Le fluorouracil est un antinéoplasique cytostatique de la classe des antimétabolites (antipyrimidine). Afin de mieux comprendre son activité, il faut rappeler que l'uracile joue un double rôle fondamental dans les tissus à croissance rapide : d'une part, en étant le précurseur (via la thymidilate-synthétase) de la thymine, base nécessaire à la synthèse d'ADN (acide désoxyribonucléique) qui préside à la division cellulaire ; d'autre part, en entrant dans la composition des ARNs (acides ribonucléiques) qui président à la synthèse des protéines et des enzymes cellulaires. Ainsi, le fluorouracile exerce plusieurs effets antimétaboliques : tout d'abord, il est métabolisé en 5-fluorodéoxyuridine 5'-monophosphate (FdUMP) qui, en présence de 6-méthylènetétrahydrofolate, se lie à la thymidilate-synthétase, bloquant la méthylation de l'uracile en thymine, provoquant ainsi une inhibition de la synthèse d'ADN (acide désoxyribonucléique) qui freine la prolifération cellulaire ; d'autre part, il est phosphorylé et triphosphaté (FUTP) et incorporé à la place de l'uracile dans les ARNs (acides ribonucléiques), entraînant des erreurs de lecture du code génétique lors de la synthèse de protéines et d'enzymes, et de la production de coenzymes inefficaces et de ribosomes immatures ; enfin, le fluorouracile inhibe l'uridine-phosphorylase.
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