第25章核苷酸生物合成(刘建华)资料

R1活性中心的二硫键为特定的含有两个SH 的蛋白还原。这种蛋白如硫氧还蛋白。经 过还原再生有活性的核苷酸还原酶。
为了完成整个还原反应，此过程产生的氧 化型硫氧还蛋白必须被NADH还原，此反 应为硫氧还蛋白还原酶催化。所以，核苷 酸还原的最终还原剂是NADPH。
在其他生物中鉴定出没有酪胺酸自由基的核苷酸还 原酶。但是这些酶有其他类型的自由基。例如，有的酶 采用的自由基源自腺苷钴胺。 虽然核苷酸还原酶所采用的稳定自由基有差异，但 这些酶的活性位点与大肠杆菌核苷酸还原酶相似，作用 机制相同(都是基于半胱氨酸自由基特别的反应活性)。 因此这些酶的祖先相同，只是为了更好地适应不同的生 长条件，采用了不同的稳定自由基。如原型酶易于被氧 失活，而近代酶如大肠杆菌的核苷酸还原酶利用氧产生 酶蛋白起始的酪氨酸自由基。 核苷酸还原成脱氧核苷酸在化学上是很难进行的化 学反应，因此需要一种极其巧妙的催化剂催化。有一种 共同的酶催化剂骨架的存在强烈提示，RNA世界之后出 现的蛋白质将RNA与DNA连接起来，后者仅作为遗传信 息的稳定储存形式。
图25.11 核苷酸还原酶作用机制。(1) R1的半胱氨酸残基 的电子转移给R2的酪氨酸自由基，产生高活性的半胱氨 酸S自由基。(2) 该自由基接受核糖C-3’的H原子。(3) C2’释放OH-，同时结合第二个半胱氨酸SH的质子结合形 成水。(4)第三个半胱氨酸残基SH的氢负离子转移，同时 形成二硫键。(5) C-3’自由基接受早先丢失的氢原子。(6) R2电子转移，并还原S自由基，后者接受一个质子。脱 氧核苷酸离开R1。活性位点所形成的二硫键必须被还原 成SH才能启动下一轮反应。
核苷二磷酸激酶能够将核苷二磷酸和核苷三磷酸进行 相互转化。与核苷单磷酸激酶不同，核苷二磷酸激酶 的底物特异性宽泛。X和Y表示核糖核苷酸或脱氧核糖 核苷酸：
胞嘧啶核苷酸的合成
胞嘧啶核苷酸是用尿苷酸合成的。但是这种转化只能 在UTP的情况下才能执行。UTP碱基环上一个羰基被一个 氨基替代，生成CTP。如同氨甲酰磷酸的合成模式，其氨 来源于谷氨酰胺，而且需要ATP。碱基环O-4原子先被磷 酸化，形成活性中间体，然后用氨基替代磷酸基团。氨来 自谷氨酰胺的水解。
谷氨酰胺磷酸核糖转氨基酶有两个结构域： （1）结构域1：与挽救途径的磷酸核糖转移酶 同源，负责磷酸核糖转移。 （2）结构域2：将谷氨酰胺水解产生氨，但是 与氨甲酰磷酸合成酶执行相同功能的结构域在 结构上明显不同。在谷氨酰胺磷酸核糖转氨基 酶中，N-端半胱氨酸有助于谷氨酰胺的水解。 为了阻止底物无意义的浪费性水解，氨基转移 酶采用的构型是只有在PRPP和谷氨酰胺同时 与蛋白结合时才有活性。与胺甲酰磷酸合成酶 类似， 谷氨酰胺水解产生的氨经过通道到达 PRPP进行反应，而不会释放到溶液中。
嘌呤核苷酸的合成
图25.5 从头合成嘌呤核苷酸。图 中指出嘌呤碱基各原子的来源。
嘌呤环是在核糖磷酸上组装的 从头进行的嘌呤合成需要PRPP。在嘌呤碱基的生物合成过 程中，PRPP作为嘌呤碱基从头合成的平台。最初决定命运的反 应是谷氨酰胺磷酸核糖转氨基酶催化，氨替代PRPP的焦磷酸(而 不是用预先组装的碱基替代PRPP的焦磷酸)，产生5-磷酸核糖-1胺，其氨基处于核糖的b-构型。
合成AMP:天冬氨酸加成后，接着消除延胡索酸。
讲至此处
