第 33 章、核苷酸代谢

第33章、核苷酸代谢

33.1 核苷酸生物合成需要磷酸核糖焦磷酸 33.2 同位素标记实验给出了嘌呤环中各个原子的来源 33.3 嘌呤核苷酸的从头合成的最初产物是次黄嘌呤核苷酸 33.4 AMP和GMP是次黄嘌呤核苷酸的衍生物 33.5 核苷酸可以通过补救途径合成 33.6 嘧啶核苷酸的从头合成途径的最初产物是UMP 33.7 CTP是由UMP合成的 33.8 脱氧核糖核苷酸是通过核糖核苷酸还原合成的 33.9 嘌呤核苷酸降解产生尿酸 33.10 大多数动物可以降解尿酸 33.11肌肉中嘌呤核苷酸循环生成氨 33.12嘧啶可以降解生成乙酰CoA和琥珀酰CoA

核苷酸生物合成有两条途径： 从头合成途径：实际上是由简单的前体分子（如氨基酸、CO2和NH3等分子）生物合成核苷酸的杂环碱基的途径。补救途径：是一条省能的、简单的生物合成核苷酸途径，碱基不用从头合成，而是直接利用细胞内或饮食中核苷酸降解生成的完整的嘌呤和嘧啶碱基，该途径实际上是核苷酸降解产物再循环，重新形成核苷酸的过程。核苷酸的生物降解主要是嘌呤和嘧啶碱基的降解过程，嘌呤降解生成可以排泄的、有潜在毒性的化合物，而嘧啶降解将生成容易代谢的产物。

33.1 核苷酸生物合成需要磷酸核糖焦磷酸 各种嘌呤类核苷酸的前体是次黄嘌呤核苷酸（IMP，或称之肌苷酸）；而各种嘧啶核苷酸则是从尿嘧啶核苷酸（UMP）衍生出来的。 IMP是在核糖-5-磷酸的基础上合成次黄嘌呤环结构的，而UMP则是先合成尿嘧啶碱基，然后再连接5-磷酸核糖。但无论那种连接方式，使用的都是核糖-5-磷酸的活化形式5-磷酸核糖焦磷酸（PRPP）。PRPP是在PRPP合成酶催化下由核糖-5-磷酸和ATP合成的。

核糖-5-磷酸与ATP反应，焦磷酸基团从ATP转移到核糖-5-磷酸的C-1，形成5-磷酸核糖-1-焦磷酸（PRPP），是-构型。核糖-5-磷酸与ATP反应，焦磷酸基团从ATP转移到核糖-5-磷酸的C-1，形成5-磷酸核糖-1-焦磷酸（PRPP），是-构型。

33.2 同位素标记实验给出了嘌呤环中各个原子的来源嘌呤环上原子的来源为：N-1来自天冬氨酸；C-2和C-8来自甲酸（通过10-甲酰四氢叶酸）；N-3和N-9来自谷氨酰胺的酰胺基；C-4、C-5和N-7都来自甘氨酸；C-6来自CO2。

33.3 嘌呤核苷酸从头合成的最初产物是次黄嘌呤核苷酸

IMP从头合成是在PRPP基础上，依次连接：N-9，来自谷氨酰胺；C-4、C-5和N-7，来自甘氨酸；C-8，来自10-甲酰四氢叶酸；N-3，来自谷氨酰胺；C-6来自CO2；N-1，来自天冬氨酸；C-2，来自10-甲酰四氢叶酸。在第5步反应先形成咪唑5员环，然后在第10步反应形成嘧啶6员环。IMP从头合成是在PRPP基础上，依次连接：N-9，来自谷氨酰胺；C-4、C-5和N-7，来自甘氨酸；C-8，来自10-甲酰四氢叶酸；N-3，来自谷氨酰胺；C-6来自CO2；N-1，来自天冬氨酸；C-2，来自10-甲酰四氢叶酸。在第5步反应先形成咪唑5员环，然后在第10步反应形成嘧啶6员环。从头合成途径开始于PRPP的焦磷酰基被谷氨酰胺的酰胺氮取代的反应，反应是由谷氨酰胺－PRPP转酰胺酶催化的，值得注意的是，核糖的异头构型在亲核取代过程中由α构型转换成了β构型，形成的是构型的5-磷酸核糖胺。这种β构型一直保留在合成的嘌呤核苷酸中。然后构型的5-磷酸核糖胺的氨基被甘氨酸酰化，形成甘氨酰胺核苷酸。

