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1、核酸的降解和核苷酸代谢,(Degradationofnucleicacidandnucleotidesmetabolism),吴慧生物化学下册2014-06-11,个人简介,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
2、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,研究背景,学科方向：微生物学研究方向：老年痴呆疫苗的设计、研究和临床前评价。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：付璐（2014级博士生）胡越（2013级硕士生）李瑛楠（2013级硕士生）,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：201
3、40520008JH，阿尔茨海默症蛋白疫苗研究,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,研究背景,学科方向：微生物学研究方向：老年痴呆疫苗的设计、研究和临床前评价。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：付璐（2014级博士生）胡越（2013级硕士生）李瑛楠（2013级硕士生）,课程内容核酸部分,静态生物化学核酸的研究历史核酸的结构核酸的性质动态生物化学核酸和核苷酸的分解代谢核苷酸的生物合成,NitrogenousBases,Planar,ar
4、omatic,andheterocyclicDerivedfrompurineorpyrimidine,StructureofNucleotideBases,2,6,2,6,2,4,2,4,2,4,5,Sugars,D-Riboseand2-Deoxyribose,*Lacksa2-OHgroup,2,2,Nucleosides,ResultfromlinkingoneofthesugarswithapurineorpyrimidinebasethroughanN-glycosidiclinkagePurinesbondtotheC1carbonofthesugarattheirN9atoms
5、PyrimidinesbondtotheC1carbonofthesugarattheirN1atoms,9,PhosphateGroups,Mono-,di-ortriphosphates,PhosphatescanbebondedtoeitherC3orC5atomsofthesugar,Nucleotides,Resultfromlinkingoneormorephosphateswithanucleosideontothe5endofthemoleculethroughesterification,Nucleotides,DNA(deoxyribonucleicacid)isapoly
6、merofdeoxyribonucleotidesBothdeoxy-andribonucleotidescontainAdenine,GuanineandCytosineRibonucleotidescontainUracilDeoxyribonucleotidescontainThymine,MonomersfornucleicacidpolymersNucleosideTriphosphatesareimportantenergycarriers(ATP,GTP)ImportantcomponentsofcoenzymesFAD,NAD+andCoenzymeA,FADNAD,Coenz
7、ymeA：3-磷酸-ADP-泛酰-巯基乙胺,巯基乙胺,泛酸,ADP,ADP,ADP,Nucleosides:Purinenucleosidesendin“-sine”Adenosine,GuanosinePyrimidinenucleosidesendin“-dine”Thymidine,Cytidine,UridineNucleotides:Startwiththenucleosidenamefromaboveandadd“mono-”,“di-”,or“triphosphate”AdenosineMonophosphate,CytidineTriphosphate,Deoxythymidi
8、neDiphosphate,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JoanOro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RuthMariner、CarlSagan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)。,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种不同的含氮废物，即NH2、尿素和尿酸。尿酸就是嘌呤化合物的代谢产物。,在1950年间，JohnM.Buchanan和
9、G.RobertGreenberg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来自天冬氨酸，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。,核酸分解与合成背景知识,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。,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
10、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,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（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）脱氧核糖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,第一部分核酸的解聚作用,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
11、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）,核酸的酶促降解,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,核苷水解酶,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,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,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
12、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,5,OH,B,3,B,B,B,B,B,B,B,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,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（restrictionendonucle
13、ase）。,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,例：EcoRI，这是从大肠杆菌（E.coli）R菌珠中分离出的一种限制性内切酶,如Hind代表从流感噬血杆菌d株（Haemophilusinfluenzae）中分离到的第三种内切酶。,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
