嘧啶核苷酸的从头合成是先合成UMP，UMP再衍生得到CMP和dTMP。嘧啶环比较简单，所以合成步骤较少，也没有分支。相对来说，嘌呤环的合成过程中，组氨酸合成放出AICAR可以看作一个支路。
UMP合成途径。引自themedicalbiochemistrypage
UMP的合成中用到两个熟悉的分子：氨甲酰磷酸（CP）和磷酸核糖焦磷酸（PRPP）。前者是尿素合成的中间物，后者在嘌呤和组氨酸、色氨酸合成中均有参与。不过这两个分子的使用与以前稍有不同。
PRPP在嘌呤合成中作为起始“载体”，整个嘌呤环都是在磷酸核糖之上合成的。而在UMP的合成中，磷酸核糖后期才加入，嘧啶环的合成是从CP开始的。这里催化CP合成的酶是氨甲酰磷酸合成酶2（CPS-2），位于细胞质。尿素循环中的是CPS-1，位于线粒体。
细胞质中的氨甲酰磷酸合成。引自themedicalbiochemistrypage
CPS2催化谷氨酰胺与碳酸氢根生成氨甲酰磷酸，消耗2个ATP。与CPS1相比，直接消耗相同，但CPS1的底物是氨气。因为谷氨酰胺的合成还需要消耗ATP，所以这个反应消耗更高。其优点在于摆脱了对氨的依赖，可以在氨浓度很低的细胞质中进行。
对人体来说，两个CPS还有一点不同：CPS1是一个独立蛋白，而CPS2是一个三功能蛋白CAD的一部分。CAD将催化此途径前三步反应的酶活性融合在一条肽链中，即包含CPSase、ATCase（天冬氨酸转氨甲酰酶）和DHOase（二氢乳清酸酶），故称为CAD。
人体CAD基因结构与反应机制。引自Structure. 2016 Jul 6;24(7):1081-94.
这种多酶融合体可以提高催化效率，也是一种进化的趋势。哺乳动物的脂肪酸合酶（FAS）也是这样。对于原核生物中的ATCase活性，有些生物是单独的催化亚基三聚体，有的生物则带有调节亚基或与DHOase相结合。
