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尿嘧啶分子式。原图链接

尿嘧啶（英语：Uracil）是RNA核酸中四个字母A，G，C和U代表的核碱基之一，其他是腺嘌呤（A），胞嘧啶（C）和鸟嘌呤（G）。在RNA中，尿嘧啶通过两个氢键与腺嘌呤结合。在DNA中，尿嘧啶的碱基被胸腺嘧啶取代。尿嘧啶是胸腺嘧啶的去甲基形式。

概述

天然嘧啶衍生物

尿嘧啶是一种常见的天然嘧啶衍生物。“尿嘧啶”这个名字是由德国化学家罗伯特•贝伦德（Robert Behrend）于1885年创造的，他试图合成尿酸的衍生物。最初是由Alberto Ascoli于1900年发现的，它是通过酵母核蛋白的水解而分离的；在牛胸腺和脾脏，鲱鱼的精子和小麦胚芽中也发现了它。它是一种平面的不饱和化合物，具有吸收光的能力。

陨石中发现的有机化合物

基于在默奇森陨石中发现的有机化合物的12C/13C同位素比，可以认为尿嘧啶，黄嘌呤和相关分子也可以在地外形成。 2012年，对土星系统中卡西尼号任务轨道飞行数据的分析表明，土卫六的表面成分可能包括尿嘧啶。

属性

图片来源:尿嘧啶National Human Genome Research Institute Uracil/Talking Glossary of Genetic Terms /NHGRI(国家人类基因组研究所/尿嘧啶/遗传术语的词汇表/国家卫生研究院)

在RNA中，尿嘧啶碱基与腺嘌呤配对 ，并在DNA转录过程中取代胸腺嘧啶。尿嘧啶的甲基化产生胸腺嘧啶。在DNA中，胸腺嘧啶被尿嘧啶进化取代可能增加了DNA的稳定性，并提高了DNA复制的效率。尿嘧啶通过氢键与腺嘌呤配对。当与腺嘌呤碱基配对时，尿嘧啶既充当氢键受体又充当氢键供体。在RNA中，尿嘧啶与核糖结合形成核糖核苷尿苷。当磷酸酯附著在尿苷上时，生成尿苷5'-单磷酸酯。

内酰胺结购是最常见形式

尿嘧啶经历了酰胺-亚胺酸互变异构转变，因为该分子由于缺乏形式的芳香性而可能具有的任何核不稳定性都可以被环状-氨基稳定性所补偿。酰胺互变异构体被称为内酰胺结构，而亚胺酸互变异构体被称为内酰胺结构。这些互变异构形式在pH值为7时占优势。内酰胺结构是尿嘧啶最常见的形式。尿嘧啶还通过进行一系列磷酸核糖基转移酶反应而自身循环形成核苷酸。尿嘧啶降解会产生底物天冬氨酸，二氧化碳和氨。

C4H4N2O2 →H3NCH2CH2COO-+ NH4 + + CO2 在H2O2和Fe 2+存在下或在双原子氧和Fe 2+存在下，尿嘧啶的氧化降解产生尿素和马来酸。尿嘧啶是一种弱酸 。尿嘧啶电离的第一个位点未知。负电荷置于氧阴离子上，产生的pKa小于或等于12。碱性pKa=-3.4，而酸性pKa=9.38 9 。在气相中，尿嘧啶具有4个比水酸性更高的位点。

在DNA

RNA上有尿嘧啶，而DNA上有胸腺嘧啶，如果从结构上来看，尿嘧啶(2-oxy-4-oxy pyrinidine)和胸腺嘧啶(2-oxy-4-oxy 5-methyl pyrimidine)，其实只是在五号碳(C-5)的位置上差一个甲基。但是将分子甲基化会需要额外的碳源和能量，所以DNA以一个相似的碱基取代尿嘧啶一定有其理由。在任何时候，可能会有一小部分的胞嘧啶因去氨作用变成尿嘧啶。假设在复制期间，当C-G碱基对分开、而胞嘧啶(C)去氨形成尿嘧啶(U)，又因U比较容易与腺嘌呤(A)形成碱基对，若在自然情况下DNA上有U，DNA聚合酶便会用A来进行配对而无法矫正错误。这便是造成自然突变的原因之一。

