尿嘧啶

尿嘧啶分子式。原圖鏈接

尿嘧啶（英語：Uracil）是RNA核酸中四個字母A，G，C和U代表的核鹼基之一，其他是腺嘌呤（A），胞嘧啶（C）和鳥嘌呤（G）。在RNA中，尿嘧啶通過兩個氫鍵與腺嘌呤結合。在DNA中，尿嘧啶的鹼基被胸腺嘧啶取代。尿嘧啶是胸腺嘧啶的去甲基形式。

目錄

概述

天然嘧啶衍生物

尿嘧啶是一種常見的天然嘧啶衍生物。「尿嘧啶」這個名字是由德國化學家羅伯特•貝倫德（Robert Behrend）於1885年創造的，他試圖合成尿酸的衍生物。最初是由Alberto Ascoli於1900年發現的，它是通過酵母核蛋白的水解而分離的；在牛胸腺和脾臟，鯡魚的精子和小麥胚芽中也發現了它。它是一種平面的不飽和化合物，具有吸收光的能力。

隕石中發現的有機化合物

基於在默奇森隕石中發現的有機化合物的12C/13C同位素比，可以認為尿嘧啶，黃嘌呤和相關分子也可以在地外形成。 2012年，對土星系統中卡西尼號任務軌道飛行數據的分析表明，土衛六的表面成分可能包括尿嘧啶。

屬性

圖片來源:尿嘧啶National Human Genome Research Institute Uracil/Talking Glossary of Genetic Terms /NHGRI(國家人類基因組研究所/尿嘧啶/遺傳術語的詞彙表/國家衛生研究院)

在RNA中，尿嘧啶鹼基與腺嘌呤配對 ，並在DNA轉錄過程中取代胸腺嘧啶。尿嘧啶的甲基化產生胸腺嘧啶。在DNA中，胸腺嘧啶被尿嘧啶進化取代可能增加了DNA的穩定性，並提高了DNA複製的效率。尿嘧啶通過氫鍵與腺嘌呤配對。當與腺嘌呤鹼基配對時，尿嘧啶既充當氫鍵受體又充當氫鍵供體。在RNA中，尿嘧啶與核糖結合形成核糖核苷尿苷。當磷酸酯附著在尿苷上時，生成尿苷5'-單磷酸酯。

內酰胺結購是最常見形式

尿嘧啶經歷了酰胺-亞胺酸互變異構轉變，因為該分子由於缺乏形式的芳香性而可能具有的任何核不穩定性都可以被環狀-氨基穩定性所補償。酰胺互變異構體被稱為內酰胺結構，而亞胺酸互變異構體被稱為內酰胺結構。這些互變異構形式在pH值為7時佔優勢。內酰胺結構是尿嘧啶最常見的形式。尿嘧啶還通過進行一系列磷酸核糖基轉移酶反應而自身循環形成核苷酸。尿嘧啶降解會產生底物天冬氨酸，二氧化碳和氨。

C4H4N2O2 →H3NCH2CH2COO-+ NH4 + + CO2 在H2O2和Fe 2+存在下或在雙原子氧和Fe 2+存在下，尿嘧啶的氧化降解產生尿素和馬來酸。尿嘧啶是一種弱酸 。尿嘧啶電離的第一個位點未知。負電荷置於氧陰離子上，產生的pKa小於或等於12。鹼性pKa=-3.4，而酸性pKa=9.38 9 。在氣相中，尿嘧啶具有4個比水酸性更高的位點。

在DNA

RNA上有尿嘧啶，而DNA上有胸腺嘧啶，如果從結構上來看，尿嘧啶(2-oxy-4-oxy pyrinidine)和胸腺嘧啶(2-oxy-4-oxy 5-methyl pyrimidine)，其實只是在五號碳(C-5)的位置上差一個甲基。但是將分子甲基化會需要額外的碳源和能量，所以DNA以一個相似的鹼基取代尿嘧啶一定有其理由。在任何時候，可能會有一小部分的胞嘧啶因去氨作用變成尿嘧啶。假設在複製期間，當C-G鹼基對分開、而胞嘧啶(C)去氨形成尿嘧啶(U)，又因U比較容易與腺嘌呤(A)形成鹼基對，若在自然情況下DNA上有U，DNA聚合酶便會用A來進行配對而無法矯正錯誤。這便是造成自然突變的原因之一。

