嘌呤核苷酸从头合成的原料

嘌呤核苷酸循环：
嘌呤核苷酸循环指骨骼肌和心肌中存在的一种氨基酸脱氨基作用方式，即转氨耦联AMP循环脱氨作用。

嘌呤核苷酸：
嘌呤核苷酸是一种嘌呤碱的核苷酸，五碳糖与有机碱合成核苷，核苷与磷酸合成核苷酸。

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、CO2和一碳单位。

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；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：
(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催化，与ATP反应生成5－磷酸核糖－α－焦磷酸。

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。

(2)获得嘌呤的N9原子：由磷酸核糖酰胺转移酶(amidophosphoribosyl transterase)催化，谷氨酰胺提供酰胺基取代PRPP的焦磷酸基团，形成β-5-磷酸核糖胺(β-5-phosphoribasylamine PRA)。

此步反应由焦磷酸的水解供能，是嘌呤合成的限速步骤。

酰胺转移酶为限速酶，受嘌呤核苷酸的反馈抑制。

(3)获得嘌呤C4、C5和N7原子：由甘氨酰胺核苷酸合成酶(glycinamide ribotide synthetase)催化甘氨酸与PRA缩合，生成甘氨酰胺核苷酸(glycinamide ribotide,GAR)。

由ATP水解供能。

此步反应为可逆反应，是合成过程中唯一可同时获得多个原子的反应。

(4)获得嘌呤C8原子：GAR的自由α-氨基甲酰化生成甲酰甘氨酰胺核苷酸(formylgly?cinamide ribotide FGAR)。

由N10-甲酰-FH4提供甲酰基。

催化此反应的酶为GAR甲酰转移酶(GAR transtormylase)。

(5)获得嘌呤的N3原子：第二个谷氨酰胺的酰胺基转移到正在生成的嘌呤环上，生成甲酰甘氨脒核苷酸(formylglycinamidine ribotide,FGAM)。

此反应为耗能反应，由ATP水解生成ADP+Pi，供能。

(6)嘌呤咪唑环的形成：FGAM经过耗能的分子内重排，环化生
成5－氨基咪唑核苷酸(5－aminoimidazole ribotide,AIR)。

(7)获得嘌呤C6原子：C6原子由CO2提供，由AIR羧化酶(AIR carboxylase)催化生成羧基氨基咪唑核苷酸(carboxyamino imidazole ribotide,CAIR)。

(8)获得N1原子：由天门冬氨酸与AIR缩合反应，生成5－氨基咪唑－4－(N－琥珀酰胺)核苷酸(5－aminoimidazole－4－(N－succinylocarboxamide) ribotide,SACAIR)。

此反应与(3)步相似，由ATP水解供能。

(9)去除延胡索酸：SACAIR在SACAIR甲酰转移酶催化下脱去延胡索酸生成5－氨基咪唑－4－甲酰胺核苷酸(5－aminoimidazole－4－carboxamide ribotide,AICAR)。

(8)、(9)两步反应与尿素循环中精氨酸生成鸟氨酸的反应相似。

(10)获得C2：嘌呤环的最后一个C原子由N10－甲酰－FH4提供，由AICAR甲酰转移酶催化AICAR甲酰化生成5－甲酰胺基咪唑－4－甲酰胺核苷酸(5－formaminoimidazole－4carboxyamideribotide,FAICAR)。

(11)环化生成IMP：FAICAR脱水环化生成IMP。

与反应(6)相反，此环化反应无需ATP供能。

2.由IMP生成AMP和GMP
上述反应生成的IMP并不堆积在细胞内，而是迅速转变为AMP 和GMP。

AMP与IMP的差别仅是6位酮基被氨基取代。

此反应由两步反应完成。

(1)天门冬氨酸的氨基与IMP相连生成腺苷酸代琥珀
酸(adenylosuccinate)，由腺苷酸代琥珀酸合成酶催化，GTP水解供能。

(2)在腺苷酸代琥珀酸裂解酶作用下脱去延胡索酸生成AMP。

GMP的生成也由二步反应完成。

(1)IMP由IMP脱氢酶催化，以NAD+为受氢体，氧化生成黄嘌呤核苷酸(xanthosine monophosphate,XMP)。

(2)谷氨酰胺提供酰胺基取代XMP中C2上的氧生成GMP，此反应由GMP合成酶催化，由ATP水解供能。

3.一磷酸核苷磷酸化生成二磷酸核苷和三磷核苷。

要参与核酸的合成。

一磷酸核苷必须先转变为二磷酸核苷再进一步转变为三磷酸核苷。

二磷酸核苷由碱基特异的核苷一磷酸激酶(nucleoside monophosphate kinase)催化，由相应一磷酸核苷生成。

例如腺苷激酶催化AMP磷酸化生成ADP
二磷酸核苷激酶对底物的碱基及戊糖(核糖或脱氧核糖)均无特异性。

此酶催化反应系通过“乒乓反应”，即底物NTP使酶分子的组氨酶残基磷酸化，进而催化底物NDP的磷酸化。

反应△G≈0，为可逆反应。

4.嘌呤核苷酸从头合成的调节
从头合成是体内合成嘌呤核苷酸的主要途径。

但此过程要消耗氨基酸及ATP。

机体对合成速度有着精细的调节。

在大多数细胞中，分别调节IMP，ATP和GTP的合成，不仅调节嘌呤核苷酸的总量，而且使ATP和GTP的水平保持相对平衡。

IMP途径的调节主要在合成的前二步反应，即催化PRPP和PRA 的生成。

核糖磷酸焦磷酸激酶受ADP和GDP的反馈抑制。

磷酸核
糖酰胺转移酶受到ATP、ADP、AMP及GTP、GDP、GMP的反馈抑制。

ATP、ADP和AMP结合酶的一个抑制位点，而GTP、GDP 和GMP结合另一抑制位点。

因此，IMP的生成速率受腺嘌呤和鸟嘌呤核苷酸的独立和协同调节。

此外，PRPP可变构激活磷酸核糖酰胺转移酶。

第二水平的调节作用于IMP向AMP和GMP转变过程。

GMP 反馈抑制IMP向XMP转变，AMP则反馈抑制IMP转变为腺苷酸代琥珀酸，从而防正生成过多AMP和GMP。

此外，腺嘌呤和鸟嘌呤的合成是平衡。

GTP加速IMP向AMP转变，而ATP则可促进GMP 的生成，这样使腺嘌呤和鸟嘌呤核苷酸的水平保持相对平衡，以满足核酸合成的需要。