但事实上，尿嘧啶在DNA上属于不正常的碱基，所以DNA聚合酶在遇到尿嘧啶时便可以把它置换，防止错误的发生。

尿嘧啶在DNA中很少发现，这可能是进化的改变，以增加遗传稳定性。这是因为胞嘧啶可通过水解脱氨作用自发地脱氨以产生尿嘧啶。因此，如果有一个在其DNA中使用尿嘧啶的生物，则胞嘧啶的脱氨作用（与鸟嘌呤进行碱基配对）会导致DNA合成过程中尿嘧啶（与腺嘌呤碱基配对）的形成。尿嘧啶-DNA糖基化酶从双链DNA中切除尿嘧啶碱基。 因此，这种酶会识别并切下两种类型的尿嘧啶，一种是天然掺入的，另一种是由于胞嘧啶脱氨而形成的，这会引发不必要和不适当的修复过程。

认为该问题已经通过进化解决，即通过“标记”（甲基化）尿嘧啶解决了。 甲基化尿嘧啶与胸腺嘧啶相同。 因此，随著时间的推移，胸腺嘧啶成为DNA的标准替代尿嘧啶的假说。因此，细胞继续在RNA中而不是在DNA中使用尿嘧啶，因为RNA的寿命比DNA短，而且任何与尿嘧啶相关的潜在错误均不会导致持久的损害。显然，要么没有进化上的压力用更复杂的胸腺嘧啶取代RNA中的尿嘧啶，要么尿嘧啶具有一些可用于RNA的化学特性，而胸腺嘧啶缺乏。含尿嘧啶的DNA仍然存在，例如

• 几种噬菌体的DNA
• 内生昆虫发育
• 脊椎动物抗体合成过程中的超突变。

综合

在2009年10月发表的一篇学术文章中，美国美国国家航空暨太空总署（NASA）科学家报告说，它是通过在类似太空条件下将嘧啶暴露于紫外下从嘧啶中复制而来的。 这表明在RNA世界中尿嘧啶的一种可能的天然原始来源可能是泛精子症。最近，2015年3月，美国国家航空暨太空总署（NASA）科学家报告说，实验室首次在外层空间条件下利用生命周期技术 ，形成了其他复杂的生物DNA和RNA有机化合物，包括尿嘧啶，胞嘧啶和胸腺嘧啶。陨石中发现的化学物质，例如嘧啶。科学家认为，嘧啶就像多环芳烃（PAHs）一样，是宇宙中发现的碳含量最高的化学物质，它可能是在红色巨星或星际尘埃和气体云中形成的。 有许多可用的尿嘧啶实验室合成方法。 第一反应是最简单的合成方法，方法是向胞嘧啶中加水生成尿嘧啶和氨气 ：

• C4H5N3O + H2O→C4H4N2O2 + NH3
  

合成尿嘧啶的最常见方法是苹果酸与尿素在发烟硫酸中的缩合反应。

• C4H4O4 + NH2CONH2 →C4H4N2缩小文字O2 + 2H2O + CO
  

尿嘧啶也可以通过在水溶液的氯乙酸中双分解硫尿嘧啶来合成。
β- 丙氨酸与尿素反应合成的5,6-二尿嘧啶发生光脱氢，生成尿嘧啶。

反应

1. 尿嘧啶容易发生常规反应，包括氧化，硝化和烷基化。在存在苯酚 （PhOH）和次氯酸钠 （NaOCl）的情况下，可以在紫外光下观察到尿嘧啶。由于存在一个以上的强供电子基团，尿嘧啶也具有与元素卤素反应的能力。
2. 尿嘧啶容易除核糖和磷酸盐外参与体内的合成和其他反应。尿嘧啶变成尿苷，尿苷一磷酸（UMP），尿苷二磷酸（UDP），尿苷三磷酸（UTP）和尿苷二磷酸葡萄糖（UDP-葡萄糖）。这些分子中的每一个都是在体内合成的，具有特定的功能。
3. 当尿嘧啶与无水肼反应时，发生一级动力学反应，尿嘧啶环打开。如果反应的pH值增加到> 10.5，就会形成尿嘧啶阴离子，使反应进行得更加缓慢。 如果pH降低，则由于肼的质子化，发生反应的同样缓慢。即使温度变化，尿嘧啶的反应性也保持不变。

