osmosis影片: nuucleotide metabolism 中文共筆 FA p. 36-37

 

合成nucleotide有2種方式

1.從頭製造 de novo

  (1)RNA的nucleotide

      [1]pyrimidine

      [2]purine

  (2)DNA的nucleotide

     用RNA的nucleotide 轉換

      RNA沒有的T (pyrimidine), 再用拿dUMP, 透過Thymidylate synthase,轉成dTMP

2.回收利用, 再製造 salvage

只有 purine (A跟G, DNA跟RNA都有的)

   (pyrimidine沒有salvage pathway, 一定要 de novo重新製造)

先講第一種1.從頭製造 de novo

在cytosol

(1)RNA的nucleotide

  [1]pyrimidine

原料是 來自 HMP shunt的R-5-P

(R-5-P就是一個 ribose核糖(5碳糖), 加上一個磷酸根)

經過一個enzyme(不重要), 耗一個ATP之後變成 PRPP (PRPP其實就是R-5-P多加一個磷酸根)

這步先到這裡, 後面會用到

下個,是製造pyrumidine synthesis

原料是 glutamine, CO2, 跟H2O, ATP,

經過CPS2這個emzyme作用, 組合成 carbamoyl phosphate,

然後再加入 aspartate, 變成 orotic acid (orotate)乳清酸 (相關藥: leflunomide, 抑制的是其中一個步驟的dihydroorotate dehydrogenase二氫乳清酸脫氫酶)

orotic acid會再加入PRPP (就是 R-5-P加上一個磷酸根), 變成 OMP (orotidine monophosphate)

下一步, OMP在UMP synthase的作用下,變成UMP (顧名思義,UMP synthase就是製造出UMP)(相關病:orotic acidemia就是UMP synthase缺陷)

接著, UMP被nucleoside diphosphate kinase磷酸化2次, 多加2個磷酸根, 變成UTP

UTP再被 CTP synthase轉成 CTP (顧名思義,CTP synthase就是製造出CTP)

在CTP被當成nucleotide使用之前, 他可以提供能量給其他反應 (因為他有3個磷酸根)

假如把能量(2個磷酸根)給別人, 他就少了2個磷酸根, CTP變CMP

因為CTP就是 pyrimidine (pyrimidine包含C(cytosine), T(Thymine), U(uracil)), 所以結束了pyrimidine synthesis步驟

 [2]purine

講完pyrumidine synthesis, 接下來 講purine synthesis

purine synthesis比較複雜, 原料是3種amino acids, glutamine, aspartate, and glycine, 加上  bicarbonate and formate (甲酸根HCOO-)

他們進行一個10個反應的 pathway, 最後產生一個 generic purine可通用的purine: IMP, 可通用的意思是, 可以轉成其他種類

過程中牽涉的酵素有HGPRT (Hypoxanthine-guanine phosphoribosyltransferase), 負責將PRPP的5-磷酸核苷轉移至嘌呤

過程中相關藥物: azathioprine (AZA) (是6-MP(6-mercaptopurine)的prodrug)

 

IMP可以被轉成 AMP (不用特別背enzyme)

 

另外, IMP可以被IMP去氫酶 (IMP dehydrogenase) 氧化, 變成 XMP (xanthosine monophosphate) (相關藥: MMF(mycophenolate)跟ribavirin抑制IMP dehydrogenase)

然後XMP會在一個enzyme叫GMP synthase 的作用下, 把一個amine group (胺基)從glutamine 轉給XMP, 把XMP變成GMP (顧名思義,GMP synthase就是製造出GMP)

那因為 XMP變成的AMP跟GMP都是 purine,所以purine synthesis也講完了

講完RNA nucleotide的製造, 來講(2)DNA的nucleotide

(RNA nucleotide跟DNA nucleotide差在哪? RNA nucleotide的核糖是Ribose, 而DNA nucleotide的核糖是Deoxyribose去氧核糖, 所以雖然他們的鹼基nucleobase可能有一樣的,但是nucleotide有包含五碳糖跟nucleobase,所以RNA的nucleotide跟DNA的nucleotide不同)

(所以上面講的藥,都是抑制RNA, 例如 ribavirin就是抑制RNA病毒HCV跟RSV)

 

(2)DNA的nucleotide

已經有做出RNA 的nucleotide, 所以可以直接用RNA的nucleotide轉成 DNA的nucleotide, 要用2個磷酸鍵diphosphate form的RNA的nucleotide轉成 DNA的nucleotide: CDP, UDP, ADP, and GDP

然後把他們的ribose核糖,換成 Deoxyribose去氧核糖

把CDP變成dCDP

把UDP變成dUDP

把ADP變成dADP

把GDP變成dGDP

 

