生物化学 人民卫生出版社 第13章核苷酸代谢
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从
分解代谢 核苷酸分解产生戊糖、碱基和磷酸。戊 糖可彻底氧化生成 H2O 和 CO2 ；磷酸可再利 用或排出体外；灵长类动物体内的嘌呤分解 终产物是尿酸。戊糖、碱基、核苷也可重新 利用合成核苷酸。
目录
二、细胞内嘌呤核苷酸合成存在从头 合成和补救合成两种途径
（一）嘌呤核苷酸从头合成从5’-磷酸核糖 开始
C C
7
N
8
甲酰基
C
甲 酰基
4 3
甲 酰基 （ 一碳单位）
甲酰基
9
（一碳单位）
（一碳单位） ( 一 碳 单基 谷氨酰 胺 的 酰 胺 基 谷胺酰胺的酰胺基 谷胺酰胺的酰胺基
目录
2．嘌呤核苷酸从头合成途径有3个主要特点 •合成部位 主要器官是肝，其次是小肠和胸腺。 •合成过程 细胞并不是先合成嘌呤碱再与核糖和磷 酸结合生成核苷酸，而是在 5’- 磷酸核糖的 C1’上逐步合成嘌呤碱，产物是次黄嘌呤核苷酸 (IMP)。 •合成终产物
ATP
GMP
激酶 ATP ADP
GDP
激酶 ATP ADP
GTP
嘌呤核苷酸从头合成特点: • 嘌呤核苷酸是在磷酸核糖分子上逐步合成的。 • IMP的合成需5个ATP，6个高能磷酸键。AMP 或GMP的合成又需1个ATP。
5.从头合成有3处反馈抑制性调节
_ + 5’PR, ATP ①
PRPPK
+
_
OH N OH N N N H
鸟嘌呤 H 2O
鸟嘌呤脱氨酶 guanosine deaminase NH3
黄嘌呤 xanthine O2+H2O 黄嘌呤氧化酶 xanthine oxidase H 2O
OH
（二）尿酸在其他动物体内能继续分解
Anabolism and Catabolism of Pyrimidine Nucleotides
N N
N
N NH2 N
N N-R
内嘌呤核苷酸
腺嘌呤核苷脱氨酶 N-R N adenosine deaminase 次黄嘌呤核 核苷 苷 ine inosine Pi 核苷磷酸化酶 nucleoside phosphorylase 核糖1’磷酸
OH O H
N-R
鸟嘌呤核苷 guanosine Pi 核糖1’磷酸
与嘌呤核苷酸的从头合成途径不同，嘧啶核苷
肝是合成嘧啶核苷酸的主要器官。
反应过程在胞液、线粒体和胞液中进行。
胞嘧啶核苷酸、胸腺嘧啶核苷酸由 UMP 转变
3．UMP的从头合成可分3阶段6步反应 第一阶段是二氢乳清酸（DHOA）的生成 第二阶段是乳清酸的合成 第三阶段是UMP的合成
谷氨酰胺 + HCO3氨基甲酰磷酸合成酶II，CPS II carbamoyl phosphate synthetase II
The Nucleotide Metabolism
目录
体外实验资料：
1909~1934 年，美国生物化学家 Owen 证明，核酸 的分解单位是核苷酸。 1961年，美国生化学家Juan 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)。
CH3 N N
O
H N HN H2N
O
OH CH H OH CH CH3
O O P OH
O O P O OH
OH OH CH2 O
P OH
N
四氢蝶蛉 四氢喋呤 tetrahydrobiopterin
A
N H
H
N2,N2,N7-三甲基鸟嘌呤核苷 N2,N2,N7-trimethyl-guanosine
AMP
• 补救合成的生理意义
补救合成节省从头合成时的能量和一些氨 基酸的消耗。 体内某些组织器官，如脑、骨髓等只能进 行补救合成。
三、体内嘌呤核苷酸可以相互转变
+
AMP
腺 苷 酸
3
GMP
脱
氨
NH3
酶
+
腺苷酸代 琥珀酸
IMP
鸟
苷
酸
还
酶 原
XMP
四、不同种类生物嘌呤核苷酸的 分解代谢产物不同
一）灵长类及爬行类动物将嘌呤核苷酸 分解成尿酸
1．嘧啶环的C、N原子来自谷氨酰胺、CO2 和天冬氨酸
氨基甲 酰磷酸
天冬氨酸
嘧啶合成的元素来源
