第十章

核苷酸代謝

NucleotideMetabolism第十章

核苷酸代謝

NucleotideMetabol1本章僅介紹核苷酸的分解代謝和生物合成

DNA和RNA的生物合成分章介紹第一節(jié)核酸的酶促降解返回第三節(jié)核苷酸的合成代謝第二節(jié)核苷酸的分解代謝本章僅介紹核苷酸的分解代謝和生物合成

DNA和RNA的生物2第一節(jié)核酸的酶促降解一、核酸酶二、限制性內(nèi)切酶

核酸酶核苷酸酶核苷磷酸化酶

核酸核苷酸核苷堿基+戊糖-1-P磷酸吸收方式：核苷、核苷酸吸收部位：小腸第一節(jié)核酸的酶促降解一、核酸酶二、限制性內(nèi)切酶3一、核酸酶1、核酸酶的分類（1）根據(jù)對(duì)底物的專一性分為（2）根據(jù)切割位點(diǎn)分為核糖核酸酶(RNase)脫氧核糖核酸酶(DNase)非特異性核酸酶核酸內(nèi)切酶核酸外切酶2、核酸酶的作用特點(diǎn)一、核酸酶1、核酸酶的分類（1）根據(jù)對(duì)底4外切核酸酶對(duì)核酸的水解位點(diǎn)5′

p

p

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pOHB

p

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p

p3′BBBBBBB牛脾磷酸二酯酶（5′端外切5得3）蛇毒磷酸二酯酶（3′端外切3得5）外切核酸酶對(duì)核酸的水解位點(diǎn)5′ppppOHBpp5內(nèi)切核酸酶對(duì)RNA的水解位點(diǎn)示意圖5′

p

p

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pOHPyPuPyPy1′

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pGACU

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pGA3′RNAaseIRNAaseIRNAaseT1RNAaseT1Pu：嘌呤Py：嘧啶

RNAaseT2內(nèi)切核酸酶對(duì)RNA的水解位點(diǎn)示意圖5′ppppOHP6二、限制性內(nèi)切酶

類型

命名

意義原核生物中存在著一類能識(shí)別外源DNA雙螺旋中4-8個(gè)堿基對(duì)所組成的特異的具有二重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的回文序列，并在此序列的某位點(diǎn)水解DNA雙螺旋鏈，產(chǎn)生粘性末端或平末端，這類酶稱為限制性內(nèi)切酶（ristrictionendonuclease）。二、限制性內(nèi)切酶類型原核生物中存在著一類能識(shí)別外7常用的DNA限制性內(nèi)切酶的專一性酶辨認(rèn)的序列和切口說明‥‥AGCT‥‥‥‥TCGA‥‥‥‥GGATCC‥‥‥‥CCTAGG‥‥‥‥AGATCT‥‥‥‥TCTAGA‥‥‥‥GAATTC‥‥‥‥CTTAAG‥‥‥‥AAGCTT‥‥‥‥TTCGAA‥‥‥‥GTCGAC‥‥‥‥CAGCTG‥‥‥‥CCCGGG‥‥‥‥GGGCCC‥‥BamHIAluIBglIEcoRIHindⅢSalISmaI四核苷酸，平端切口六核苷酸，平端切口六核苷酸，粘端切口六核苷酸，粘端切口六核苷酸，粘端切口六核苷酸，粘端切口六核苷酸，粘端切口常用的DNA限制性內(nèi)切酶的專一性酶辨認(rèn)的序列和切口說明‥‥8限制性內(nèi)切酶類型

I型：分子量大于105，多亞基，需S-腺苷蛋氨酸、ATP和Mg2+，識(shí)別位點(diǎn)與切割位點(diǎn)相差甚遠(yuǎn)，產(chǎn)物為異質(zhì)，是限制與修飾相排斥的多功能酶.

