生物化學與分子生物學/嘌呤核苷酸的合成與分解代謝

核苷酸代謝- 嘌呤核苷酸的合成與分解代謝 - 嘧啶核苷酸的合成與分解代謝

嘌呤核苷酸的合成存在從頭合成和補救合成兩條途徑

生物體內細胞利用磷酸核糖、胺基酸、一碳單位和CO₂等簡單物質為原料，經過一系列酶促反應，合成嘌呤核昔酸，稱為從頭合成途徑(de nova synthesis); 利用體內游離的嘌呤或嘌呤核昔，經過簡單的反應過程，合成嘌呤核苷酸，稱為補救合成途徑 (salvage pathway) , 或稱重新利用途徑。兩種途徑在人體內不同組織中的重要性不同，從頭合成嘌呤核苷酸的主要器官是肝，其次是小腸黏膜和胸腺；補救合成的主要器官是腦和骨髓等。一般情況下，前者是合成的主要途徑。

嘌呤核苷酸的從頭合成

從頭合成途徑

除某些細菌外，幾乎所有生物體都能合成嘌呤鹼。放射性核素示蹤實驗證明，合成嘌呤鹼的前身物均為簡單物質，合成嘌呤環的各元素來源包括胺基酸、CO₂及甲醯基（來自四氫葉酸）等。嘌呤核苷酸的從頭合成在細胞質中進行，其過程是從核糖-5-磷酸起始逐步合成嘌呤環。反應步驟比較複雜，可分為兩個階段：首先合成次黃嘌呤核苷酸(inosine monophosphate, IMP), 然後IMP再轉變成腺嘌呤核苷酸(AMP)與鳥嘌呤核苷酸(GMP)。

• IMP的合成：IMP的合成經過11步反應完成。
  • 核糖-5'-磷酸（磷酸戊糖途徑中產生）經過磷酸核糖焦磷酸合成酶作用，將1分子焦磷酸從ATP轉移到核糖-5'-磷酸的C_1'，活化生成5'-磷酸核糖-1'-焦磷酸（5'-phosphoribosyl-1'-pyrophophate, PRPP）。
  • 穀氨醯胺提供醯胺基取代PRPP上的焦磷酸，形成5'-磷酸核糖胺(PRA) , 此反應由磷酸核糖醯胺轉移酶(amidotransferase)催化。PRA極不穩定，其t_1/2在pH7.5條件下為30秒。該反應是嘌呤核苷酸從頭合成的關鍵步驟。
  • 由ATP供能，甘氨酸與PRA加合，生成甘氨醯胺核苷酸(glycinamide ribonucleotide, GAR)。
  • N¹⁰-甲醯四氫葉酸供給甲醯基，使GAR甲醯化，生成甲醯甘氨醯胺核苷酸(formylglycinamide ribonucleotide, FGAR)。
  • 穀氨醯胺提供醯胺氮，使FGAR生成甲醯甘氨脒核苷酸(formylglycinamidine ribonucleotide, FGAM) , 此反應消耗1分子ATP。
  • FGAM脫水環化形成5-氨基咪唑核苷酸(5-aminoimidazole ribonucleotide, AIR), 此反應也需要ATP參與。至此，合成了嘌呤環中的咪唑環部分。
  • CO₂連接到咪唑環上，作為嘌呤鹼中C₆的來源，生成5-氨基咪唑-4-羧酸核苷酸(carboxyaminoimidazole ribonucleotide, CAIR)。
  • 在ATP存在下，天冬氨酸與CAIR縮合，生成N-唬珀醯-5-氨基咪唑-4-甲醯胺核苷酸(N-succinyl-5-aminoimidazole-4-carboxamide ribonucleotide, SAICAR)。
  • SAICAR脫去1分子延胡索酸，裂解為5-氨基咪嗤-4-甲醯胺核苷酸(5 -aminoimidazole-4-carboxamide ribonucleotide, AICAR)。
  • N¹⁰-甲醯四氫葉酸提供甲醯基（一碳單位），使AICAR甲醯化，生成5-甲醯胺基咪唑-4-甲醯胺核苷酸(N-formylaminoimidazole-4-carboxamide ribonucleotide, FAICAR)。
  • FAICAR脫水環化，生成IMP。嘌呤核苷酸從頭合成的酶在細胞質中多以酶複合體形式存在。
• IMP轉變生成 AMP 和 GMP：IMP 雖然不是核酸分子的主要組成單位，但它是嘌呤核苷酸合成的前體或重要中間產物，IMP 可以分別轉變成 AMP 和 GMP。
• ATP和GTP的生成：AMP和GMP在激酶作用下，經過兩步磷酸化反應，進一步分別生成ATP 和GTP。

