尿嘧啶（Uracil）

尿嘧啶（Uracil）
國立新莊高級中學陳偉民退休教師/國立台灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

尿嘧啶（如圖1）是常見且天然存在的嘧啶衍生物。最早發現於1900年，由酵母核素（nuclein，即為核酸）水解分離而得，可存在於牛的胸腺和脾臟、腓魚的精液和小麥芽中。尿嘧啶為平面、不飽和的化合物，可吸收光線。

圖1 尿嘧啶

性質
尿嘧啶存在於RNA中，與腺嘌呤形成鹼基對，在DNA轉錄反應中，取代胸嘧啶。尿嘧啶甲基化後，產生胸嘧啶，以保護DNA，並提高DNA複製之效率。尿嘧啶以氫鍵與腺嘌呤配對，因為它含有氧和氮等電負度大的原子，是氫鍵接受者，而且可形成兩個氫鍵。尿嘧啶也可以與核糖結合，形成核糖核苷──尿苷（如圖2）。若有一個磷酸根連接在尿苷上，就形成尿苷5’-單磷酸。

圖2 尿苷的化學結構

合成
在2009出版的某學術文件中，NASA的科學家報告了某種合成尿嘧啶的方法：在與太空相似的條件下，使嘧啶曝曬紫外光，可製造尿嘧啶。此研究顯示最早自然發生的尿嘧啶之可能來源。

尿嘧啶有許多實用的實驗室合成法。最簡單的合成法就是把水與胞嘧啶混合，可以產生尿嘧啶與氨。
C₄H₅N₃O + H₂O → C₄H₄N₂O₂ + NH₃

合成尿嘧啶最普遍的方法就是順丁烯二酸與尿素，在發煙硫酸中進行縮合反應。
C₄H₄O₄ + CH₄N₂O → C₄H₄N₂O₂ + 2 H₂O + CO

硫尿嘧啶在氯乙酸水溶液中進行複分解，也是合成尿嘧啶的方法之一。此外，先用β-丙胺酸與尿素反應，可製造5,6-二氫尿嘧啶（5,6-diuracil，尿密啶的5,6兩個碳原子各多接了一個氫原子）；再讓5,6-二氫尿嘧啶進行光脫氫反應，可合成尿嘧啶（如圖3）。

圖3 利用β-丙胺酸與尿素合成尿嘧啶

反應
尿嘧啶很容易進行一些普通的反應，包括氧化、硝化及烷基化。當有PhOH/NaOCl存在時，在UV光的藍光區，可以看見尿嘧啶。因為有一個以上提供電子的原子團，尿嘧啶也有能力與元素態鹵素反應。
尿嘧啶很容易與核糖、磷酸根進行加成反應，以便參與體內的合成及進一步反應。尿嘧啶變成尿苷、尿苷單磷酸（UMP）、尿苷二磷酸（UDP）、尿苷三磷酸（UTP）及尿苷二磷酸葡萄糖（UDP-葡萄糖）。上述每種分子都在體內合成，並各自具有專一的功能。

尿嘧啶與核糖、磷酸根鍵結可協助合成許多細胞運作必需的酶，這就是尿嘧啶在體內的用途。 尿嘧啶可作為異位（allosteric）調節劑，以及人體與植物中化學反應的輔酶。UMP控制植物的胺甲醯磷酸合成酶（carbamoyl phosphate synthetase）和天冬胺酸轉胺甲醯酶，而UDP及UTP調節動物的CPSaseⅡ（胺甲醯磷酸合成酶Ⅱ）。UDP-葡萄糖利用醣代謝反應將肝臟及其他組織中的葡萄糖轉化成半乳糖。尿嘧啶也參與多醣類的生物合成與醛糖的運輸。

用途
尿嘧啶可以用於藥物傳遞（drug delivery）及作為藥劑。元素態的氟與尿嘧啶反應，生成5-氟尿嘧啶。5-氟尿嘧啶是抗癌藥（抗代謝藥），在複製胺基酸的過程中，5-氟尿嘧啶可冒充尿嘧啶。因為5-氟尿嘧啶的形狀與尿嘧啶很相似，但化學性質不同，這種藥可以抑制RNA複製酶，因而減緩RNA合成，並使癌細胞的成長停止。

參考資料：
1. http://en.wikipedia.org/wiki/Uracil
2. http://en.wikipedia.org/wiki/Drug_delivery
3. http://en.wikipedia.org/wiki/Carbamoyl_phosphate_synthetase
4. http://uracil.navajo.cz/