2．嘧啶核苷酸合成途径首先生成乳清酸核苷酸 酸的合成是先合成含嘧啶环的乳清酸 (OA) ； OA 再 与 PRPP 结 合 成 为 乳 清 酸 核 苷 酸 （orotidine-5’-phoshate ，OMP），然后再生 成UMP。
目录
核苷酸的生物学功能
Biologic Functions of Nucleotides
目录
一、核酸和核苷酸均可被分解为更小分子
（一）食物核酸在消化道被消化成核苷酸 及更小分子
在细胞中绝大多数核酸都以核蛋白的形 式存在； 食物中的核蛋白在消化道中受到胃、胰 和肠分泌的消化酶作用，分解为蛋白质 和核酸。 核酸进一步分解为磷酸、碱基和戊糖。
(GPAT)
谷氨酰胺 谷氨酸
②
（PRPPK）
H2N-1-R-5´-P（PRA)
（5´-磷酸核糖胺）
③～11
•谷氨酰胺 ——酰胺基N •N10——甲酰四氢叶酸 •天冬氨酸——α-氨基N •甘氨酸 •二氧化碳
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IMP
•参加嘌呤碱基合成的物质: 谷胺酰胺的酰胺基N 甘氨酸 CO2 天冬氨酸的α-氨基N N10-甲酰四氢叶酸（N10-formyl-FH4） •关键酶 PRPP激酶（PRPPK） 谷氨酰胺PRPP酰胺转移酶(GPAT)
目录
这些发现促进了对核苷酸代谢相关疾病的认 识。
1964 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。
从IMP再合成AMP和GMP。
目录
3．IMP合成途径可分为二阶段11步反应
第一阶段生成 5’-磷酸核糖-1’-焦磷酸（PRPP）
5’-磷酸核糖与ATP，经PRPP激酶 (PRPPK；或称PRPP合成酶 ，PRPP synthetase)催化，生成PRPP。
第二个阶段生成IMP
目录
AMP ① ATP PP-1-R-5-P（PRPP) R-5-P PRPP合成酶 （5-磷酸核糖） （磷酸核糖焦磷酸） 酰胺转移酶
• 定义 嘌呤核苷酸的从头合成途径是指利用磷酸 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，合成嘌呤核 苷酸的途径。
目录
1．嘌呤环的C、N原子来自谷氨酰胺、天冬氨 酸、一碳单位和CO2
CO CO2 2
甘氨 酸 甘氨酸
天 冬 氨酸 的 氨基 天冬氨酸的氨基
C
6
N1 C2
5
目录
O HN H 2N N N N
O HO P OH O
O P OH O
O P OH
OH OH
O
CH2 O
GTP GTP GTP 环 水 化 酶
O
H N HN H2N
GTP环水化酶
O CH O P HO O O P HO O O P HO OH
OH CH H
OH CH
N
N H
H
O HN H3C N H3C N
目录
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。
1．核苷酸在核苷酸酶的作用下水解成核苷和
磷酸 2．核苷在核苷磷酸化酶催化下磷酸解 3．嘌呤碱氧化成尿酸
H2 O
NH3
NADP +
NADPH + H+
AMP脱氢酶 AMP deaminase
P
核苷酸酶 ucleotidase H2 O
GMP 还原酶 NH3 GMP GMP reductase IMP H O H2 O 2 核苷酸酶 核苷酸酶 nucleotidase nucleotidase Pi Pi OH NH3 OH
N
核苷磷酸化酶 nucleoside phosphorylase
OH N
OH N N N N H
OH N NH2 N N N H
次黄嘌呤 H+ 0+NA O2+H2O D2 黄嘌呤氧化酶 黄嘌呤脱氢酶 xanthine xanthine oxidase dehydrogenase NADH+H H 2O +
一、嘧啶核苷酸同样有从头合成与 补救合成两条途径
嘧啶核苷酸的结构
（一）嘧啶核苷酸的从头合成比嘌呤核苷 酸从头合成简单
• 嘧啶核苷酸的从头合成 • 定义 嘧啶核苷酸的从头合成是指利用磷酸 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 成嘧啶核苷酸的途径。 • 合成部位