14、核苷是无作用的，反应是不可逆的。,第二部分碱基的分解代谢,嘌呤碱的分解PurineCatabolism,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）Allpurinedegradationleadstouricacid(butitmightnotstopthere),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,嘌呤碱基的脱氨,嘌呤的降解,
15、腺嘌呤鸟嘌呤H2OH2ONH3NH3次黄嘌呤黄嘌呤H2O+O2H2O2H2O+O2H2O2尿囊素尿酸H2OCO2+H2O22H2O+O2尿囊酸尿素+乙醛酸H2O4NH3+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,黄嘌呤氧化酶,尿酸的进一步分解,尿酸氧化酶,ACASESTUDY:GOUT,A45-year-oldmanawokefromsleepwithapainfulandswollenrightgreattoe.Onthepreviousnighthehadeatenamealoffriedliverandonio
16、ns,afterwhichhemetwithhispokergroupanddrankanumberofbeers.Hesawhisdoctorthatmorning,“goutyarthritis”wasdiagnosed,andsometestswereordered.Hisserumuricacidlevelwaselevatedat8.0mg/L(NL7.0mg/L).Themanrecalledthathisfatherandhisgrandfather,bothofwhomwerealcoholics,oftencomplainedofjointpainandswellingint
17、heirfeet.,ACASESTUDY:GOUT,ThedoctorrecommendedthatthemanuseNSAIDsforpainandswelling,increasehisfluidintake(butnotwithalcohol)andrestandelevatehisfoot.Healsoprescribedallopurinol(别嘌呤醇).Afewdayslatertheconditionhadresolvedandallopurinolhadbeenstopped.Arepeaturicacidlevelwasobtained(7.1mg/L).Thedoctorg
18、avethemansomeadviceregardinglifestylechanges.,Gout,Impairedexcretionoroverproductionofuricacid尿酸排泄的削弱与过量产生Uricacidcrystalsprecipitateintojoints(GoutyArthritis),kidneys,ureters(stones)Xanthineoxidase（黄嘌呤氧化酶）inhibitorsinhibitproductionofuricacid,andtreatgoutAllopurinoltreatmenthypoxanthineanalogthatbi
19、ndstoXanthineOxidasetodecreaseuricacidproduction,ALLOPURINOLISAXANTHINEOXIDASEINHIBITORASUBSTRATEANALOGISCONVERTEDTOANINHIBITOR,INTHISCASEA“SUICIDE-INHIBITOR”,高嘌呤食物：豆苗、黄豆芽、芦笋、香菇、紫菜、动物内脏、鱼类,治疗痛风新药研发,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
20、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,AdenosineDeaminaseDeficiency,Inpurinedegradation,adenosineinosineEnzymeisAdenosineDeaminase(ADA)ADAdeficiencyresultsinSCIDSevereCombinedImmunodeficiencySelectivelykillslymphocytesBothB-andT-cellsMediatemuchofimmuneresponse,腺苷脱氨酶缺
21、乏症Adenosinedeaminasedeficiency(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,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,-丙氨酸,胸腺嘧啶的分解代谢,-脲基异丁酸-氨基异丁酸,二氢胸腺嘧啶,胸腺嘧啶,胞嘧啶,NH3,尿嘧啶,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,TCA,肝,尿素,甲基丙二酸单酰CoA,琥珀酰CoA,TCA,糖异生
22、,胸腺嘧啶的分解代谢,-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,-丙氨酸,第三部分核苷酸的生物合成,嘌呤核糖核苷酸的生物合成,Bases/Nucleosides/Nucleotides,Base,Base+Sugar=Nucleoside,Base+Sugar+Phosphate=Nucleotide,Adenine,Deoxyadenosine,Deoxyadenosine5-triphosphate(dATP),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,核苷酸合成的两条途径,核
23、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,嘌呤核苷酸环上原子来源,嘌呤核糖核苷酸的合成,1,2,5,8,6,7,3,4,9,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（denovosynthesispathway）。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。,嘌呤核苷酸的合成,嘌呤核苷酸的合成代谢,谷氨酰胺提供N9,甘氨酸提供C4，5和N7,嘌呤核苷酸的合成,嘌呤核苷酸的合成代谢,一碳单位提供C8,谷氨
24、酰胺提供N3,N10-甲酰FH4,嘌呤核苷酸的合成代谢,CO2提供C6,天冬氨酸提供N1,一碳单位提供C2,ATP,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C2上的氨基,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,生物体内除了能以简单前体物质“从头合成”（denovosynthesis）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”（salvagepathway）。,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。,（A）,（B）,嘌呤核苷酸的合成
25、代谢,PRPP,补救途径,5磷酸核糖焦磷酸,腺嘌呤,腺嘌呤磷酸核糖转移酶,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,别构酶：受终产物抑制；,受终产物抑制,受终产物抑制,NucleotideMetabolism,PURINERIBONUCLEOTIDES:formeddenov
