核苷酸是由含氮碱基、五碳糖以及一个或多个磷酸基团组成的有机化合物。核苷酸是构成核酸的基本单元，包括脱氧核糖核酸和信使RNA，其序列承载着生物信息。核苷酸还可在细胞内独立发挥作用，充当能量载体、代谢中间产物和信号分子。结构上的多样性使这一类化合物既能储存信息，也能参与生物化学反应。(genome.gov)
化学结构
核苷酸包含三个可明确区分的组成部分：核碱基通常是含氮杂环化合物；糖通常为核糖或2-脱氧核糖；磷酸基团则构成其磷酸化部分。碱基与糖结合而不含磷酸基团的化合物称为核苷，而非核苷酸。因此，腺嘌呤是碱基，腺苷是含核糖的相应核苷，而一磷酸腺苷则是核苷酸。这一区分十分重要，因为这三个术语指的是化学性质不同的物质。(genome.gov)
糖的碳原子以带撇号的数字编号，即1′至5′，以区别于碱基中的位置编号。在DNA和RNA的标准核苷酸中，碱基连接在糖的1′位，而磷酸基团通常连接在5′位。核糖的2′碳原子上带有羟基，脱氧核糖在这一位置则以氢原子取代羟基。这一微小的结构差异区分了核糖核苷酸与脱氧核糖核苷酸，也是不同核酸在化学性质和构象上存在差异的原因之一。(ncbi.nlm.nih.gov)
主要的碱基分为两类。嘌呤以腺嘌呤和鸟嘌呤为代表，具有两个稠合环。嘧啶以胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶为代表，具有一个环。腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶均存在于标准的DNA和RNA中；胸腺嘧啶是DNA的特征性碱基，而标准RNA则以尿嘧啶代替胸腺嘧啶。字母A、G、C、T和U表示这些碱基，在序列记法中也表示相应的核苷酸残基。(goldbook.iupac.org)
命名与磷酸化状态
核苷酸通常根据所含核苷及磷酸基团的数量命名。一磷酸腺苷、二磷酸腺苷和三磷酸腺苷分别缩写为AMP、ADP和ATP。相应的鸟苷化合物为GMP、GDP和GTP。胞苷和尿苷也形成类似的C系列和U系列化合物。因此，核苷酸并不一定只含一个磷酸基团。(ncbi.nlm.nih.gov)
前缀 deoxy-（脱氧）或缩写 d 表示化合物含有脱氧核糖，例如dATP即三磷酸脱氧腺苷。RNA合成使用ATP、GTP、CTP和UTP，而DNA合成使用dATP、dGTP、dCTP和dTTP。这些游离的三磷酸核苷必须与已掺入核酸链的核苷酸残基区分开来，后者不再保留加入前分子所具有的完整三磷酸基团。(ncbi.nlm.nih.gov)
核酸中的核苷酸
DNA和RNA是聚合物，其中相邻的核苷酸残基通过磷酸二酯键连接。一个磷酸基团连接一个糖的3′位氧原子和下一个糖的5′位氧原子，形成重复的糖—磷酸骨架。碱基从这一骨架向外伸出，其排列顺序构成分子的序列。核酸链具有化学性质不同的5′端和3′端；序列通常按5′至3′方向书写。(ncbi.nlm.nih.gov)
在DNA复制过程中，DNA聚合酶以三磷酸脱氧核苷为原料，延长正在合成的链。在转录（生物学）过程中，RNA聚合酶以三磷酸核糖核苷为原料，进行相应的反应。新核苷酸加到正在延伸的链的3′羟基上，每掺入一个核苷酸就释放一分子无机焦磷酸。因此，底物既提供核苷酸单元，也提供推动链形成的化学势。(ncbi.nlm.nih.gov)
碱基互补配对使一条核酸链能够指导另一条链的合成。在标准双链DNA中，腺嘌呤与胸腺嘧啶、鸟嘌呤与胞嘧啶通过氢键配对。RNA中常见的是腺嘌呤—尿嘧啶配对。这些相互作用不同于骨架中的共价键：碱基配对连接互补区域，而磷酸二酯键连接同一条链中前后相邻的残基。(ncbi.nlm.nih.gov)
能量转移、辅因子与信号传导
三磷酸腺苷是细胞代谢中化学能量的主要载体。它转化为ADP和无机磷酸的过程，可以与原本在热力学上不利的反应相偶联。ATP经常将磷酰基转移给其他分子，从而将能量转移与化学修饰联系起来。ATP不断再生，其主要作用并非长期储存能量。其他三磷酸核苷也参与代谢反应；例如，GTP参与翻译（生物学），即蛋白质合成过程。(ncbi.nlm.nih.gov)
含核苷酸的化合物也可携带电子或化学基团。NAD和NADP参与氧化还原反应，在氧化态与还原态之间转换。FAD是另一种含核苷酸的电子载体。UDP-葡萄糖是一种活化的糖基供体，说明与核苷酸连接可以促进生物合成过程中化学基团的转移。这些功能远不局限于核酸的构建。(ncbi.nlm.nih.gov)
环磷酸腺苷和环磷酸鸟苷是细胞内的第二信使。在这些化合物中，一个磷酸基团与糖形成环状连接。环磷酸腺苷由腺苷酸环化酶以ATP为原料合成，能够调节包括蛋白激酶A在内的多种蛋白质。磷酸二酯酶将环核苷酸转化为相应的非环状一磷酸核苷，有助于控制信号的持续时间。(ncbi.nlm.nih.gov)
生物合成与回收利用
细胞通过从头合成和补救途径获取核苷酸。从头合成途径利用较简单的前体，包括氨基酸和含碳化合物，构建核苷酸的组成部分。补救途径则重新利用已有的碱基或核苷。在嘌呤生物合成中，环结构在含核糖的活化前体上逐步组装；在嘧啶生物合成中，环结构先形成，再与核糖部分连接。与从较简单的分子开始合成相比，回收利用通常消耗更少的能量。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
磷酸基团转移反应使一磷酸、二磷酸和三磷酸核苷之间能够相互转化。核糖核苷酸还原酶通过还原核糖核苷酸底物，提供脱氧核糖核苷酸前体。生物合成、补救、相互转化和降解过程受到酶活性及基因表达的调控，使核苷酸的供应与细胞对核酸合成及其他代谢功能的需求相协调。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)