使用

尿嘧啶在体内的用途是通过与核糖和磷酸盐结合来帮助进行细胞功能所需的多种酶的合成。尿嘧啶是动物和植物反应中的变构调节剂和辅酶 。UMP控制植物中氨基甲酰磷酸合成酶和天冬氨酸转氨 甲酰酶的活性，而UDP和UTP则要求动物具有CPSase II活性。UDP-葡萄糖在碳水化合物代谢过程中调节肝脏和其他组织中葡萄糖向半乳糖的转化。尿嘧啶还参与多糖的生物合成和含醛糖的运输。尿嘧啶对许多致癌物（例如烟草烟雾中的致癌物）的排毒很重要。尿嘧啶也需要对许多药物进行排毒，例如大麻素（THC）和吗啡（阿片类药物）。在身体中叶酸极度缺乏的异常情况下，它也可能会稍微增加患癌症的风险。叶酸缺乏会导致脱氧尿苷单磷酸酯（dUMP）/脱氧胸苷单磷酸酯（dTMP）的比例增加以及尿嘧啶误掺入DNA，最终导致DNA产量低。

尿嘧啶可用于药物递送和用作药物。当元素氟与尿嘧啶反应时，它们会生成5-氟尿嘧啶。5-氟尿嘧啶是一种抗癌药（抗代谢药），用于在核酸复制过程中伪装成尿嘧啶。由于5-氟尿嘧啶的形状与尿嘧啶相似，但化学性质不同，因此该药物抑制RNA复制酶，从而阻止RNA合成并阻止癌细胞的生长。尿嘧啶也可用于咖啡因的合成。

尿嘧啶可用于确定西红柿的微生物污染。尿嘧啶的存在表明水果中乳酸菌受到污染。含有二嗪环的尿嘧啶衍生物用于农药中。尿嘧啶衍生物更常用作抗光合作用的除草剂，可破坏棉花，甜菜，萝卜，大豆，豌豆，向日葵作物，葡萄园，浆果园和果园中的杂草。

在酵母中，尿嘧啶浓度与尿嘧啶通透酶成反比。 含尿嘧啶的混合物也通常用于测试反相 HPLC色谱柱。 由于尿嘧啶基本上不被非极性固定相保留，因此可用于确定系统的停留时间（在已知流量的情况下，然后是停留体积）。

临床应用

Molecular structure of uracil, thymine and 5−fluorouracil(尿嘧啶，胸腺嘧啶和5-氟尿嘧啶的分子结构)。原图链接

治疗癌症肿瘤药物Uracil-Tegafur (UFT)

Uracil-Tegafur，简称UFT。此药首先在日本制造以及进行临床试验。成份之一的Tegafur是在苏联首先制造的。它是5-FU(5-Fluoropyrimidine，5-氟尿嘧啶)的前驱物质，5-FU是肿瘤科医师最常使用的一种化学药物。这类药物中广泛应用于胃癌、大肠直肠癌、胰脏癌、乳癌等各种癌症的治疗，作用机转主要与thymidylate synthase结合并抑制其作用，使thymidylate无法生成，而影响DNA的制造。UFT中Uracil与Tegafur是以浓度4：1的方式组合，这样的组合使肿瘤内的5-FU浓度较正常组织内要高。在日本的研究显示，若将UFT给肾脏细胞癌的病人服用，肿瘤内的5-FU浓度是正常肾脏细胞浓度的2.3倍；若给予膀胱癌的患者服用，肿瘤内的5-FU浓度是正常膀胱细胞浓度的4倍，而且是血中浓度的10倍。因此UFT在药物动力学上似乎较5-FU为优。

而尿嘧啶Uracil的作用在抑制将5-FU代谢的dihydropyrimidine dehydrogenase，如此可使5-FU不会被快速代谢掉，延长5-FU在体内作用的时间。在体内经化学作用以后会转变为5-FU。它与5-FU在临床上的效果差不多，但它的好处是可以口服吸收。

UFT在临床上使用的成绩如何呢？由于这个药是在日本发展出来的，因此最早的报告均是由日本发表的。太田先生统计了日本438个癌症病人接受UFT治疗的成绩，各类癌症的反应率如下：胃癌，27.7%；胰脏癌，25%；胆囊及胆道癌，25%；肝癌，19.2%；大肠直肠癌，25%；乳癌，32%；肺癌，7%。不过其中可评估人数超过40个人者只有罹患胃癌、大肠直肠癌、乳癌及肺癌这四种癌症的病人。之后日本曾针对UFT及Tegafur做比较性研究，证实UFT的治疗反应率较Tegafur单独使用为佳。

视频

Uracil(尿嘧啶)

Difference Between Thymine and Uracil /Principles of Inheritance and Variation /Class 12th Biology
(胸腺嘧啶和尿嘧啶的区别 继承与变异原理/ 第十二类生物学)

In DNA, uracil is replaced by(在DNA中，尿嘧啶被替换为?)