第25章 核苷酸生物合成(劉建華)資料

1、BiochemistrySixth Edition,Chapter 25Nucleotide Biosynthesis,Copyright © 2007 by W. H. Freeman and Company,,Berg ? Tymoczko ? Stryer,,合成核苷酸的關(guān)鍵酶之一是二氫葉酸還原酶(右邊)。Methotrexate是二氫葉酸還原酶的抑制劑。有methotrexate存在時(shí)，細(xì)胞的二氫葉酸還原酶基因的拷

2、貝數(shù)增加，染色體的熒光顯微鏡圖譜顯示有三個(gè)染色體區(qū)域出現(xiàn)亮黃色（左邊）。這些亮黃色區(qū)域含有數(shù)百拷貝的二氫葉酸還原酶基因。,很多生物過(guò)程需要有充足的核苷酸。核酸生物合成的活化前體是核苷酸。例如基因組復(fù)制和遺傳信息轉(zhuǎn)錄成RNA需要核苷酸。腺嘌呤核苷酸，如ATP，是生物體的通用能量。而鳥(niǎo)嘌呤核苷酸GTP是一些特定生物過(guò)程的能量。一些核苷酸衍生物如UDP-葡萄糖參與一些生物合成（如糖原的生物合成）。核苷酸是信號(hào)傳導(dǎo)途徑的必需組分。環(huán)化核

3、苷酸如cAMP和cGMP是第二信使，參與細(xì)胞內(nèi)合細(xì)胞間的信號(hào)傳導(dǎo)。ATP是蛋白激酶轉(zhuǎn)移的供體磷酸。,核苷酸可以從頭合成，也可以用挽救途徑合成從頭合成途徑，利用更為簡(jiǎn)單的化合物組裝核苷的堿基。先組裝嘧啶堿基的骨架，然后與核糖結(jié)合。與此不同，嘌呤堿基的骨架式直接在核糖上組裝的。挽救途徑，堿基被回收并與核糖重新連接。脫氧核苷酸：所有脫氧核苷酸都是用相應(yīng)的核糖核苷酸合成的，這點(diǎn)與進(jìn)化過(guò)程中RNA出現(xiàn)于DNA之前的情況一致。在合成途徑的

4、最后一步加入甲基以區(qū)分DNA的胸腺嘧啶和RNA的尿嘧啶。,,圖25.1 挽救途徑和從頭合成途徑。在挽救途徑（上），堿基與5-磷酸核糖-1-焦磷酸(核糖的活化形式，PRPP)的核糖重新連接。在從頭合成途徑（下），堿基是利用簡(jiǎn)單的起始物質(zhì)合成的。這些簡(jiǎn)單的起始物質(zhì)包括氨基酸。從頭合成需要ATP的水解。,圖25.2 嘧啶核苷的從頭合城。嘧啶環(huán)的C-2和N-3原子來(lái)自氨甲基磷酸，而堿基環(huán)的其他原子來(lái)自天冬氨酸。,碳酸、天冬氨酸、和谷氨酰胺,,第

5、一步，碳酸被ATP磷酸化，生成羧基磷酸，同時(shí)釋放ADP。羧基磷酸與氨反應(yīng)，生成氨甲酸和磷酸。,,第二步：胺甲酰磷酸合成酶催化，氨甲酸被另一ATP磷酸化形成氨甲酰磷酸。,,圖25.3 氨甲酰磷酸合成酶有三個(gè)活性中心。較小的鏈(黃色): 谷氨酰胺水解(產(chǎn)生氨)。較大的鏈有兩個(gè)ATP-grasp結(jié)構(gòu)域(藍(lán)色與紅色)。藍(lán)色: 將碳酸磷酸化成羧酸磷酸，然后與氨反應(yīng)生成氨基甲酸。紅色: 氨基甲酸被磷酸化成胺甲酰磷酸。,谷氨酰胺側(cè)鏈的水解產(chǎn)生氨

