11第十章核苷酸代谢

第十章核苷酸代谢核苷酸是核酸的基本结构单位。人体内的核苷酸主要由机体细胞自身合成。因此与氨基酸不同，核苷酸不属于营养必需物质。食物中的核酸多以核蛋白的形式存在。核蛋白在胃中受胃酸的作用，分解成核酸与蛋白质。核酸进人小肠后，受胰液和肠液中各种水解酶的作用逐步水解（图10-1）。核苷酸及其水解产物均可被细胞吸收，其他绝大部分在肠粘膜细胞中被进一步分解。分解产生的戊糖被吸收而参加体内的戊糖代谢；嘌呤和嘧啶碱则主要被分解而排出体外。因此，食物来源的嘌呤和嘧啶碱很少被机体利用。核苷酸在体内分布广泛。细胞中主要以5'-核苷酸形式存在，其中又以5'-ATP含量最多。一般说来，细胞中核苷酸的浓度远远超过脱氧核苷酸，前者约在mmol范围，而后者只在μmol水平。在细胞分裂周期中，细胞内脱氧核苷酸含量波动范围较大，核苷酸浓度则相对稳定。不同类型细胞中各种核苷酸含量差异很大。而在同一种细胞中，各种核苷酸含量虽也有差异，但核苷酸总含量变化不大。核苷酸具有多种生物学功用：①作为核酸合成的原料，这是核苷酸最主要的功能。②体内能量的利用形式。ATP是细胞的主要能量形式。此外GTP等也可以提供能量。③参与代谢和生理调节。某些核苷酸或其衍生物是重要的调节分子。例如cAMP是多种细胞膜受体激素作用的第二信使；cGMP也与代谢调节有关。④组成辅酶。例如腺苷酸可作为多种辅酶（NAD、FAD、CoA等）的组成成分。⑤活化中间代谢物。核苷酸可以作为多种活化中间代谢物的载体。例如UDP葡萄糖是合成糖原、糖蛋白的活性原料，CDP二酰基甘油是合成磷脂的活性原料，S-腺苷甲硫氨酸是活性甲基的载体等。ATP还可作为蛋白激酶反应中磷酸基团的供体。第一节嘌呤核苷酸的合成与分解代谢一、嘌呤核苷酸的合成存在从头合成和补救合成两种途径从头合成途径，利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及CO2等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成嘌呤核苷酸，称为从头合成途径（denovosynthesis）。补救合成途径，利用体内游离的嘌呤或嘌呤核苷，经过简单的反应过程，合成嘌呤核苷酸，称为补救合成途径（salvagepathway)，或称重新利用途径。两者在不同组织中的重要性各不相同，例如肝组织进行从头合成途径，而脑、骨髓等则进行补救合成。一般情况下，前者是合成的主要途径。（一）嘌呤核苷酸的从头合成1.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。核素示踪实验证明，合成嘌呤碱的前身物均为简单物质，如图10-2所示。图中可见合成嘌呤环的各元素来源，例如氨基酸、CO2及甲酰基（来自四氢叶酸）等。嘌呤核苷酸的从头合成在胞质中进行。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（inosinemonophosphate，IMP），然后IMP再转变成腺嘌呤核苷酸（AMP)与鸟嘌呤核苷酸（GMP)。222第十章核苷酸代谢223（1）IMP的合成：IMP的合成经过十一步反应完威（图10-3）。①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，活化生成磷酸核糖焦磷酸（phosphoribosylpyrophos-phate，PRPP）。②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t1/2为30秒。③由ATP供能，甘氨酸与PRA加合，生成甘氨酰胺核苷酸（GAR）。④N5，N10-甲炔四氢叶酸供给甲酰基，使224第二篇物质代谢及其调节GAR甲酰化，生成甲酰甘氨酰胺核苷酸（FGAR）。⑤谷氨酰胺提供酰胺氮，使FGAR生成甲酰甘氨脒核苷酸（FGAM），此反应消耗1分子ATP。⑥FGAM脱水环化形成5’-氨基咪唑核苷酸（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。⑦CO2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（CAIR）。⑧及⑨在ATP存在下，天冬氨酸与CAIR缩合，生成产物再脱去1分子延胡索酸而裂解为5’-氨基咪唑-4-甲酰胺核苷酸（AICAR）。⑩N10-甲酰四氢叶酸提供一碳单位，使AICAR甲酰化，生成5’-甲酰胺基咪唑-4-甲酰胺核苷酸（FAICAR）。FAICAR脱水环化，生成IMP。嘌呤核苷酸从头合成的酶在胞质中多以酶复合体形式存在。（2）AMP和GMP的生成：IMP虽然不是核酸分子的主要组成成分，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（图10-4)。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，也是漂吟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，其次是小肠粘膜及胸腺。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。2.