Исходными веществами для биосинтеза молекул ДНК служат дезокси рибонуклеозид-5'-трифосфаты, а специфическое располо­жение нуклеотидных остатков в молекулах ДНК обеспечивается взаимодействием комплементарных оснований, принадлежащих, с одной стороны, полинуклеотидной матрице, а с другой — нуклеозидтрифосфатам. Аналогично идет специфический биосинтез РНК из рибонуклеозидтрифосфатов на ДНК-матрице.

Из трех основных частей нуклеотида (азотистого основания, фос­форной кислоты и пентозы) фосфорная кислота всегда присутст­вует в клетках, рибоза образуется при распаде углеводов, и только гетероциклическое основание создается специфическим путем.

Пути синтеза пуриновых и пиримидиновых оснований различ­ны. Но есть некоторые сходные черты в механизмах синтеза пуринового и пиримидинового циклов:

• использование глицина, аспарагина и глутамина в качестве источников азота гетероциклических колец;
• включение в состав пуриновых и пиримидиновых циклов атомов углерода углекислого газа и муравьиной кислоты;
• построение пуринового основания и завершение синтеза пиримидинового основания на рибозо-5-фосфате, в результате чего конечными продуктами биосинтеза являются сразу нуклеозид-5'-фосфаты;
• ферментативный характер всех реакций, осуществляющих­ся в процессе синтеза нуклеотидов;
• возникновение на определенном этапе биосинтеза общих предшественников (инозин-5'-монофосфата — для пуриновых нук­леотидов, уридин-5'-монофосфата — для пиримидиновых).

Как видно на схеме, два атома азота пуринового кольца происходят из амидной группы глутамина, третий атом азота — из аспартата (аспарагиновой кислоты) и, наконец, четвертый — из глицина. Четвертый и пятый атомы углерода также происходят из глицина. Таким образом, молекула глицина дает три атома. Второй и восьмой атомы углерода происходят из формиата (муравьиной кислоты), а шестой атом углерода — из СО₂:

Фор­мирование пуринового кольца сразу идет на рибозо-5-фосфате, и в результате последовательных реакций наращивания пурино­вого цикла образуется инозин-5'-монофосфат (ИМФ) — ключе­вое соединение в синтезе пуриновых нуклеотидов. Инозин-5'-фосфат способен окисляться в ксантозин-5'-фосфат.

В результате аминирования инозин-5'-монофосфата синтези­руется аденозин-5'-монофосфат (АМФ), а из АМФ при восста­новлении — дезоксиаденозин-5'-монофосфат (dАМФ). Ксантозин-5'-монофосфат (КМФ) превращается в гуанозин-5'-монофосфат (ГМФ) путем аминирования.

В процессе синтеза пиримидиновых оснований один атом азота цикла пиримидина происходит из аммиака, атом углерода — из углекислого газа, а второй атом азота и остальные атомы углерода — из аспарагиновой кислоты. В результате пос­ледовательных реакций наращивания пиримидинового цикла при дальнейшем участии фосфорилированной рибозы образуется уридин-5'-монофосфат (УМФ) — ключевое соединение в биосинте­зе пиримидиновых нуклеотидов.

Уридин-5'-монофосфат далее превращается в цитидин-5'-мо-нофосфат (ЦМФ), а также в дезоксиуридин-5'-монофосфат (dУМФ) и дезокситимидин-5'-монофосфат (dТМФ).

Пуриновые и пиримидиновые нуклеозид-5'-монофосфаты (НМФ и dНМФ) превращаются в макроэргические нуклеозид-5'-дифосфаты (НДФ и dНДФ), которые далее переходят в богатые энергией нуклеозид-5'-трифосфаты (НТФ и dНТФ). Процессы фосфорилирования нуклеотидов идут при их взаимодействии с уни­версальным источником энергии АТФ при участии специфических фосфотрансфераз (киназ).

Синтез дезоксирибонуклеозид-5'-трифосфатов (dНТФ) осуще­ствляется посредством реакции восстановления рибозы по гидроксильной группе при втором углеродном атоме. Эта реакция свой­ственна как нуклеозидмонофосфатам, так и нуклеозиддифосфатам.

Биосинтез всех дезоксирибонуклеозид-5'-трифосфатов и рибонуклеозид-5'-трифосфатов регулируется в клетке таким образом, что они возникают зависимо друг от друга в строго определенных соотношениях.