6、 谷氨酰胺水解是氨甲酰磷酸合成酶的主要氨源。酶蛋白的第二個(gè)多肽組分負(fù)責(zé)谷氨酰胺水解生成氨和谷氨酸的催化。谷氨酰胺水解酶的酶的活性位點(diǎn)含有一個(gè)半胱氨酸和一個(gè)組氨酸殘基構(gòu)成的催化雙體(dyad)。這種催化雙體與半胱氨酸蛋白酶(p251)活性位點(diǎn)相似，在酰胺轉(zhuǎn)移酶家族 (包括CTP合成酶和GMP合成酶)保守。,中間體的通道運(yùn)輸胺甲酰磷酸合成酶有三個(gè)不同的活性位點(diǎn)。活性位點(diǎn)之間的間距總共有80A(圖25.4)。一個(gè)位點(diǎn)產(chǎn)生的中間體

7、沒(méi)有離開(kāi)酶蛋白就進(jìn)入下一個(gè)活性位點(diǎn)。這些中間體在活性位點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)運(yùn)途徑是通道，這點(diǎn)與色氨酸合成酶的中間體運(yùn)輸機(jī)制相似。谷氨酰胺水解酶活性位點(diǎn)產(chǎn)生的氨經(jīng)過(guò)一個(gè)通道跨過(guò)45A到達(dá)羧基磷酸位點(diǎn)。此位點(diǎn)形成羧基磷酸，并與進(jìn)入的氨反應(yīng)形成氨基甲酸。氨基甲酸再經(jīng)過(guò)通道擴(kuò)散35A，到達(dá)胺甲酰磷酸形成位點(diǎn)。,,通道的作用: (1) 一個(gè)位點(diǎn)產(chǎn)生的中間體不擴(kuò)散損失，直接為下一個(gè)活性位點(diǎn)捕獲；(2) 不穩(wěn)定的中間體，如羧基磷酸和胺甲酸(在pH7時(shí)1秒內(nèi)就發(fā)

8、生分解)受到保護(hù)，不會(huì)被水解。,,氨甲酰磷酸與天冬氨酸反應(yīng)生成氨甲酰天冬氨酸。然后氨甲酰磷酸環(huán)化，生成二氫乳清酸，后者為NAD+氧化生成乳清酸。,,嘧啶磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶催化，乳清酸與PRPP縮合生成嘧啶核苷酸。此反應(yīng)受焦磷酸水解驅(qū)動(dòng)。能夠與乳清酸縮合的核糖是5-磷酸核糖-1-焦磷酸，即核糖的活化形式。戊糖磷酸途徑產(chǎn)生R-5-P。R-5-P加入ATP的焦磷酸，產(chǎn)生PRPP。嘧啶磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶與其它的磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶同源，能夠?qū)⒉煌鶊F(tuán)加入PR

9、PP，形成各種核苷酸。,,隨后乳清酸核苷酸脫羧酶催化，乳清酸核苷酸(orotidylate)脫羧生成尿苷酸(UMP)。UMP是合成RNA分子的主要前體之一。 乳清酸核苷酸脫羧酶是已知的催化效率最高的酶之一。缺乏這個(gè)酶，乳清酸核苷酸脫羧反應(yīng)非常緩慢，每7800萬(wàn)年才發(fā)生一次。有這個(gè)酶，乳清酸核苷酸每秒就能發(fā)生一次脫羧，反應(yīng)速率增加了1017倍。,核苷單磷酸、二磷酸、和三磷酸可以相互轉(zhuǎn)化

10、 UNP轉(zhuǎn)化生成UDP, UTP。核苷二磷酸和核苷三磷酸是生物合成和能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中核苷酸的活化形式。核苷單磷酸轉(zhuǎn)化成核苷三磷酸是一步步轉(zhuǎn)化的。首先是特異的核苷單磷酸激酶利用ATP作為磷酸供體將核苷單磷酸轉(zhuǎn)化成核苷二磷酸。例如，UMP激酶將UMP轉(zhuǎn)化成UDP。 核苷二磷酸激酶能夠?qū)⒑塑斩姿岷秃塑杖姿徇M(jìn)行相互轉(zhuǎn)化。與核苷單磷酸激酶不同，核苷二磷酸激酶的底物特異性寬泛。X和Y表示核糖核苷酸或脫氧核糖核苷酸：,

