核苷酸的合成代谢

三、核苷酸的合成代谢

核苷酸的生物合成是核酸生物合成的前期过程，分为从头合成途径与补救途径。在机体内由CO2、氨基酸、甲酸盐、磷酸核糖等简单的化合物开始，经一系列酶促反应合成核苷酸的过程称为从头合成途径。以磷酸核糖和已有的碱基为原料合成核苷酸称为补救途径。嘌呤核苷酸的合成同嘧啶核苷酸的合成有很大差别，并且脱氧核苷酸的合成也有其特殊之处。

（一）嘌呤核苷酸的合成代谢

1.嘌呤环上各原子的来源

根据同位素的示踪分析，现已清楚在嘌呤核苷酸从头合成过程中嘌呤环上各个原子的来源。N1来自天冬氨酸，C2和C8来自甲酸盐（分别以一碳单位N10—CHO—THFA和N5，N10═CH—THFA的形式），N3和N9来自谷氨酰胺的酰胺基，C4，C5，N7来自甘氨酸，而C6则来自CO2（图6-17）。

2.嘌呤核苷酸的从头合成

嘌呤核苷酸的从头合成（de novo synthesis）是以5-磷酸核糖（5-phosphoribose, R-5-P）和ATP反应生成5-磷酸核糖-1-焦磷酸（5-phosphoribosyl-1-pyrophosphate, PRPP）开始，经一系列酶促反应生成次黄嘌呤核苷酸（inosine monophosphate, IMP），然后通过分支途径分别生成腺嘌呤核苷酸（ATP）和鸟嘌呤核苷酸（GTP）。

（1）5-磷酸核糖-1-焦磷酸的生成　5-磷酸核糖与ATP在磷酸核糖焦磷酸激酶（phosphoribosyl pyrophosphokinase）的催化下生成5-磷酸核糖-1-焦磷酸（PRPP）（图6-18）。

（2）次黄嘌呤核苷酸的生成　从5-磷酸核糖-1-焦磷酸开始，在Gln、Gly、Glu、Asp、CO2和一碳单位的参加下，消耗4分子ATP，经10步酶促反应，按N9→C4，C5，N7→C8→N3→C6→N1→C2的顺序，合成次黄嘌呤核苷酸（IMP），反应过程见图6-19。

（3）腺嘌呤核苷酸（AMP）和鸟嘌呤核苷酸（GMP）的合成　以次黄嘌呤核苷酸（IMP）为共同的前体，经过不同的酶促反应，分别生成腺嘌呤核苷酸（AMP）和鸟嘌呤核苷酸（GMP），如图6-20所示。

综合上面的合成过程，腺嘌呤核苷酸（AMP）和鸟嘌呤核苷酸（GMP）的从头合成经过了一个共同的合成途径，直到生成次黄嘌呤核苷酸，然后经过一个分支途径，分别生成最终产物。可见，腺嘌呤核苷酸（AMP）和鸟嘌呤核苷酸（GMP）的生物合成相互间具有密切的联系，并且相互依赖。AMP的生成需要消耗GTP，而GMP的生成则需要消耗ATP，因此两种嘌呤核苷酸的合成量是协调一致的。

3.嘌呤核苷酸合成的补救途径

在机体内，除了上述从头合成途径外，嘌呤核苷酸的合成还有补救途径。补救途径就是利用从核酸分解产生的或新合成的现有的嘌呤碱同1-磷酸核糖和ATP反应或直接同PRPP反应，直接生成嘌呤核苷酸的过程。前者需要核苷磷酸化酶（ribonucleoside phosphatase）和腺苷激酶（adenosine kinase）的催化，后者则需要磷酸核糖转移酶（phosphoribosyl transferase）的催化：

（二）嘧啶核苷酸的合成代谢

嘧啶核苷酸的合成与嘌呤核苷酸不同。首先合成嘧啶碱，再同PRPP进行磷酸核糖的转移生成UMP，在UMP的基础上再生成其他嘧啶核苷酸。

1.嘧啶环上各原子的来源

嘧啶环上的6个原子分别来自氨基甲酰磷酸和天冬氨酸，而氨基甲酰磷酸的合成则以谷氨酰胺和CO2为原料。因此，蛋白质和CO2可以提供嘧啶核苷酸合成的所有原料。嘧啶环上各原子的来源见图6-21。(https://www.daowen.com)

2.嘧啶核苷酸的从头合成

嘧啶核苷酸的从头合成可分为氨基甲酰磷酸的合成，尿嘧啶核苷酸的合成和胞嘧啶核苷酸的合成3个阶段。而胸腺嘧啶核苷酸的合成是在合成脱氧尿嘧啶核苷酸之后经转甲基作用完成的。

