內蒙古嘧啶胺嘧啶環比較簡單,所以合成步驟較少,也沒有分支。相對來說,嘌呤環的合成過程中,組氨酸合成放出AICAR可以看作一個支路。UMP的合成中用到兩個熟悉的分子:氨甲酰磷酸(CP)和磷酸核糖焦磷酸(PRPP)。前者是尿素合成的中間物,后者在嘌呤和組氨酸、色氨酸合成中均有參與。不過這兩個分子的使用與以前稍有不同。PRPP在嘌呤合成中作為起始“載體”,整個嘌呤環都是在磷酸核糖之上合成的。而在UMP的合成中,磷酸核糖后期才加入,嘧啶環的合成是從CP開始的。這里催化CP合成的酶是氨甲酰磷酸合成酶2(CPS-2),位于細胞質。尿素循環中的是CPS-1,位于線粒體。
細胞質中的氨甲酰磷酸合成。引自themedicalbiochemistrypageCPS2催化谷氨酰胺與碳酸氫根生成氨甲酰磷酸,消耗2個ATP。與CPS1相比,直接消耗相同,但CPS1的底物是氨氣。因為谷氨酰胺的合成還需要消耗ATP,所以這個反應消耗更高。其優點在于擺脫了對氨的依賴,可以在氨濃度很低的細胞質中進行。對人體來說,兩個CPS還有一點不同:CPS1是一個獨立蛋白,而CPS2是一個三功能蛋白CAD的一部分。CAD將催化此途徑前三步反應的酶活性融合在一條肽鏈中,即包含CPSase、ATCase(天冬氨酸轉氨甲酰酶)和DHOase(二氫乳清酸酶),故稱為CAD。
人體CAD基因結構與反應機制。引自Structure. 2016 Jul 6;24(7):1081-94.這種多酶融合體可以提高催化效率,也是一種進化的趨勢。哺乳動物的脂肪酸合酶(FAS)也是這樣。對于原核生物中的ATCase活性,有些生物是單獨的催化亞基三聚體,有的生物則帶有調節亞基或與DHOase相結合。不同原核生物的ATCase結構。引自Structure. 2016 Jul 6;24(7):1081-94.
ATCase活性催化氨甲酰磷酸與天冬氨酸反應(氨甲酰磷酸可看作氨甲?;幕钚孕问剑砂奔柞L於彼?。PALA(N-膦?;阴;?L-天冬氨酸)是ATCase過渡態類似物,所以可抑制CAD,是一種anti-tumoral drug。
DHOase活性催化氨甲酰天冬氨酸(CA)兩端的羧基和氨基反應,生成閉環的二氫乳清酸(DHO)。DHO被二氫乳清酸脫氫酶(DHODH)催化脫氫,生成乳清酸(orotate)。內蒙古嘧啶胺乳清酸與PRPP生成乳清苷酸(OMP),再脫羧生成UMP。后兩步反應也是由一個雙功能酶催化,其N端結構域具有乳清酸磷酸核糖基轉移酶活性,C端具有OMP脫羧酶活性,合稱UMP合成酶(UMPS)。尿嘧啶胺化可以生成胞嘧啶,但這個反應只能在NTP水平上進行。所以UMP先與2分子ATP反應生成UTP,然后在CTP合成酶(CTPS)催化下與谷氨酰胺和ATP反應,生成CTP。
合成DNA所需的脫氧核糖核苷酸都是由相應的核糖核苷二磷酸還原得到的,即由NDP還原生成dNDP。催化這個反應的核糖核苷酸還原酶(Ribonucleotide reductase,RNR)是DNA合成和修復的關鍵酶,在調節DNA合成的總速率中起關鍵作用。RNR是通過自由基機制催化的,根據產生自由基的方式分為三種類型,一類來自酪氨酸殘基,第二類來自腺苷鈷胺素,第三類來自糖基。RNR完成催化后,其關鍵巰基生成了二硫鍵,需要將其還原為自由巰基。電子供體均為NADPH,但中間的電子傳遞有兩個系統,即硫氧還蛋白系統(TRX)和谷氧還蛋白系統(GRX)。目前推測兩個系統之間可以互為備份(World J Biol Chem. 2014 Feb 26; 5(1): 68–74.)。
核糖核苷酸還原酶系統。引自themedicalbiochemistrypage
DNA需要的胸腺嘧啶是由尿嘧啶甲基化生成的,在dUMP上進行。這個反應由胸腺嘧啶核苷酸合成酶(TYMS)催化,以甲叉四氫葉酸為甲基供體,生成dTMP。轉甲基后四氫葉酸(THF)生成了二氫葉酸(DHF),需要由二氫葉酸還原酶(DHFR)催化其再生。dUMP可由UDP還原、脫磷酸生成,也可由dCMP脫氨生成。
嘧啶核苷酸合成也有補救途徑。尿嘧啶可與PRPP生成UMP,也可與1-磷酸核糖生成尿苷,再被尿苷激酶催化生成UMP。胞嘧啶不能與PRPP反應,但胞苷可被尿苷激酶催化生成CMP。堿基和脫氧核糖-1-磷酸可由磷酸化酶合成脫氧核糖核苷,再由脫氧核糖核苷激酶生成脫氧核糖核苷酸。一些輔酶也屬于核苷酸衍生物。NAD的合成是由煙酸與PRPP反應,生成煙酸單核苷酸,再與ATP縮合生成煙酸腺嘌呤二核苷酸,由谷氨酰胺酰胺化生成NAD。NAD激酶可催化其生成NADP。內蒙古嘧啶胺
FAD的合成是由黃素先與ATP生成黃素單核苷酸(FMN),再與ATP生成FAD。輔酶A的合成是由泛酸先與ATP生成4-磷酸泛酸,再與半胱氨酸縮合并脫羧生成4-磷酸泛酰巰基乙胺,與ATP縮合成脫磷酸輔酶A,被ATP磷酸化成輔酶A。