11、,胞嘧啶核苷酸是用尿苷酸合成的。但是這種轉(zhuǎn)化只能在UTP的情況下才能執(zhí)行。UTP堿基環(huán)上一個(gè)羰基被一個(gè)氨基替代，生成CTP。如同氨甲酰磷酸的合成模式，其氨來(lái)源于谷氨酰胺，而且需要ATP。堿基環(huán)O-4原子先被磷酸化，形成活性中間體，然后用氨基替代磷酸基團(tuán)。氨來(lái)自谷氨酰胺的水解。,胞嘧啶核苷酸的合成,,嘌呤核苷酸的合成,圖25.5 從頭合成嘌呤核苷酸。圖中指出嘌呤堿基各原子的來(lái)源。,嘌呤環(huán)是在核糖磷酸上組裝的 從頭進(jìn)行的嘌呤

12、合成需要PRPP。在嘌呤堿基的生物合成過(guò)程中，PRPP作為嘌呤堿基從頭合成的平臺(tái)。最初決定命運(yùn)的反應(yīng)是谷氨酰胺磷酸核糖轉(zhuǎn)氨基酶催化，氨替代PRPP的焦磷酸(而不是用預(yù)先組裝的堿基替代PRPP的焦磷酸)，產(chǎn)生5-磷酸核糖-1-胺，其氨基處于核糖的b-構(gòu)型。,,谷氨酰胺磷酸核糖轉(zhuǎn)氨基酶有兩個(gè)結(jié)構(gòu)域：（1）結(jié)構(gòu)域1：與挽救途徑的磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶同源，負(fù)責(zé)磷酸核糖轉(zhuǎn)移。（2）結(jié)構(gòu)域2：將谷氨酰胺水解產(chǎn)生氨，但是與氨甲酰磷酸合成酶執(zhí)行相同功能的

13、結(jié)構(gòu)域在結(jié)構(gòu)上明顯不同。在谷氨酰胺磷酸核糖轉(zhuǎn)氨基酶中，N-端半胱氨酸有助于谷氨酰胺的水解。為了阻止底物無(wú)意義的浪費(fèi)性水解，氨基轉(zhuǎn)移酶采用的構(gòu)型是只有在PRPP和谷氨酰胺同時(shí)與蛋白結(jié)合時(shí)才有活性。與胺甲酰磷酸合成酶類(lèi)似， 谷氨酰胺水解產(chǎn)生的氨經(jīng)過(guò)通道到達(dá)PRPP進(jìn)行反應(yīng)，而不會(huì)釋放到溶液中。,連續(xù)的磷酸化活化接著替代，組裝嘌呤環(huán) 組裝嘌呤環(huán)還需要9步。最先的六步反應(yīng)相似，催化劑大多數(shù)有ATP-grasp domain(與氨

14、甲酰磷酸合成酶的ATP-grasp結(jié)構(gòu)域相似)。每步有與C結(jié)合的O原子(通常是羰基氧原子)磷酸化(即活化)，接著是氨基或氨親核攻擊替代磷酸基團(tuán)。,圖25.6 嘌呤的從頭合成。(1)甘氨酸與磷酸核糖胺縮合。(2) N10-甲酰四氫葉酸(THF)轉(zhuǎn)移一個(gè)甲?；粮拾彼釟埢陌被?。(3)分子內(nèi)部的酰胺發(fā)生磷酸化，然后來(lái)自谷氨酰胺水解產(chǎn)生的氨替代磷酸基團(tuán)，產(chǎn)生亞胺。(4)分子內(nèi)環(huán)化生成5原子的咪唑環(huán)。(5) 碳酸加成到咪唑環(huán)外的氨基，然后轉(zhuǎn)移至

15、咪唑環(huán)的碳原子。(6) 咪唑環(huán)的羧基磷酸化, 磷酸基團(tuán)為天冬氨酸的氨基替代。,,還需要三個(gè)步驟才能完成嘌呤環(huán)的構(gòu)建。與咪唑環(huán)連接的天冬氨酸消除一分子延胡索酸，N10-甲酰四氫葉酸提供甲?；映傻侥┪驳陌被希又h(huán)化脫水，形成肌苷酸。,,圖25.7 肌苷酸的形成。消除延胡索酸、來(lái)源于N10-甲酰四氫葉酸的甲酰基的加入、環(huán)化反應(yīng)，合成肌苷酸（即次黃嘌呤核苷酸）。,從頭合成嘌呤的中間體，很多在水溶液中可被迅速降解。這些中間體在水溶液中的不穩(wěn)