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”，用以节省底物及能量的消耗。此反应以反馈调节方式为主，主要发生在下列几个部位（图10-5）。第十章核苷酸代谢225嘌呤核苷酸合成起始阶段的PRPP合成酶和PRPP酰胺转移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。此外，在形成AMP和GMP过程中，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。从图10-4还可看出，IMP转变成AMP时需要GTP，而IMP经XMP转变成GMP时需要ATP。由此可见，GTP可以促进AMP的生成，ATP也可以促进GMP的生成。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。（二）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，称为补救合成。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：即腺嘌呤磷酸核糖转移酶（adeninephosphoribosyltransferase，APRT)和次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶（hypoxanthine-gua-ninephosphoribosyltransferase，HGPRT）。由PRPP提供磷酸核糖，它们分别催化AMP和IMP,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。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226第二篇物质代谢及其调节义。例如，由于基因缺陷而导致HGPRT完全缺失的患儿，表现为自毁容貌征或称Lesch-Nyhan综合征，这是一种遗传代谢病。（三）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，以保持彼此平衡。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。（四）脱氧核苷酸的生成在二磷酸核苷水平进行以上讨论的是嘌呤核苷酸的合成过程。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C2上的羟基而生成的。这种还原作用基本上在二磷酸核苷（NDP)水平上进行（N代表A,G,U,C等碱基），由核苷酸还原酶（ribonucleotidereductase）催化。反应如下：其实，这一反应的过程比较复杂（图10-6）。核苷酸还原酶从NADPH获得电子时，需要－种硫氧化还原蛋白（thioredoxin)作为电子载体，硫氧化还原蛋白的分子量约为12000，其所含的巯基在核苷酸还原酶作用下氧化为二硫键。后者再经另一种称为硫氧化还原蛋白还原酶（thiore-doxinreductase）的催化，重新生成还原型的硫氧化还原蛋白，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，同时也受另一些NTP的抑制（表10-1）。通过这样的调节，使合成DNA的4种脱氧核苷酸控制在适当的比例。第十章核苷酸代谢227如上所述，与嘌呤脱氧核苷酸的生成一样，嘧啶脱氧核苷酸（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。（五）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。它们主要以竟争性抑制或“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。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可在体内经磷酸核糖化而生成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还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，6-MP核苷酸由于结构与IMP相似，还可以反馈抑制PRPP酰胺转移酶而干扰磷酸核糖胺的形成，从而阻断嘌呤核苷酸的从头合成（图10-7）。氨基酸类似物有氮杂丝氨酸（azaserine）及6-重氮-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)及甲氨蝶呤（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。嘌呤核苷酸抗代谢物的作用部位可归纳如图10-7。二、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。嘌呤碱既可以参加核苷酸的补救合成，也可进一步水解。人体内，嘌呤碱最终分解生成尿酸（uricacid），随尿排出体外。反应过程简化如图10-8。AMP生成次黄嘌呤，后者在黄嘌呤氧化酶（xan-thineoxidase）作用下氧化成黄嘌呤，最后生成尿酸。GMP生成鸟嘌呤，后