合成GMP：肌苷酸先被NAD+氧化成黄嘌呤核苷酸(XMP)，接着将 ATP的AMP转移给黄嘌呤核苷酸新形成羰基的氧原子(活化)，最后 谷氨酰胺水解产生的氨替代AMP基团，形成鸟苷酸。
合成ATP时，肌苷酸和天冬氨酸缩合形成腺苷琥 珀酸中间体需要GTP(而不是ATP)提供磷酸。这个 酶蛋白没有ATP-grasp结构域，而是与G蛋白结构 相似，属于G蛋白家族的成员。催化腺苷酸琥珀 酸消除延胡索酸反应的酶与催化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时，黄嘌呤核苷酸活化是ATP提供AMP 给黄嘌呤核苷酸新形成羰基的氧原子，谷氨酰胺 水解产生的氨。在挽救途径（上），碱基与5磷酸核糖-1-焦磷酸(核糖的活化形式，PRPP)的核糖重新连接。在 从头合成途径（下），碱基是利用简单的起始物质合成的。这些 简单的起始物质包括氨基酸。从头合成需要ATP的水解。
碳酸、天冬氨酸、和谷氨酰胺
图25.2 嘧啶核苷的从头 合城。嘧啶环的C-2和 N-3原子来自氨甲基磷 酸，而碱基环的其他原 子来自天冬氨酸。
核苷单磷酸、二磷酸、和三磷酸可以相互转化 UNP转化生成UDP, UTP。核苷二磷酸和核苷三磷 酸是生物合成和能量转化过程中核苷酸的活化形式。 核苷单磷酸转化成核苷三磷酸是一步步转化的。首先 是特异的核苷单磷酸激酶利用ATP作为磷酸供体将核苷 单磷酸转化成核苷二磷酸。例如，UMP激酶将UMP转 化成UDP。
谷氨酰胺侧链的水解产生氨
谷氨酰胺水解是氨甲酰磷酸合成酶的 主要氨源。酶蛋白的第二个多肽组分负责 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点含有一个半 胱氨酸和一个组氨酸残基构成的催化双体 (dyad)。这种催化双体与半胱氨酸蛋白酶 (p251)活性位点相似，在酰胺转移酶家族 (包括CTP合成酶和GMP合成酶)保守。
第一步，碳酸被ATP磷酸化，生成羧基磷酸，同 时释放ADP。羧基磷酸与氨反应，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。
图25.3 氨甲酰磷酸合成酶有三个 活性中心。较小的链(黄色): 谷 氨酰胺水解(产生氨)。较大的链 有两个ATP-grasp结构域(蓝色与 红色)。蓝色: 将碳酸磷酸化成羧 酸磷酸，然后与氨反应生成氨基 甲酸。红色: 氨基甲酸被磷酸化 成胺甲酰磷酸。
中间体的通道运输 胺甲酰磷酸合成酶有三个不同 的活性位点。活性位点之间的 间距总共有80A(图25.4)。一个 位点产生的中间体没有离开酶 蛋白就进入下一个活性位点。 这些中间体在活性位点之间的 转运途径是通道，这点与色氨 酸合成酶的中间体运输机制相 似。谷氨酰胺水解酶活性位点 产生的氨经过一个通道跨过 45A到达羧基磷酸位点。此位 点形成羧基磷酸，并与进入的 氨反应形成氨基甲酸。氨基甲 酸再经过通道扩散35A，到达 胺甲酰磷酸形成位点。
因此，腺苷酸合成需要GTP，而鸟苷酸合成 需要ATP。此途径相互用对方的核苷酸活化是一 种重要的调节方式。
脱氧核苷酸合成
核苷二磷酸还原生成相应的脱氧核苷二磷酸。最终 的还原剂是NADPH。核苷酸还原酶负责所有四种核苷 二磷酸的还原。
了解得最彻底的大肠杆菌核苷酸还原酶酶促反应机理：酪氨酸残 基是核糖核苷酸还原酶作用的关键 该酶有两种亚基：即 87kD的二聚体R1和 43kD的二聚体R2。R1 有活性位点和两个别构 控制位点，含有三个保 守的半胱氨酸和一个谷 氨酸残基。这四个氨基 酸残基都参与了核苷酸 的还原。邻近的铁硫中 心是一个O2-离子桥联 两个铁离子(Fe3+)构成 的铁中心，能够产生异 常的自由基。