16、定性提示，這個(gè)合成途徑的一個(gè)酶促催化反應(yīng)的產(chǎn)物經(jīng)通道直接運(yùn)給此途徑的下一個(gè)酶。但是這些酶(至少在沒(méi)有底物結(jié)合時(shí))并沒(méi)有結(jié)合在一起形成復(fù)合物。目前正在研究的一種假設(shè)是，只有在相應(yīng)的中間物存在時(shí)，這些酶蛋白才形成這種復(fù)合物。這種蛋白行為顯示底物通道運(yùn)輸復(fù)雜，是底物誘導(dǎo)酶蛋白構(gòu)象變化所致。,合成AMP:天冬氨酸加成后，接著消除延胡索酸。,,合成GMP：肌苷酸先被NAD+氧化成黃嘌呤核苷酸(XMP)，接著將ATP的AMP轉(zhuǎn)移給黃嘌呤核苷酸新形成

17、羰基的氧原子(活化)，最后谷氨酰胺水解產(chǎn)生的氨替代AMP基團(tuán)，形成鳥(niǎo)苷酸。,講至此處,合成ATP時(shí)，肌苷酸和天冬氨酸縮合形成腺苷琥珀酸中間體需要GTP(而不是ATP)提供磷酸。這個(gè)酶蛋白沒(méi)有ATP-grasp結(jié)構(gòu)域，而是與G蛋白結(jié)構(gòu)相似，屬于G蛋白家族的成員。催化腺苷酸琥珀酸消除延胡索酸反應(yīng)的酶與催化5-氨基咪唑-4-N-琥珀酰羧胺消除延胡索酸的酶是相同的。合成GMP時(shí)，黃嘌呤核苷酸活化是ATP提供AMP給黃嘌呤核苷酸新形成羰基的氧原

18、子，谷氨酰胺水解產(chǎn)生的氨替代AMP基團(tuán)，形成鳥(niǎo)苷酸。 因此，腺苷酸合成需要GTP，而鳥(niǎo)苷酸合成需要ATP。此途徑相互用對(duì)方的核苷酸活化是一種重要的調(diào)節(jié)方式。,脫氧核苷酸合成 核苷二磷酸還原生成相應(yīng)的脫氧核苷二磷酸。最終的還原劑是NADPH。核苷酸還原酶負(fù)責(zé)所有四種核苷二磷酸的還原。,,了解得最徹底的大腸桿菌核苷酸還原酶酶促反應(yīng)機(jī)理：酪氨酸殘基是核糖核苷酸還原酶作用的關(guān)鍵,該酶有兩種亞基：即87kD的二聚

19、體R1和43kD的二聚體R2。R1有活性位點(diǎn)和兩個(gè)別構(gòu)控制位點(diǎn)，含有三個(gè)保守的半胱氨酸和一個(gè)谷氨酸殘基。這四個(gè)氨基酸殘基都參與了核苷酸的還原。鄰近的鐵硫中心是一個(gè)O2-離子橋聯(lián)兩個(gè)鐵離子(Fe3+)構(gòu)成的鐵中心，能夠產(chǎn)生異常的自由基。,,圖25.9 核苷酸還原酶還原核糖核苷酸，其活性位點(diǎn)有三個(gè)關(guān)鍵的半胱氨酸和一個(gè)谷氨酸。每個(gè)R2亞基有一個(gè)酪氨酸自由基能夠接受活性位點(diǎn)半胱氨酸殘基的電子，啟動(dòng)還原反應(yīng)。,圖25.10 核苷酸還原酶R2亞基。

20、這個(gè)亞基的一個(gè)酪氨酸殘基含有穩(wěn)定的自由基。這是鄰近的含有兩個(gè)鐵原子之間的氧（沒(méi)有畫(huà)出）與這個(gè)酪氨酸反應(yīng)生成的自由基。兩個(gè)R2亞基結(jié)合在一起形成一個(gè)二聚體。,,圖25.11 核苷酸還原酶作用機(jī)制。(1) R1的半胱氨酸殘基的電子轉(zhuǎn)移給R2的酪氨酸自由基，產(chǎn)生高活性的半胱氨酸S自由基。(2) 該自由基接受核糖C-3’的H原子。(3) C-2’釋放OH-，同時(shí)結(jié)合第二個(gè)半胱氨酸SH的質(zhì)子結(jié)合形成水。(4)第三個(gè)半胱氨酸殘基SH的氫負(fù)離子轉(zhuǎn)移，