26、oi.e.,purinesarenotinitiallysynthesizedasfreebasesFirstpurinederivativeformedisInosineMono-phosphate(IMP)ThepurinebaseishypoxanthineAMPandGMPareformedfromIMP,Denovosynthesis,5-磷酸核糖胺,PRA,甘氨酰胺核苷酸,甲酰甘氨酰胺核苷酸,甲酰甘氨咪核苷酸,5-氨基咪唑核苷酸,5-氨基-4-羧酸咪唑核苷酸,5-氨基咪唑-4-(N-琥珀酸)-氨甲酰核苷酸,5-氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸,5-甲酰胺-4-氨甲酰咪唑核苷酸,Synth
27、esisofAMPandGMP,延胡索酸,kinase,ADP,kinase,ADP,ATP,ATP,ADP,AMP,ATP,kinase,GDP,kinase,ADP,GTP,ATP,ADP,GMP,ATP,PurineSalvage,Adeninephosphoribosyltransferase(APRT)Adenine+PRPPAMP+PPiHypoxanthine-Guaninephosphoribosyltransferase(HGPRT)Hypoxanthine+PRPPIMP+PPiGuanine+PRPPGMP+PPi(NOTE:THESEAREALLREVERSIBLERE
28、ACTIONS),PurineNucleotideSynthesisataGlance,ATPisinvolvedin6stepsPRPPinthefirststepofPurinesynthesisisalsoaprecursorforPyrimidineSynthesis,HisandTrpsynthesis,RegulatoryControlofPurineNucleotideBiosynthesis,GTPisinvolvedinAMPsynthesisandATPisinvolvedinGMPsynthesis(reciprocalcontrolofproduction)PRPPis
29、abiosynthetically“central”moleculeRateofAMPproductionincreaseswithincreasingconcentrationsofGTP;rateofGMPproductionincreaseswithincreasingconcentrationsofATP,IntracellularPurineCatabolism,Nucleotidesbrokenintonucleosidesbyactionof5-nucleotidase(hydrolysisreactions)Purinenucleosidephosphorylase(PNP)I
30、nosineHypoxanthineXanthosineXanthineGuanosineGuanineRibose-1-phosphatesplitsoffCanbeisomerizedtoribose-5-phosphateAdenosineisdeaminatedtoInosine(ADA),IntracellularPurineCatabolism,XanthineisthepointofconvergenceforthemetabolismofthepurinebasesXanthineUricacidXanthineoxidasecatalyzestworeactions,雷-纳（
31、二氏）综合症LeschNyhansyndrome,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
32、是必要的。,Lesch-NyhanSyndrome,AdefectinproductionoractivityofHGPRTHypoxanthine-GuaninephosphoribosyltransferaseHypoxanthine+PRPPIMP+PPiCausesincreasedlevelofHypoxanthineandGuanine(indegradationtouricacid)Causesgout-likesymptoms,butalsoneurologicalsymptomsspasticity,aggressiveness,self-mutilation痉挛具有侵略性自
33、我伤害Firstneuropsychiatricabnormalitythatwasattributedtoasingleenzyme,嘧啶核糖核苷酸的生物合成,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,嘧啶核苷酸的生物合成,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5-磷酸核糖焦磷酸（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,嘧啶核苷酸的合成代谢,天冬氨酸,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
34、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,ATP提供能量,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,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,(A),(B),嘧啶核苷酸的合成代谢,PyrimidineRibonucleotideSynthesis,UridineMonophosphate(UMP)issynthesizedfirstCTPissynthesizedfromUTPPyrimidineringsynthesiscompletedfirst;thenattachedtoribose-5-phosphate,
35、N1,C4,C5,C6:AspartateC2:HCO3-N3:GlutamineamideNitrogen,PyrimidineSynthesis,UMPSynthesisOverview,2ATPsneeded:bothusedinfirststepOnetransfersphosphate,theotherishydrolyzedtoADPandPi2condensation:formcarbamoylaspartateanddihydroorotate(intramolecular)AttachmentofbasetoriboseringiscatalyzedbyOPRT;PRPPpr
36、ovidesribose-5-PPPisplitsoffPRPPirreversible,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,CTP合成酶,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。临床用尿苷或胞苷治疗。尿苷经磷酸化可生成UMP，抑制CPS(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。,OroticAciduria,
37、CausedbydefectinproteinchainwithenzymeactivitiesoflasttwostepsofpyrimidinesynthesisIncreasedexcretionoforoticacidinurineSymptoms:retardedgrowth;severeanemiaOnlyknowninheriteddefectinthispathway(allotherswouldbelethaltofetus)Treatwithuridine/cytidine,脱氧核糖核苷酸的生物合成,脱氧核糖核苷酸的合成,脱氧核糖核苷酸是由核糖核苷酸还原产生的。在生物体内，