（1）氨基甲酰磷酸的合成　谷氨酰胺与CO2在ATP的参加下，经过氨基甲酰磷酸合成酶Ⅱ（carbamyl phosphate synthetaseⅡ）催化生成。此酶位于细胞液，以谷氨酰胺为氨基的来源。而线粒体中的氨基甲酰磷酸合成酶Ⅰ以NH3为氨基的来源。

（2）尿嘧啶核苷酸的合成　氨基甲酰磷酸与天冬氨酸在天冬氨酸转氨甲酰酶（aspartate carbomyl transferase）的催化下将氨甲酰基转移到天冬氨酸的α-氨基上，生成氨甲酰天冬氨酸（carbomyl aspartic acid）。接着在二氢乳清酸酶（dihydroorotase）的催化下，环化生成二氢乳清酸（dihydroorotate）。二氢乳清酸脱氢酶（dihydroorotate dehydrogenase）再催化脱氢反应，生成乳清酸（orotic acid）。乳清酸核苷酸焦磷酸化酶（orotidylic acid pyrophosphorylase）催化乳清酸同PRPP反应，生成乳清酸核苷酸（orotidylic acid），之后乳清酸核苷酸脱羧酶（orotidylic acid decarboxylase）催化脱羧反应，生成尿嘧啶核苷酸（图6-22）。

（3）胞嘧啶核苷酸的合成　胞嘧啶核苷酸是在尿嘧啶核苷三磷酸的水平上，经过胞嘧啶核苷三磷酸合成酶（CTP synthetase）的催化，从谷氨酰胺获得氨基（动物）或直接与氨作用（细菌）而生成。因此，先期合成的尿嘧啶核苷酸需在尿嘧啶核苷酸激酶（uridine-5-phosphate kinase）和核苷二磷酸激酶（nucleoside diphosphokinase）的催化下，转变为UDP和UTP。

3.嘧啶核苷酸合成的补救途径

除上述从头合成途径外，嘧啶核苷酸的合成也可以由外源性或由核酸降解生成的嘧啶碱与5-磷酸核糖焦磷酸或1-磷酸核糖反应直接合成，即补救途径。其中，尿嘧啶核苷酸可以有以下两种合成途径：

（1）尿嘧啶与5-磷酸核糖焦磷酸经尿嘧啶核苷酸磷酸核糖转移酶（UMP phosphoribose transferase）的催化而生成：

（2）尿嘧啶与1-磷酸核糖经尿苷磷酸化酶（uridine phosphorylase）的催化生成尿嘧啶核苷，后者在尿苷激酶（uridine kinase）的催化下，从ATP获得磷酸基团而生成尿嘧啶核苷酸：

胞嘧啶不能直接从PRPP获得磷酸核糖，但胞嘧啶核苷可以通过尿苷激酶生成胞嘧啶核苷酸：

（三）脱氧核苷酸的合成代谢

DNA的生物合成需要4种脱氧核糖核苷酸，其中脱氧腺嘌呤核苷酸、脱氧鸟嘌呤核苷酸和脱氧胞嘧啶核苷酸的合成都是在核苷二磷酸的水平上，经过还原生成。而脱氧胸腺嘧啶核苷酸的合成则是由脱氧尿嘧啶核苷一磷酸经转移甲基而生成。

1.脱氧核苷二磷酸的合成

催化核苷二磷酸还原反应的酶是核糖核苷酸还原酶（ribonucleotide reductase）。该酶有两个亚基B1和B2，当它们共同存在时才有活性。还原反应所需要的氢是由氢携带蛋白（hydrogen carying protein），包括硫氧还蛋白（thioredoxine）或谷氧还蛋白（glutaredoxine）以及硫氧还蛋白还原酶（thioredoxine reductase）或谷氧还蛋白还原酶（glutaredoxine reductase）的传递而获得。NADPH是最初始的还原剂（图6-23）。

2.脱氧胸腺嘧啶核苷一磷酸的合成

脱氧尿嘧啶核苷二磷酸也以上述途径合成，合成之后，经过脱磷酸转化为脱氧尿嘧啶核苷一磷酸（dUMP）。胸腺嘧啶核苷酸合成酶（thymidylate synthase）催化生成脱氧胸腺嘧啶核苷一磷酸（dTMP）的甲基转移反应，甲基供体是N5，N10-甲烯基四氢叶酸（N5，N10-CH2-THFA）（图6-24）。