21、同時(shí)形成二硫鍵。(5) C-3’自由基接受早先丟失的氫原子。(6) R2電子轉(zhuǎn)移，并還原S自由基，后者接受一個(gè)質(zhì)子。脫氧核苷酸離開(kāi)R1?；钚晕稽c(diǎn)所形成的二硫鍵必須被還原成SH才能啟動(dòng)下一輪反應(yīng)。,,R1活性中心的二硫鍵為特定的含有兩個(gè)SH的蛋白還原。這種蛋白如硫氧還蛋白。經(jīng)過(guò)還原再生有活性的核苷酸還原酶。 為了完成整個(gè)還原反應(yīng)，此過(guò)程產(chǎn)生的氧化型硫氧還蛋白必須被NADH還原，此反應(yīng)為硫氧還蛋白還原酶催化。所以，核苷酸還原的

22、最終還原劑是NADPH。,在其他生物中鑒定出沒(méi)有酪胺酸自由基的核苷酸還原酶。但是這些酶有其他類(lèi)型的自由基。例如，有的酶采用的自由基源自腺苷鈷胺。 雖然核苷酸還原酶所采用的穩(wěn)定自由基有差異，但這些酶的活性位點(diǎn)與大腸桿菌核苷酸還原酶相似，作用機(jī)制相同(都是基于半胱氨酸自由基特別的反應(yīng)活性)。因此這些酶的祖先相同，只是為了更好地適應(yīng)不同的生長(zhǎng)條件，采用了不同的穩(wěn)定自由基。如原型酶易于被氧失活，而近代酶如大腸桿菌的核苷酸還原酶利

23、用氧產(chǎn)生酶蛋白起始的酪氨酸自由基。 核苷酸還原成脫氧核苷酸在化學(xué)上是很難進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，因此需要一種極其巧妙的催化劑催化。有一種共同的酶催化劑骨架的存在強(qiáng)烈提示，RNA世界之后出現(xiàn)的蛋白質(zhì)將RNA與DNA連接起來(lái)，后者僅作為遺傳信息的穩(wěn)定儲(chǔ)存形式。,胸腺嘧啶核苷酸的合成 胸腺嘧啶核苷酸合成酶將脫氧尿嘧啶核苷酸(dUMP)甲基化成胸腺嘧啶核苷酸(TMP)。如同第28章要介紹的，這個(gè)核苷酸的甲基化給需要修復(fù)的

24、DNA損傷作標(biāo)記，從而保留DNA的完整性。甲基供體是N5,N10-次甲基四氫葉酸，而不是S-腺苷甲硫氨酸。,,胸腺嘧啶核苷酸合成酶將酶蛋白半胱氨酸側(cè)鏈巰基(-SH)加成到嘧啶環(huán)，產(chǎn)生的親核試劑能夠攻擊N5,N10-次甲基四氫葉酸的次甲基。這個(gè)次甲基因酶蛋白存在發(fā)生扭曲，又被活化，有助于含有次甲基的五元環(huán)開(kāi)環(huán)?；罨膁UMP攻擊次甲基，形成新的C-C鍵。所形成的中間體進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物：H負(fù)離子自四氫葉酸環(huán)轉(zhuǎn)移給次甲基，生成甲基。帶有甲基的

25、C原子消除一個(gè)質(zhì)子(交給離去的半胱氨酸殘基)，形成胸腺嘧啶核苷酸。四氫葉酸既失去了次甲基，也失去一個(gè)H負(fù)離子，形成二氫葉酸。為了合成更多胸腺嘧啶核苷酸，必須再生四氫葉酸。,二氫葉酸還原酶催化，再生四氫葉酸。四氫葉酸是一碳單位的載體。嘧啶合成產(chǎn)生的二氫葉酸被還原，再生四氫葉酸。這個(gè)過(guò)程是二氫葉酸還原酶催化的，還原試劑是NADPH。NADPH煙酰胺環(huán)的一個(gè)H-直接轉(zhuǎn)移給二氫葉酸的哌啶環(huán)。酶蛋白結(jié)合的二氫葉酸和NADPH被安置在相鄰位置，有助