由上述反應過程可以清楚地看到，嘌呤核苷酸是在磷酸核糖分子上逐步合成嘌呤環的，而不是首先單獨合成嘌呤鹼然後再與磷酸核糖結合。這是與嘧啶核苷酸合成過程的明顯差別，也是嘌呤核苷酸從頭合成的一個重要特點。
肝是體內從頭合成嘌呤核苷酸的主要器官，其次是小腸黏膜及胸腺。現已證明，並不是所有的細胞都具有從頭合成嘌呤核苷酸的能力。

從頭合成的調節

嘌呤核苷酸的從頭合成是體內核苷酸的主要來源，但這個過程需要消耗胺基酸等原料及大量ATP。機體對其合成速度進行着精確的調節，一方面為滿足合成核酸而對嘌呤類核苷酸的需要，同時又不會「供過於求」，以節省底物及能量的消耗。此反應以反饋調節為主。
嘌呤核苷酸從頭合成途徑中，主要調控環節是第一步生成 PRPP 和第二步生成 5'-磷酸核糖胺 (PRA) 的反應。催化這兩階段反應的 PRPP 合成酶和 PRPP 醯胺轉移酶是被調控的關鍵酶，均可被合成的產物 IMP 、 AMP 及 GMP 等抑制。反之， PRPP 增加可以促進醯胺轉移酶活性，加速 PRA 生成。PRPP 醯胺轉移酶是一類別構酶，其單體形式有活性，二聚體形式無活性。IMP 、 AMP 及 GMP 能使活性形式轉變成無活性形式，而 PRPP 則相反。在嘌呤核苷酸合成調節中，PRPP 合成酶可能比醯胺轉移酶起着更大的作用，所以對 PRPP 合成酶的調控更為重要。
此外，在形成 AMP 和 GMP 過程中， IMP 轉化為 AMP 時需要 GTP, 轉化為 GMP 時需要 ATP。GTP可以促進AMP 的生成，ATP 也可以促進GMP 的生成。過量的 AMP控制 AMP 的生成，而不影響 GMP的合成；同樣，過量的 GMP控制 GMP 的生成，而不影響 AMP 的合成。這種交叉調節作用對維持 ATP與 GTP 濃度的平衡具有重要意義。