Ⅱ型：分子量小于105，需Mg2+，切割位點(diǎn)位于識(shí)別位點(diǎn)上，產(chǎn)物為專一性片段，不具修飾酶功能?，F(xiàn)在分子生物學(xué)研究所用的限制性內(nèi)切酶均為此類。

III型：識(shí)別位點(diǎn)為5-7bp的非對(duì)稱序列

，切割位點(diǎn)在順序之外離識(shí)別序列5-10bp，切割雙鏈，個(gè)別也切割單鏈。是限制與修飾相多功能酶.限制性內(nèi)切酶類型I型：分子量大于105，多9限制性內(nèi)切酶的命名和意義EcoRI序號(hào)屬名種名株名例：EcoRI，這是從大腸桿菌（E.coli）R菌珠中分離出的一種限制性內(nèi)切酶限制性內(nèi)切酶是分析染色體結(jié)構(gòu)、制作DNA限制圖譜、進(jìn)行DNA序列測(cè)定和基因分離、基因體外重組等研究中不可缺少的工具，是一把天賜的神刀，用來解剖纖細(xì)的DNA分子。限制性內(nèi)切酶的命名和意義EcoRI序號(hào)屬名種名株名例：E10核苷酸的功能核苷酸是生物體內(nèi)的重要物質(zhì)，起著多方面的作用：▲DNA和RNA合成的前體?！溲苌锸窃S多生物合成的活化的中間物?！鳤TP是生物系統(tǒng)最通用的能量、GTP賦予大分子例如新生肽鏈在核糖體上的移位運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力及信號(hào)偶聯(lián)蛋白的活化。▲腺苷酸是三種主要輔酶NAD＋、FAD＋和CoA的組分?！塑账嵋彩谴x調(diào)節(jié)物。例如cAMP是許多激素行使調(diào)節(jié)作用的細(xì)胞內(nèi)信使。

腺嘌呤核苷酸生物合成過程的闡明對(duì)于篩選抗腫瘤藥物以及選育核苷酸高產(chǎn)菌株都有指導(dǎo)意義。核苷酸的功能核苷酸是生物體內(nèi)的重要物質(zhì)，起著多方面的作用11第二節(jié)核苷酸的分解代謝一、核糖和脫氧核糖的代謝1-P-核糖變位酶5-P-核糖HMP1-P-脫氧核糖變位酶5-P-脫氧核糖

醛縮酶乙醛+

3-P甘油醛二、嘌呤的分解代謝三、嘧啶的分解代謝第二節(jié)核苷酸的分解代謝一、核糖和脫氧核糖的代謝12二、嘌呤的分解尿囊酸2尿素＋乙醛酸尿囊酸酶二、嘌呤的分解尿囊酸2尿素13

腺苷酸→次黃苷酸黃苷酸→鳥苷酸↓↓↓↓腺苷→次黃苷黃苷←鳥苷↓↓↓↓腺嘌呤→次黃嘌呤→黃嘌呤←鳥嘌呤↓尿酸

圖5嘌呤類在核苷酸、核苷和堿基三個(gè)水平上的降解

14三、嘧啶的分解三、嘧啶的分解15第三節(jié)核苷酸的合成代謝一、嘌呤核苷酸的合成二、嘧啶核苷酸的合成三、脫氧核苷酸的合成四、dTMP的合成五、各種核苷酸的相互轉(zhuǎn)變

第三節(jié)核苷酸的合成代謝一、嘌呤核苷酸的合成16核糖核苷酸的生物合成一、嘌呤核苷酸的生物合成(1)從頭合成途徑(2)補(bǔ)救途徑(自學(xué))二、嘧啶核苷酸的生物合成(1)從頭合成途徑(2)補(bǔ)救合成途徑(自學(xué))核糖核苷酸的生物合成一、嘌呤核苷酸的生物合成(1)從頭合17一、嘌呤核苷酸的生物合成（一）、從頭合成嘌呤核苷酸的從頭合成分為兩個(gè)階段.第一階段是合成次黃嘌呤核苷酸;第二階段是在次黃嘌呤核苷酸的基礎(chǔ)上合成腺嘌呤核苷酸和鳥嘌呤核苷酸。用同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)證實(shí)，嘌呤環(huán)上各原子的來源如圖1所示。1．次黃嘌呤核苷酸的合成(第一階段)1)首先在磷酸核糖焦磷酸激酶催化下合成5-磷酸核糖焦磷酸。在此基礎(chǔ)上合成次黃嘌呤核苷酸（圖2）。所涉及的酶有：2)5-磷酸核糖焦磷酸轉(zhuǎn)酰胺酶；3)甘氨酰胺核苷酸合酶，4)甘氨酰胺核苷酸轉(zhuǎn)甲?；?；5)甲酰甘氨脒核苷酸合成酶。6)氨基咪唑核苷酸合酶；7)氨基咪唑核苷酸羧化酶。8)氨基咪唑琥珀基甲酰胺核苷酸合酶；9)腺苷酸琥珀酸裂解酶；10)氨基咪唑甲酰胺核苷酸轉(zhuǎn)甲酰酶；11)次黃嘌呤核苷酸環(huán)脫水酶

