第九章 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，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。核酸进入小肠后，受胰液和肠液中各种水解酶的作用逐步水解（图9－l）。核苷酸及其水解产物均可被细胞吸收，但它们的绝大部分在肠粘膜细胞中又被进一步分解。分解产生的成粮被吸收而参加体内的戊精代谢；嗓呼和喷喷碱则主要被分解而排出体外。因此，实际上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5’一核苷酸形式存在，其中又以5’－ATP含 量最多。一般说来，细胞中核糖核苷酸的浓度远远超过脱氧核糖核苷酸，前者约在mmol范围，而后者只在umol水平。在细胞分裂周期中，细胞内脱氧核糖核苷酸含量波动范围较大，核糖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。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作为核酸含成的原料，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、UTP、GTP也均可以提供能量。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、辅酶A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。
本章重点讨论核苷酸在体内的合成过程。
第一节 嘌呤核苷酸代谢
一、嘌呤核苷酸的合成代谢
体内嘌呤核苷酸的合成有两条途径。第一，利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位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。第二，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，称为补救会成（或重新利用）途径。二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、骨髓等则只能进行补救会成。一般情况下，前者是合成的主要途径。 （－）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。同位素示踪实验证明，嘌呤碱的前身物均为简单物质，例如氨基酸。CO2及甲酰基（来自四氢叶酸）等（图 9－2）。
嘌呤核苷酸的从头合成在胞液中进行。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（IMP），然后IMP再转变成腺嘌呤核苷酸（AMP）与鸟嘌呤核苷酸（GMP）。 （l）IMP的合成：IMP的合成经过十一步反应完成（图9－3）。①5一磷酸核糖（磷酸戊糖途径中产生）经过磷酸核糖焦磷酸合成酶（PRP合成酶）作用，活化生成磷酸核糖焦 磷酸（PRPP）。②谷氨酰胺提供酰胺基取代 PRPP上的焦磷酸，形成5一磷酸核糖胺（PRA），此反应由磷酸核糖酰胺转移酶催化。③由 ATP供能，甘氨酸与 PRA加合，生成甘氨酰胺核苷酸（GAR）。 ④N5,N10一甲炔四氢叶酸供给甲酰基，使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生成甲酰甘氨酸（FGAR），此反应消耗1分子ATP。⑥FGAM脱水环化形成5一氨基咪唑核苷酸（AIR），此反应也需要ATP参与。至此，合成了嘌呤核苷酸环中的咪唑环部分。⑦CO2连接到咪唑环上，作为嘌呤核苷酸碱中C6的来源，生成5一氨基咪唑,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5一氨基咪唑一4甲酰胺核
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苷酸（AICAR）。⑩N一甲酰四氢叶酸提供一碳单位，使AICAR甲酰化，生成5一甲酰胺基咪唑一4一甲酰胺核苷酸（FAICAR）。11.FAICAR脱水环化，生成IMP（图9-3）。 （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
合成的重要中间产物，IMP可以分别转变成AMP和GMP（图9－4）。AMP和GMP在激酶作用下，经过两步磷酸化反应，进～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的，而 不是首先单独会成嘌呤碱然后再与磷酸核糖结合的。这是嘌呤核苷酸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提供核苷酸的主要来源，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，一方面以满足合成核酸对嘌呤核苷酸的需要，同时又不会“供过于求”，以节省营养物及能量的消耗。调节的机制是反馈调节，主要发生在下列几个部位（图9－5）。
