生物化學與分子生物學/脫氧核糖核苷酸的生成

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生物化學與分子生物學

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DNA與RNA有兩方面不同：(1)其核苷酸中戊糖為2脫氧核糖而非核糖。(2)含有胸腺嘧啶鹼基，不含尿嘧啶鹼基。

圖8-11　大腸桿菌硫氧化還原

蛋白的320殘基亞單位結構圖

(一)脫氧核糖的生成：

脫氧核糖核苷酸是通過相應核糖核苷酸還原，以H取代其核糖分子中C2上的羥基而生成，而非從脫氧核糖從頭合成。此還原作用是在二磷酸核苷酸(NDP)水平上進行的。(此處N代表A、G、U、C等鹼基)。

催化脫氧核糖核苷酸生成的酶是核糖核苷酸還原酶(ribonudeotide reductase)。已發現有三種不同的核糖核苷酸還原酶，此反應過程較複雜。核糖核苷酸還原酶催化循環反應的最後一步是酶分子中的二硫鍵還原為具還原活性的巰基的酶再生過程。硫氧化還原蛋白(thioredoxin)是此酶的一種生理還原劑，由108個胺基酸組成，分子量約12kD。含有一對鄰近的半胱氨酸殘基(圖811)。所含硫基在核糖核苷酸還原酶作用下氧化為二硫鍵，後者再在在硫氧化還原蛋白還原酶(thioredoxinreductase)催化，由NADPH供氫重新還原為還原型的硫氧化還原蛋白。因此，NADPH是NDP還原為dNDP的最終還原劑。(圖8-12)

核糖核苷酸還原酶是一種變構酶，包括B1、B2兩個亞基，只有B1與B2結合時。才具有酶活性。在DNA合成旺盛、分裂速度快的細胞中，核糖核苷酸還原酶系活性較強。

圖8-12　大腸桿菌硫氧化還原蛋白的X線衍射結構

(二)脫氧核糖核苷酸合成的調節

四種dNTP的合成水平受到反饋調節，同時保持dNTP的適當比例也是細胞正常生長所必需的。實際上，缺少任一種dNTP都是致命的，而一種dNTP過多也可致突變，因為過多的dNTP可錯誤摻入DNA鏈中。核糖核苷酸還原酶的活性對脫氧核糖核苷酸的水平起著決定作用。各種dNTP通過變構效應調節不同脫氧核糖核苷酸生成。因為，某一種特定NDP經還原酶作用生成dNDP時，需要特定NTP的促進，同時受到另一些NTP的抑制(表82)。通過調節使4種dNTP保持適當的比例。

表8-2　核糖核苷酸還原酶的別構調節

作用物	主要促進劑	主要抑制劑
CDP	ATP	dATP、dGTP、dTTP
UDP	ATP	dATP、dGTP
ADP	dGTP	dATP、ATP
GDP	dTTP	dATP

例如，當存在混合的NDP底物時，由ATP促使CDP和UDP還原生成dUDP和dCDP。經dUDP轉變為dTTP(後述)，dTTP則反饋抑制CDP和UDP還原，同時促進dGDP的生成，dGDP磷酸化生成dGTP則抑制GDP、CDP和UDP的還原，而促進ADP的還原生成dADP。當dATP升高與酶

圖8-13　脫氧核苷酸合成調節網路

活性位點結合，則抑制所有NDP的還原反應(圖8-13)。細胞內dCTP和dTTP的適當比例並非由核糖核苷酸還原酶調節，而是通過脫氧胞嘧啶脫氨酶(deoxycytidinedeaminase)決定。此酶催化dUMP的生成，dUMP則是dTTP的前體。此酶受dCTP激活，受dTTP抑制。

dNTP由dNDP磷酸化生成：

由二磷酸核苷酸激酶(mucleosidediphosphafe kinase)，催化與催化NDP磷酸化的反應相似。

(三)脫氧胸腺嘧啶核苷酸的生成

脫氧胸腺嘧啶核苷酸(dTMP)是由脫氧尿嘧啶核苷酸(dUMP)甲基化生成。而dUMP由dUTP水解生成：

體內進行此種「浪廢」能量的反應過程的意義在於：細胞必須減少細胞內dUTP濃度以防止脫氧尿嘧啶摻入DNA中，因為合成DNA的酶系不能有效識別dUTP和dTTP。

dUMP甲基化生成dTMP由胸腺嘧啶合成酶(thymidylatesynthetase,TS)催化，N5，N10-甲烯FH4提供甲基(圖8-14)。N5、N10-甲烯-FH4提供甲基後生成的FH2又可以再經二氫葉酸還原酶的作，重新生成四氫葉酸。

圖8-14　dTMP的生成

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