在第3步反应中，一个甲酰基从10-甲酰四氢叶酸转移到甘氨酰胺核苷酸的氨基上，形成IMP的C-8。在第4步反应中，来自谷氨酰胺的酰胺在酰胺转移酶的催化下，转换成脒（R）NH－C＝NH，反应需要ATP。该酶受到类似于谷氨酰胺的抗生素，例如重氮丝氨酸和6-重氮-5-氧-正亮氨酸的不可逆抑制。这些化合物（作为亲和标记试剂）可以与酶的巯基反应。在第3步反应中，一个甲酰基从10-甲酰四氢叶酸转移到甘氨酰胺核苷酸的氨基上，形成IMP的C-8。在第4步反应中，来自谷氨酰胺的酰胺在酰胺转移酶的催化下，转换成脒（R）NH－C＝NH，反应需要ATP。该酶受到类似于谷氨酰胺的抗生素，例如重氮丝氨酸和6-重氮-5-氧-正亮氨酸的不可逆抑制。这些化合物（作为亲和标记试剂）可以与酶的巯基反应。 IMP合成的第5步反应是需要ATP的闭环反应，形成一个咪唑衍生物。第6步反应中，CO2连接到已经变成嘌呤的C-5上，这个羧化反应很罕见，因为反应既不需要ATP，也不需要生物素。

在第7和8步反应中，天冬氨酸的氨基整合到嘌呤环中。首先整个天冬氨酸与新进入的羧基缩合形成一个酰胺键，然后在腺苷琥珀酸裂解酶的作用下除去琥珀酸，生成氨基咪唑核苷酸，反应需要ATP。这两步反应使得来自天冬氨酸的一个氨基氮变成了IMP中的N-1。在第7和8步反应中，天冬氨酸的氨基整合到嘌呤环中。首先整个天冬氨酸与新进入的羧基缩合形成一个酰胺键，然后在腺苷琥珀酸裂解酶的作用下除去琥珀酸，生成氨基咪唑核苷酸，反应需要ATP。这两步反应使得来自天冬氨酸的一个氨基氮变成了IMP中的N-1。第9步反应类似于第3步反应，来自10－甲酰四氢叶酸的甲酰基转移到氨基咪唑氨甲酰核苷酸的氨基上，第10步反应是一个闭环反应，形成嘌呤环中的嘧啶环。至此完成了IMP整个嘌呤环的合成。 IMP从头合成消耗了大量的能量。在合成PRPP时，ATP转换为AMP，第2，4，5和7步反应也是通过ATP转换为ADP驱动的，另外由谷氨酸和氨合成谷氨酰胺也需要ATP。

33.4 AMP和GMP是次黄嘌呤核苷酸的衍生物 AMP：Asp的氨基与IMP 中的酮基缩合形成腺苷酸（基）琥珀酸。然后在腺苷酸琥珀酸裂解酶的作用下除去延胡索酸，生成AMP。 GMP：IMP脱氢生成黄嘌呤核苷酸，再接收来自Gln的氨基生成GMP。

33.5 嘌呤核苷酸可以通过补救途径合成 • PRPP是补救途径中核糖-5-磷酸的供体。 • 腺嘌呤磷酸核糖转移酶催化腺嘌呤与PRPP生成AMP和PPi。 • 次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶催化类似的反应，即次黄嘌呤转换为IMP，鸟嘌呤转换为GMP，同时生成PPi。 •  次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶对PRPP的Km值比谷氨酰胺-PRPP转酰胺酶对PRPP的Km值低，就是说次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶对PRPP的亲和力大，同时该酶还具有高的kcat。这些特性使得在低浓度的PRPP条件下，补救途径反应比从头合成途径反应优先发生。

Lesch-Nyhan综合症，也称之自毁容貌症：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。该病的主要的生物化学特征是排泄的尿酸量可达到正常排泄尿酸量的6倍，同时嘌呤从头合成的速率大大增加。Lesch-Nyhan综合症，也称之自毁容貌症：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。该病的主要的生物化学特征是排泄的尿酸量可达到正常排泄尿酸量的6倍，同时嘌呤从头合成的速率大大增加。 Lesch-Nyhan综合症是由于次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶的遗传缺陷引起的。由于缺少次黄嘌呤－鸟嘌呤磷酸核糖转移酶活性，次黄嘌呤和鸟嘌呤不能转换成IMP和GMP，而是降解到尿酸。缺乏次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶的细胞含有高浓度的PRPP，通常用于次黄嘌呤和鸟嘌呤补救途径的PRPP都提供给IMP的从头合成，过量的IMP降解形成尿酸。体内过量的尿酸就会引起Lesch－Nyhan综合症。