嘌呤核苷酸的補救合成有兩種方式

其一，細胞利用現成嘌呤鹼或嘌呤核苷重新合成嘌呤核苷酸。補救合成過程比較簡單，消耗能量也少。有兩種酶參與嘌呤核苷酸的補救合成：腺嘌呤磷酸核糖轉移酶(adeninephosphoribosyl transferase，APRT)和次黃嘌呤－鳥嘌呤磷酸核糖轉移酶(hypoxanthine-guaninephosphoribosyl transferase, HGPRT)。PRPP 提供磷酸核糖，它們分別催化 AMP 、IMP 和 GMP 的補救合成。
APRT受 AMP 的反饋抑制，HGPRT 受 IMP 與 GMP 的反饋抑制。
其二，人體內嘌呤核苷的重新利用通過腺苷激酶催化的磷酸化反應，使腺嘌呤核苷生成腺嘌呤核苷酸。
生物體內除腺苷激酶外，不存在作用其他嘌呤核苷的激酶。嘌呤核苷酸補救合成途徑中主要以磷酸核糖轉移酶催化的反應為主。嘌呤核苷酸補救合成的生理意義一方面在於可以節省從頭合成時能量和一些胺基酸的消耗；另一方面，體內某些組織器官，例如腦、骨髓等由於缺乏從頭合成嘌呤核苷酸的酶體系，它們只能進行嘌呤核苷酸的補救合成。因此，對這些組織器官來說，補救合成途徑具有更重要的意義。例如，由於基因缺陷而導致 HGPRT 完全缺失的患兒，表現為萊施－奈恩綜合徵或稱Lesch-Nyhan 綜合徵，這是一種遺傳代謝病。

體內嘌呤核苷酸可以相互轉變

體內嘌呤核苷酸可以相互轉變，以保待彼此平衡。前已述及，IMP 可以轉變成 XMP 、 AMP 及GMP。此外，AMP 、 GMP 也可以轉變成 IMP。由此，AMP 和 GMP 之間也是可以相互轉變的。

脫氧核苷酸的生成在二磷酸核苷水平進行

DNA 由各種脫氧核苷酸組成。細胞分裂旺盛時，脫氧核苷酸含量明顯增加，以適應合成 DNA 的需要。脫氧核苷酸，包括嘌呤脫氧核苷酸和嘧啶脫氧核苷酸從何而來？現已證明，體內脫氧核苷酸中所含的脫氧核糖並非先形成後再連接上鹼基和磷酸，而是通過相應的核苷酸的直接還原作用，以氫元素取代其核糖分子中C_2'上的羥基而生成的。除 dTMP 是從 dUMP 轉變而來以外，其他脫氧核苷酸都是在二磷酸核苷(NDP)水平上進行(N 代表 A、G、U、C等鹼基），由核苷酸還原酶(ribonucleotide reduclase)催化。
其實這一反應的過程比較複雜。核苷酸還原酶從NADPH 獲得電子時，需要硫氧還蛋白（如oredoxin) 作為電子載體。硫氧還蛋白的分子量約為12kD, 其所含的巰基在核苷酸還原酶作用下氧化為二硫鍵。後者再經稱為硫氧還蛋白還原酶(thioredoxin reductase, Trx) 的催化，重新生成還原型的硫氧還蛋白，由此構成一個複雜的酶體系。核苷酸還原酶是一種別構酶，包括兩個亞基，只有兩個亞基結合併有Mg²⁺存在時才具有酶活性。在DNA 合成旺盛、分裂速度較快的細胞中，核苷酸還原酶體系活性較強。
細胞除了控制核苷酸還原酶的活性以調節脫氧核苷酸的濃度之外，還可以通過各種三磷酸核苷對還原酶的別構作用來調節不同脫氧核苷酸生成。因為某一種NDP 被還原酶還原成dNDP 時，需要特定NTP 的促進，同時也受其他NTP 的抑制。通過這種調節，使合成DNA 的4 種脫氧核甘酸控制在適當比例。
如上所述，與嗦呤脫氧核苷酸的生成一樣，嘧啶脫氧核昔酸(dUDP 、dCDP) 也是通過相應的二磷酸嘧啶核苷的直接還原而生成的。
經過激酶的作用，上述dNDP 再磷酸化生成三磷酸脫氧核苷。

