Нуклеозиды представляют собой соединения, состоящие из азотистого основания и сахара — рибозы или дезоксирибозы. Азотистое основание может быть пуриновым (аденин, гуанин) или пиримидиновым (цитозин, тимин, урацил). Сахар соединён с основанием через N-гликозидную связь: в пуринах — через атом N9, в пиримидинах — через N1. Нуклеозиды лишены остатка фосфорной кислоты, что отличает их от нуклеотидов.
Нуклеотиды образуются путем фосфорилирования нуклеозидов, при этом фосфатная группа может присоединяться к 5’-гидроксильной группе сахара (основная форма), реже — к 3’ или 2’. Нуклеотиды классифицируются по природе основания и по числу фосфатных групп: моно-, ди- и трифосфаты. Важнейшие примеры — АТФ (аденозинтрифосфат), ГТФ, ЦТФ и УТФ.
Энергетическая функция: нуклеотиды, особенно АТФ и ГТФ, являются основными переносчиками энергии в клетке. Гидролиз фосфатных связей сопровождается выделением значительного количества энергии, используемой для биосинтеза, транспорта веществ и работы мембранных насосов.
Структурная функция: нуклеотиды входят в состав нуклеиновых кислот — ДНК и РНК. Мономерная структура нуклеотидов определяет первичную последовательность нуклеиновой кислоты, что критично для хранения и передачи генетической информации.
Регуляторная функция: циклические нуклеотиды (цАМФ, цГМФ) играют ключевую роль в клеточной сигнализации, участвуя в передаче сигналов от гормонов и других внешних факторов.
Кофакторная функция: многие коферменты, участвующие в окислительно-восстановительных реакциях, имеют нуклеотидное происхождение. Примеры — NAD⁺, NADP⁺, FAD, CoA.
Нуклеозиды характеризуются стабильностью гликозидной связи, но могут подвергаться гидролизу в кислой среде или под действием нуклеозидаз. Фосфатные группы нуклеотидов делают молекулы полярными, способными к участию в реакциях фосфорилирования и переносе энергии. Нуклеотиды легко образуют комплексы с металлами (Mg²⁺, Mn²⁺), что важно для ферментативной активности и структурной организации нуклеиновых кислот.
Реакционная способность нуклеотидов проявляется в нуклеофильных замещениях, реакции конденсации и окислительно-восстановительных процессах. Трифосфаты, такие как АТФ, активно участвуют в синтезе макромолекул, действуя как доноры фосфатных групп.
Синтез нуклеозидов и нуклеотидов может происходить двумя путями: де ново и по пути восстановления.
Восстановительный путь (salvage pathway) обеспечивает повторное использование свободных азотистых оснований для образования нуклеозидов и нуклеотидов. Этот путь важен для клеток с высоким делением, так как снижает затраты энергии на синтез де ново.
Нуклеотиды и нуклеозиды широко применяются в медицине и биотехнологии. Противовирусные препараты часто являются аналогами нуклеозидов, нарушающих синтез вирусной ДНК или РНК. Нуклеотидные коферменты используются в ферментативных исследованиях и биокатализе.
Циклические нуклеотиды являются мишенями для регуляции внутриклеточных процессов, включая активность протеинкиназ и ионных каналов. Метаболические нарушения синтеза или катаболизма нуклеотидов приводят к серьёзным заболеваниям, таким как иммунодефициты, подагра и редкие генетические синдромы.
Нуклеотиды способны к самокомплексированию и образованию двойной спирали в ДНК. Азотистые основания формируют водородные связи: аденин с тимином (или урацилом в РНК) и гуанин с цитозином, что обеспечивает стабильность генетического кода.
Модифицированные нуклеотиды, включая метилированные и фосфорилированные производные, участвуют в эпигенетических регуляциях, влияя на экспрессию генов и стабильность нуклеиновых кислот.
Нуклеозиды и нуклеотиды являются центральными компонентами биохимии клетки, обеспечивая энергетический баланс, структурную организацию, передачу генетической информации и регуляцию метаболических процессов. Их разнообразие и реакционная способность делают их универсальными молекулами, способными интегрировать химические и биологические функции в живых системах.