第一節(jié)　核苷酸的合成代謝

體內(nèi)核苷酸的合成有兩條途徑。一條是利用簡單的小分子物質(zhì)為原料，經(jīng)過一系列酶促反應合成核苷酸，稱為從頭合成途徑，此為體內(nèi)合成核苷酸的主要途徑。另一條是利用體內(nèi)現(xiàn)成的堿基或核苷作為原料，經(jīng)過簡單的反應過程合成核苷酸，稱為補救合成途徑。

一、嘌呤核苷酸的合成代謝

（一）嘌呤核苷酸的從頭合成途徑

幾乎所有生物體（少數(shù)細菌除外），嘌呤核苷酸的從頭合成途徑基本相同。肝臟是嘌呤核苷酸從頭合成的主要器官，其次是小腸黏膜和胸腺。它不但合成自身需要的嘌呤核苷酸，還為某些不能進行從頭合成的肝外組織提供嘌呤環(huán)和嘌呤核苷，以使它們能進一步合成核苷酸。

1．合成原料

1948年，Buchanan等采用同位素標記不同化合物喂養(yǎng)鴿子，并測定排出的尿酸中標記原子的位置，證實合成嘌呤的物質(zhì)有甘氨酸、天冬氨酸、谷氨酰胺、CO₂和一碳單位（N¹⁰—甲?！狥H₄，N⁵，N¹⁰—甲炔—FH₄）。隨后，Buchanan和Greenberg等進一步弄清了嘌呤核苷酸的合成過程，嘌呤核苷酸中的5－磷酸核糖來自磷酸戊糖途徑。嘌呤環(huán)中的元素來源見圖10－1。

圖10－1　嘌呤環(huán)中的元素來源

2．合成過程

該反應過程復雜，可分為兩個階段。首先合成次黃嘌呤核苷酸（IMP），然后再由IMP轉(zhuǎn)變成腺嘌呤核苷酸（AMP）與鳥嘌呤核苷酸（GMP）。

（1）IMP的合成：5－磷酸核糖經(jīng)磷酸核糖焦磷酸合成酶（PRPP合成酶）催化生成磷酸核糖焦磷酸（PRPP）。在PRPP的基礎上，構成嘌呤環(huán)的原料經(jīng)過一系列酶促反應，合成次黃嘌呤核苷酸（IMP）。IMP的合成歷經(jīng)11步反應完成，見圖10－2。

由上述反應過程可以看出，嘌呤核苷酸的合成是在磷酸核糖基礎上逐步合成嘌呤環(huán)的，而不是首先合成嘌呤環(huán)然后再與磷酸核糖結合。這是與嘧啶核苷酸合成過程的重要不同點。

（2）AMP和GMP的合成：IMP雖不是核酸分子的主要組成成分，但它是嘌呤核苷酸合成的重要中間產(chǎn)物，是合成AMP和GMP的前體，IMP可分別轉(zhuǎn)變?yōu)锳MP和GMP，見圖10－3。

AMP和GMP在激酶的催化下，經(jīng)過2步磷酸化反應，分別生成ATP和GTP。反應過程如下：

（二）嘌呤核苷酸的補救合成途徑

嘌呤核苷酸的補救合成途徑有兩種方式：一種是利用嘌呤堿重新合成嘌呤核苷酸，另一種是利用嘌呤核苷重新合成嘌呤核苷酸。有兩種酶參與嘌呤堿的利用：腺嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶（APRT）和次黃嘌呤－鳥嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶（HGPRT），由PRPP提供磷酸核糖，分別催化腺嘌呤、次黃嘌呤、鳥嘌呤生成相應的AMP、IMP及GMP。

圖10－2　IMP的合成過程

圖10－3　IMP轉(zhuǎn)變?yōu)锳MP和GMP

反應式如下：

HGPRT的活性較APRT的活性高，正常情況下HGPRT可使90%左右的嘌呤堿再利用，而APRT催化的再利用能力很弱。

嘌呤核苷的重新利用是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。反應過程如下：

嘌呤核苷酸補救合成途徑的生理意義如下：一是減少了從頭合成時的能量和一些氨基酸的消耗；二是體內(nèi)某些組織器官，如腦、紅細胞和骨髓等由于缺乏從頭合成的酶體系，只能利用補救合成途徑合成嘌呤核苷酸，嘌呤核苷酸對這些組織器官具有特殊意義。例如，由于遺傳性基因缺陷而導致HGPRT完全缺失的患兒，表現(xiàn)為智力低下，自身有殘毀行為，稱為自毀容貌癥，又稱為Lesch－Nyhan綜合征。

（三）嘌呤核苷酸的抗代謝物

嘌呤核苷酸的抗代謝物是指嘌呤、氨基酸及葉酸等的類似物。它們主要通過競爭性抑制或“以假亂真”等方式干擾或阻斷嘌呤核苷酸的合成，從而進一步阻止核酸及蛋白質(zhì)的生物合成。腫瘤細胞的核酸和蛋白質(zhì)的合成十分旺盛，因此，這些抗代謝物在臨床上常用作抗腫瘤藥物。

1．嘌呤類似物

嘌呤類似物主要有6－巰基嘌呤（6－MP）、6－巰基鳥嘌呤及8－氮雜鳥嘌呤等，臨床上應用較多的是6－MP。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。它在體內(nèi)可生成6－MP核苷酸，6－MP核苷酸既可抑制IMP轉(zhuǎn)變?yōu)锳MP及GMP，還可以反饋抑制PRPP酰胺轉(zhuǎn)移酶的活性，從而阻斷嘌呤核苷酸的從頭合成途徑。另外，6－MP核苷酸可競爭性抑制HGPRT的活性，從而抑制補救合成途徑。

