第八章核苷酸代谢 学习目标 通过本章的学习，你应该能够： 掌握核苷酸从头合成、补教合成的概念，两类核苷酸从头合成的原料 熟悉核苷酸的生物学功能，熟悉嘌吟核苷酸补救合成的生理意义，嘌呤核苷酸 分解代谢终产物 一尿酸的生成、尿酸与痛风的关系及别嘌呤醇治疗痛 风的作用机理，脱氧核苷酸的合成。 了解核酸的消化吸收，两类核苷酸从头合成的基本过程与调节，两类核苷酸补 救合成的主要方式，吟核苷酸分解代谢的基本过程，嘧啶核苷酸分解代 谢的基本过程与产物，核苷三磷酸的合成，抗代谢物的概念，核苷酸抗代 射物的类型与作用。 核苷酸代谢包括核苷酸的合成代谢与核苷酸的分解代谢。在合成代谢方面，机体通过从头合成途 径或者补救合成途径合成核糖核苷酸。然后，在二磷酸核糖核苷酸的基础上进行脱氧反应，生成相应的 脱氧核糖核苷酸。本章重点讨论核苷酸的合成代谢。 第一节概述 一、核苷酸的生物学功能 核苷酸(nucleotide)广泛分布于体内，包括嘌吟核苷酸(purine nucleotide)和嘧啶核苷酸(pyrimidin ucleotide),且有多种生物学功能：①作为合成核酸的主要原料，参与DNA和RNA的合成：②作为体内 的能量利用方式。如ATP作为机体能量生成和利用的中心，为机体的活动及各种化学反应提供能量 除了ATP之外，其他形式的核苷酸也可以供能，如蛋白质合成过程中需要GTP供能：③参与酶活性的周 节。例如AMP、ADP、ATP等是多种代谢途径的关键酶的变构效应剂。ATP还可以为酶的共价修饰提供 磷酸基团：④核苷酸的衍生物是多种合成代谢的活性中间产物。例如合成糖原时，葡萄糖的供体就是 UDP葡萄糖。合成磷脂的活性原料是CDP.二脂酰甘油。在这两种原料的活化过程中都需要核苷酸： ⑤参与酶的组成。如辅酶NAD'、FAD,CoA等的分子结构中都包含有腺苷酸的成分：⑥GTP/GDP,cAMP 和cGMP作为重要信号分子参与细胞信号的转导过程。 二、核苷酸的降解 食物中的核酸多以核蛋白(nucleoprotein)形式存在，经消化道丰富酶系的作用水解为核酸和蛋白 212
质。核酸进而在胰脱氧核糖核酸酶或核糖核酸酶作 用下水解为寡核苷酸和部分单核苷酸。寡核苷酸再 经磷酸二酯酶作用水解成单核苷酸。单核苷酸进 步经核苷酸酶水解为核苷(nucleoside)和磷酸。核苷 即H条件下降解DNA和RN 再由核苷酶催化分解为戊糖和含氮碱基，即核糖或 脱氧核糖，嘌呤碱或嘧啶碱。分解核苷的酶有两类 降解的核酸 一类是核苷水解酶，主要存在于微生物和植物体内 只分解核糖核苷，产物是含氨碱与核糖，反应不可 酸 逆，它对脱氧核糖核苷不起作用。另一类是核苷磷 酸化酶，存在比较广泛，催化的反应是可逆的，反应 的产物是含氮碱和戊糖的磷酸酯，后者再生成含刻 碱和戊糖。这些水解产物可被细胞吸收，极少部分 通过补救合成途径重新利用，但大部分则被彻底分 循环利用小肠 单核苷酸 解。其中戊糖可参加戊糖代谢，而大部分含氮碱基 核苷酸 则分解后随尿液排出（图81）。因此，食物来源的核 酸利用率非常低，机体内的核苷酸主要靠自身细胞 核苷 合成，不依赖食物供给，所以核酸不是营养必需 核许酶 物质。 小肠绒毛细胞 (脱氧)楼糖 三、核苷酸的代谢概况 酸 核苷酸代谢包括核苷酸的合成代谢与核苷酸的 分解代谢。内源性合成是体内核苷酸的主要来源 无论是嘌呤核苷酸还是嘧啶核苷酸，都有两条合成 途径：从头合成途径(de novo synthesis pathway)与补 图81核酸的消化降解过程 救合成涂径(salvage synthesis pathway)。从头合成途 径是利用简单前体分子（如磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及C0,等）为原料，经过一系列的酶促反应最终 合成核苷酸的过程。从头合成途径主要存在于肝，其次是小肠黏膜及胸腺，是机体合成核苷酸的主要途 径。补救合成途径则是利用体内现成的游离嘌呤/嘧啶碱基或核苷，经过简单的反应生成核苷酸的过 程。补教合成途径主要存在于脑、骨髓等少数组织中。