嘌呤核苷酸核合成起始阶段的PRPP合成酶和PRPP酰胺转移酶均可被合成产物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酰胺转移酶是一类变构酶，其单体形式有活性，二聚体形式无活性。IMP、AMP 及GMP使活性形式转变成无活性形式，而PRPP则相反。在嘌呤核苷酸含成调节中， 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9－5还可看出，IMP转变成AMP时需要GTP，而IMP转变成GMP时需要ATP。由此，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
细胞利用现成嘌呤核苷酸碱或嘌呤核苷酸核苷重新合成嘌呤核苷酸，称为补救合成。补救会成过程比较简单，消耗能量也少。有两种酶参与嘌呤核苷酸的补救会成：腺嘌呤磷酸核糖转移酶（adenine phoshoribosyl transferase ,APRT）和次黄嘌呤一鸟嘌呤磷酸核糖转移酶（hypoxanthine-guanine posphoribosyl transferase ,HGPRT）。由 PRPP提供磷酸核糖，它们分别催化AMP和IMP，GMP的补救会成。
APRT受AMP的反馈抑制，HGPR受IMP与GMP的反馈抑制。 人体内嘌呤核苷酸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。
嘌呤核苷酸补救会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会成。因此，对这些组织器官来说，补救合成途径 具有更重要的意义。例如，由于某些基因缺陷而导致HGPRT完全缺失的患儿，表现为自毁容貌征或称Lesch－Nyhan 综合征。 毁容貌征或称bech－Nyhall综合征。
(三）嘌呤核苷酸的相互转变
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。其实，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（核糖）核苷酸的生成
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，其所含的脱氧核糖并非先形成后再结合到脱氧核苷酸分子上，而是通过相应的核糖核苷酸的直接还原作用，以氢取代其核糖分子中C2上的羟基而生成的。这种还原作用是在二磷酸核苷（NDP）水平上进行的（在这里N代表A、G、U、C等碱基），由核糖核苷酸还原酶（ribonucleotide reductase） 催化。反应如下： 其实，这一反应的过程比较复杂（图9－6）。核糖核苷酸还原酶从NADPH获得电子时，需要一种硫氧化还原蛋白（thioredoxin）作为电子载体。硫氧化还原蛋白的分子量为 12000，其所含的硫基在核糖核苷酸还原酶作用下氧化为二硫键。后者再经另一种。为硫氧化还原蛋白还原酶（thioredoin reductase）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。核糖核苷酸还原酶是一种变构酶，包括B1、B2两个亚基，只有B1与B2
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,核糖核苷酸还原酶体系活性较强。
细胞除了控制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变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9－l）。通过这样的调节，使合成DNA的4种脱氧核苷酸得到适当的比例。
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再磷酸化成三磷酸脱氧核苷。 （五）嘌呤核苷酸的抗代谢物
嘌呤核苷酸的抗代谢物是一些嘌呤核苷酸、氨基酸或叶酸等的类似物。它们主要以竞争性抑制或“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，由此，这些抗代谢物具有抗肿瘤作用。