26、于氫離子轉(zhuǎn)移。,抗癌藥物封鎖胸腺嘧啶核苷酸合成 快速分裂的細(xì)胞需要大量的胸腺嘧啶核苷酸用來(lái)合成DNA。抑制TMP合成能夠殺死這些細(xì)胞。因此，胸苷酸合成酶和二氫葉酸還原酶用作癌癥治療的藥物作用靶點(diǎn)。 氟代尿嘧啶是臨床使用的癌癥化療藥物。在體內(nèi)，氟代尿嘧啶被轉(zhuǎn)化成氟代脫氧尿嘧啶核苷酸(F-dUMP)。 F-dUMP能不可逆地抑制胸苷酸合成酶活性。由于核苷酸C-5質(zhì)子的移去是合成TMP所必需的，但是酶蛋白的巰基

27、與次甲基四氫葉酸、F-dUMP形成共價(jià)連接物后，沒(méi)有C-5質(zhì)子可以移去。這是一種自殺抑制，酶蛋白將底物轉(zhuǎn)化成有抑制活性的試劑，阻止酶蛋白的催化活性。,,,,,抑制四氫葉酸的重排也能阻止TMP合成。二氫葉酸的類(lèi)似物，如methotrexate(氨基蝶呤或甲胺蝶呤)是二氫葉酸還原酶很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑(Ki < 1 nM)。甲胺蝶呤在治療很多快速生長(zhǎng)腫瘤方面很有用。這些腫瘤包括急性白血病、絨毛膜癌(choriocarcinoma)、胎盤(pán)

28、細(xì)胞產(chǎn)生的癌。但甲胺蝶呤殺滅快速生長(zhǎng)細(xì)胞不分良性和惡性。骨髓干細(xì)胞、腸道表皮細(xì)胞、發(fā)囊細(xì)胞也受到這種葉酸拮抗劑損傷，由此產(chǎn)生毒副作用。副作用的表現(xiàn)是免疫功能降低、惡心(nausea)、脫發(fā)。,葉酸類(lèi)似物如甲氧芐啶(trimethoprim)是抗菌、抗原生動(dòng)物的藥物。甲氧芐啶與哺乳動(dòng)物二氫葉酸還原酶的親和力比敏感微生物二氫葉酸還原酶的親和力低105倍。這些酶活性位點(diǎn)裂縫的細(xì)微差異能夠解釋甲氧芐啶高度選擇性抗微生物活性。甲氧芐啶和磺胺甲惡唑

29、(sulfamethoxazole，葉酸合成的抑制劑)聯(lián)合使用，廣泛用于感染治療。,,嘧啶生物合成的調(diào)節(jié) 在第10章我們?cè)敿?xì)介紹過(guò)天冬氨酸轉(zhuǎn)胺甲酰酶。這個(gè)酶是細(xì)菌合成嘧啶途徑的關(guān)鍵調(diào)節(jié)酶。ATCase受此途徑的最終產(chǎn)物CTP抑制，受ATP激活。原核生物和真核生物的胺甲酰磷酸合成酶也是一個(gè)反饋抑制位點(diǎn)。,,嘌呤核苷酸生物合成的反饋抑制位點(diǎn)有多處,,圖25.15 嘌呤生物合成的調(diào)控反饋抑制控制嘌呤生物合成的總途徑，也能控制A

30、MP和GMP的平衡。,(1) 嘌呤核苷酸生物合成決定命運(yùn)的步驟是PRPP為谷氨酰胺磷酸核糖轉(zhuǎn)氨基酶催化生成磷酸核糖胺。這個(gè)酶受到很多嘌呤核苷酸抑制。嘌呤核苷酸合成途徑的最終產(chǎn)物AMP和GMP協(xié)同抑制這個(gè)轉(zhuǎn)氨酶。(2 ) 次黃嘌呤核苷酸(即肌苷酸)是AMP和GMP合成途徑的分支點(diǎn)。分支反應(yīng)也是反饋抑制位點(diǎn)。AMP抑制肌苷酸轉(zhuǎn)化成腺苷琥珀酸，即AMP的直接前體。類(lèi)似地，GMP抑制肌苷酸轉(zhuǎn)化成黃嘌呤核苷酸(xanthylate)，即GMP合成

