2026年高中生物竞赛讲义生物化学第十四章 核苷酸代谢

第十四章 核苷酸代谢 学习目的： 通过学习核苷酸代谢，掌握核苷酸在体内合成的主要方式和分解代谢终产物等相关知识，理解与核苷酸代谢异常相关的疾病如痛风、肿瘤、重症联合免疫缺陷、自毁容貌等发生的可能原因，以及各种抗代谢物的作用原理。本章学习也为后续的核酸生物合成（复制、转录）等章节奠定理论基础。 学习要点： 核苷酸的生物学功能，嘌呤和嘧啶核苷酸的合成与分解代谢，抗代谢物的抑制作用。 体内的核苷酸主要由机体细胞自身合成，仅部分来自食物，因此核苷酸不属营养 必需物质。食物中的核酸多以核蛋白形式存在，核蛋白在胃中受胃酸作用分解为核 酸和蛋白质。核酸的消化是在小肠内依次受到核酸酶、核苷酸酶和核苷酶等作用.分 解产生戊糖、磷酸和各种碱基，各种消化产物除了戊糖可被重新利用外，大部分被排 出体外，因此食物来源的嘌呤和嘧啶碱极少被机体利用。 体内核苷酸具有许多重要功能:①dNTP* NTP分别作为核酸（DNA和RNA） 合成的原料;②是生物体内的主要供能物质（ATP、GTP等）;③构成某些物质生物合 成的中间供体，如UDP-葡萄糖、CDP-胆碱分别为糖原合成、甘油磷脂合成的活性中 间体;④参与构成辅酶，如AMP是NAD' NADP\ FAD和HSCoA的组成成分;⑤参 与细胞信号转导,cAMP、cGMP是细胞内信号转导的第二信使;⑥GTP是合成四氢 生物蝶呤的前体等。 第一节 核苷酸的合成代谢 核苷酸主要由机体自身合成，有两条合成途径：①从头合成途径:利用磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及co2等简单物质为原料，经一系列连续酶促反应合成核苷酸的过程.称为从头合成途径(de novo synthesis pathway)。②补救合成途径:利用体内游离碱基或核苷，经简单反应过程生成核苷酸的过程，称为补救合成途径(salvage synthesis Pathway),从头合成途径主要在肝内进行，其次是在小肠黏膜和胸腺。而脑和骨髓等缺乏从头合成的酶系，只能进行补救合成途径。 一、嘌呤核苷酸的合成 (一)从头合成途径 1.合成原料 John M. Buchanan等应用放射性核素示踪技术，将标记的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，证实合成嘌呤环的原料分别为甘氨酸、天冬氨酸、谷氨酰胺、CO2和一碳单位(图14-1)。合成嘌呤核苷酸还需要核糖-5-磷酸的参与。 2.合成过程 嘌呤核苷酸的从头合成是在胞质中进行的。首先核糖-5-磷酸（R-5-P)活化为5- 磷酸核糖-1-焦磷酸(5-phosphoribosyl-l-pyrophosphate, PRPP);然后在PRPP基础上逐步加上各种原料合成次黄嘌呤核苷酸(inosine monophosphate,IMP);IMP再分别转变生成AMP和GMP。全过程分为以下三个阶段： (1)PRPP的生成:糖代谢中戊糖磷酸途径生成的核糖-5-磷酸在磷酸核糖焦磷酸激酶(或称PRPP合成酶)催化下，由ATP提供焦磷酸，生成PRPP(图14-2)。磷酸核糖焦磷酸激酶受ADP和GDP的反馈抑制。PRPP作为核糖-5-磷酸的供体，参加各种核苷酸的合成，故此步反应是核苷酸合成代谢的关键步骤。 (2)IMP的合成:此阶段在PRPP提供核糖-5-磷酸基础上，经过大约10步酶促化学反应，逐步加上各种原料，生成次黄嘌呤核苷酸(IMP),简称肌苷酸。简要过程如图14-2。 (3)AMP和GMP的生成:IMP可以接受天冬氨酸提供的氨基，转变为腺嘌呤核苷酸(adenosine monophosphate, AMP);也可以先氧化为黄嘌呤核苷酸(xanthosine monophosphahXMP),再接受谷氨酰胺提供的氨基转变为鸟嘌呤核苷酸(guanosine monophosphate,GMP)。反应过程见图14-3。 1)AMP的生成:在腺苷酸代琥珀酸合成酶催化下，由GTP水解供能，IMP与天冬氨酸缩合生成腺苷酸代琥珀酸，后者在裂解酶催化下释出延胡索酸生成AMP。 2)GMP的生成:IMP在脱氢酶作用下发生加水脱氢反应，使嘌呤环C-2氧化生成黄嘌呤核苷酸(XMP)，再由GMP合成酶催化，ATP供能，从谷氨酰胺获得氨基生成GMP。 AMP和GMP在激酶作用下，连续发生两次磷酸化分别生成ATP和GTP，可以作为RNA合成的原料。 (二)补救合成途径 细胞可以利用嘌呤碱或嘌呤核苷经简单反应过程直接合成核苷酸。主要有腺瞟呤磷酸核糖转移酶(adenine phosphoribosyl transferase, APRT)和次黄噪呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶(hypoxanthine-guanine phosphoribosyl transferase HGPRT)两种酶，它们 可以催化嘌呤碱与PRPP提供磷酸核糖直接结合生成嘌呤核苷酸。 补救合成途径可减少氨基酸的消耗、节省能量，更重要的是脑、骨髓等对缺乏从头合成的酶系，只能通过此途径合成嘌呤核苷酸，维持其正常代谢。当遗传缺陷HGPRT时，可使CMP乃至GTP生成减少，进而影响四氢生物蝶呤及单胺类神经递质的合成，患儿智力迟钝，出现自残行为，表现为自毁容貌症或称Lesch-Nyhan综合征（Lesch-Nyhan syndrome）。 (三)嘌呤核苷酸合成的抗代谢物 抗代谢物(antimetabolite)是指在化学结构上与正常代谢物结构相似、具有拮抗正常代谢过程的物质。抗代谢物大部分属于竞争性抑制剂，它们与正常代谢物竞争酶的活性中心,抑制酶活性,使代谢不能正常进行。还有--些抗代谢物作为假底物掺人病原体生物大分子中,破坏其功能，抑制病原体的生长与繁殖。 嘌呤核苷酸的抗代谢物主要是一些嘌呤、氨基酸和叶酸等的类似物，临床常用于拮抗肿瘤细胞核酸的合成。 1.嘌呤类似物 嘌呤类似物主要有6-巯基嘌呤(6-mercaptopurine ,6-MP)、6-巯基鸟嘌呤(6-mercaptoguanosine)、8-氮杂鸟嘌呤(8-azaguanine，8-AG)等,其中以6-MP临床应用较多。6-MP 结构(图14-4)类似于次黄嘌呤，在体内可经磷酸核糖化生成6-巯基嘌呤核苷酸，进而抑制IMP代谢转变为AMP和GMP;另外，6-MP还可以竞争性抑制HGPRT的活性,使鸟嘌呤及次黄嘌呤不能经补救合成途径直接代谢转变为嘌呤核苷酸。 2.氨基酸类似物 氨基酸类似物有氮杂丝氨酸( azaserine,Azas)及6-重氮-5-氧正亮氨酸(diazonorleucine)等。