2．氨基酸類似物

氨基酸類似物主要有氮雜絲氨酸及6－重氮－5－氧正亮氨酸等。它們的結構與谷氨酰胺相似，以競爭性抑制的方式干擾谷氨酰胺在核苷酸合成中的作用，抑制嘌呤核苷酸及CTP的合成。

3．葉酸類似物

葉酸類似物主要有氨蝶呤（APT）、甲氨蝶呤（MTX）。它們均能競爭性抑制二氫葉酸還原酶的活性，阻斷四氫葉酸的合成，使分子中來自一碳單位的C₂和C₈均得不到供應，從而抑制嘌呤核苷酸的合成。MTX主要用于白血病等癌癥的治療。

幾種嘌呤核苷酸抗代謝物的作用部位見圖10－4。

圖10－4　嘌呤核苷酸抗代謝物的作用部位

二、嘧啶核苷酸的合成代謝

（一）嘧啶核苷酸的從頭合成途徑

1．合成的原料

合成嘧啶核苷酸的原料有谷氨酰胺、CO₂、天冬氨酸和5－磷酸核糖。嘧啶合成的元素來源如圖10－5所示。

圖10－5　嘧啶合成的元素來源

2．合成過程

嘧啶核苷酸的從頭合成過程主要在肝細胞中進行。反應可分為兩個階段，首先合成尿嘧啶核苷酸（UMP），然后再由UMP轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌奏ず塑账?。反應需ATP參與。與嘌呤核苷酸從頭合成途徑不同的是嘧啶核苷酸首先合成的是嘧啶環(huán)，然后再與磷酸核糖相連接。

（1）UMP的合成：經(jīng)過6步反應。首先，谷氨酰胺及CO₂在氨基甲酰磷酸合成酶Ⅱ（CPSⅡ）的催化下，由ATP供能并提供磷酸基，生成氨基甲酰磷酸，后者與天冬氨酸結合生成氨基甲酰天冬氨酸，經(jīng)過環(huán)化、脫氫生成乳清酸，再由PRPP提供磷酸核糖生成乳清酸核苷酸，乳清酸核苷酸脫羧后生成UMP。UMP是合成其他嘧啶核苷酸的前體。

（2）CTP的合成：UMP經(jīng)尿苷酸激酶催化生成UDP，UDP再經(jīng)尿苷二磷酸核苷激酶催化生成UTP。UTP在CTP合成酶的催化下由谷氨酰胺提供氨基生成CTP。此過程主要在肝細胞中進行，見圖10－6。

圖10－6　嘧啶核苷酸的從頭合成途徑

（二）嘧啶核苷酸的補救合成途徑

嘧啶磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶是嘧啶核苷酸補救合成途徑的主要酶，催化反應的通式如下：

尿嘧啶及PRPP在尿嘧啶磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶的催化下，生成尿嘧啶核苷酸。尿嘧啶核苷及胸腺嘧啶核苷分別在尿苷激酶、胸苷激酶的催化下，生成尿嘧啶核苷酸、胸腺嘧啶核苷酸。通過補救合成方式生成的嘧啶核苷酸主要是尿嘧啶核苷酸，再由UMP轉(zhuǎn)變成其他嘧啶核苷酸。參與補救合成的酶有尿嘧啶磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶、尿苷（胞苷）激酶、脫氧胸苷激酶或胸苷激酶等，反應式如下：

（三）嘧啶核苷酸的抗代謝物

嘧啶核苷酸的抗代謝物是一些嘧啶、氨基酸及葉酸等的類似物，它們對代謝的影響以及抗腫瘤作用機制與嘌呤核苷酸抗代謝物相似。

1．嘧啶類似物

嘧啶類似物主要有5－氟尿嘧啶（5－FU），它的結構與胸腺嘧啶相似。5－FU本身并無生物活性，必須在體內(nèi)轉(zhuǎn)變成有活性的一磷酸脫氧核糖氟尿嘧啶核苷（FdUMP）及三磷酸氟尿嘧啶核苷（FUTP）后，才能發(fā)揮作用。FdUMP與dUMP結構相似，能抑制胸苷酸合成酶的活性，從而抑制dTMP的合成。FUTP也可以以FUMP的形式加入到RNA分子中，異常核苷酸的加入，破壞了RNA的結構與功能。

2．氨基酸類似物

如氮雜絲氨酸與谷氨酰胺結構相似，能抑制CTP的生成。

3．葉酸類似物

如甲氨蝶呤與葉酸的結構相似，可阻斷dUMP利用一碳單位甲基化生成dTMP，影響DNA的合成。

另外，如阿糖胞苷改變了核糖結構的核苷類似物，它能抑制CDP還原成dCDP，從而影響DNA的合成。

幾種嘧啶核苷酸抗代謝物的結構及作用見圖10－7。

三、脫氧核苷酸的生成

體內(nèi)脫氧核糖并不是先形成后再結合到脫氧核苷酸分子上的，而是先經(jīng)核糖核苷酸還原酶催化，再在二磷酸核糖核苷（NDP）水平上還原而成，見圖10－8。

核糖核苷酸還原酶可催化四種二磷酸核糖核苷（ADP、GDP、UDP、CDP）以生成對應的二磷酸脫氧核糖核苷（dADP、dGDP、dUDP、dCDP），再經(jīng)激酶催化，進一步生成三磷酸脫氧核糖核苷。

dTMP是在dUMP的基礎上經(jīng)甲基化而成的。此反應由胸腺嘧啶核苷酸合成酶催化，N⁵，N¹⁰—亞甲基四氫葉酸（N⁵，N¹⁰—CH₂—FH₄）提供一碳單位。反應式如下：

圖10－7　嘧啶核苷酸抗代謝物的結構及作用

圖10－8　NDP還原生成dNDP