生物化学与分子生物学/嘌呤核苷酸的合成与分解代谢

核苷酸代谢- 嘌呤核苷酸的合成与分解代谢 - 嘧啶核苷酸的合成与分解代谢

嘌呤核苷酸的合成存在从头合成和补救合成两条途径

生物体内细胞利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位和CO₂等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成嘌呤核昔酸，称为从头合成途径(de nova synthesis); 利用体内游离的嘌呤或嘌呤核昔，经过简单的反应过程，合成嘌呤核苷酸，称为补救合成途径 (salvage pathway) , 或称重新利用途径。两种途径在人体内不同组织中的重要性不同，从头合成嘌呤核苷酸的主要器官是肝，其次是小肠黏膜和胸腺；补救合成的主要器官是脑和骨髓等。一般情况下，前者是合成的主要途径。

嘌呤核苷酸的从头合成

从头合成途径

除某些细菌外，几乎所有生物体都能合成嘌呤碱。放射性核素示踪实验证明，合成嘌呤碱的前身物均为简单物质，合成嘌呤环的各元素来源包括氨基酸、CO₂及甲酰基（来自四氢叶酸）等。嘌呤核苷酸的从头合成在细胞质中进行，其过程是从核糖-5-磷酸起始逐步合成嘌呤环。反应步骤比较复杂，可分为两个阶段：首先合成次黄嘌呤核苷酸(inosine monophosphate, IMP), 然后IMP再转变成腺嘌呤核苷酸(AMP)与鸟嘌呤核苷酸(GMP)。

• IMP的合成：IMP的合成经过11步反应完成。
  • 核糖-5'-磷酸（磷酸戊糖途径中产生）经过磷酸核糖焦磷酸合成酶作用，将1分子焦磷酸从ATP转移到核糖-5'-磷酸的C_1'，活化生成5'-磷酸核糖-1'-焦磷酸（5'-phosphoribosyl-1'-pyrophophate, PRPP）。
  • 谷氨酰胺提供酰胺基取代PRPP上的焦磷酸，形成5'-磷酸核糖胺(PRA) , 此反应由磷酸核糖酰胺转移酶(amidotransferase)催化。PRA极不稳定，其t_1/2在pH7.5条件下为30秒。该反应是嘌呤核苷酸从头合成的关键步骤。
  • 由ATP供能，甘氨酸与PRA加合，生成甘氨酰胺核苷酸(glycinamide ribonucleotide, GAR)。
  • N¹⁰-甲酰四氢叶酸供给甲酰基，使GAR甲酰化，生成甲酰甘氨酰胺核苷酸(formylglycinamide ribonucleotide, FGAR)。
  • 谷氨酰胺提供酰胺氮，使FGAR生成甲酰甘氨脒核苷酸(formylglycinamidine ribonucleotide, FGAM) , 此反应消耗1分子ATP。
  • FGAM脱水环化形成5-氨基咪唑核苷酸(5-aminoimidazole ribonucleotide, AIR), 此反应也需要ATP参与。至此，合成了嘌呤环中的咪唑环部分。
  • CO₂连接到咪唑环上，作为嘌呤碱中C₆的来源，生成5-氨基咪唑-4-羧酸核苷酸(carboxyaminoimidazole ribonucleotide, CAIR)。
  • 在ATP存在下，天冬氨酸与CAIR缩合，生成N-唬珀酰-5-氨基咪唑-4-甲酰胺核苷酸(N-succinyl-5-aminoimidazole-4-carboxamide ribonucleotide, SAICAR)。
  • SAICAR脱去1分子延胡索酸，裂解为5-氨基咪嗤-4-甲酰胺核苷酸(5 -aminoimidazole-4-carboxamide ribonucleotide, AICAR)。
  • N¹⁰-甲酰四氢叶酸提供甲酰基（一碳单位），使AICAR甲酰化，生成5-甲酰胺基咪唑-4-甲酰胺核苷酸(N-formylaminoimidazole-4-carboxamide ribonucleotide, FAICAR)。
  • FAICAR脱水环化，生成IMP。嘌呤核苷酸从头合成的酶在细胞质中多以酶复合体形式存在。
• IMP转变生成 AMP 和 GMP：IMP 虽然不是核酸分子的主要组成单位，但它是嘌呤核苷酸合成的前体或重要中间产物，IMP 可以分别转变成 AMP 和 GMP。
• ATP和GTP的生成：AMP和GMP在激酶作用下，经过两步磷酸化反应，进一步分别生成ATP 和GTP。

由上述反应过程可以清楚地看到，嘌呤核苷酸是在磷酸核糖分子上逐步合成嘌呤环的，而不是首先单独合成嘌呤碱然后再与磷酸核糖结合。这是与嘧啶核苷酸合成过程的明显差别，也是嘌呤核苷酸从头合成的一个重要特点。
肝是体内从头合成嘌呤核苷酸的主要器官，其次是小肠黏膜及胸腺。现已证明，并不是所有的细胞都具有从头合成嘌呤核苷酸的能力。

