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ウラシル（/ ˈjʊərəsɪl /）（記号UまたはUra ）は、核酸RNAを構成する4つのヌクレオチド塩基の1つです。他の3つはアデニン（A）、シトシン（C）、グアニン（G）です。RNAでは、ウラシルは2つの水素結合を介してアデニンと結合します。DNAでは、ウラシル塩基はチミン（T）に置き換えられます。ウラシルはチミンの脱メチル化形態です。
ウラシルは、一般的で天然に存在するピリミジン誘導体です。[ 2 ]「ウラシル」という名前は、尿酸誘導体の合成を試みていたドイツの化学者ロベルト・ベーレントによって1885年に造られました。[ 3 ]元々は1900年にアルベルト・アスコリによって発見され、酵母ヌクレインの加水分解によって単離されました。[ 4 ]また、ウシの胸腺と脾臓、ニシンの精子、小麦胚芽にも見つかりました。[ 5 ]平面状の不飽和化合物で、光を吸収する能力があります。[ 6 ]
地球外で形成されたウラシルは、マーチソン隕石[ 7 ]、地球近傍小惑星リュウグウ[ 8 ]、そしておそらく衛星タイタンの表面[ 9 ]で検出されている。これは、宇宙空間に似た低温の実験室条件下で、水氷に埋め込まれたピリミジンから紫外線にさらされて合成された[ 10 ] 。
RNAでは、ウラシルはアデニンと塩基対を形成し、DNA転写中にチミンを置換します。ウラシルのメチル化によりチミンが生成されます。 [ 11 ] DNAでは、ウラシルがチミンに進化的に置換されたことにより、DNAの安定性が向上し、 DNA複製の効率が向上した可能性があります（後述）。ウラシルは水素結合を介してアデニンと対を形成します。アデニンと塩基対を形成するとき、ウラシルは水素結合受容体と水素結合供与体の両方として機能します。RNAでは、ウラシルはリボース糖と結合してリボヌクレオシドであるウリジンを形成します。リン酸がウリジンに結合すると、ウリジン5'-モノリン酸が生成されます。[ 6 ]
ウラシルは、形式的な芳香族性の欠如から生じる分子の核不安定性が環状アミドの安定性によって相殺されるため、アミド-イミド酸互変異性体転移を起こします。[ 5 ]アミド互変異性体はラクタム構造と呼ばれ、イミド酸互変異性体はラクチム構造と呼ばれます。これらの互変異性体はpH 7で優勢です。 ラクタム構造はウラシルの最も一般的な形態です。
ウラシルは、一連のホスホリボシルトランスフェラーゼ反応を経てヌクレオチドを形成するために自身をリサイクルする。[ 2 ]ウラシルの分解により、基質であるβ-アラニン、二酸化炭素、およびアンモニアが生成される。[ 2 ]
ウラシルの酸化分解は、 H 2 O 2とFe 2+の存在下、または二原子酸素と Fe 2+の存在下で尿素とマレイン酸を生成する。
ウラシルは弱酸である。ウラシルの最初のイオン化部位は不明である。[ 12 ]負電荷は酸素アニオン上に配置され、pKaが12以下となる。塩基性pKa = -3.4、酸性pKa = 9.38 9。気相では、ウラシルは水よりも酸性の強い部位を4つ持つ。[ 13 ]
ウラシルはDNA中にほとんど見られず、これは遺伝的安定性を高めるための進化的な変化であった可能性がある。これは、シトシンが加水分解脱アミノ化によって自然に脱アミノ化されてウラシルを生成するためである。したがって、DNAにウラシルを使用する生物が存在する場合、シトシン（グアニンと塩基対を形成する）の脱アミノ化は、DNA合成中にウラシル（アデニンと塩基対を形成する）の形成につながる。 ウラシル-DNAグリコシラーゼは、二本鎖DNAからウラシル塩基を切除する。したがって、この酵素は、自然に組み込まれたウラシルと、シトシン脱アミノ化によって形成されたウラシルの両方を認識して切除し、不必要で不適切な修復プロセスを引き起こすことになる。[ 14 ]
この問題は進化の観点から解決されたと考えられており、ウラシルを「標識」（メチル化）することによって解決されたと考えられています。メチル化ウラシルはチミンと同一です。したがって、時間の経過とともに、DNAではウラシルの代わりにチミンが標準になったという仮説が立てられています。そのため、細胞はRNAではウラシルを使い続け、DNAでは使いません。なぜなら、RNAはDNAよりも寿命が短く、ウラシルに関連する潜在的なエラーが永続的な損傷につながらないからです。明らかに、RNA中のウラシルをより複雑なチミンに置き換える進化的な圧力がなかったか、あるいはウラシルにはRNAで有用な化学的性質があり、チミンにはそれが欠けているかのどちらかです。ウラシルを含むDNAは、例えば以下のようなものに今でも存在します。
生物は、オロチジン5'-一リン酸（オロチジル酸）を脱炭酸することにより、ウリジン一リン酸（UMP）の形でウラシルを合成します。ヒトでは、この脱炭酸はUMPシンターゼという酵素によって行われます。プリンヌクレオチドとは対照的に、ウラシルの基となるピリミジン環（オロチジル酸）が最初に合成され、次にリボースリン酸と結合してUMPを形成します。[ 16 ]
ウラシルの実験室合成法は数多く存在する。最初の反応は、シトシンに水を加えてウラシルとアンモニアを生成する最も単純な合成法である。[ 2 ]
ウラシルを合成する最も一般的な方法は、発煙硫酸中でマレイン酸と尿素を縮合させることである。[ 5 ]
ウラシルは、チオウラシルをクロロ酢酸水溶液中で二重分解することによっても合成できる。[ 5 ]