嘌呤核苷酸的抗代謝物是一些嘌呤、胺基酸或葉酸類似物

嘌呤核苷酸的抗代謝物是一些嘌呤、胺基酸或葉酸等的類似物。 它們主要以競爭性抑制或「以假亂真」等方式干擾或阻斷嘌呤核苷酸的合成代謝，從而進一步阻止核酸以及蛋白質的生物合成盡。腫瘤細胞的核酸及蛋白質合成十分旺盛，因此這些抗代謝物具有抗腫瘤作用。
嘌呤類似物有 6-巰基嘌呤 (6-mercaptopurine, 6-MP)、 6-巰基鳥嘌呤、8-氮雜鳥嘌呤等，其中以 6-MP 在臨床上應用較多。6-MP的結構與次黃嘌呤相似，唯一不同的是分子中C₆上由巰基取代。
6-MP在體內經磷酸核糖化生成6-MP核苷酸，並以這種形式抑制IMP轉變為AMP及GMP的反應。6-MP能直接通過競爭性抑制，影響次黃嘌呤－鳥嘌呤磷酸核糖轉移酶，使PRPP分子中的磷酸核糖不能向鳥嘌呤及次黃嘌呤轉移，阻止了補救合成途徑。此外，由於6-MP核苷酸結構與IMP相似，可以反饋抑制PRPP醯胺轉移酶進而干擾磷酸核糖胺的形成，阻斷嘌呤核苷酸從頭合成。
胺基酸類似物有氮雜絲氨酸(azaserine)及6-重氮-5-氧正亮氨酸(diazonorleucine)等。它們的結構與穀氨醯胺相似，可干擾穀氨醯胺在嘌呤核苷酸合成中的作用，從而抑制嘌呤核苷酸的合成。
氨蝶呤(aminopterin)及氨甲蝶呤(methotrexate, MTX)都是葉酸的類似物，能競爭性抑制二氫葉酸還原酶，使葉酸不能還原成二氫葉酸及四氫葉酸。因此嘌呤分子中來自一碳單位的C₈及C₂均得不到供應，從而抑制了嘌呤核苷酸的合成。MTX在臨床上用於白血病等的治療。
應該指出的是，上述藥物缺乏對腫瘤細胞的特異性，故對增殖速度較旺盛的某些正常組織亦有殺傷性，因而具較大的毒副作用。

嘌呤核苷酸的分解代謝終產物是尿酸

細胞內核苷酸的分解代謝類似於食物中核苷酸的消化過程。首先，細胞中的核苷酸在核苷酸酶的作用下水解成核苷。核苷經核苷磷酸化酶作用，磷酸解成自由的鹼基及核糖-1-磷酸。嘌呤鹼基可以參加核苷酸的補救合成，也可以進一步水解。人體內，嘌呤鹼基最終分解生成尿酸(uric acid) , 隨尿排出體外。AMP生成次黃嘌呤，後者在黃嘌呤氧化酶(xanthine oxidase)作用下氧化成黃嘌呤，最後生成尿酸。GMP生成鳥嘌呤，後者轉變成黃嘌呤，最後也生成尿酸。嘌呤脫氧核苷也經過相同的途徑進行分解代謝。體內嘌呤核苷酸的分解代謝主要在肝、小腸及腎中進行，黃嘌呤氧化酶在這些組織中活性較強。
尿酸是人體嘌呤分解代謝的終產物，水溶性較差。當進食高嘌呤飲食、體內核酸大量分解（如白血病、惡性腫瘤等）或腎疾病而使尿酸排泄障礙時，均可導致血中尿酸升高。臨床上常用別嘌呤醇 (allopurinol)治療痛風症。別嘌呤醇與次黃嘌呤結構類似，只是分子中N₇與C₈互換了位置，故可抑制黃嘌呤氧化酶，從而抑制尿酸的生成。黃嘌呤、次黃嘌呤的水溶性較尿酸大得多，不會沉積形成結晶。同時，別嘌呤與PRPP反應生成別嘌呤核苷酸，這樣一方面消耗PRPP而使其含量減少，另一方面別嘌呤核苷酸與IMP結構相似，又可反饋抑制嘌呤核苷酸從頭合成的酶。這兩方面的作用均可使嘌呤核苷酸的合成減少。