33.6 嘧啶核苷酸的从头合成途径的最初产物是UMP 嘧啶核苷酸的从头合成途径比嘌呤从头合成途径简单，并且消耗的ATP少。同位素实验表明嘧啶环中的原子来自三个前体。C-2来自HCO3－；N-3来自谷氨酰胺的酰胺基团；其余原子都来自天冬氨酸。

首先合成含有嘧啶环的乳清酸，然后乳清酸再与PRPP反应形成嘧啶核苷酸。首先合成含有嘧啶环的乳清酸，然后乳清酸再与PRPP反应形成嘧啶核苷酸。从头合成途径共涉及6步反应,催化各步反应的酶分别是：①氨甲酰磷酸合成酶，③二氢乳清酸酶,④二氢乳清酸脱氢酶,⑤乳清酸磷酸核糖转移酶,⑥乳清酸脱羧酶，这些酶都位于胞液中。

33.7 CTP是由UMP合成的 由UMP转换成CTP涉及三步反应。首先尿苷酸激酶催化ATP的γ-磷酸转移给UMP形成UDP，然后核苷二磷酸激酶催化第二个ATP的γ-磷酸转移给UDP形成UTP，最后CTP合成酶催化来自谷氨酰胺的酰胺氮转移至UTP的C-4，形成CTP。CTP合成酶受到反应产物CTP的别构抑制和受到GTP的别构激活。

33.8 脱氧核糖核苷酸是通过核糖核苷酸还原合成的 2ˊ-脱氧核糖核苷酸是DNA的构件分子，它是通过核糖核苷酸还原生成的。在大多数生物中，脱氧还原反应发生在核苷二磷酸水平。所有ADP、GDP、CDP和UDP四种核苷二磷酸都可以在核苷二磷酸还原酶的催化下生成相应的脱氧核苷二磷酸dADP、dGDP、dCDP和dUDP。形成的脱氧核苷二磷酸可以在核苷二磷酸激酶的作用下磷酸化生成核苷三磷酸dATP、dGTP、dCTP和dUTP。 NADPH作为脱氧核糖核苷二磷酸合成的还原力。电子从NADPH向还原酶转移需要经过黄素蛋白和硫氧还蛋白的传递。

dTMP是由dUMP甲基化形成的。首先dUDP转换为dUMP，有几条途径，一条是在核苷单磷酸激酶的催化下，dUDP 与ADP反应生成dUMP 和ATP。另一条途径是dUDP先形成dUTP，然后水解生成dUMP和PPi。dCMP经脱氨也可以形成dUMP。由dUMP转换为dTMP的反应是由胸苷酸合成酶催化的。反应中，5,10-甲叉四氢叶酸提供一碳单位之后，形成二氢叶酸，二氢叶酸经还原变成四氢叶酸，再接收丝氨酸提供的一碳单位重新形成5,10-甲叉四氢叶酸。

33.9 嘌呤核苷酸降解产生尿酸 鸟类、爬行动物和灵长类动物（包括人）可以将嘌呤核苷酸转换为尿酸排泄掉。鸟类、爬行动物中的氨基酸代谢也可以生成尿酸，但在哺乳动物中，过量的氮是以尿素形式排出的。鸟类和爬行动物缺少进一步降解尿酸的酶，而许多动物还可以进一步将尿酸降解为其它产物。 AMP和GMP经水解除去磷酸分别形成腺苷和鸟苷，腺苷经脱氨形成次黄嘌呤核苷，同样AMP也可以脱氨生成IMP。IMP水解生成次黄嘌呤核苷，次黄嘌呤核苷再经磷酸解形成次黄嘌呤。鸟苷磷酸解生成鸟嘌呤。这些磷酸解反应都是由嘌呤-核苷磷酸化酶催化的，生成核糖1-磷酸（或脱氧核糖-1-磷酸）和碱基；但腺苷不是哺乳动物嘌呤-核苷磷酸化酶的底物。