38、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,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。每个R2亚基均含有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,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,
39、推进UDP和CDP的还原,推进GDP和ADP的还原,别构效应物,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,核糖核苷酸还原酶,NADP+,NADPH+H+,硫氧还蛋白还原酶,FADH2,ATP、Mg2+,FormationofDeoxyribonucleotides,oxidized,reduced,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,胸腺嘧啶核苷酸合成酶,NADPH+H+Ser,NADP+Gly,N5、N10CH2FH4FH2,二氢叶酸还原酶,Ser羟甲基转移酶,O,N,HN,O,dR-P,CH3,O,N,HN,O,
40、dR-P,dUMP,dTMPsynthase,FH2,N5,N10-methyleneFH4,FH4,NADPH+H+,NADP+,dTMP,kinase,dTDP,kinase,ADP,dTTP,ATP,ADP,dTMP,ATP,ThymidylatesynthasemethylatesdUMPat5-positiontomakedTMP,N5,N10-methyleneTHFis1-Cdonor,SynthesisoftheThymineNucleotides,叶酸和四氢叶酸（FH4）,叶酸,N5，N10-CH2-FH4,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,
41、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,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（氨基喋呤、氨甲喋呤）：可抑制IMP合成中有四氢叶酸参与的反应,临床上几种抗癌药物的作用机理,嘌呤核苷酸的抗代谢物,嘌呤类似物:,8-氮杂次黄嘌呤,H2N,6-巯基鸟嘌呤,次黄嘌呤,6-巯基嘌呤,（6-MP）,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,叶酸类似物抑制有一碳单位参与的反应,R=H，氨基喋呤,R=CH3，氨甲
42、喋呤,N,NH2,N,N,N,H,H2N,CH2N,R,CNCH,O,CH2,CH2,COOH,COOH,H,5,6,7,8四氢叶酸,核苷酸的抗代谢物,次黄嘌呤(H),6-巯基嘌呤(6-MP),MTX（氨甲喋呤）,MTX（氨甲喋呤）,Analogsofpymidines/pymidinenucleosides:,5-氟尿嘧啶5-Fu,阿糖胞苷Cytarabine,环胞苷Cyclocytidine,Inhibitorsofpymidinessynthesisarecancerdrugs,氮杂丝氨酸,阿糖胞苷,氨甲碟呤,氮杂丝氨酸,DeoxyribonucleotideFormation,Puri
43、ne/PyrimidinedegradationarethesameforribonucleotidesanddeoxyribonucleotidesBiosyntheticpathwaysareonlyforribonucleotideproductionDeoxyribonucleotidesaresynthesizedfromcorrespondingribonucleotides,FormationofDeoxyribonucleotides,Reductionof2carbondoneviaafreeradicalmechanismcatalyzedby“Ribonucleotide
44、Reductases”E.coliRNRreducesribonucleosidediphosphates(NDPs)todeoxyribonucleosidediphosphates(dNDPs)Twosubunits:R1andR2AHeterotetramer:(R1)2and(R2)2invitro,RIBONUCLEOTIDEREDUCTASE,R1SUBUNITTwoallostericsitesSpecificitySiteActivitySiteFourredox-activeSHgroupsfromcysteinesR2SUBUNITTyr122radicalBinuclea
45、rFe(III)complex,TheR2dimerofribonucleotidereductase,withaTyrradicalandaFe3+-Fe3+binuclearcenter.,Tyrradical,Fe3+-Fe3+,MechanismofRibonucleotideReductaseReaction,FreeRadicalInvolvementofmultipleSHgroupsRRisleftwithadisulfidegroupthatmustbereducedtoreturntotheoriginalenzyme,Thioredoxin（硫氧还蛋白）,Physiolo
46、gicreducingagentCyspaircanswapHatomswithdisulfideformedregenerateoriginalenzymeThioredoxingetsoxidizedtodisulfide,OxidizedThioredoxingetsreducedbythioredoxinreductasemediatedbyNADPH(finalelectronacceptor),ThymineFormation,Formedbymethylatingdeoxyuridinemonophosphate(dUMP)UTPisneededforRNAproduction,
47、butdUTPnotneededforDNAIfdUTPproducedexcessively,wouldcausesubstitutionerrors(dUTPfordTTP)dUTPhydrolyzedbydUTPase(dUTPdiphosphohydrolase)todUMPmethylatedatC5toformdTMPrephosphorylatetoformdTTP,Tetrahydrofolate(THF),MethylationofdUMPcatalyzedbythymidylatesynthaseCofactor:N5,N10-methyleneTHF（甲叉四氢叶酸）oxi
48、dizedtodihydrofolateTHFRegeneration:DHF+NADPH+H+THF+NADP+(enzyme:dihydrofolatereductase)THF+SerineN5,N10-methylene-THF+Glycine(enzyme:serinehydroxymethyltransferase),dUMP,dTMP,NADPH+H+,NADP+,SERINE,GLYCINE,REGENERATIONOFN5,N10METHYLENETETRAHYDROFOLATE,DHF,N5,N10METHYLENE-THF,THF,dihydrofolatereducta
49、se,serinehydroxymethyltransferase,thymidylatesynthase,Anti-FolateDrugs,CancercellsconsumedTMPquicklyforDNAreplicationInterferewiththymidylatesynthasetodecreasedTMPproduction(fluorodeoxyuridylateirreversibleinhibitor)alsoaffectsrapidlygrowingnormalcells(hairfollicles,bonemarrow,immunesystem,intestinalmucosa)Dihydro