从
分解代谢 核苷酸分解产生戊糖、碱基和磷酸。戊 糖可彻底氧化生成 H2O 和 CO2 ；磷酸可再利 用或排出体外；灵长类动物体内的嘌呤分解 终产物是尿酸。戊糖、碱基、核苷也可重新 利用合成核苷酸。
目录
二、细胞内嘌呤核苷酸合成存在从头 合成和补救合成两种途径
（一）嘌呤核苷酸从头合成从5’-磷酸核糖 开始
C C
7
N
8
甲酰基
C
甲 酰基
4 3
甲 酰基 （ 一碳单位）
甲酰基
9
（一碳单位）
（一碳单位） ( 一 碳 单基 谷氨酰 胺 的 酰 胺 基 谷胺酰胺的酰胺基 谷胺酰胺的酰胺基
目录
2．嘌呤核苷酸从头合成途径有3个主要特点 •合成部位 主要器官是肝，其次是小肠和胸腺。 •合成过程 细胞并不是先合成嘌呤碱再与核糖和磷 酸结合生成核苷酸，而是在 5’- 磷酸核糖的 C1’上逐步合成嘌呤碱，产物是次黄嘌呤核苷酸 (IMP)。 •合成终产物
ATP
GMP
激酶 ATP ADP
GDP
激酶 ATP ADP
GTP
嘌呤核苷酸从头合成特点: • 嘌呤核苷酸是在磷酸核糖分子上逐步合成的。 • IMP的合成需5个ATP，6个高能磷酸键。AMP 或GMP的合成又需1个ATP。
5.从头合成有3处反馈抑制性调节
_ + 5’PR, ATP ①
PRPPK
+
_
OH N OH N N N H
鸟嘌呤 H 2O
鸟嘌呤脱氨酶 guanosine deaminase NH3
黄嘌呤 xanthine O2+H2O 黄嘌呤氧化酶 xanthine oxidase H 2O
OH
（二）尿酸在其他动物体内能继续分解
Anabolism and Catabolism of Pyrimidine Nucleotides
N N
N
N NH2 N
N N-R
内嘌呤核苷酸
腺嘌呤核苷脱氨酶 N-R N adenosine deaminase 次黄嘌呤核 核苷 苷 ine inosine Pi 核苷磷酸化酶 nucleoside phosphorylase 核糖1’磷酸
OH O H
N-R
鸟嘌呤核苷 guanosine Pi 核糖1’磷酸
与嘌呤核苷酸的从头合成途径不同，嘧啶核苷
肝是合成嘧啶核苷酸的主要器官。
反应过程在胞液、线粒体和胞液中进行。
胞嘧啶核苷酸、胸腺嘧啶核苷酸由 UMP 转变
3．UMP的从头合成可分3阶段6步反应 第一阶段是二氢乳清酸（DHOA）的生成 第二阶段是乳清酸的合成 第三阶段是UMP的合成
谷氨酰胺 + HCO3氨基甲酰磷酸合成酶II，CPS II carbamoyl phosphate synthetase II
The Nucleotide Metabolism
目录
体外实验资料：
1909~1934 年，美国生物化学家 Owen 证明，核酸 的分解单位是核苷酸。 1961年，美国生化学家Juan 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)。
CH3 N N
O
H N HN H2N
O
OH CH H OH CH CH3
O O P OH
O O P O OH
OH OH CH2 O
P OH
N
四氢蝶蛉 四氢喋呤 tetrahydrobiopterin
A
N H
H
N2,N2,N7-三甲基鸟嘌呤核苷 N2,N2,N7-trimethyl-guanosine
AMP
• 补救合成的生理意义
补救合成节省从头合成时的能量和一些氨 基酸的消耗。 体内某些组织器官，如脑、骨髓等只能进 行补救合成。
三、体内嘌呤核苷酸可以相互转变
+
AMP
腺 苷 酸
3
GMP
脱
氨
NH3
酶
+
腺苷酸代 琥珀酸
IMP
鸟
苷
酸
还
酶 原
XMP
四、不同种类生物嘌呤核苷酸的 分解代谢产物不同
一）灵长类及爬行类动物将嘌呤核苷酸 分解成尿酸
1．嘧啶环的C、N原子来自谷氨酰胺、CO2 和天冬氨酸
氨基甲 酰磷酸
天冬氨酸
嘧啶合成的元素来源
2．嘧啶核苷酸合成途径首先生成乳清酸核苷酸 酸的合成是先合成含嘧啶环的乳清酸 (OA) ； OA 再 与 PRPP 结 合 成 为 乳 清 酸 核 苷 酸 （orotidine-5’-phoshate ，OMP），然后再生 成UMP。