嘌呤核苷酸类似物有6一巯基嘌呤核苷酸（6－mereaptopurine，6MP）。6－巯基鸟嘌呤8一氮杂鸟嘌呤等，其中以6MP在临床上应用较多。6MP的结构与次黄嘌呤核苷酸相似，唯一不同的是分子中C6上由巯基取代了羟基。6MP可在体内经磷酸核糖化而生成6MP核苷酸，并以这种形式抑制IMP转变为AMP及GMP的反应。6MP还能直接通过竞争性抑制，影响次黄嘌呤一鸟嘌呤核苷酸磷酸核糖转移酶，使PRPP分子中的磷酸核糖不能向鸟嘌呤核苷酸及次黄嘌呤核苷酸转移，阻止了补救会成途径。此外，6MP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9－7）。
氨基酸类似物有氮杂丝氨酸（azaserine）及6－重氮－5－氧正亮氨酸（diazonorleucine）等。它们的结构与谷氨酸胺相似，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。
氨蝶吟（aminopterin）及甲氨蝶吟（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。由此，嘌呤核苷酸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癌瘤的治疗。
嘌呤核苷酸抗代谢物的作用部位可归纳如图9－7。 二、嘌呤核苷酸的分解代谢
体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l一磷酸核糖。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，嘌呤核苷酸碱最终分解生成尿酸（uric acid），随尿排出体外。反应过程如图9－8。 AMP生成次黄嘌呤，后者在黄嘌呤氧化酶（xanthosine oxidase）作用下氧化成黄嘌呤，最后生成尿酸。GMP生成鸟嘌呤，后者转变成黄嘌呤，最后也生成尿酸。嘌呤核苷经过相同途径进行分解代谢。体内嘌呤核苷酸的分解代谢主要在肝、小肠及肾中进行，黄嘌呤核苷酸氧化酶在这些脏器中活性较强。
正常人血浆中尿酸含量约为0 12－0.36mmol/L（ 2－ 6mg％）。男性平均为0.27mmol/L(4.5mg%)，女性平均为0.21（3.5mg/dl）左右，尿酸的水溶性较差。痛风症患者血中尿酸含量升高，当超过8mg％时，尿酸盐晶体即可沉积于关节。软组织、软骨及肾等处，而导致关节炎、尿路结石及肾疾病。痛风症多见于成年男性，其原因尚不完全清楚，可能与嘌呤核苷酸代谢酶的缺陷有关。此外，当进食高嘌呤核苷酸饮食。体内核酸大量分解（如白血病、恶性肿瘤等）或肾疾病而尿酸排泄障碍时，均可导致血中尿酸升高。临床上常用别嘌呤醇（allopurinol）治疗痛风症。别嘌呤醇与次黄嘌呤结构类似，只是分子中 N7与 C8互换了位置，故可抑制黄嘌呤核苷酸氧化酶，从而抑制尿酸的生成。同时，别嘌呤核苷酸与PRPP反应生成别嘌呤核苷酸，这样一方面消耗PRPP而使其含量减少，另一方面别嘌呤核苷酸与IMP结构相似，又可反馈抑制嘌呤核苷酸从头合成的酶。这两方面的作用均可使嘌呤核苷酸的合成减少。
第二节 嘧啶核苷酸代谢
一、嘧啶核苷酸的合成代谢
与嘌呤核苷酸一样，体内嘧啶核苷酸的合成也有两条途径，即从头合成与补救合成。 （－）嘧啶核苷酸的从头合成
1．从头合成途径 同位素示踪实验证明，嘧啶核苷酸中嘧啶碱合成的原料来自谷氨酸胺、CO2和天冬氨酸，如图9－9所示
与嘌呤核苷酸核苷酸的从头合成途径不同，嘧啶核苷酸的合成是先合成嘧啶环，然后再与磷酸核糖相连而成的。
嘧啶核苷酸合成的过程如下。
（1）尿嘧啶核苷酸的合成：嘧啶环的合成开始于氨基甲酰磷酸的生成。正如氨基酸代谢一章所讨论的，氨基甲酰磷酸也是尿素合成的原料。但是，尿素合成中所需的氨基甲酸磷酸是在肝线粒体中由氨基甲酰磷酸含成酶II催化生成的，而嘧啶合成所用的氨基甲酰磷酸则是在细胞液中用谷氨酸胺为氮源，由氨基甲酰磷酸合成酶II催化生成的。这两种合成酶的性质不同。
上述生成的氨基甲酰磷酸在胞液中天冬氨酸氨基甲酰转移酶（aspartate transcarbamoylase）的催化下，与天冬氨酸化合生成氨甲酰天冬氨酸。后者经二氢乳清酸酶催化脱水，
形成具有喷院环的二氢乳清酸，再经二氢乳清酸脱氨酶的作用，脱氢成为乳清酸（orotic acid）。乳清酸不是构成核酸的嘧啶碱，但它在乳清酸磷酸核糖转移酶催化下可与PRPP化合，生成乳清酸核苷酸，后者再由乳清酸核苷酸脱羧酶催化脱去羧基，即是组成核酸分子的尿嘧啶核苷酸（uridine monophosphate，UMP）（图9－10）。嘧啶核苷酸的合成主要在肝进行。 现已阐明，在真核细胞中嘧啶核苷酸合成的前三个酶，即氨基甲酰磷酸合成酶II,天冬氨酸氨基甲酰转移酶和二氧乳清酸酶，位于分子量约为200000的同一条多肽链上，因此是一个多功能酶；后二酶也是位于同一条多肽链上的多功能酶。由此更有利于以均匀的速度参与嘧啶核苷酸的合成。
