合成时先形成右环，再形成左环。 四氢叶酸（FH4）是一碳单位的载体 核苷酸合成的补救途径核苷酸合成的补救途径 生物体内除了能以简单前体物质“从头合成”（de novo synthesis）核苷酸外，还能利用预先形成的碱基和核糖合成核苷酸。这个途径称为“补救途径”（salvage pathway）。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腺苷激酶磷酸核糖转移酶磷酸核糖转移酶只有腺苷激酶，其他核苷酸只能按以下反应产生。雷-纳（二氏）综合症 Lesch－Nyhan syndrome 雷-纳（二氏）综合症 Lesch－Nyhan syndrome 1964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。 发病的本质是基于组织中缺少与嘌呤有关的一种酶——次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