Svi živi organizmi neprestano sintetiziraju novu deoksiribonukleinsku kiselinu (DNK) i popravljaju oštećenu DNK. Timidilat sintaza (TS) je protein koji se nalazi u svim organizmima koji stvaraju DNK. Sudjeluje u stvaranju timidina, jedne od nukleinskih kiselina koje se koriste u biosintezi i popravku DNA.
DNK se sastoji od dvostruke spirale koja ima dvije kombinacije nukleinskih kiselina koje se mogu međusobno vezati kako bi formirale ovu strukturu. Citozin veže gvanidin, dok adenozin veže timidin. Timidilat sintaza je ključni enzim na putu proizvodnje timidina. On regulira opskrbu četiri prekursora za ove nukleinske kiseline. Bez ovog enzima, organizmi se nenormalno razvijaju ili umiru.
Spojevi koji su posrednici u metabolizmu, poput onih koji sudjeluju u sintezi timidina, često imaju visokoenergetske fosfatne skupine vezane za njih. Smatra se da su takve kemikalije fosforilirane. Najviše energije koje se može dobiti od molekula fosfata dobiva se iz skupine od tri molekule koja se naziva trifosfatna skupina. Kada se fosfatne veze cijepaju, proces stvara energiju.
Budući da je timidilat sintaza enzim, on katalizira reakcije da se dogode brže nego što bi se dogodile u njezinoj odsutnosti. Supstrat nukleinske kiseline za TS je uridin monofosfat (dUMP). On katalizira dodavanje metilne skupine, CH3, u dUMP za proizvodnju timidin monofosfata (dTMP). Ova molekula će imati dodatne fosfatne skupine koje je dodao drugi enzim za proizvodnju dTMP3. Visoko fosforilirani spoj koristit će se kao izvor za ugradnju timidina u oštećene i novoformirane lance DNA.
Enzim djeluje zajedno sa reduciranim derivatom folne kiseline koji se zove 5,10-metilentetrahidrofolat ili skraćeno 5-M. Dodatni spoj koji se proizvodi zajedno s dTMP je dihdirofolat. Ovo je derivat folne kiseline, također poznat kao vitamin B10.
S obzirom na to da timidilat sintaza ima tako važnu ulogu u sintezi DNA, bila je meta farmaceutskih studija. Bez ovog enzima, DNK se neće sintetizirati. Često tkivo raka raste brže od okolnog normalnog tkiva. Dakle, takvo kancerogeno tkivo brže sintetizira DNK. Inhibitori sinteze nukleinskih kiselina logični su kandidati za testiranje kao sredstva protiv raka.
Pokazalo se da inhibitori timidilat sintaze imaju potencijal za kontrolu određenih vrsta raka kod ljudi. Čini se da su kolorektalni karcinomi osobito osjetljivi na takve spojeve. Uspješni inhibitori uključuju fluorouracil i kemikalije slične folatu. Čini se da je učinkovitost TS inhibitora u liječenju raka veća za tumore koji imaju nisku stopu ekspresije TS u usporedbi s onima koji proizvode veću količinu enzima.