在二磷酸核糖核苷酸的基础上进行脱氧反应，生 成相应的脱氧核糖核苷酸。核苷酸在体内的分解代谢类似于食物中的核酸在消化道的消化过程。主要 是在核苷酸酶及核苷酶的作用，逐级水解成戊糖、磷酸和碱基。磷酸和戊糖可再被利用或进一步分解 碱基除小部分可再被利用外，大部分均可被分解而排出体外。本章重点讨论核苷酸的合成代谢。 第二节嘌呤核苷酸的代谢 一、嘌吟核苷酸的合成 (一)嘌呤核苷酸的从头合成途径 原呤核苷酸从头合成途径是在5'磷酸核糖基础上，逐步合成原吟环。同位素掺入实验表明合成嘌 昤环的前体分子包括氨基酸C0,和一碳单位等。现已阐明：嘌吟环中的N1来自于天冬氨酸；C-4,C5 和N7来自于甘氨酸：N3、N9来自于谷氨酰胺；C-2来自于N0.甲酰四氢叶酸（一碳单位）：C8来自于 N,N甲炔四氢叶酸（一碳单位）；C-6来自于C0,(图8-2)。这些物质通过多步反应连接在一起，构成 213
第二篇物质代谢及其调节 了原呤环的基本结构。 c0, 在嘌吟核苷酸的从头合成过程中，来自于 磷酸戊糖途径的5磷酸核糖在磷酸核糖焦磷酸 天冬氨酸N 激随的催化下，由ATP提供磷酸，反应生成5-磷 甘氨酸 酸核糖-1-焦磷酸(5-phosphoribosyl-1-pyrophos 碳单位→C 一碳单位 phate,PRPP)(图8-3)。以PRPP为基础，上述 3 简单的原料逐步连接在一起而最终形成嘌呤 环。这也是噤吟核苷酸合成的特点。PRPP除 谷氨酰胶 了在题吟核苷酸从头合成涂径和补救合成途径 中可以提供磷酸与核糖外，也可以为嘧啶核苷 图82嘌哈环各原子的来河 酸的合成提供磷酸与核糖。 0-A -0-CH20 ATP AMP 0-CH0 OH 5-磷酸核糖 图83PRPP的合成 吟核苷酸从头合成途径的所有反应都在胞质中完成，分为两个阶段：首先合成嘌吟核苷酸的共同 前体次黄嘌呤核苷酸(IMP),然后由MP转化为AMP和GMP。 1.次黄嘌吟核苷酸(IMP)的合成这个阶段共包含10步反应（图8-4）： ①谷氨酰胺与PRPP反应，形成5-磷酸核糖胺(5-phosphoribosylamine,PRA)。该反应由谷氨酰胺磷 酸核精焦融酸酰胺转移臨催化是原吟核苷酸从头合成的限陳步骤，酰胺转移酶是限速酶，受到票吟核 苷酸的反馈抑制。 ②甘氨酸与PRA缩合，生成甘氨酰胺核苷酸(glycinamide ribonucleotide,GAR),该反应由甘氨酰胺 核苷酸合成酶催化。由ATP水解供能。 ③GAR的氨基发生甲酰化生成甲酰甘氨酰胺核苷酸(formylglycinamide ribonucleotide,FGAR),甲酰 基团由N.甲酰四氢叶酸提供，催化该反应的酶是GAR甲酰转移酶。 ④谷氨酰胺提供酰胺基，在甲酰甘氨脒核苷酸合成酶的催化下，由ATP水解供能，生成甲酰甘氨眯 核苷酸(formylglycinamidine ribonucleotide,FGAM)。 ⑤FGAM经过耗能的分子内重排，生成5-氨基咪唑核苷酸(5-aminoimidazoe ribonucleotide,AIR)。 该反应在AIR合成酶的催化下，由ATP水解供能。 ⑥CO,提供第六位的C原子，由AIR羧化酶催化生成羧基氨基咪唑核苷酸(carboxyaminoimidazol ribonucleotide,CAIR),该反应需要生物素和ATP的参与。 ⑦天冬氨酸和AR缩合，生成5-氨基咪唑-4-(N-琥珀)甲酰胺核苷酸(5-aminoimidazole-4-N-succinyl arboxamide ribonucleotide,SAICAR)。该反应在SAICAR合成的催化下，由ATP水解供能。 ⑧在SAICAR裂解酶催化下，SAICAR脱去延胡索酸生成5-氨基咪唑-4-甲酰胺核苷酸(5-aminoimi~ dazole-4-carboxamide ribonucleotide,AICAR)。⑦、⑧两步反应与鸟氨酸循环中的瓜氨酸生成精氨酸的反 应类似。 ⑨AICAR甲酰化生成5-甲酰胺基咪唑-4-甲酰胺核苷酸(5-4-carboxyamide ribo nucleotide,FAICAR),甲酰化的甲酰基团来自No.甲酰四氢叶酸，反应由AICAR甲酰转移酶催化。 214