目录
核苷酸的生物学功能
Biologic Functions of Nucleotides
目录
一、核酸和核苷酸均可被分解为更小分子
（一）食物核酸在消化道被消化成核苷酸 及更小分子
在细胞中绝大多数核酸都以核蛋白的形 式存在； 食物中的核蛋白在消化道中受到胃、胰 和肠分泌的消化酶作用，分解为蛋白质 和核酸。 核酸进一步分解为磷酸、碱基和戊糖。
(GPAT)
谷氨酰胺 谷氨酸
②
（PRPPK）
H2N-1-R-5´-P（PRA)
（5´-磷酸核糖胺）
③～11
•谷氨酰胺 ——酰胺基N •N10——甲酰四氢叶酸 •天冬氨酸——α-氨基N •甘氨酸 •二氧化碳
目录
IMP
•参加嘌呤碱基合成的物质: 谷胺酰胺的酰胺基N 甘氨酸 CO2 天冬氨酸的α-氨基N N10-甲酰四氢叶酸（N10-formyl-FH4） •关键酶 PRPP激酶（PRPPK） 谷氨酰胺PRPP酰胺转移酶(GPAT)
目录
这些发现促进了对核苷酸代谢相关疾病的认 识。
1964 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。
从IMP再合成AMP和GMP。
目录
3．IMP合成途径可分为二阶段11步反应
第一阶段生成 5’-磷酸核糖-1’-焦磷酸（PRPP）
5’-磷酸核糖与ATP，经PRPP激酶 (PRPPK；或称PRPP合成酶 ，PRPP synthetase)催化，生成PRPP。
第二个阶段生成IMP
目录
AMP ① ATP PP-1-R-5-P（PRPP) R-5-P PRPP合成酶 （5-磷酸核糖） （磷酸核糖焦磷酸） 酰胺转移酶
• 定义 嘌呤核苷酸的从头合成途径是指利用磷酸 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，合成嘌呤核 苷酸的途径。
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1．嘌呤环的C、N原子来自谷氨酰胺、天冬氨 酸、一碳单位和CO2
CO CO2 2
甘氨 酸 甘氨酸
天 冬 氨酸 的 氨基 天冬氨酸的氨基
C
6
N1 C2
5
目录
O HN H 2N N N N
O HO P OH O
O P OH O
O P OH
OH OH
O
CH2 O
GTP GTP GTP 环 水 化 酶
O
H N HN H2N
GTP环水化酶
O CH O P HO O O P HO O O P HO OH
OH CH H
OH CH
N
N H
H
O HN H3C N H3C N
目录
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。
1．核苷酸在核苷酸酶的作用下水解成核苷和
磷酸 2．核苷在核苷磷酸化酶催化下磷酸解 3．嘌呤碱氧化成尿酸
H2 O
NH3
NADP +
NADPH + H+
AMP脱氢酶 AMP deaminase
P
核苷酸酶 ucleotidase H2 O
GMP 还原酶 NH3 GMP GMP reductase IMP H O H2 O 2 核苷酸酶 核苷酸酶 nucleotidase nucleotidase Pi Pi OH NH3 OH
N
核苷磷酸化酶 nucleoside phosphorylase
OH N
OH N N N N H
OH N NH2 N N N H
次黄嘌呤 H+ 0+NA O2+H2O D2 黄嘌呤氧化酶 黄嘌呤脱氢酶 xanthine xanthine oxidase dehydrogenase NADH+H H 2O +
一、嘧啶核苷酸同样有从头合成与 补救合成两条途径
嘧啶核苷酸的结构
（一）嘧啶核苷酸的从头合成比嘌呤核苷 酸从头合成简单
• 嘧啶核苷酸的从头合成 • 定义 嘧啶核苷酸的从头合成是指利用磷酸 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 成嘧啶核苷酸的途径。 • 合成部位