生物化學(xué)第十章核酸代謝課件182．腺嘌呤核苷酸和鳥嘌呤核苷酸的合成第二階段的反應(yīng)是次黃嘌呤核苷酸分別轉(zhuǎn)變成AMP和GMP(圖3)。在5‘-AMP和5’-GMP的基礎(chǔ)上可進(jìn)一步磷酸化生成ADP、GDP、ATP&和GTP。

3.腺嘌呤核苷酸的合成(從頭合成)的調(diào)節(jié)在腺嘌呤核苷酸的從頭合成途徑中，反饋調(diào)節(jié)是主要的調(diào)節(jié)方式。該途徑的第一步反應(yīng)，即5'-磷酸核糖焦磷酸轉(zhuǎn)變成5'-磷酸核糖胺的反應(yīng)是一步關(guān)鍵性反應(yīng)。催化該反應(yīng)的5'-磷酸核糖焦磷酸轉(zhuǎn)酰胺酶是一種別構(gòu)酶，這個(gè)酶的活性受其終產(chǎn)物AMP和GMP反饋抑制（圖4）。此外，AMP和GMP亦可對(duì)由IMP合成AMP和GMP的第一步反應(yīng)造成反饋抑制。2．腺嘌呤核苷酸和鳥嘌呤核苷酸的合成194.藥物對(duì)嘌呤核苷酸合成的影響◆羽田殺菌素的結(jié)構(gòu)與天冬氨酸的結(jié)構(gòu)類似，可強(qiáng)烈地抑制腺苷酸琥珀酸合成酶的活性?！舭被┻始鞍奔谆┻逝c四氫葉酸的結(jié)構(gòu)很相似。這二種化合物能結(jié)合到二氫葉酸還原酶的活性部位上，阻止四氫葉酸的合成，抑制四氫葉酸作為一碳單位載體的作用，從而阻止嘌呤核苷酸(和嘧啶核苷酸)的合成?！艨咕刂氐阴＝z氨酸(azaserine)及6-重氮-5-氧-正亮氨酸與谷氨酰胺的結(jié)構(gòu)很相似，它們是催化氨基從Gln轉(zhuǎn)移到相應(yīng)受體分子上的那些酶的有效抑制劑?！?-巰基喋呤也是一種抗腫瘤藥物。

4.藥物對(duì)嘌呤核苷酸合成的影響20嘌呤環(huán)上各原子的來源來自谷氨酰胺的酰胺氮來自“甲酸鹽”來自天冬氨酸來自甘氨酸來自CO2來自“甲酸鹽”嘌呤環(huán)上各原子的來源來自谷氨酰胺的酰胺氮來自“甲酸鹽”來自天215-磷酸核糖焦磷酸5-磷酸核糖胺甘氨酸甘氨酰胺核苷酸甲酰甘氨酰胺核苷酸甲酰甘氨咪核苷酸5-氨基咪唑核苷酸5-氨基咪唑-4-羧核苷酸IMP的生物合成5-氨基咪唑-4-琥珀基-甲酰胺核苷酸5-氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸5-甲酰氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸次黃嘌呤核苷酸（IMP）甲酰THFA5-磷酸核糖焦磷酸5-磷酸核糖胺甘氨酸甘氨酰胺核苷酸甲酰甘氨22IMP轉(zhuǎn)變?yōu)镚MP和AMPIMP轉(zhuǎn)變?yōu)镚MP和AMP23圖16-2返回2)5-磷酸核糖焦磷酸轉(zhuǎn)酰胺酶3)甘氨酰胺核苷酸合酶4)甘氨酰胺核苷酸轉(zhuǎn)甲?；?)甲酰甘氨脒核苷酸合成酶6)氨基咪唑核苷酸合酶7)氨基咪唑核苷酸羧化酶8)氨基咪唑琥珀基甲酰胺核苷酸合酶9)腺苷酸琥珀酸裂解酶10)氨基咪唑甲酰胺核苷酸轉(zhuǎn)甲酰酶11)次黃嘌呤核苷酸環(huán)脫水酶圖16-2返回2)5-磷酸核糖焦磷酸轉(zhuǎn)酰胺酶24圖16-3返回圖16-3返回25（二）、補(bǔ)救途徑(salvage)利用細(xì)胞內(nèi)己有的嘌呤堿基合成嘌呤核苷酸的途徑稱為補(bǔ)救途徑。