2009年、NASAの科学者は、宇宙のような条件下で紫外線にさらすことで、ピリミジンと水氷からウラシルを生成したと報告した。 [ 10 ]これは、ウラシルの天然の起源の可能性を示唆している。[ 18 ] 2014年、NASAの科学者は、ウラシル、シトシン、チミンを含む、生命の複雑なDNAおよびRNA有機化合物が、天体物理環境で見られる化合物である氷、ピリミジン、アンモニア、メタノールから、宇宙空間の条件下で実験室で生成されたと報告した。 [ 19 ]ピリミジンは、宇宙で見られる炭素に富む化学物質である多環芳香族炭化水素（PAH）と同様に、赤色巨星または星間塵とガス雲で生成された可能性がある。[ 20 ]
マーチソン隕石で発見された有機化合物の12 C/ 13 C同位体比に基づくと、ウラシル、キサンチン、および関連分子は地球外でも生成される可能性があると考えられています。 [ 7 ]土星系を周回するカッシーニ探査機 のデータは、衛星タイタンの表面にウラシルが存在することを示唆しています。[ 9 ] 2023年には、地球の生物圏にさらされていない地球近傍小惑星162173リュウグウ のサンプルからウラシルが観測され、宇宙での合成のさらなる証拠となりました。[ 8 ]
ウラシルは酸化、ニトロ化、アルキル化などの通常の反応を容易に起こします。一方、フェノール（PhOH）と次亜塩素酸ナトリウム（NaOCl）が存在すると、ウラシルは紫外線で可視化できます。[ 5 ]ウラシルは複数の強い電子供与基が存在するため、元素ハロゲンと反応する能力も持っています。 [ 5 ]
ウラシルはリボース糖やリン酸と容易に結合し、体内での合成やさらなる反応に関与します。ウラシルはウリジン、ウリジン一リン酸（UMP）、ウリジン二リン酸（UDP）、ウリジン三リン酸（UTP）、およびウリジン二リン酸グルコース（UDP-グルコース）へと変化します。これらの分子はそれぞれ体内で合成され、特定の機能を持っています。
ウラシルが無水ヒドラジンと反応すると、一次反応が起こり、ウラシル環が開環する。[ 21 ]反応のpHが10.5を超えると、ウラシル アニオンが生成され、反応速度が著しく低下する。ヒドラジンのプロトン化により、pHが低下した場合も同様に反応速度が低下する。[ 21 ]温度が変化しても、ウラシルの反応性は変化しない。[ 21 ]
ウラシルは体内で、リボースやリン酸と結合して細胞機能に必要な多くの酵素の合成を助ける役割を担っています。[ 2 ]ウラシルは動物や植物の反応においてアロステリック調節因子および補酵素として機能します。 [ 22 ] UMPは植物のカルバモイルリン酸シンテターゼとアスパラギン酸トランスカルバモイラーゼの活性を制御し、UDPとUTPは動物のCPSase II活性を調節します。UDP-グルコースは、炭水化物代謝の過程で肝臓やその他の組織におけるグルコースからガラクトースへの変換を調節します。[ 22 ]ウラシルは多糖類の生合成やアルデヒドを含む糖の輸送にも関与しています。[ 22 ]ウラシルは、タバコの煙に含まれるものなど、多くの発がん物質の解毒に重要です。 [ 23 ]ウラシルは、カンナビノイド（THC） [ 24 ]やモルヒネ（オピオイド）[ 25 ]などの多くの薬物の解毒にも必要です。また、体内の葉酸が極端に不足しているまれなケースでは、癌のリスクをわずかに高めることもあります。[ 26 ]葉酸の欠乏は、デオキシウリジン一リン酸（dUMP）/デオキシチミジン一リン酸（dTMP）比の増加とDNAへのウラシルの誤取り込み、そして最終的にはDNAの産生低下につながります。[ 26 ]
ウラシルは薬物送達や医薬品として使用できます。元素フッ素がウラシルと反応すると、5-フルオロウラシルが生成されます。5-フルオロウラシルは抗がん剤（抗代謝薬）であり、核酸複製プロセス中にウラシルに偽装するために使用されます。[ 2 ] 5-フルオロウラシルはウラシルと形状が似ていますが、同じ化学反応を起こさないため、この薬はRNA転写酵素を阻害し、それによってRNA合成をブロックして癌細胞の増殖を止めます。[ 2 ]ウラシルはカフェインの合成にも使用できます。[ 27 ]ウラシルはHIVウイルスキャプシド阻害剤としても有望であることが示されています。[ 28 ]ウラシル誘導体は抗ウイルス、抗結核、抗リーシュマニア活性を有しています。[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]
ウラシルはトマトの微生物汚染の判定に使用できます。ウラシルの存在は、果実が乳酸菌に汚染されていることを示します。[ 32 ]ジアジン環を含むウラシル誘導体は殺虫剤に使用されます。[ 33 ]ウラシル誘導体は、綿、テンサイ、カブ、大豆、エンドウ豆、ヒマワリの作物、ブドウ園、ベリー農園、果樹園の雑草を駆除する光合成阻害除草剤としてより頻繁に使用されます。[ 33 ]ウラシル誘導体は、キトサンなどの抗菌性多糖類の活性を高めることができます。[ 34 ]
酵母では、ウラシル濃度はウラシル透過酵素に反比例する。[ 35 ]
ウラシルを含む混合物は、逆相HPLCカラムの性能試験にもよく用いられます。ウラシルは非極性固定相にほとんど保持されないため、これを利用してシステムの滞留時間（そして既知の流量から滞留容量）を決定することができます。
メチル誘導体に関するダッセルベの情報は、ウラシルの名前を知ることができます。[したがって、同じ化合物はその化合物のメチル誘導体として表され、私はこれに任意にウラシルという名前を与えます。]