31、的直接前體。(3 ) 如同早先所介紹的，GTP是AMP合成的一個(gè)底物，而ATP是合成GMP的一個(gè)底物。這種互為底物的關(guān)系使腺苷酸和鳥(niǎo)苷酸的合成易于平衡。,調(diào)節(jié)核苷酸還原酶、控制脫氧核苷酸合成 核苷酸還原成脫氧核苷酸受別構(gòu)調(diào)節(jié)。大腸桿菌核糖核苷酸還原酶R1亞基有兩個(gè)別構(gòu)位點(diǎn)：一個(gè)是控制酶蛋白的總活性，另一個(gè)是調(diào)節(jié)酶蛋白的底物特異性。,別構(gòu)位點(diǎn)一：dATP結(jié)合：還原酶活性喪失。表示脫氧核苷酸含量豐富。 A TP結(jié)合：逆轉(zhuǎn)

32、dATP的作用。別構(gòu)位點(diǎn)二：控制底物特異性。與dATP或ATP的結(jié)合：促進(jìn)嘧啶核苷酸CDP和UDP的還原。與TTP結(jié)合：促進(jìn)GDP的還原、抑制嘧啶核苷酸的還原，導(dǎo)致dGTP水平增加。而dGTP水平的增加又促進(jìn)ATP還原成dATP。,,,圖25.16 核糖核苷酸還原酶的調(diào)節(jié)。(A) R1二體的每個(gè)亞基含有兩個(gè)別構(gòu)位點(diǎn)和一個(gè)活性位點(diǎn)。一個(gè)別構(gòu)位點(diǎn)調(diào)節(jié)酶的總活性，另一個(gè)別構(gòu)位點(diǎn)調(diào)節(jié)酶的底物特異性。(B) 不同的核苷二磷酸對(duì)核糖核苷酸還

33、原酶活性的調(diào)節(jié)。,25.5 核苷酸代謝故障產(chǎn)生疾病 核苷酸參與很多生物化學(xué)過(guò)程，因此核苷酸代謝出現(xiàn)故障就產(chǎn)生疾病。細(xì)胞內(nèi)核苷酸在持續(xù)更換。核苷酸酶催化，將核苷酸水解成核苷；核苷磷酸化酶催化，磷酸解產(chǎn)生游離的堿基和核糖1-磷酸(或脫氧核糖1-磷酸); 核糖磷酸變位酶催化，將核糖1-磷酸異構(gòu)化、產(chǎn)生核糖5-磷酸(合成PRPP的底物)。有些核糖經(jīng)挽救途徑，被重新用來(lái)合成核苷酸。另一些核糖被降解成可被外排的產(chǎn)物(圖25.17)。

34、參與這些途徑的酶的缺陷將產(chǎn)生疾病。,圖25.17 嘌呤的代謝。嘌呤堿基先轉(zhuǎn)化成黃嘌呤，然后轉(zhuǎn)化成尿酸隨尿液外排。黃嘌呤氧化酶催化這個(gè)過(guò)程的兩個(gè)反應(yīng)。,,腺苷脫氨酶活性喪失產(chǎn)生嚴(yán)重的綜合性免疫缺乏癥 AMP降解途徑還有一個(gè)額外的反應(yīng)。首先，核苷酸酶催化將腺苷酸脫磷酸生成腺苷（圖25.17）。腺苷脫氨酶催化，腺苷脫氨生成次黃嘌呤核苷（與其它核苷代謝相比，這是個(gè)額外反應(yīng)）。最后，核苷磷酸化酶催化，使腺苷生成次黃嘌呤和核糖1-磷

35、酸。 腺苷脫氨酶的缺乏導(dǎo)致嚴(yán)重的綜合性免疫缺乏疾病(SCID)，患者因反復(fù)感染在年幼時(shí)就死亡。SCID患者沒(méi)有T-細(xì)胞，而T-細(xì)胞是免疫應(yīng)答的關(guān)鍵。雖然這類(lèi)疾病的生化基礎(chǔ)還不清楚，但是腺苷脫氨酶缺乏的患者，其dATP比正常細(xì)胞高50~100倍，這樣就抑制核苷酸還原酶活性，結(jié)果就抑制了DNA合成。這種疾病的治療方法是將患者與環(huán)境完全隔離，因此SCID疾病常被稱為bubble boy disease (泡泡男孩病)。用基因治

