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嘌呤核苷酸的合成代謝

 一、嘌呤核苷酸的合成

  體內(nèi)嘌呤核苷酸的合成有兩條途徑:①利用磷酸核糖、氨基酸、一碳單位及CO2等簡(jiǎn)單物質(zhì)為原料合成嘌呤核苷酸的過程,稱為從頭合成途徑(denovo synthesis),是體內(nèi)的主要合成途徑。②利用體內(nèi)游離嘌呤或嘌呤核苷,經(jīng)簡(jiǎn)單反應(yīng)過程生成嘌呤核苷酸的過程,稱重新利用(或補(bǔ)救合成)途徑(saluage pathway)。在部分組織如腦、骨髓中只能通過此途徑合成核苷酸。

  (一)嘌呤核苷酸的從頭合成

  早在1948年,Buchanan等采用同位素標(biāo)記不同化合物喂養(yǎng)鴿子,并測(cè)定排出的尿酸中標(biāo)記原子的位置的同位素示蹤技術(shù),證實(shí)合成嘌呤的前身物為:氨基酸(甘氨酸、天門冬氨酸、和谷氨酰胺)、CO2和一碳單位(N10甲酰FH4,N、N10-甲炔FH4)(圖8-3)。

  隨后,由Buchanan和Greenberg等進(jìn)一步搞清了嘌呤核苷酸的合成過程。出人意料的是,體內(nèi)嘌呤核苷酸的合成并非先合成嘌呤堿基,然后再與核糖及磷酸結(jié)合,而是在磷酸核糖的基礎(chǔ)上逐步合成嘌呤核苷酸。嘌呤核苷酸的從頭合成主要在胞液中進(jìn)行,可分為兩個(gè)階段:首先合成次黃嘌呤核苷酸(inosine monophosphate IMP);然后通過不同途徑分別生成AMP和GMP。下面分步介紹嘌呤核苷酸的合成過程。

  (1)5-磷酸核糖的活化:嘌呤核苷酸合成的起始物為α-D-核糖-5-磷酸,是磷酸戊糖途徑代謝產(chǎn)物。嘌呤核苷酸生物合成的第一步是由磷酸戊糖焦磷酸激酶(ribose phosphate pyrophosphohinase)催化,與ATP反應(yīng)生成5-磷酸核糖-α-焦磷酸(5-phosphorlbosylα-pyrophosphate PRPP)。此反應(yīng)中ATP的焦磷酸根直接轉(zhuǎn)移到5-磷酸核糖C1位上。PRPP同時(shí)也是嘧啶核苷酸及組氨酸、色氨酸合成的前體。因此,磷酸戊糖焦磷酸激酶是多種生物合成過程的重要酶,此酶為一變構(gòu)酶,受多種代謝產(chǎn)物的變構(gòu)調(diào)節(jié)。如PPi和2,3-DPG為其變構(gòu)激活劑。ADP和GDP為變構(gòu)抑制劑。

  (2)獲得嘌呤的N9原子:由磷酸核糖酰胺轉(zhuǎn)移酶(amidophosphoribosyl transterase)催化,谷氨酰胺提供酰胺基取代PRPP的焦磷酸基團(tuán),形成β-5-磷酸核糖胺(β-5-phosphoribasylamine PRA)。此步反應(yīng)由焦磷酸的水解供能,是嘌呤合成的限速步驟。酰胺轉(zhuǎn)移酶為限速酶,受嘌呤核苷酸的反饋抑制。

  (3)獲得嘌呤C4、C5和N7原子:由甘氨酰胺核苷酸合成酶(glycinamide ribotide synthetase)催化甘氨酸與PRA縮合,生成甘氨酰胺核苷酸(glycinamide ribotide,GAR)。由ATP水解供能。此步反應(yīng)為可逆反應(yīng),是合成過程中唯一可同時(shí)獲得多個(gè)原子的反應(yīng)。

  (4)獲得嘌呤C8原子:GAR的自由α-氨基甲酰化生成甲酰甘氨酰胺核苷酸(formylglycinamide ribotide FGAR)。由N10-甲酰-FH4提供甲?;4呋朔磻?yīng)的酶為GAR甲酰轉(zhuǎn)移酶(GAr transtormylase)。

  (5)獲得嘌呤的N3原子:第二個(gè)谷氨酰胺的酰胺基轉(zhuǎn)移到正在生成的嘌呤環(huán)上,生成甲酰甘氨脒核苷酸(formylglycinamidine ribotide,FGAM)。此反應(yīng)為耗能反應(yīng),由ATP水解生成ADP+Pi,供能。

  (6)嘌呤咪唑環(huán)的形成:FGAM經(jīng)過耗能的分子內(nèi)重排,環(huán)化生成5-氨基咪唑核苷酸(5-aminoimidazole ribotide,AIR)。

  (7)獲得嘌呤C6原子:C6原子由CO2提供,由AIR羧化酶(AIr carboxylase)催化生成羧基氨基咪唑核苷酸(carboxyamino imidazole ribotide,CAIR)。醫(yī)學(xué) 全在.線提供