1.嘌呤與5’-磷酸核糖焦磷酸(PRPP)作用

腺嘌呤磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶,能催化下列的反應(yīng):腺嘌呤+5'-磷酸核糖焦磷酸→5'-AMP+PPi另一種酶是次黃嘌呤-鳥嘌呤磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶，它能催化：次黃嘌呤+5'-磷酸核糖焦磷酸→5'-IMP+PPi鳥嘌呤+5'-磷酸核糖焦磷酸→5'-GMP+PPi黃嘌呤+5'-磷酸核糖焦磷酸→5'-XMP+PPi

由于次黃嘌呤和鳥嘌呤是細(xì)胞內(nèi)嘌呤核苷酸降解的主要產(chǎn)物，所以在嘌呤核苷酸合成的補(bǔ)救途徑中，次黃嘌呤-鳥嘌呤磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶是主要的酶。

磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶嘌呤+PRPPA(GX)MP+PPi（二）、補(bǔ)救途徑(salvage)磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶嘌呤+PR26嘌呤核苷酸合成補(bǔ)救途徑

磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶嘌呤+PRPPA(GX)MP+PPi嘌呤+1-P-核糖嘌呤核苷

A(G)MPATP

ADP1.嘌呤與5’-磷酸核糖焦磷酸(PRPP)作用2.嘌呤與1’-磷酸核糖作用嘌呤核苷酸合成補(bǔ)救途徑磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶嘌呤+PRPPA(GX27

二、嘧啶核苷酸的合成

嘧啶核苷酸的合成途徑與嘌呤核苷酸合成途徑很不相同。（一）、從頭合成途徑嘧啶核苷酸的嘧啶環(huán)是由氨甲酰磷酸和天冬氨酸合成。嘧啶核苷酸合成時(shí)首先形成嘧啶環(huán)（圖5），然后在此基礎(chǔ)上與磷酸核糖結(jié)合成乳清核苷酸，繼而轉(zhuǎn)變成尿嘧啶核苷酸。

1.尿嘧啶核苷酸的合成1)氨甲酰磷酸的合成：

氨甲酰磷酸是肝臟合成尿素的原料(線粒體中)也是嘧啶核苷酸合成的前體(在胞液中)。氨甲酰磷酸合成的氮的來源是不同的。線粒體合成氨甲酰磷酸的氮來自脫氨基作用產(chǎn)生的NH3；而胞液合成氨甲酰磷酸的氮來自Gln，且不需要N-乙酰Glu作活化劑。因?yàn)樵诎褐惺怯梢环N不同于線粒體中的氨甲酰磷酸合成酶催化的，叫氨甲酰磷酸合成酶Ⅱ。線粒體中的酶叫做氨甲酰磷酸合成酶Ⅰ。氨甲酰磷酸合成酶Ⅱ催化的反應(yīng)如圖6所示。二、嘧啶核苷酸的合成282).尿嘧啶核苷酸合成的過程（圖6）Asp轉(zhuǎn)氨甲?；傅拇呋疉sp與氨甲酰磷酸結(jié)合生成氨甲酰Asp,接著在二氫乳清酸酶的作用下生成二氫乳清酸。然后在二氫乳清酸脫氫酶的催化下,生成乳清酸。第四步在乳清酸磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶的催化下生成乳清核苷酸。第五步是在乳清核苷酸脫羧酶的催化下生成尿嘧啶核苷酸。在E,coli中，催化UMP合成的6種酶彼此是分開的。相反，在真核生物中，其中5種酶群集成為兩種多功能酶：氨甲酰磷酸合成酶（C）、天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲?；福ˋ）、二氫乳清酸酶（D）共價(jià)結(jié)合成240kD的大的多肽鏈，該多功能酶稱為CAD；乳清酸磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶和乳清核苷酸脫羧酶共價(jià)結(jié)合成52kD的單一多肽鏈，這兩種酶活性分別位于兩個(gè)不同的結(jié)構(gòu)域。2.胞嘧啶核苷酸的合成胞嘧啶核苷酸的合成是在尿嘧啶核苷三磷酸的水平上進(jìn)行（圖7）2).尿嘧啶核苷酸合成的過程（圖6）29嘧啶核苷酸從頭合成途徑