痛风是由于尿酸生产过量或尿酸排泄不充分造成堆积引起的一种疾病。血液中的尿酸钠的溶解度很小，当尿酸钠浓度高时，它可在软骨和软组织，特别是在肾脏以及舌和关节处形成结晶（有时与尿酸一起）。在关节处的沉积会引起剧烈的疼痛。痛风是由于尿酸生产过量或尿酸排泄不充分造成堆积引起的一种疾病。血液中的尿酸钠的溶解度很小，当尿酸钠浓度高时，它可在软骨和软组织，特别是在肾脏以及舌和关节处形成结晶（有时与尿酸一起）。在关节处的沉积会引起剧烈的疼痛。引起痛风有几个原因，其中包括次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶活性的部分缺陷，结果导致嘌呤回收下降，使得嘌呤分解生成更多的尿酸。痛风也可能是由于嘌呤生物合成调控的缺陷引起的。

治疗痛风的常用药物之一是与次黄嘌呤结构非常类似的别嘌呤醇，次黄嘌呤的N-7和C-8换个位置就变成了别嘌呤醇。在细胞内别嘌呤醇被转换为羟嘌呤醇 ，羟嘌呤醇是黄嘌呤脱氢酶的一个很强的抑制剂，服用别嘌呤醇可以防止非正常的高水平的尿酸的形成，因此可以防止尿酸的沉积和肾结石的形成。在用别嘌呤醇治疗期间，次黄嘌呤和黄嘌呤都不会堆积，它们经次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶催化转换为IMP和黄嘌呤核苷酸，然后形成AMP和GMP。次黄嘌呤和黄嘌呤的溶解度比尿酸钠和尿酸大得多，如果它们不能通过补救途径被重新利用也可经肾脏排泄掉。

33.10大多数动物可以降解尿酸

33.11 肌肉中嘌呤核苷酸循环生成氨 工作的肌肉会生成氨，这个产氨途径涉及嘌呤代谢中的AMP脱氨酶。AMP脱氨酶催化AMP脱氨生成IMP。在工作的肌肉中，IMP再循环重新形成AMP。这一循环途径称为嘌呤核苷酸循环。

33.12 嘧啶可以降解生成乙酰CoA和琥珀酰CoA 下图给出了三种嘧啶核苷酸降解至尿嘧啶和胸腺嘧啶过程。嘧啶核苷酸的降解是从水解生成相应的核苷和Pi开始的，反应是由5ˊ-核苷酸酶催化的。 CMP首先水解生成胞苷，然后胞苷经胞苷脱氨酶催化脱氨形成尿苷。尿苷和胸苷的糖苷键分别经尿苷磷酸化酶和胸苷磷酸化酶磷酸解，分别生成尿嘧啶和核糖-1-磷酸以及胸腺嘧啶和脱氧核糖-1-磷酸。

胞嘧啶和胸腺嘧啶可以继续降解生成中枢代谢途径中的中间产物乙酰CoA和琥珀酰CoA。两个嘧啶碱基降解的过程类似。首先嘧啶环被NADPH还原为5,6-二氢嘧啶，然后在二氢嘧啶酶的催化下嘧啶环的N-3－C-4键被切开，生成氨甲酰--氨基酸衍生物脲基丙酸或脲基异丁酸。胞嘧啶和胸腺嘧啶可以继续降解生成中枢代谢途径中的中间产物乙酰CoA和琥珀酰CoA。两个嘧啶碱基降解的过程类似。首先嘧啶环被NADPH还原为5,6-二氢嘧啶，然后在二氢嘧啶酶的催化下嘧啶环的N-3－C-4键被切开，生成氨甲酰--氨基酸衍生物脲基丙酸或脲基异丁酸。这两种氨基酸衍生物进一步水解生成NH4＋、HCO3－、-氨基酸或-氨基异丁酸。其中-丙氨酸来自尿嘧啶，而-氨基异丁酸来自胸腺嘧啶。-丙氨酸可以转换为乙酰CoA，而-氨基异丁酸可以转换成琥珀酰CoA，它们都可以进入柠檬酸循环进一步代谢。

三种嘧啶核苷酸降解至尿嘧啶和胸腺嘧啶

尿嘧啶和胸腺嘧啶分别降解至乙酰CoA和琥珀酰CoA尿嘧啶和胸腺嘧啶分别降解至乙酰CoA和琥珀酰CoA

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