第八章核代谢 ATP AMP HO-P- O-CH-0 谷胺酰胺⊙谷氢酸 OHOH 5磷酸核糖 5酸核精焦磷酸PRPP NH, H CH=0 0=P-CH0、NH2甘氨酸0 N甲升入a=o酸H GAR合成酶 转甲酸基酶】 0 R-5-P NH FGAM合成南HnNN OHOH R-5'P 了-磷酸核糖胺PRA) 甘氨酰胺核苷酸(GAR) 甲酰甘氨酰胺核苷酸FGAR) 甲能甘氨味核苷酸(FGAM HOOC -NH HO-C H.C SAICAR合成酶 H,N AR骏化酶H,N R-5-P R-5-P 5 小镜胺付甲限 子餐普洗大进恩 S氨基味唑核苷酸(AR】 摩苷酸代莫电酸裂解得 延胡索酸 HN H.N C-N ARCAR转甲酰基酶 MP合酶 R-5-p R-S-P R.5 5甲酸落来之男酰胺 次黄隐技苷酸 图84MP的从头合成过程 OFAICAR在次黄原吟核苷酸合酶催化下脱水环化，生成原呤核苷酸从头合成途径的第一个中间 产物一次黄嘌吟核苷酸(MP)。 2.IMP转变为AMP和GMP第一阶段生成的IMP迅速地转变为ANMP和GMP(图85)。 从IMP转变为AMP需要两步反应：①在腺苷酸代號珀酸合成酶(adenylosuccinate synthetase)的催 化下，天冬氨酸与MP反应生成腺苷酸代號珀酸(adenylosuccinate),此反应由GTP水解供能；②在腺苷 酸代琥珀酸裂解酶(adenylosuccinate lyase)的作用下脱去延胡索酸生成AMP。 从IMP转变为GMP同样有两步反应：①IMP由MP脱氢酶(MP dehydrogenase)催化，氧化生成黄 215
人第二篇物质代谢及其调节 HOOCCHCH,COOH 天冬氨酸，Mg GTP GDP+P. 腺苷酸代球珀酸合成酶(ASS) 腺苷酸代琥珀酸裂解酶 R-5'E 腺苷酸代琥珀酸AS) AMP R.5-p 品NADH+H IMP脱氢酶MPD) 鸟苷酸合成酶HN XMP GMP 图85IMP转变为AMP和GMP 嘌吟核苷酸(XMP),脱下的氢由NAD接受；②谷氨酰胺提供酰胺基团，取代XMP中2位C上的氧生成 GMP,该反应由GMP合成酶(guanylate synthetase)催化，由ATP分解供能 从头合成的AMP和GMP都是一磷酸的形式，因此AMP和GMP必须转变为ATP和GTP的形式，才 能作为核酸的合成原料。这种转变是在相应的激酶催化下完成的。一磷酸核苷酸(AMP和GMP)在碱 基特异的核苷一磷酸激酶(nucleoside monophosphate kinase)催化下，生成二磷酸核苷酸(ADP和GDP) 然后再由核苷二磷酸激酶催化，生成相应的三磷酸核苷酸(ATP和GTP)。(详见核苷二磷酸及核苷三 磷酸的产生) 3.嘌呤核苷酸从头合成的调节嘌呤核苷酸的从头合成是机体获得嘌吟核苷酸的主要来源。这 个过程需要消耗大量的ATP和氨基酸等原料，精 5磷酸核糖 密的调控体系对合成过程十分必需，且实现了营 养和能量的节约。这种精密的调节主要是通过反 酸核精焦磷酸激聘一 馈机制完成的。通过调节IMP、ATP和GTP对酶 的抑制，不仅调节嘌呤核苷酸的总量，而且使ATP 和GTP的水平保持相对平衡，从而既满足了机体 对核苷酸的需要，也避免了物质和能量的多余消 5磷酸核糖 耗（图8-6）。 且体而言，在从头合成的第一个阶段中核糖 磷酸焦磷酸激酶受ADP和GDP的反馈抑制。磷 酸代 酸核糖酰胺转移酶受到ATP、ADP、AMP及GTP GDP、GMP的反馈抑制。ATP、ADP和AMP结合 酶的一个抑制位点，而GTP、GDP和GMP结合酶 的另一个抑制位点。因此，MP的生成谏率受腺 嘌和鸟嘌吟核苷酸的独立且协同的调节。此 外，PRPP可变构激活磷酸核糖酰胺转移酶。 在第二个阶段中，从IMP向AMP和GMP的 转变过程也受到反馈抑制调节。GMP反馈抑制 →抑制线路 一一一激活线路 MP向XMP转变的环节，这样可以比避免GMP 图8-6骠呤核苷酸从头合成途径的调节 216