c、UMP轉(zhuǎn)變?yōu)镃TPCTPCTP合成酶

ATPGlnH2OUMPUDPUTP

a、嘧啶環(huán)上原子的來源b、UMP的從頭合成嘧啶核苷酸從頭合成途徑

c、UMP轉(zhuǎn)變?yōu)镃TPCTPCTP合30嘧啶環(huán)上各原子的來源

天冬氨酸CO2NH3NNCCCC654321H2N-CO-P氨甲酰磷酸嘧啶環(huán)上各原子的來源

天冬氨酸CO2NH3NNCCCC6531尿嘧啶核苷酸合成途徑尿嘧啶核苷酸合成途徑32圖61.氨甲酰磷酸合成酶Ⅱ2.天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲?；?.二氫乳清酸酶4.二氫乳清酸脫氫酶5.乳清酸磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶6.乳清核苷酸脫羧酶的催化下生成尿嘧啶核苷酸。圖61.氨甲酰磷酸合成酶Ⅱ332.胞嘧啶核苷酸的合成

胞嘧啶核苷酸的合成是在尿嘧啶核苷三磷酸的水平上進(jìn)行的。2.胞嘧啶核苷酸的合成

胞嘧啶核苷酸的合成是在尿嘧啶核苷三343、嘧啶核苷酸合成的調(diào)節(jié)

在原核生物(如,E.coli)中，嘧啶核苷酸生物合成的主要調(diào)節(jié)部位是天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶催化的反應(yīng)，該酶是一種別構(gòu)酶。

在哺乳動(dòng)物中，嘧啶核苷酸生物合成的主要調(diào)節(jié)部位則是氨甲酰磷酸合成酶催化的反應(yīng)。該酶的活性受嘧啶核苷酸的反饋抑制，但嘌呤核苷酸則起激活作用（圖10-8）。4、藥物對(duì)嘧啶核苷酸合成的影響6-氮尿嘧啶核苷(6-Azauridine)是嘧啶核苷酸合成的抑制劑。因?yàn)榈蜞奏ず塑者M(jìn)入到體內(nèi)后轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的核苷酸，能抑制乳清核苷酸脫羧酶的活性。

重氮乙酰絲氨酸是從Gln上轉(zhuǎn)酰胺酶的有效抑制劑。在嘧啶核苷酸的從頭合成中，氨甲酰磷酸合成酶和胞嘧啶核苷三磷酸合成酶催化的反應(yīng)均需要Gln提供酰胺基，故這兩種酶可被重氮乙酰絲氨酸抑制，從而抑制了嘧啶核苷酸的合成。3、嘧啶核苷酸合成的調(diào)節(jié)35圖10-8返回圖10-8返回36(二)嘧啶核苷酸補(bǔ)救合成途徑（自學(xué)）尿嘧啶+PRPPUMP+PPi尿嘧啶+1-P-核糖尿嘧啶核苷+Pi尿嘧啶核苷+ATPUMP+ADP胞嘧啶核苷+ATPCMP+ADP尿苷激酶尿苷激酶尿苷磷酸化酶UMP磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶(二)嘧啶核苷酸補(bǔ)救合成途徑（自學(xué)）尿嘧啶+PRPPUMP37三、脫氧核苷酸的合成