但事實上，尿嘧啶在DNA上屬於不正常的鹼基，所以DNA聚合酶在遇到尿嘧啶時便可以把它置換，防止錯誤的發生。

尿嘧啶在DNA中很少發現，這可能是進化的改變，以增加遺傳穩定性。這是因為胞嘧啶可通過水解脫氨作用自發地脫氨以產生尿嘧啶。因此，如果有一個在其DNA中使用尿嘧啶的生物，則胞嘧啶的脫氨作用（與鳥嘌呤進行鹼基配對）會導致DNA合成過程中尿嘧啶（與腺嘌呤鹼基配對）的形成。尿嘧啶-DNA糖基化酶從雙鏈DNA中切除尿嘧啶鹼基。 因此，這種酶會識別並切下兩種類型的尿嘧啶，一種是天然摻入的，另一種是由於胞嘧啶脫氨而形成的，這會引發不必要和不適當的修復過程。

認為該問題已經通過進化解決，即通過「標記」（甲基化）尿嘧啶解決了。 甲基化尿嘧啶與胸腺嘧啶相同。 因此，隨著時間的推移，胸腺嘧啶成為DNA的標準替代尿嘧啶的假說。因此，細胞繼續在RNA中而不是在DNA中使用尿嘧啶，因為RNA的壽命比DNA短，而且任何與尿嘧啶相關的潛在錯誤均不會導致持久的損害。顯然，要麼沒有進化上的壓力用更複雜的胸腺嘧啶取代RNA中的尿嘧啶，要麼尿嘧啶具有一些可用於RNA的化學特性，而胸腺嘧啶缺乏。含尿嘧啶的DNA仍然存在，例如

• 幾種噬菌體的DNA
• 內生昆蟲發育
• 脊椎動物抗體合成過程中的超突變。

綜合

在2009年10月發表的一篇學術文章中，美國美國國家航空暨太空總署（NASA）科學家報告說，它是通過在類似太空條件下將嘧啶暴露於紫外下從嘧啶中復製而來的。 這表明在RNA世界中尿嘧啶的一種可能的天然原始來源可能是泛精子症。最近，2015年3月，美國國家航空暨太空總署（NASA）科學家報告說，實驗室首次在外層空間條件下利用生命週期技術 ，形成了其他復雜的生物DNA和RNA有機化合物，包括尿嘧啶，胞嘧啶和胸腺嘧啶。隕石中發現的化學物質，例如嘧啶。科學家認為，嘧啶就像多環芳烴（PAHs）一樣，是宇宙中發現的碳含量最高的化學物質，它可能是在紅色巨星或星際塵埃和氣體雲中形成的。 有許多可用的尿嘧啶實驗室合成方法。 第一反應是最簡單的合成方法，方法是向胞嘧啶中加水生成尿嘧啶和氨氣 ：

• C4H5N3O + H2O→C4H4N2O2 + NH3
  

合成尿嘧啶的最常見方法是蘋果酸與尿素在發煙硫酸中的縮合反應。

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

尿嘧啶也可以通過在水溶液的氯乙酸中雙分解硫尿嘧啶來合成。
β- 丙氨酸與尿素反應合成的5,6-二尿嘧啶發生光脫氫，生成尿嘧啶。

反應

1. 尿嘧啶容易發生常規反應，包括氧化，硝化和烷基化。在存在苯酚 （PhOH）和次氯酸鈉 （NaOCl）的情況下，可以在紫外光下觀察到尿嘧啶。由於存在一個以上的強供電子基團，尿嘧啶也具有與元素鹵素反應的能力。
2. 尿嘧啶容易除核糖和磷酸鹽外參與體內的合成和其他反應。尿嘧啶變成尿苷，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）。這些分子中的每一個都是在體內合成的，具有特定的功能。
3. 當尿嘧啶與無水肼反應時，發生一級動力學反應，尿嘧啶環打開。如果反應的pH值增加到> 10.5，就會形成尿嘧啶陰離子，使反應進行得更加緩慢。 如果pH降低，則由於肼的質子化，發生反應的同樣緩慢。即使溫度變化，尿嘧啶的反應性也保持不變。