然後, 在把他們的一個磷酸根去掉, 變成dCMP, dUMP, dAMP, dGMP

但是少了dTMP (畢竟是從RNA變過來的, RNA是AUCG, 不像DNA是ATCG, 所以DNA才有T, RNA沒有T)

所以有另一個機制,拿dUMP, 透過Thymidylate synthase,轉成dTMP, (顧名思義, Thymidylate synthase就是製造出dTMP)

 

所以現在 DNA的 nucleotide, 包含purine跟pyrimidine都講完了

 

接下來,講 如何代謝分解排出 鹼基 nucleobase

purine跟pyrimidine的分解排出方式不同

pyrimidine: 鹼基C, T , U, 都可以分解成 CO2 跟 NH3, 由肺部 (氣體)或 尿液排出 (畢竟他們是用胺基酸跟CO2製造出來的, 很合理)

至於 purine: 鹼基 A, G, 跟pyrimidine方式不同, 則是會被代謝成uric acid, 尿液排出

接下來分開講GMP跟AMP如何被代謝成uric acid

GMP在purine nucleoside phosphorylase作用下, 移除ribose跟磷酸根, 剩下的就是guanine (鹼基: 鳥嘌呤)

然後guanine 透過 guansae 作用, 把一個NH3去掉, 變成xanthine

然後xanthine 在xanthine oxidase作用下, 轉成一個氧化的 xanthine (顧名思義, xanthine oxidase就是把xanthine氧化掉)

然後再經過一次也是xanthine oxidase作用, 把xanthine氧化成uric acid

 

講了GMP, 現在來講 AMP, AMP跟GMP代謝順序有點反過來

GMP是先移除ribose跟磷酸根,再把一個NH3去掉,

AMP則是先把一個NH3去掉,再移除ribose跟磷酸根

細節: AMP 在AMP deaminase(去胺酶)作用下, 去掉一個胺NH3, 變成IMP (IMP前面出現過,就是在製造RNA的purine時,先被做出來,再轉成AMP跟GMP的東西)

然後IMP再透過purine nucleoside phosphorylase, 去掉一個ribose跟磷酸根, 變成hypoxanthine

然後 hypoxanthine透過一個xanthine oxidase變成xanthine,

然後xanthine再透過一個xanthine oxidase變成uric acid

 

因為uric acid身體不太能再代謝他(metabolically inert惰性),只能將他排除, 所以如果排除有問題,是有可能堆在身體的(例如joints or tendons關節跟肌腱), 然後uric acid尿酸會轉成鹽類: monosodium urate單鈉鹽, 然後鹽類容易結晶,變成單鈉鹽尿酸結晶(Monosodium urate crystal)

那這種結晶對身體來說是異物,身體會分泌protein去包覆他, 這樣的protein covered crystals 就叫tophi痛風石

而tophi會引發inflammation, 叫gout, 通常發生在腳大拇指的關節

 

回顧一下, 在代謝GMP跟AMP成uric acid的過程, 會產生guanine跟hypoxanthine, 而guanine跟hypoxanthine其實是可以用來回收再利用,製造成 purine, 也就是說, 我們想製造purine不一定每次都要 從R-5-P重新製造,也是有另一條路徑可以把purine的代謝產物, 回收再利用重製成purine, 再次使用,這條路徑就叫做salvage pathway (補救合成、再利用途徑)

 

所以現在再講第二種2.回收利用, 再製造 salvage的pathway, 可以再生 purine來使用

原料就是guanine跟hypoxanthine

需要的enzyme叫HGPRT (Hypoxanthine-guanine phosphoribosyltransferase)

HGPRT負責將PRPP的5-磷酸核苷轉移至嘌呤, 然後再加上一個ribose

所以整體來說, 在HGPRT作用下, guanine 加上了一個ribose跟磷酸根, 變成GMP

在HGPRT作用下, hypoxanthine 加上了一個ribose跟磷酸根, 變成IMP

然後IMP可以變成AMP (這在前面de novo purine合成的pathway講過, 不用特別背enzyme)

 

相關病: Lesch-Nyhan syndrome, 也就是缺乏HGPRT (不能只背縮寫,考試可能出現全寫: (Hypoxanthine-guanine phosphoribosyltransferase))

因為HGPRT負責 purine salvage pathway, 把guanine跟hypoxanthine回收, 減少代謝成uric acid, 所以可以減少uric acid的量

現在缺乏HGPRT,所以 無法把guanine跟hypoxanthine回收,uric acid的量就很多,那uric acid就容易堆積結晶, 所以很年輕就可能出現痛風gout, (正常來說痛風是比較老年的疾病), 所以Lesch-Nyhan syndrome又叫juvenile gout.