（2）CTP的合成：UMP通过尿苷酸激酶和二磷酸核苷激酶的连续作用，生成三磷酸 尿苷（UTP），并在CTP合成酶催化下，消耗一分子ATP，从谷氨酸胺接受氨基而成为三 磷酸胞苷（CTP）.
（3）脱氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP或TMP）的生成：dTMP是由脱氧尿嘧啶核苷酸
（ dUMP）经甲基化而生成的。反应由胸苷酸合成酶（thymidylate synthetase）催化， N5,N10-甲烯四氢叶酸作为甲基供体。N5,N10-甲烯四氢叶酸提供甲基后生成的二氢叶酸又可以再经二氢叶酸还原酶的作用，重新生成四氢叶酸。dUMP可来自两个途径：一是dUDP 的水解，另一个是dCMP的脱氨基；以后一种为主。
2．从头合成的调节 细菌中，天冬氨酸氨基甲酰转移酶是嘧啶核苷酸从头合成的 主要调节酶。但是，哺乳类动物细胞中，嘧啶核苷酸合成的调节酶则主要是氨基甲酰磷 酸合成酶11，它受UMP抑制。这两种酶均受反馈机制的调节。除此，哺乳类动物细胞 中，上述UMP合成起始和终未的两个多功能酶还可受到阻遏或去阻遏的调节。同位素 参入实验表明，嘧啶与嘌呤的合成有着协调控制关系，二者的合成速度通常是平行的。 由于PRPP合成酶是嘧啶与嘌呤两类核苷酸合成过程中共同需要的酶，它可同时接 受嘧啶核苷酸及嘌呤核苷酸的反馈抑制。 （二）嘧啶核苷酸的补救合成
嘧啶磷酸核糖转移酶是嘧啶核苷酸补救合成的主要酶，催化反应的通式如下： 此酶已从人红细胞中纯化，它能利用尿嘧啶、胸腺嘧啶及乳清酸作为底物（实际 司前述的乳清酸磷酸核糖转移酶是同一种酶），但对胞嘧啶不起作用。 尿苷激酶也是一种补救会成酶，催化的反应是：
脱氧胸苷可通过胸苷激酶而生成TMP。此酶在正常肝中活性很低，再生肝中活性升 高，恶性肿瘤中明显升高，并与恶性程度有关。 （三）嘧啶核苷酸的抗代谢物
与嘌呤核苷酸一样，嘧啶核苷酸的抗代谢物是一些嘧啶、氨基酸或叶酸等的类似物。它们对代谢的影响及抗肿瘤作用与嘌呤核苷酸抗代谢物相似。 嘧啶的类似物主要有5一氟尿嘧啶（5－fluorouracil，5－FU），它的结构与胸腺嘧啶相
似。5－FU本身并无生物学活性，必须在体内转变成一磷酸脱氧核糖氟尿嘧啶核苷（FdUMP） 及三磷酸氟尿嘧啶核苷（FUTP）后，才能发挥作用。FdUMP与dUMP的结构相似，是胸 苷酸含成酶的抑制剂，使TMP合成受到阻断。FUTP可以FUMP的形式参入RNA分子，异常核苷酸的参人破坏了RNA的结构与功能。
氨基酸类似物、叶酸类似物已在嘌呤核苷酸抗代谢物中介绍。例如，由于氮杂丝氨酸类似谷氨酸胺，可以抑制CTP的生成；氨甲蝶呤干扰叶酸代谢，使dUMP不能利用一碳单位 甲基化而生成TMP，进而影响DNA合成。另外，某些改变了核糖结构的核苷类似物，例如阿糖胞苷和环胞苷也是重要的抗癌药物。阿糖胞苷能抑制CDP还原成dCDP，也能影响DNA的合成。
二、嘧啶核苷酸的分解代谢
嘧啶核苷酸首先通过核苷酸酶及核苷磷酸化酶的作用，除去磷酸及核糖，产生的嘧啶再进～步分解。胞嘧啶脱氨基转变成尿嘧啶。尿嘧啶还原成二氢尿嘧啶，并水解开环，最终生成NH3、 CO2及β-丙氨酸。胸腺嘧啶氨基降解成β－氨基异丁酸（β－aminoisobutyric acid）（图 9一11），其可直接随尿排出或进一步分解。食人含DNA丰富的食物、经放射线治疗或化学治疗的癌症病人，尿中β氨基异丁酸排出量多。嘧啶碱的降解代谢主要在肝进行。 与嘌呤碱的分解产生尿酸不同，嘌呤碱的降解产物均易溶于水。
小 结
核苷酸具有多种重要的生理功能，其中最主要的是作为合成核酸分子的原料。除此，还参与能量代谢、代谢调节等过程。体内的核苷酸主要由机体细胞自身合成。食物来源的嘌呤和嘧啶极少被机体利用。
体内嘌呤核苷酸的合成有两条途径：从头合成和补救合成。从头合成的原料是磷酸 核糖、氨基酸、一碳单位及CO2等简单物质，在PRPP的基础上经过一系列酶促反应， 逐步形成嘌呤环。首先生成IMP，然后再分别转变成AMP和GMP。从头合成过程受着 精确的反馈调节。补救合成实际上是现成嘧啶或嘌呤核苷的重新利用，虽然会成含量极 少，但也有重要的生理意义。
机体也可以从头合成嘧啶核苷酸，但不同的是先合成嘧啶环，再磷酸核糖化而生成 核苷酸。嘧啶核苷酸的从头合成也受反馈调控。
体内的脱氧核糖核苷酸是由各自相应的核糖核苷酸在二磷酸水平上还原而成的。核 糖核苷酸还原酶催化此反应。四氢叶酸携带的一碳单位是合成胸苷酸过程中甲基的必要 来源。
根据嘌呤和嘧啶核苷酸的合成过程，可以设计多种抗代谢物，包括嘌呤、嘧啶类似 物，叶酸类似物，氨基酸类似物等。这些抗代谢物在抗肿瘤治疗中有重要作用。
嘌呤在体内分解代谢的终产物是尿酸，黄嘌呤氧化酶是这个代谢过程的重要酶。痛 风症主要是由于嘌呤代谢异常，尿酸生成过多而引起的。嘧啶分解后产生的β氨基酸可 随尿排出或进一步代谢。
（周爱儒）
第09章 核苷酸代谢