  (8)獲得N1原子:由天門冬氨酸與AIR縮合反應(yīng),生成5-氨基咪唑-4-(N-琥珀酰胺)核苷酸(4-aminoimidazole-4-(N-succinylocarboxamide)ribotide,SACAIR)。此反應(yīng)與(3)步相似,由ATP水解供能。

  (9)去除延胡索酸:SACAIR在SACAIR甲酰轉(zhuǎn)移酶催化下脫去延胡索酸生成5-氨基咪唑-4-甲酰胺核苷酸(5-aminoimidazole-4-carboxamide ribotide,AICAR)。(8)、(9)兩步反應(yīng)與尿素循環(huán)中精氨酸生成鳥氨酸的反應(yīng)相似。

  (10)獲得C2:嘌呤環(huán)的最后一個(gè)C原子由N10-甲酰-FH4提供,由AICAR甲酰轉(zhuǎn)移酶催化AICAR甲酰化生成5-甲酰胺基咪唑-4-甲酰胺核苷酸(5-formaminoimidazole-4carboxyamideribotide,FAICAR)。

  (11)環(huán)化生成IMP:FAICAR脫水環(huán)化生成 IMP。與反應(yīng)(6)相反,此環(huán)化反應(yīng)無需ATP供能。

2.由IMP生成AMP和GMP

  上述反應(yīng)生成的IMP并不堆積在細(xì)胞內(nèi),而是迅速轉(zhuǎn)變?yōu)锳MP和GMP。AMP與IMP的差別僅是6位酮基被氨基取代(圖8-5)。此反應(yīng)由兩步反應(yīng)完成。(1)天門冬氨酸的氨基與IMP相連生成腺苷酸代琥珀酸(adenylosuccinate),由腺苷酸代琥珀酸合成酶催化,GTP水解供能。(2)在腺苷酸代琥珀酸裂解酶作用下脫去延胡索酸生成AMP。

  GMP的生成也由二步反應(yīng)完成。(1)IMP由IMP脫氫酶催化,以NAD+為受氫體,氧化生成黃嘌呤核苷酸(xanthosine monophosphate,XMP)。(2)谷氨酰胺提供酰胺基取代XMP中C2上的氧生成GMP,此反應(yīng)由GMP合成酶催化,由ATP水解供能(圖8-5)。
  3.一磷酸核苷磷酸化生成二磷酸核苷和三磷核苷。

  要參與核酸的合成。一磷酸核苷必須先轉(zhuǎn)變?yōu)槎姿岷塑赵龠M(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)槿姿岷塑?。二磷酸核苷由堿基特異的核苷一磷酸激酶(nucleoside monophosphate kinase)催化,由相應(yīng)一磷酸核苷生成。例如腺苷激酶催化AMP磷酸化生成ADP

  二磷酸核苷激酶對(duì)底物的堿基及戊糖(核糖或脫氧核糖)均無特異性。此酶催化反應(yīng)系通過“乒乓機(jī)制”,即底物NTP使酶分子的組氨酶殘基磷酸化,進(jìn)而催化底物NDP的磷酸化。反應(yīng)△G≈0,為可逆反應(yīng)。

  4.嘌呤核苷酸從頭合成的調(diào)節(jié)

  從頭合成是體內(nèi)合成嘌呤核苷酸的主要途徑。但此過程要消耗氨基酸及ATP。機(jī)體對(duì)合成速度有著精細(xì)的調(diào)節(jié)。在大多數(shù)細(xì)胞中,分別調(diào)節(jié)IMP,ATP和GTP的合成,不僅調(diào)節(jié)嘌呤核苷酸的總量,而且使ATP和GTP的水平保持相對(duì)平衡。嘌呤核苷酸合成調(diào)節(jié)網(wǎng)可見圖8-6。

  IMP途徑的調(diào)節(jié)主要在合成的前二步反應(yīng),即催化PRPP和PRA的生成。核糖磷酸焦磷酸激酶受ADP和GDP的反饋抑制。磷酸核糖酰胺轉(zhuǎn)移酶受到ATP、ADP、AMP及GTP、GDP、GMP的反饋抑制。ATP、ADP和AMP結(jié)合酶的一個(gè)抑制位點(diǎn),而GTP、GDP和GMP結(jié)合另一抑制位點(diǎn)。因此,IMP的生成速率受腺嘌呤和鳥嘌呤核苷酸的獨(dú)立和協(xié)同調(diào)節(jié)。此外,PRPP可變構(gòu)激活磷酸核糖酰胺轉(zhuǎn)移酶。

  第二水平的調(diào)節(jié)作用于IMP向AMP和GMP轉(zhuǎn)變過程。GMP反饋抑制IMP向XMP轉(zhuǎn)變,AMP則反饋抑制IMP轉(zhuǎn)變?yōu)橄佘账岽晁?,從而防正生成過多AMP和GMP。此外,腺嘌呤和鳥嘌呤的合成是平衡。GTP加速IMP向AMP轉(zhuǎn)變,而ATP則可促進(jìn)GMP的生成,這樣使腺嘌呤和鳥嘌呤核苷酸的水平保持相對(duì)平衡,以滿足核酸合成的需要。

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