36、療技術(shù)曾經(jīng)成功地治愈SCID。,血清尿酸水平增加導(dǎo)致痛風(fēng)（gout） 嘌呤核苷酸經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)，將嘌呤環(huán)轉(zhuǎn)化成尿酸，隨尿液外排。血清中尿酸(以尿酸鹽的形式存在)濃度過(guò)高，則產(chǎn)生痛風(fēng)?；颊叩哪蛩徕c鹽在體液中結(jié)晶，在關(guān)節(jié)處排列成線(圖25.18)。雖然其他關(guān)節(jié)也有尿酸鈉堆積，但是常見(jiàn)的尿酸鈉堆積場(chǎng)所是大趾基部的小關(guān)節(jié)。在免疫細(xì)胞清除尿酸鈉晶體時(shí)，產(chǎn)生疼痛炎癥。尿酸鈉晶體在腎臟積淀也損傷腎臟。痛風(fēng)是常見(jiàn)病，在西方國(guó)家有1%的人

37、口患此疾病。男性患者的數(shù)量是女性患者的九倍。,圖25.18 尿酸鈉晶體。這些晶體的積累損傷關(guān)節(jié)和腎臟。,,,別嘌醇(allopurinol)是次黃嘌呤類(lèi)似物，能治療痛風(fēng)。別嘌醇先作為黃嘌呤氧化酶的底物，而后又充當(dāng)這個(gè)酶的抑制劑。氧化酶將別嘌醇羥基化成氧化別嘌醇(alloxanthine, oxipurinol)，但氧化產(chǎn)物與活性位點(diǎn)緊密結(jié)合，導(dǎo)致氧化酶的Mo離子顯+4價(jià)（而不能恢復(fù)正常催化周期的+6價(jià)），這是一種自殺抑制劑。從而降低尿酸

38、濃度，增加血清的黃嘌呤和次黃嘌呤濃度。,人類(lèi)血清尿酸的平均濃度接近尿酸的溶解度極限值。相反，原猴(prosimian）尿酸鹽水平比人低10倍。在進(jìn)化過(guò)程中，尿酸水平顯著增加了。尿酸水平增加使人類(lèi)遭受痛風(fēng)的高風(fēng)險(xiǎn)，那么增加尿酸鹽水平有何進(jìn)化優(yōu)勢(shì)？尿酸鹽水平增加有益，它是活性氧（ROS）的有效清除劑。實(shí)際上，尿酸鹽的抗氧化性能與維生素C相當(dāng)。增加人體尿酸鹽的水平能夠顯著延長(zhǎng)壽命，降低癌癥發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。,挽救途徑的酶變導(dǎo)：Lesch-Nyhan

39、 Syndrome 挽救途徑的次黃嘌呤-鳥(niǎo)嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶活性低下或缺乏者患Lesch-Nyhan Syndrome，是一種性連鎖隱性遺傳疾病。患者有強(qiáng)迫性自傷行為(在2 ~ 3歲，患者開(kāi)始咬自己的手指、嘴唇。如果不加約束，患者會(huì)咬掉這些器官)；對(duì)他人也具有攻擊性；有智力缺陷和痙攣；幼年時(shí)期血清尿酸濃度高，出現(xiàn)腎結(jié)石。隨后出現(xiàn)痛風(fēng)。 因次黃嘌呤-鳥(niǎo)嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶缺乏，患者從頭合成嘌呤的速率增加，尿酸

40、生產(chǎn)過(guò)量。此轉(zhuǎn)移酶缺乏和疾病癥狀的關(guān)聯(lián)性還不清楚。但提示大腦特定的細(xì)胞有可能依靠挽救途徑合成嘌呤核苷酸?；颊呱窠?jīng)遞質(zhì)多巴胺轉(zhuǎn)運(yùn)體的含量很低。此外，高水平積累這些嘌呤合成的中間體有可能損傷細(xì)胞。Lesch-Nyhan syndrome疾病顯示合成IMP和GMP的挽救合成途徑并非多余。,葉酸缺乏加重如脊柱斷裂的出生缺陷 脊柱裂是一類(lèi)出生缺陷疾病。在早期發(fā)育過(guò)程中，患者不能正確地或完整地形成自身的神經(jīng)管。在美國(guó)，神經(jīng)管缺陷疾病