生物體內(nèi)的各種脫氧核糖核苷酸是在核糖核苷二磷酸的基礎(chǔ)上經(jīng)過還原脫去核糖第二位的氧后產(chǎn)生的。脫氧胸腺嘧啶核苷酸則需要另外的甲基化過程產(chǎn)生。核糖核苷二磷酸是在核糖核苷單磷酸的基礎(chǔ)上通過相應(yīng)的核苷酸激酶由ATP提供磷酸基而產(chǎn)生的。一）、核糖核苷酸還原酶

核糖核苷酸還原酶（圖9）催化核糖核苷二磷酸還原脫氧生成脫氧核糖核苷二磷酸（圖10）。

dADP、dGDP、dCDP、dUDP都可直接由上面反應(yīng)產(chǎn)生，再經(jīng)核苷二磷酸激酶催化轉(zhuǎn)變成脫氧核苷三磷酸。三、脫氧核苷酸的合成38核糖核苷酸的還原反應(yīng)硫氧還蛋白核糖核酸還原酶系硫氧還蛋白還原酶核糖核苷酸還原酶核糖核苷酸還原酶NADP+NADPH+H+硫氧還蛋白還原酶FADATP、Mg2+硫氧還蛋白（還原型）SHSH硫氧還蛋白（氧化型）SSOP-P-CH2NOHOH核糖核苷二磷酸OP-P-CH2NOHH+H2O脫氧核糖核苷二磷酸核糖核苷酸的還原反應(yīng)硫氧還蛋白核糖核酸還原酶系硫氧還蛋白還原39核糖核苷酸的還原反應(yīng)FAD核糖核苷酸還原酶ATP、Mg2+硫氧還蛋白SHSH硫氧還蛋白SS硫氧還蛋白還原酶核糖核苷二磷酸+H2O脫氧核糖核苷二磷酸FADH2谷氧還蛋白SS谷氧還蛋白SHSHNADP+NADPH+H+谷氧還蛋白還原酶OP-P-CH2NOHOHOP-P-CH2NOHHGSSG2GSH谷胱甘肽還原酶真核生物需GSH核糖核苷酸的還原反應(yīng)FAD核糖核苷酸還原酶ATP、Mg2+40核糖核苷酸還原酶示意圖底物特異性調(diào)節(jié)位點(diǎn)酶活性調(diào)節(jié)位點(diǎn)活性位點(diǎn)R1亞基R2亞基核糖核苷酸還原酶示意圖底物特異性調(diào)節(jié)位點(diǎn)酶活性調(diào)節(jié)位41圖10-9圖10-942圖10-10返回圖10-10返回43二）、脫氧核苷酸合成的調(diào)節(jié)核糖核苷酸還原酶是一種別構(gòu)調(diào)節(jié)酶，是催化脫氧核糖核苷酸合成的限速步驟(至少在動(dòng)物細(xì)胞中是如此)。別構(gòu)效應(yīng)物是核苷三磷酸，其中有些是促進(jìn)，有些則是抑制（圖9）。

三）、藥物對(duì)脫氧核糖核苷酸合成的影響

羥基脲(H2N-CO-NHOH)

能干擾脫氧核糖核苷酸的合成，因?yàn)樗芤种坪颂呛塑账徇€原酶的活性。

5-氟尿嘧啶和5-氟脫氧尿嘧啶核苷干擾脫氧胸嘧啶核苷酸的合成，因?yàn)樗鼈兌寄苻D(zhuǎn)變成5-氟-2'-脫氧尿苷-5'-單磷酸(F-dUMP)，而F-dUMP與dUMP相類似，并緊密結(jié)合到胸嘧啶核苷酸合成酶上，形成共價(jià)復(fù)合物，使酶不能發(fā)揮催化反應(yīng)，從而阻礙dTMP的合成。

氨基喋呤及氨甲喋呤因能同二氫葉酸還原酶的催化部位結(jié)合而阻礙了四氫葉酸的合成，從而也影響到脫氧核苷酸的