Нуклеозиды представляют собой соединения, состоящие из азотистого основания и пятиуглеродного сахара (рибозы или дезоксирибозы), соединённых β-гликозидной связью. Азотистое основание может быть пуриновым (аденин, гуанин) или пиримидиновым (цитозин, тимин, урацил), что определяет биологические свойства молекулы. Нуклеозиды не содержат остатка фосфорной кислоты, что отличает их от нуклеотидов.
Нуклеотиды формируются при присоединении к нуклеозиду одного, двух или трёх остатков фосфорной кислоты, образующих моно-, ди- или трифосфаты. Фосфатный компонент обеспечивает полярность и способность к участию в энергетических и каталитических процессах. Химически нуклеотиды — это органические кислоты, содержащие фосфорную группу, которая через эфирную связь соединена с углеродом сахара в положении 5′.
По азотистому основанию:
По числу фосфатных групп:
По функции:
Кислотность и образование солей. Фосфатная группа при физиологических pH диссоциирует, формируя отрицательно заряженные ионы, что обеспечивает растворимость и взаимодействие с белками и ионами металлов.
Энергетический потенциал. Высокоэнергетические связи между фосфатными группами (особенно в ATP) легко разрываются с выделением энергии, необходимой для биохимических процессов: синтеза белка, транспорта веществ через мембраны, ферментативных реакций.
Возможность образования полимеров. Нуклеотиды соединяются через 3′–5′ фосфодиэфирные связи, формируя длинные цепи РНК и ДНК. Порядок азотистых оснований кодирует генетическую информацию.
Хранение и передача генетической информации. Нуклеотиды служат строительными блоками нуклеиновых кислот. Последовательность оснований в ДНК и РНК определяет первичную структуру белка.
Энергетический обмен. ATP и GTP выступают универсальными переносчиками энергии. ATP является основным источником химической энергии, GTP часто участвует в сигнальных каскадах и биосинтезе белка.
Регуляция клеточных процессов. ЦАМФ (цитидин-3′,5′-монофосфат), цГМФ и другие циклические нуклеотиды служат вторыми мессенджерами в клеточной сигнализации, регулируя метаболизм, деление клеток и ответ на внешние стимулы.
Кофакторные функции. NAD⁺, FAD, CoA участвуют в окислительно-восстановительных реакциях и переносе функциональных групп, обеспечивая жизненно важные катаболические и анаболические процессы.
Де ново синтез. Пурины и пиримидины образуются в клетке из простых предшественников (аминокислоты, CO₂, тетрагидрофолат). Пуриновые нуклеотиды собираются на рибозофосфатном остове, а пиримидиновые — сначала формируется основание, затем присоединяется рибоза.
Салведж-путь (реутилизация). Катаболические продукты (азотистые основания) могут повторно использоваться для синтеза новых нуклеотидов, экономя энергетические ресурсы клетки.
Катаболизм пуринов. Ведёт к образованию мочевой кислоты у человека. Промежуточные соединения: гипоксантин, ксантин.
Катаболизм пиримидинов. Превращение в β-аланин, β-аминокислоту и NH₃, которые включаются в энергетический и азотный обмен.
Регуляция. Конечные продукты синтеза могут ингибировать ключевые ферменты начальных стадий, обеспечивая баланс между образованием и разрушением нуклеотидов.
Нуклеотиды характеризуются гидрофильностью благодаря полярным фосфатным и гидроксильным группам. Азотистые основания способны к водородным связям, что критично для формирования вторичной структуры нуклеиновых кислот: спиралей, стебель-петля, участков комплементарного спаривания.
Стереохимия рибозы и дезоксирибозы определяет пространственную ориентацию остатков фосфата и азотистых оснований, что влияет на стабильность и функцию ДНК и РНК.
Нуклеотиды и нуклеозиды являются универсальными биомолекулами, обеспечивающими хранение информации, энергетический обмен, регуляцию и катализ. Их химическая структура сочетает разнообразие функциональных групп с возможностью формирования полимеров, что делает их фундаментальными элементами биохимической организации клетки.