从头合成的调节

嘌呤核苷酸的从头合成是体内核苷酸的主要来源，但这个过程需要消耗氨基酸等原料及大量ATP。机体对其合成速度进行着精确的调节，一方面为满足合成核酸而对嘌呤类核苷酸的需要，同时又不会“供过于求”，以节省底物及能量的消耗。此反应以反馈调节为主。
嘌呤核苷酸从头合成途径中，主要调控环节是第一步生成 PRPP 和第二步生成 5'-磷酸核糖胺 (PRA) 的反应。催化这两阶段反应的 PRPP 合成酶和 PRPP 酰胺转移酶是被调控的关键酶，均可被合成的产物 IMP 、 AMP 及 GMP 等抑制。反之， PRPP 增加可以促进酰胺转移酶活性，加速 PRA 生成。PRPP 酰胺转移酶是一类别构酶，其单体形式有活性，二聚体形式无活性。IMP 、 AMP 及 GMP 能使活性形式转变成无活性形式，而 PRPP 则相反。在嘌呤核苷酸合成调节中，PRPP 合成酶可能比酰胺转移酶起着更大的作用，所以对 PRPP 合成酶的调控更为重要。
此外，在形成 AMP 和 GMP 过程中， IMP 转化为 AMP 时需要 GTP, 转化为 GMP 时需要 ATP。GTP可以促进AMP 的生成，ATP 也可以促进GMP 的生成。过量的 AMP控制 AMP 的生成，而不影响 GMP的合成；同样，过量的 GMP控制 GMP 的生成，而不影响 AMP 的合成。这种交叉调节作用对维持 ATP与 GTP 浓度的平衡具有重要意义。

嘌呤核苷酸的补救合成有两种方式

其一，细胞利用现成嘌呤碱或嘌呤核苷重新合成嘌呤核苷酸。补救合成过程比较简单，消耗能量也少。有两种酶参与嘌呤核苷酸的补救合成：腺嘌呤磷酸核糖转移酶(adeninephosphoribosyl transferase，APRT)和次黄嘌呤－鸟嘌呤磷酸核糖转移酶(hypoxanthine-guaninephosphoribosyl transferase, HGPRT)。PRPP 提供磷酸核糖，它们分别催化 AMP 、IMP 和 GMP 的补救合成。
APRT受 AMP 的反馈抑制，HGPRT 受 IMP 与 GMP 的反馈抑制。
其二，人体内嘌呤核苷的重新利用通过腺苷激酶催化的磷酸化反应，使腺嘌呤核苷生成腺嘌呤核苷酸。
生物体内除腺苷激酶外，不存在作用其他嘌呤核苷的激酶。嘌呤核苷酸补救合成途径中主要以磷酸核糖转移酶催化的反应为主。嘌呤核苷酸补救合成的生理意义一方面在于可以节省从头合成时能量和一些氨基酸的消耗；另一方面，体内某些组织器官，例如脑、骨髓等由于缺乏从头合成嘌呤核苷酸的酶体系，它们只能进行嘌呤核苷酸的补救合成。因此，对这些组织器官来说，补救合成途径具有更重要的意义。例如，由于基因缺陷而导致 HGPRT 完全缺失的患儿，表现为莱施－奈恩综合征或称Lesch-Nyhan 综合征，这是一种遗传代谢病。

体内嘌呤核苷酸可以相互转变

体内嘌呤核苷酸可以相互转变，以保待彼此平衡。前已述及，IMP 可以转变成 XMP 、 AMP 及GMP。此外，AMP 、 GMP 也可以转变成 IMP。由此，AMP 和 GMP 之间也是可以相互转变的。

脱氧核苷酸的生成在二磷酸核苷水平进行

DNA 由各种脱氧核苷酸组成。细胞分裂旺盛时，脱氧核苷酸含量明显增加，以适应合成 DNA 的需要。脱氧核苷酸，包括嘌呤脱氧核苷酸和嘧啶脱氧核苷酸从何而来？现已证明，体内脱氧核苷酸中所含的脱氧核糖并非先形成后再连接上碱基和磷酸，而是通过相应的核苷酸的直接还原作用，以氢元素取代其核糖分子中C_2'上的羟基而生成的。除 dTMP 是从 dUMP 转变而来以外，其他脱氧核苷酸都是在二磷酸核苷(NDP)水平上进行(N 代表 A、G、U、C等碱基），由核苷酸还原酶(ribonucleotide reduclase)催化。
其实这一反应的过程比较复杂。核苷酸还原酶从NADPH 获得电子时，需要硫氧还蛋白（如oredoxin) 作为电子载体。硫氧还蛋白的分子量约为12kD, 其所含的巯基在核苷酸还原酶作用下氧化为二硫键。后者再经称为硫氧还蛋白还原酶(thioredoxin reductase, Trx) 的催化，重新生成还原型的硫氧还蛋白，由此构成一个复杂的酶体系。核苷酸还原酶是一种别构酶，包括两个亚基，只有两个亚基结合并有Mg²⁺存在时才具有酶活性。在DNA 合成旺盛、分裂速度较快的细胞中，核苷酸还原酶体系活性较强。
细胞除了控制核苷酸还原酶的活性以调节脱氧核苷酸的浓度之外，还可以通过各种三磷酸核苷对还原酶的别构作用来调节不同脱氧核苷酸生成。因为某一种NDP 被还原酶还原成dNDP 时，需要特定NTP 的促进，同时也受其他NTP 的抑制。通过这种调节，使合成DNA 的4 种脱氧核甘酸控制在适当比例。
如上所述，与嗦呤脱氧核苷酸的生成一样，嘧啶脱氧核昔酸(dUDP 、dCDP) 也是通过相应的二磷酸嘧啶核苷的直接还原而生成的。
经过激酶的作用，上述dNDP 再磷酸化生成三磷酸脱氧核苷。