氮杂丝氨酸结构(图14-4) 与谷氨酰胺相似，因而干扰谷氨酰胺在核苷酸合成中提供氨基的作用，抑制嘌呤核苷酸合成。 3.叶酸类似物 氨基蝶呤（aminopterin）及氨甲蝶呤（methotrexate，MTX）等叶酸类似物，可抑制四氢叶酸再生及其一碳单位的转运，使嘌呤分子中来自一碳单位的“C”得不到供应，进而使嘌呤核酸合成受抑制。 二、嘧啶核苷酸的合成 (一)从头合成途径 1.合成原料 放射性核素示踪实验证实，合成嘧啶环的原料有谷氨酰胺、天冬氨酸和CO2(图14-5)。合成嘧啶核苷酸还需要核糖-5-磷酸的参与。 2.合成过程 与嘌呤核苷酸从头合成途径不同,嘧啶核苷酸合成是先合成嘧啶环，再与PRPP提供的磷酸核糖结合形成尿啼啶核苷酸(uridine monophosphate, UMP),然后再转变为其他嘧啶核苷酸,如生成胞苷三磷酸(cytosinetriphosphate,CTP)。全过程分为以下三个阶段(图14-6)。 (1)嘧啶环(乳清酸)的合成:在胞质氨基甲酰磷酸合成酶I Cahamy papnanensynthase I ,CPS-I)催化下,由谷氨酰胺提供氨基与CO2和ATP反应,生成氨基甲酰磷酸。后者在天冬氨酸氨基甲酰转移酶(aspartate carbamyl transferase, ACT)催化下与天冬氨酸反应生成氨基甲酰天冬氨酸,然后再经二氢乳清酸酶(dihydroorotase)催化脱水闭环,形成二氢乳清酸。一 氢乳清酸经脱氢反应生成含有嘧定环结构的乳清酸 (oroticacid)。CPS-II受 UMP的反馈抑制。 (2)UMP的合成:在乳清酸磷酸核糖转移酶催化下，乳清酸与PRPP提供的磷酸核糖缩合生成乳清酸核苷酸(OMP),再由乳清酸核苷酸脱羧酶催化，脱去羧基生成UMP。 (3)CTP的生成:UMP先后通过尿苷酸激酶与二磷酸核苷酸激酶的催化生成UTP。UTP 再受CTP合成酶催化，从谷氨酰胺接受氨基生成CTP。 先天缺乏乳清酸磷酸核糖转移酶和乳清酸核苷酸脱羧酶,可使乳清酸不能转变为尿苷酸,因而导致大量乳清酸出现在血液和尿液中。这种患者生长迟缓和重度贫血，尿中排出大量乳清酸，被称为乳清酸尿症(orotic aciduria)。临床可用尿嘧啶治疗,尿嘧啶经磷酸化生成UMP,以抑制CPS-I活性，进而减少乳清酸的生成。 (二)补救合成途径 嘧啶核苷酸的补救合成途径与嘌呤核苷酸类似。细胞可利用游离嘧啶碱或嘧啶核苷经简单反应直接合成嘧啶核苷酸。在啼啶磷酸核糖转移酶催化下.尿嘧啶、胸腺哆啶与PRPP提供的磷酸核糖结合生成嘧啶核苷酸。也可在嘧啶核苷激酶催化下,由ATP提供磷酸.使嘧啶核背发生磷酸化生成相应的嘧啶核苷酸。 脱氧胸苷可通过胸苷激酶催化生成dTMP,胸苷激酶在正常肝组织中活性很低，恶性肿瘤组织中活性明显升高，并与恶化程度有关。 三、脱氧核苷酸的合成 体内脱氧核苷酸的合成是在脱氧核苷二磷酸(dNDP)水平上进行的,然后再转变为各种脱氧核苷酸。 (一)脱氧核苷二磷酸的合成 脱氧核苷二磷酸( dNDP)是在核苷二磷酸(NDP)水平上使核糖C-2发生脱氧而成，催化此反应的酶是核糖核苷酸还原酶。 生成的dNDP(其中的dADP、dGDP、dCDP)可进一步磷酸化生成dNTP(dATP 、dCTP、dCTP),作为DNA合成的原料;而dUDP则进一步脱磷酸生成脱氧尿嘧啶核苷酸(dUMP),然后发生甲基化反应生成脱氧胸苷酸(deoxythymidine monophosphate,dTMP)。 (二)脱氧胸苷酸的合成 在胸苷酸合酶催化下,dUMP接受N',N".甲烯-FH提供的甲基，使其嘧啶环上C.8发生甲基化生成dTMP。dUMP既可由dUDP去磷酸生成，也可由dCMP发生脱氨基作用而生成(图14-7)。 (三)嘧啶核苷酸合成的抗代谢物 嘧啶核苷酸的抗代谢物也是一些叶酸、嘧啶和氨基酸等的类似物,与嘌呤核苷酸抗代谢物的作用类似。 1、氨甲蝶呤的拮抗作用氨甲 蝶呤(methotrexate，MTX)结构属于叶酸类似物,通过MTX竞争性抑制二氢叶酸(FH2)还原酶活性(图14-7),使FH2不能还原为FH,阻断FH携带和转运一碳单位,进而抑制dTMP以及嘌呤核苷酸的合成。临床上常用MTX治疗白血病等癌瘤患者。 2.5-氟尿嘧啶的拮抗作用5- 氟尿嘧啶(5-fluorouracil,5-FU)属于嘧啶类似物,5-氟尿嘧啶结构(图14-8)与胸腺嘧啶相似。5-氟尿嘧啶本身并无活性,必须在体内转变为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和FUTP是胸苷酸合酶(dTMP合酶)的抑制剂，能阻断dTMP的合成，进而影响DNA的复制。FUTP 也能以FUMP的形式掺入RNA分子中，进而破坏RNA的结构与功能。 氨基酸类似物(Azas)的作用也是通过抑制谷氨酰胺提供氨基，使UTP不能氨基化生成CTP,进而抑制嘧啶核苷酸的合成。此外,某些改变了核糖结构的核苷类似物如阿糖胞苷(图14-8) 能抑制CDP脱氧生成dCDP,从而抑制肿瘤细胞DNA的生物合成。阿糖胞苷也是类重要的抗肿瘤药物。 抗代谢物大多是作为竞争性抑制剂，作用于核苷酸合成过程中的不同环节，以干扰核苷酸的合成代谢。或者作为代谢类似物“以假乱真”掺人核酸分子中.从而阻断核酸乃至蛋白质的生物合成。肿瘤细胞核酸和蛋白质合成+分旺盛，抗代谢物通过阻断肿瘤细胞核酸和蛋白质的合成,可以有效杀伤肿瘤细胞然而抗代谢物对正常增殖旺盛的组织细胞(如胃肠道上皮细胞.骨髓造m细胞等)以及正常免疫活性细胞(如淋巴细胞等)也有一定的毒性作用。因此，化疗使患者易出现恶心呕吐脱发，白细胞、红细胞和血小板减少免疫功能低F等副作用。此时可在医生指导下，使用些免疫增强剂或扶正中药促使免疫功能恢复。 第二节核苷酸的分解代谢 细胞内的各种核肯酸在核苷酸酶的催化下水解成核苷，核苷经核背磷酸化酶催化生成磷酸核糖和碱基，碱基可以进一步分解或参加核苷酸的补救合成。 一、嘌呤核苷酸的分解 嘌呤核苷酸AMP和GMP在核苷酸酶的催化下水解去除磷酸后,分别生成腺苷和鸟苷。腺苷经脱氨和磷酸解作用依次生成次黄嘌呤和黄嘌呤。鸟苷分解生成的鸟嘌呤经脱氨基也生成黄嘌呤。黄嘌呤在黄嘌呤氧化酶的作用下生成尿酸uric acid)(图14-9)。AMP还可直接经脱氨和脱磷酸等分解。黄嘌呤氧化酶在肝、小肠及肾中活性较强,因此嘌呤核苷酸分解代谢主要在这些脏器中进行。 尿酸是人体内嘌呤碱分解的终产物，随尿排出体外。正常人血浆中尿酸含量为0.12-0.36mmol/L.如果尿酸浓度超过0.48mmolL,会形成尿酸盐晶体沉积于关节、软骨组织及肾脏，而导致痛风、肾结石等。原发性痛风属于先天性代谢疾病，患者的次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶出现部分缺陷.