Нуклеотиды представляют собой фундаментальные структурные единицы нуклеиновых кислот — ДНК и РНК. Они выполняют ключевую роль в хранении, передаче и реализации генетической информации, а также участвуют в метаболических и сигнальных процессах клеток. Каждый нуклеотид состоит из трёх компонентов: азотистого основания, моносахарида (пентозы) и фосфатной группы.
Азотистые основания подразделяются на две группы: пуриновые и пиримидиновые.
Пуриновые основания включают аденин (А) и гуанин (G). Их характерная структура состоит из двух конденсированных колец: шести- и пятичленного, что обеспечивает их способность к водородным связям с комплементарными пиримидинами.
Пиримидиновые основания включают цитозин (C), тимин (T) и урацил (U). Цитозин и тимин присутствуют в ДНК, урацил — в РНК. Пиримидины имеют одно кольцо с атомами азота, способное формировать водородные связи с пуринами, обеспечивая специфичность спаривания.
Моносахарид в составе нуклеотида представлен пятиуглеродным сахаром — рибозой или дезоксирибозой.
Сахар соединяется с азотистым основанием посредством N-гликозидной связи, формируемой между 1’-углеродом сахара и азотом основания (N1 пиримидина или N9 пурина).
Фосфатная группа (-PO₄²⁻) присоединяется к 5’-углероду сахара через фосфоэфирную связь. В молекулах нуклеиновых кислот фосфатные группы образуют цепь через фосфодиэфирные связи, соединяя 3’-углерод одного нуклеотида с 5’-углеродом следующего. Этот полимерный каркас обеспечивает структурную стабильность и полярность цепи.
Нуклеотиды классифицируются по типу азотистого основания и количеству фосфатных групп:
Нуклеотиды обладают полярностью благодаря гидрофильным фосфатным группам, растворимы в воде и способны к ионной диссоциации. Азотистые основания обеспечивают специфичность комплементарного спаривания через водородные связи: аденин — тимин (или урацил), гуанин — цитозин. Это спаривание определяет структуру двойной спирали ДНК и формирует пространственную организацию РНК.
Нуклеотиды выполняют несколько важнейших функций:
Структура нуклеотида обеспечивает уникальные механические и химические свойства. Гибкость рибозы позволяет формировать разнообразные пространственные структуры РНК. Полярная фосфатная цепь обеспечивает водорастворимость и возможность формирования водородных связей между комплементарными цепями. Специфичность азотистых оснований обеспечивает точность репликации и транскрипции.
Нуклеотиды — универсальные молекулы, соединяющие структурные, энергетические и регуляторные функции, и именно их химическая организация определяет жизнеспособность клеточных процессов на молекулярном уровне.