嘌呤核苷酸的抗代谢物是一些嘌呤、氨基酸或叶酸类似物

嘌呤核苷酸的抗代谢物是一些嘌呤、氨基酸或叶酸等的类似物。 它们主要以竞争性抑制或“以假乱真”等方式干扰或阻断嘌呤核苷酸的合成代谢，从而进一步阻止核酸以及蛋白质的生物合成尽。肿瘤细胞的核酸及蛋白质合成十分旺盛，因此这些抗代谢物具有抗肿瘤作用。
嘌呤类似物有 6-巯基嘌呤 (6-mercaptopurine, 6-MP)、 6-巯基鸟嘌呤、8-氮杂鸟嘌呤等，其中以 6-MP 在临床上应用较多。6-MP的结构与次黄嘌呤相似，唯一不同的是分子中C₆上由巯基取代。
6-MP在体内经磷酸核糖化生成6-MP核苷酸，并以这种形式抑制IMP转变为AMP及GMP的反应。6-MP能直接通过竞争性抑制，影响次黄嘌呤－鸟嘌呤磷酸核糖转移酶，使PRPP分子中的磷酸核糖不能向鸟嘌呤及次黄嘌呤转移，阻止了补救合成途径。此外，由于6-MP核苷酸结构与IMP相似，可以反馈抑制PRPP酰胺转移酶进而干扰磷酸核糖胺的形成，阻断嘌呤核苷酸从头合成。
氨基酸类似物有氮杂丝氨酸(azaserine)及6-重氮-5-氧正亮氨酸(diazonorleucine)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，从而抑制嘌呤核苷酸的合成。
氨蝶呤(aminopterin)及氨甲蝶呤(methotrexate, MTX)都是叶酸的类似物，能竞争性抑制二氢叶酸还原酶，使叶酸不能还原成二氢叶酸及四氢叶酸。因此嘌呤分子中来自一碳单位的C₈及C₂均得不到供应，从而抑制了嘌呤核苷酸的合成。MTX在临床上用于白血病等的治疗。
应该指出的是，上述药物缺乏对肿瘤细胞的特异性，故对增殖速度较旺盛的某些正常组织亦有杀伤性，因而具较大的毒副作用。

嘌呤核苷酸的分解代谢终产物是尿酸

细胞内核苷酸的分解代谢类似于食物中核苷酸的消化过程。首先，细胞中的核苷酸在核苷酸酶的作用下水解成核苷。核苷经核苷磷酸化酶作用，磷酸解成自由的碱基及核糖-1-磷酸。嘌呤碱基可以参加核苷酸的补救合成，也可以进一步水解。人体内，嘌呤碱基最终分解生成尿酸(uric acid) , 随尿排出体外。AMP生成次黄嘌呤，后者在黄嘌呤氧化酶(xanthine oxidase)作用下氧化成黄嘌呤，最后生成尿酸。GMP生成鸟嘌呤，后者转变成黄嘌呤，最后也生成尿酸。嘌呤脱氧核苷也经过相同的途径进行分解代谢。体内嘌呤核苷酸的分解代谢主要在肝、小肠及肾中进行，黄嘌呤氧化酶在这些组织中活性较强。
尿酸是人体嘌呤分解代谢的终产物，水溶性较差。当进食高嘌呤饮食、体内核酸大量分解（如白血病、恶性肿瘤等）或肾疾病而使尿酸排泄障碍时，均可导致血中尿酸升高。临床上常用别嘌呤醇 (allopurinol)治疗痛风症。别嘌呤醇与次黄嘌呤结构类似，只是分子中N₇与C₈互换了位置，故可抑制黄嘌呤氧化酶，从而抑制尿酸的生成。黄嘌呤、次黄嘌呤的水溶性较尿酸大得多，不会沉积形成结晶。同时，别嘌呤与PRPP反应生成别嘌呤核苷酸，这样一方面消耗PRPP而使其含量减少，另一方面别嘌呤核苷酸与IMP结构相似，又可反馈抑制嘌呤核苷酸从头合成的酶。这两方面的作用均可使嘌呤核苷酸的合成减少。