使嘌呤碱利用率下降、分解加强.形成过量的尿酸。此外，当进食高嘌呤饮食、某些疾病(如白血病、恶性肿瘤、红细胞增多症等)导致核酸大量分解或肾功能减退使尿酸排出障碍时，也可使尿酸含量升高。临床上常用与次黄嘌呤结构相似的别嘌呤醇allopurinol)竞争性抑制黄嘌呤氧化酶，以抑制尿酸的生成来治疗痛风。 ADA催化腺苷脱氨基，此酶缺陷可引起腺苷积累，进而引起腺苷酸、脱氧腺苷 酸、脱氧腺苷三磷酸(dATP)等过度积聚。高浓度dATP对正在分裂的淋巴细胞有高度选择性毒性，杀伤淋巴细胞，导致免疫缺陷。已发现约有85%的腺苷脱氨酶缺陷患者往往伴有致死性的重症联合免疫缺陷( severe combined immunodeficiencydisease，SCID)。如，1990年9月14日，美国一位4岁小女孩 Desilva-----世界上第例接受基因治疗的SCID患者，就是一位ADA缺陷患者。 二、嘧啶核苷酸的分解 嘧啶核苷酸分解代谢途径与嘌呤核苷酸相似，经降解除去磷酸及核糖后，产生 的嘧啶碱可进一步分解。胞嘧啶脱氨基转变成尿嘧啶后，经还原、开环和水解最终生成NH3、CO2及β-丙氨酸，胸腺嘧啶则水解生成NH、CO2和B-氨基异丁酸(图14-10)。由嘧啶碱分解生成的β-氨基酸易溶于水，可直接随尿排出或进一步分解。食入富含DNA的食物及患白血病或经放射线治疗的患者，尿中β-氨基异丁酸排出量增多。 知识链接 痛风 痛风也称为“高尿酸血症”，是由于哪分解代谢增加，导致血中尿酸含量过多，当其含量超过0.48moML时，细小的尿酸盐结晶便会沉积在关节滑膜、滑囊、软骨及肾脏等组织中。早期阶段往往仅表现为间断发作的急性关节炎。以单关节受累为主，其中以第一跖趾关节最为常见。关节肿痛通常持续7-10天，可自发或通过药物缓解，在间歌期无任何症状。而随着痛病程的延长，发作次数、累及受累关节数目逐渐增多，间歌期也开始出现关节症状。同时关节或皮肤软组织中痛风石形成，关节出现毁损基至致残。肾脏也出现肾结石、慢性肾损伤等表现，最终可能发展为慢性肾衰端。据统计，在欧美等经济发达地区，1960年痛风的年患病率为0.175%，而1994年时，高达2.7%的个体曾被诊断为痛风。1958年以前，我国仅报道了25例痛风，但从20世纪80年代起，随着生活水平的提高，人们摄入高票吟食物日益增多，痛风的发病率呈现逐年递增的趋势。痛风与高血压、高脂血症动脉粥样硬化等疾病的发生也有密切相关性，已成为严重威励人类健康的一种代谢性疾病。 2.学习方法 归纳比较嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸从头合成途径所需的原料、主要阶段，及抗代 谢物概念。在此基础上，进一步理解与核苷酸代谢异常相关疾病的可能原因及各类抗代谢物主要作用环节或机制。 复习思考题 1.试述核苷酸为什么不属于必需营养物质。 2.比较嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸合成原料、从头合成途径的异同点；以及PRPP 在各核苷酸合成途径中的作用。 3.试述各类抗代谢物阻断核苷酸合成的主要环节(即作用机制)，根据抗代谢物 对肿瘤患者产生的副作用，如何针对肿瘤患者加强护理工作(可查阅相关资料) 4.简述别嘌呤醇为什么可以用于治疗“痛风” 学科网（北京）股份有限公司 $