使用

尿嘧啶在體內的用途是通過與核糖和磷酸鹽結合來幫助進行細胞功能所需的多種酶的合成。尿嘧啶是動物和植物反應中的變構調節劑和輔酶 。UMP控制植物中氨基甲酰磷酸合成酶和天冬氨酸轉氨 甲酰酶的活性，而UDP和UTP則要求動物具有CPSase II活性。UDP-葡萄糖在碳水化合物代謝過程中調節肝臟和其他組織中葡萄糖向半乳糖的轉化。尿嘧啶還參與多醣的生物合成和含醛糖的運輸。尿嘧啶對許多致癌物（例如煙草煙霧中的致癌物）的排毒很重要。尿嘧啶也需要對許多藥物進行排毒，例如大麻素（THC）和嗎啡（阿片類藥物）。在身體中葉酸極度缺乏的異常情況下，它也可能會稍微增加患癌症的風險。葉酸缺乏會導致脫氧尿苷單磷酸酯（dUMP）/脫氧胸苷單磷酸酯（dTMP）的比例增加以及尿嘧啶誤摻入DNA，最終導致DNA產量低。

尿嘧啶可用於藥物遞送和用作藥物。當元素氟與尿嘧啶反應時，它們會生成5-氟尿嘧啶。5-氟尿嘧啶是一種抗癌藥（抗代謝藥），用於在核酸複製過程中偽裝成尿嘧啶。由於5-氟尿嘧啶的形狀與尿嘧啶相似，但化學性質不同，因此該藥物抑制RNA複製酶，從而阻止RNA合成並阻止癌細胞的生長。尿嘧啶也可用於咖啡因的合成。

尿嘧啶可用於確定西紅柿的微生物污染。尿嘧啶的存在表明水果中乳酸菌受到污染。含有二嗪環的尿嘧啶衍生物用於農藥中。尿嘧啶衍生物更常用作抗光合作用的除草劑，可破壞棉花，甜菜，蘿蔔，大豆，豌豆，向日葵作物，葡萄園，漿果園和果園中的雜草。

在酵母中，尿嘧啶濃度與尿嘧啶通透酶成反比。 含尿嘧啶的混合物也通常用於測試反相 HPLC色譜柱。 由於尿嘧啶基本上不被非極性固定相保留，因此可用於確定係統的停留時間（在已知流量的情況下，然後是停留體積）。

臨床應用

Molecular structure of uracil, thymine and 5−fluorouracil(尿嘧啶，胸腺嘧啶和5-氟尿嘧啶的分子結構)。原圖鏈接

治療癌症腫瘤藥物Uracil-Tegafur (UFT)

Uracil-Tegafur，簡稱UFT。此藥首先在日本製造以及進行臨床試驗。成份之一的Tegafur是在蘇聯首先製造的。它是5-FU(5-Fluoropyrimidine，5-氟尿嘧啶)的前驅物質，5-FU是腫瘤科醫師最常使用的一種化學藥物。這類藥物中廣泛應用於胃癌、大腸直腸癌、胰臟癌、乳癌等各種癌症的治療，作用機轉主要與thymidylate synthase結合並抑制其作用，使thymidylate無法生成，而影響DNA的製造。UFT中Uracil與Tegafur是以濃度4：1的方式組合，這樣的組合使腫瘤內的5-FU濃度較正常組織內要高。在日本的研究顯示，若將UFT給腎臟細胞癌的病人服用，腫瘤內的5-FU濃度是正常腎臟細胞濃度的2.3倍；若給予膀胱癌的患者服用，腫瘤內的5-FU濃度是正常膀胱細胞濃度的4倍，而且是血中濃度的10倍。因此UFT在藥物動力學上似乎較5-FU為優。

而尿嘧啶Uracil的作用在抑制將5-FU代謝的dihydropyrimidine dehydrogenase，如此可使5-FU不會被快速代謝掉，延長5-FU在體內作用的時間。在體內經化學作用以後會轉變為5-FU。它與5-FU在臨床上的效果差不多，但它的好處是可以口服吸收。

UFT在臨床上使用的成績如何呢？由於這個藥是在日本發展出來的，因此最早的報告均是由日本發表的。太田先生統計了日本438個癌症病人接受UFT治療的成績，各類癌症的反應率如下：胃癌，27.7%；胰臟癌，25%；膽囊及膽道癌，25%；肝癌，19.2%；大腸直腸癌，25%；乳癌，32%；肺癌，7%。不過其中可評估人數超過40個人者只有罹患胃癌、大腸直腸癌、乳癌及肺癌這四種癌症的病人。之後日本曾針對UFT及Tegafur做比較性研究，證實UFT的治療反應率較Tegafur單獨使用為佳。

視頻

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區別 繼承與變異原理/ 第十二類生物學)

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