嘧啶核苷酸的从头合成是先合成UMP，UMP再衍生得到CMP和dTMP。嘧啶环比较简单，所以合成步骤较少，也没有分支。相对来说，嘌呤环的合成过程中，组氨酸合成放出AICAR可以看作一个支路。
UMP合成途径。引自themedicalbiochemistrypage
UMP的合成中用到两个熟悉的分子：氨甲酰磷酸（CP）和磷酸核糖焦磷酸（PRPP）。前者是尿素合成的中间物，后者在嘌呤和组氨酸、色氨酸合成中均有参与。不过这两个分子的使用与以前稍有不同。
PRPP在嘌呤合成中作为起始“载体”，整个嘌呤环都是在磷酸核糖之上合成的。而在UMP的合成中，磷酸核糖后期才加入，嘧啶环的合成是从CP开始的。这里催化CP合成的酶是氨甲酰磷酸合成酶2（CPS-2），位于细胞质。尿素循环中的是CPS-1，位于线粒体。
细胞质中的氨甲酰磷酸合成。引自themedicalbiochemistrypage
CPS2催化谷氨酰胺与碳酸氢根生成氨甲酰磷酸，消耗2个ATP。与CPS1相比，直接消耗相同，但CPS1的底物是氨气。因为谷氨酰胺的合成还需要消耗ATP，所以这个反应消耗更高。其优点在于摆脱了对氨的依赖，可以在氨浓度很低的细胞质中进行。
对人体来说，两个CPS还有一点不同：CPS1是一个独立蛋白，而CPS2是一个三功能蛋白CAD的一部分。CAD将催化此途径前三步反应的酶活性融合在一条肽链中，即包含CPSase、ATCase（天冬氨酸转氨甲酰酶）和DHOase（二氢乳清酸酶），故称为CAD。
人体CAD基因结构与反应机制。引自Structure. 2016
这种多酶融合体可以提高催化效率，也是一种进化的趋势。哺乳动物的脂肪酸合酶（FAS）也是这样。对于原核生物中的ATCase活性，有些生物是单独的催化亚基三聚体，有的生物则带有调节亚基或与DHOase相结合。
不同原核生物的ATCase结构。引自Structure. 2016
ATCase活性催化氨甲酰磷酸与天冬氨酸反应（氨甲酰磷酸可看作氨甲酰基的活性形式），生成氨甲酰天冬氨酸。PALA（N-膦酰基乙酰基-L-天冬氨酸）是ATCase过渡态类似物，所以可抑制CAD，是一种抗肿瘤药物。
DHOase活性催化氨甲酰天冬氨酸（CA）两端的羧基和氨基反应，生成闭环的二氢乳清酸（DHO）。DHO被二氢乳清酸脱氢酶（DHODH）催化脱氢，生成乳清酸（orotate）。乳清酸与PRPP生成乳清苷酸（OMP），再脱羧生成UMP。
后两步反应也是由一个双功能酶催化，其N端结构域具有乳清酸磷酸核糖基转移酶活性，C端具有OMP脱羧酶活性，合称UMP合成酶（UMPS）。
尿嘧啶胺化可以生成胞嘧啶，但这个反应只能在NTP水平上进行。所以UMP先与2分子ATP反应生成UTP，然后在CTP合成酶（CTPS）催化下与谷氨酰胺和ATP反应，生成CTP。
CTP的合成。引自themedicalbiochemistrypage
合成DNA所需的脱氧核糖核苷酸都是由相应的核糖核苷二磷酸还原得到的，即由NDP还原生成dNDP。催化这个反应的核糖核苷酸还原酶（Ribonucleotide reductase，RNR）是DNA合成和修复的关键酶，在调节DNA合成的总速率中起关键作用。
RNR是通过自由基机制催化的，根据产生自由基的方式分为三种类型，第一类来自酪氨酸残基，第二类来自腺苷钴胺素，第三类来自糖基。RNR完成催化后，其关键巯基生成了二硫键，需要将其还原为自由巯基。最终电子供体均为NADPH，但中间的电子传递有两个系统，即硫氧还蛋白系统（TRX）和谷氧还蛋白系统（GRX）。目前推测两个系统之间可以互为备份（World J Biol Chem. 2014）。
核糖核苷酸还原酶系统。引自themedicalbiochemistrypage
DNA需要的胸腺嘧啶是由尿嘧啶甲基化生成的，在dUMP上进行。这个反应由胸腺嘧啶核苷酸合成酶（TYMS）催化，以甲叉四氢叶酸为甲基供体，生成dTMP。转甲基后四氢叶酸（THF）生成了二氢叶酸（DHF），需要由二氢叶酸还原酶（DHFR）催化其再生。dUMP可由UDP还原、脱磷酸生成，也可由dCMP脱氨生成。
dTMP的合成。引自themedicalbiochemistrypage
嘧啶核苷酸合成也有补救途径。尿嘧啶可与PRPP生成UMP，也可与1-磷酸核糖生成尿苷，再被尿苷激酶催化生成UMP。胞嘧啶不能与PRPP反应，但胞苷可被尿苷激酶催化生成CMP。碱基和脱氧核糖-1-磷酸可由磷酸化酶合成脱氧核糖核苷，再由脱氧核糖核苷激酶生成脱氧核糖核苷酸。
一些辅酶也属于核苷酸衍生物。NAD的合成是由烟酸与PRPP反应，生成烟酸单核苷酸，再与ATP缩合生成烟酸腺嘌呤二核苷酸，最后由谷氨酰胺酰胺化生成NAD。NAD激酶可催化其生成NADP。
FAD的合成是由黄素先与ATP生成黄素单核苷酸（FMN），再与ATP生成FAD。辅酶A的合成是由泛酸先与ATP生成4-磷酸泛酸，再与半胱氨酸缩合并脱羧生成4-磷酸泛酰巯基乙胺，与ATP缩合成脱磷酸辅酶A，最后被ATP磷酸化成辅酶A。
参考文献：
Alba Ruiz-Ramos, et al. Structure and Functional Characterization of Human Aspartate Transcarbamoylase, the Target of the Anti-tumoral Drug PALA. Structure. 2016 Jul 6;24(7):1081-94.
Rajib Sengupta, et al. Thioredoxin and glutaredoxin-mediated redox regulation of ribonucleotide reductase. World J Biol Chem. 2014 Feb 26;5(1):68-74.