核苷酸的生物合成与代谢中重点内容讲解

互联网2013-08-27

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核苷酸是生物体内核酸的重要组成构件，参与了多种代谢和调节活动，也是《生物化学》的重点知识点，其中所涉及的反应式也不少，本文对其结构、合成途径、分解代谢、以及当中所涉及的化学反应式等做详细的讲解和演示。

核苷酸在人体内广泛分布，具有多种生物学功能：①核苷酸是构成核酸的基本单位，这是其最主要功能。②储存能量。三磷酸核苷酸，尤其是ATP是细胞的主要能量形式。另外，一些活化的中间产物，如UDP葡萄糖，亦含有核苷酸成分。③参与代谢和生理调节：许多代谢过程受到体内ATP、ADP或AMP水平的调节。cAMP(或cGMP)是多种细胞膜激素受体的调节作用的第二信使。④组成辅酶。如腺苷酸可作为NAD+、ANDP+、FMN、FAD及CoA等的组成成分。

几乎所有细胞均可以从头合成及补救合成两种途径合成核苷酸。本章重点讨论核苷酸的生物合成过程。同时学习其合成的调节及缺陷，并了解核苷酸的分解代谢等内容。

第一节　核苷酸的化学结构

核苷酸是组成核酸的基本单位。组成DNA的核苷酸是脱氧核糖核苷酸(deoxyribonucleotide)。组成RNA的是核糖核苷酸(ribonudeotide)。核苷酸可以进一步水解为核苷(nucleoside)和磷酸，核苷又可以水解为戊糖(pentose)和碱基(base)(图8-1)

图8-1　核酸的组成

核苷酸中的戊糖有核糖(ribose)和脱氧核糖(deoxyribose)两种，分别存在于核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸中。核苷酸中的碱基均为含氮杂环化合物，分属于嘌呤衍生物和嘧啶衍生物。核苷酸中的嘌呤碱基主要有鸟嘌呤(guanine)和腺嘌呤(adenine);嘧啶碱基主要有：尿嘧啶(uracil)、胞嘧啶(cytosine)和胸腺嘧啶(thymine)。其中尿嘧啶只存在于RNA中，而胸腺嘧啶只存在于DNA中。

图8-2　核糖核苷酸(a)和脱氧核糖核苷酸(b)的化学结构

碱基与戊糖以糖苷键相连接构成核苷，通常是戊糖的C1′与嘧啶碱的N1或嘌呤碱的N9相连接。核苷中的戊糖与磷酸以磷酸酯键连接构成核苷酸。(图8-2)体内核苷酸大多数是以核糖或脱氧核糖C5′上羟基被磷酸化，形成5′一核苷酸(5′-nucleotide)。除一磷酸核苷外，体内还有核苷的二磷酸酯和三磷酸酯形式。以核糖腺苷酸为例，除AMP外，还有二磷酸腺苷(adenosine5′-diphosphate ADP)及三磷酸腺苷(adenosine5′-triphosphate ATP)。二磷酸核苷酸和三磷酸核苷酸多为核苷酸有关代谢中间产物或酶活性及代谢的调节物质。三磷酸核苷酸是参与核酸合成的直接形式，并同时为生理储能和供能的重要形式。

第二节　嘌呤核苷酸的合成代谢

一、嘌呤核苷酸的合成

体内嘌呤核苷酸的合成有两条途径：①利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及CO2等简单物质为原料合成嘌呤核苷酸的过程,称为从头合成途径(denovo synthesis)，是体内的主要合成途径。②利用体内游离嘌呤或嘌呤核苷，经简单反应过程生成嘌呤核苷酸的过程，称重新利用(或补救合成)途径(saluagepathway)。在部分组织如脑、骨髓中只能通过此途径合成核苷酸。

(一)嘌呤核苷酸的从头合成

早在1948年，Buchanan等采用同位素标记不同化合物喂养鸽子，并测定排出的尿酸中标记原子的位置的同位素示踪技术，证实合成嘌呤的前身物为：氨基酸(甘氨酸、天门冬氨酸、和谷氨酰胺)、CO2和一碳单位(N10甲酰FH4，N、N10-甲炔FH4)(图8-3)。

图8-3　嘌呤环合成的原料来源

随后，由Buchanan和Greenberg等进一步搞清了嘌呤核苷酸的合成过程。出人意料的是，体内嘌呤核苷酸的合成并非先合成嘌呤碱基，然后再与核糖及磷酸结合，而是在磷酸核糖的基础上逐步合成嘌呤核苷酸。嘌呤核苷酸的从头合成主要在胞液中进行，可分为两个阶段：首先合成次黄嘌呤核苷酸(inosine monophosphate IMP);然后通过不同途径分别生成AMP和GMP。下面分步介绍嘌呤核苷酸的合成过程。

1.IMP的合成：IMP的合成包括11步反应：(图8-4)

图8-4 IMP的合成

(1)5-磷酸核糖的活化：嘌呤核苷酸合成的起始物为α-D-核糖-5-磷酸，是磷酸戊糖途径代谢产物。嘌呤核苷酸生物合成的第一步是由磷酸戊糖焦磷酸激酶(ribosephosphate pyrophosphohinase)催化，与ATP反应生成5-磷酸核糖-α-焦磷酸(5-phosphorlbosylα-pyrophosphatePRPP)。此反应中ATP的焦磷酸根直接转移到5-磷酸核糖C1位上。PRPP同时也是嘧啶核苷酸及组氨酸、色氨酸合成的前体。因此，磷酸戊糖焦磷酸激酶是多种生物合成过程的重要酶，此酶为一变构酶，受多种代谢产物的变构调节。如PPi和2，3-DPG为其变构激活剂。ADP和GDP为变构抑制剂。