第三節 嘧啶核苷酸的合成代謝
嘧啶核苷酸合成也有兩條途徑：即從頭合成和補救合成。本節主要論述其從頭合成途徑。
(一)嘧啶核苷酸的從頭合成
與嘌呤合成相比，嘧啶核苷酸的從頭合成較簡單，同位素示蹤證明，構成嘧啶環的N1、C4、C5及C6均由天冬氨酸提供，C3來源於CO2，N3來源於穀氨醯胺。(圖8－7)
圖8－7 嘧啶環合成的原料來源
嘧啶核苷酸的合成是先合成嘧啶環，然後再與磷酸核糖相連而成的。
1.尿嘧啶核苷酸(UMP)的合成，由6步反應完成：(圖8－8)
圖8－8 UMP的生物合成
(1)合成氨基甲醯磷酸(carbamoyl phosphate)：嘧啶合成的第一步是生成氨基甲醯磷酸，由氨基甲醯磷酸合成酶Ⅱ(carbamoyl phosphate synthetase Ⅱ，CPS－Ⅱ)催化CO2與穀氨醯胺的縮合生成。正如胺基酸代謝中所討論的，氨基甲醯磷酸也是尿素合成的起始原料。但尿素合成中所需氨基甲醯磷酸是在肝線粒體中由CPS－Ⅰ催化合成，以NH3為氮源；而嘧啶合成中的氨基甲醯磷酸在胞液中由CPSⅡ催化生成，利用穀氨醯胺提供氮源。CPS－Ⅰ和CPS－Ⅱ的比較見下表8－1。
(2)合成甲醯天冬氨酸(carbamoyl aspartate)：由天冬氨酸氨基甲醯轉移酶(aspartate transcarbamoylase，ATCase)催化天冬氨酸與氨基甲醯磷酸縮合，生成氨基甲醯天冬氨酸(carbamoyl aspartate)。此反應為嘧啶合成的限速步驟。ATCase是限速酶，受產物的反饋抑制。不消耗ATP，由氨基甲醯磷酸水解供能。
表8－1 兩種氨基甲醯磷酸合成酶的比較
氨基甲醯磷酸合成酶Ⅰ 氨基甲醯磷酸合成酶Ⅱ 分布 線粒體現肝臟） 胞液（所有細胞） 氮源 氨 穀氨醯胺 變構激活劑 N乙醯穀氨酸 無 反饋抑制劑 無 UMP（哺乳類動物） 功能 尿素合成 嘧啶合成
(3)閉環生成二氫乳清酸(dihydroortate)：由二氫乳清酸酶(dihyolroorotase)催化氨基甲醯天冬氨酸脫水、分子內重排形成具有嘧啶環的二氫乳清酸。
(4)二氫乳清酸的氧化：由二氫乳清酸還原酶(dihydroorotate dehyolrogenase)催化，二氫乳清酸氧化生成乳清酸(orotate)。此酶需FMN和非血紅素Fe2＋，位於線粒體內膜的外側面，由醌類(quinones)提供氧化能力，嘧啶合成中的其餘5種酶均存在於胞液中。
(5)獲得磷酸核糖：由乳清酸磷酸核糖轉移酶催化乳清酸與PRPP反應，生成乳清酸核苷酸(orotidine-5′-monophosphate，OMP)。由PRPP水解供能。
(6)脫羧生成UMP：由OMP脫羧酶(omp decarboxylase)催化OMP脫羧生成UMP。
Jones等研究表明，在動物體內催化上述嘧啶合成的前三個酶，即CPS－Ⅱ，天冬氨酸氨基甲醯轉移酶和二氫乳清酸酶，位於分子量約210kD的同一多肽鏈上，是一個多功能酶；因此更有利於以均勻的速度參與嘧啶核苷酸的合成。與此相類似，反應(5)和(6)的酶(乳清酸磷酸核糖轉移酶和OMP脫羧酶)也位於同一條多肽鏈上。嘌呤核苷酸合成的反應(3)、(4)、(6)，反應(7)和(8)及反應(10)和(11)也均為多功能酶。這些多功能酶的中間產物並不釋放到介質中，而在連續的酶間移動，這種機制能加速多步反應的總速度，同時防止細胞中其它酶的破壞。
2.UTP和CTP的合成
三磷酸尿苷(UTP)的合成與三磷酸嘌呤核苷的合成相似。
三磷酸胞苷(CTP)由CTP合成酶(CTP synthetase)催化UTP加氨生成。(圖8－9)動物體內，氨基由穀氨醯胺提供，在細菌則直接由NH3提供。此反應消耗1分子ATP。
圖8－9 由UTP合成CTP
3.嘧啶核苷酸從頭合成的調節
在細菌中，天冬氨酸氨基甲醯轉移酶(ATCase)是嘧啶核苷酸從頭合成的主要調節酶。在大腸桿菌中，ATCase受ATP的變構激活，而CTP為其變構抑制劑。而在許多細菌中、UTP是ATCase的主要變構抑制劑。
在動物細胞中，ATCase不是調節酶。嘧啶核苷酸合成主要由CPS-Ⅱ調控。UDP和UTP抑制其活性，而ATP和PRPP為其激活劑。第二水平的調節是OMP脫羧酶，UMP和CMP為其競爭抑制劑。(圖8－10)
此外，OMP的生成受PRPP的影響。
圖8－10 嘧啶合成的調節網
4.乳清酸尿症(Orotic aciduria)
乳清酸尿症是一種遺傳性疾病，主要表現為尿中排出大量乳清酸、生長遲緩和重度貧血。是由於催化嘧啶核苷酸從頭合成反應(5)和(6)的雙功能酶的缺陷所致。臨床用尿嘧啶或胞嘧啶治療。尿嘧啶經磷酸化可生成UMP，抑制CPSⅡ活性，從而抑制嘧啶核苷酸的從頭合成。