核苷酸可以从头合成，也可以用挽救途径合成 1. 从头合成途径，利用更为简单的化合物组装 核苷的碱基。先组装嘧啶碱基的骨架，然后 与核糖结合。与此不同，嘌呤碱基的骨架式 直接在核糖上组装的。 2. 挽救途径，碱基被回收并与核糖重新连接。 脱氧核苷酸：所有脱氧核苷酸都是用相应的核 糖核苷酸合成的，这点与进化过程中RNA出现 于DNA之前的情况一致。在合成途径的最后一 步加入甲基以区分DNA的胸腺嘧啶和RNA的尿 嘧啶。
Berg • Tymoczko • Stryer
Biochemistry
Sixth Edition
Chapter 25 Nucleotide Biosynthesis
Copyright © 2007 by W. H. Freeman and Company
合成核苷酸的关键酶之一是二氢叶酸还原酶(右边)。Methotrexate 是二氢叶酸还原酶的抑制剂。有methotrexate存在时，细胞的二氢 叶酸还原酶基因的拷贝数增加，染色体的荧光显微镜图谱显示有 三个染色体区域出现亮黄色（左边）。这些亮黄色区域含有数百 拷贝的二氢叶酸还原酶基因。
很多生物过程需要有充足的核苷酸。
1. 核酸生物合成的活化前体是核苷酸。例如基因 组复制和遗传信息转录成RNA需要核苷酸。 2. 腺嘌呤核苷酸，如ATP，是生物体的通用能量 。而鸟嘌呤核苷酸GTP是一些特定生物过程的 能量。 3. 一些核苷酸衍生物如UDP-葡萄糖参与一些生 物合成（如糖原的生物合成）。 4. 核苷酸是信号传导途径的必需组分。环化核苷 酸如cAMP和cGMP是第二信使，参与细胞内 合细胞间的信号传导。 5. ATP是蛋白激酶转移的供体磷酸。
通道的作用: (1) 一个位点产生的中间体不扩散损失，直接为下一个活性位点捕获；(2) 不 稳定的中间体，如羧基磷酸和胺甲酸(在pH7时1秒内就发生分解)受到保护，不会被水解。
氨甲酰磷酸与天冬氨酸反应生成氨甲酰天冬氨酸。然后氨甲酰 磷酸环化，生成二氢乳清酸，后者为NAD+氧化生成乳清酸。
嘧啶磷酸核糖转移酶催 化，乳清酸与PRPP缩合生成 嘧啶核苷酸。此反应受焦磷 酸水解驱动。能够与乳清酸 缩合的核糖是5-磷酸核糖-1焦磷酸，即核糖的活化形式 。戊糖磷酸途径产生R-5-P。 R-5-P加入ATP的焦磷酸，产 生PRPP。嘧啶磷酸核糖转移 酶与其它的磷酸核糖转移酶 同源，能够将不同基团加入 PRPP，形成各种核苷酸。
还需要三个步骤才能完成嘌呤环的构建。与咪唑环连接的 天冬氨酸消除一分子延胡索酸，N10-甲酰四氢叶酸提供甲 酰基加成到末尾的氨基上，接着环化脱水，形成肌苷酸。
图25.7 肌苷酸的形成。消除延胡索酸、来源于N10-甲酰四氢叶酸的 甲酰基的加入、环化反应，合成肌苷酸（即次黄嘌呤核苷酸）。
从头合成嘌呤的中间体，很多在水溶 液中可被迅速降解。这些中间体在水溶液 中的不稳定性提示，这个合成途径的一个 酶促催化反应的产物经通道直接运给此途 径的下一个酶。但是这些酶(至少在没有底 物结合时)并没有结合在一起形成复合物。 目前正在研究的一种假设是，只有在相应 的中间物存在时，这些酶蛋白才形成这种 复合物。这种蛋白行为显示底物通道运输 复杂，是底物诱导酶蛋白构象变化所致。