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Un lien phosphodiester se crée lorsqu'une molécule d'acide phosphorique H₃PO₄) se lie à deux groupes hydroxyle (–OH) de deux autres molécules, formant deux liaisons ester et éliminant deux molécules d’eau. Le lien phosphodiester se trouve généralement dans les acides nucléiques (ADN et ARN) et joue un rôle essentiel dans leur structure et leur fonction.

Les liaisons phosphodiester relient les nucléotides

L’ADN et l’ARN sont des polynucléotides, ou de longues chaînes de nucléotides reliés entre eux. Les nucléotides sont composés d’une base d’azotée (adénine, guanine, thymine, cytosine ou uracile), d’un sucre pentose et d’une molécule de phosphate (PO ³⁻₄). Dans une chaîne polynucléotidique, les nucléotides sont reliés par des liaisons phosphodiester. Une liaison phosphodiester se produit lorsque le phosphate forme deux liaisons ester. La première liaison ester existe déjà entre le groupe phosphate et le sucre d’un nucléotide. La seconde liaison ester est formée en réagissant avec un groupe hydroxyle (–OH) dans une seconde molécule. Chaque formation de liaison ester élimine une molécule d’eau.

À l’intérieur de la cellule, un polynucléotide est construit à partir de nucléotides libres qui ont trois groupes phosphate fixés au carbone 5^o de leur sucre. Ces nucléotides sont donc appelés des nucléotides triphosphates. Pendant la formation de liaisons phosphodiester, deux phosphates sont perdus, laissant le nucléotide avec un groupe phosphate qui est fixé au carbone 5^o par une liaison ester. La seconde liaison ester est formée entre la molécule de phosphate 5^o du nucléotide et le groupe hydroxyle 3^o du sucre dans un autre nucléotide. Une catégorie d’enzymes nommées polymérases catalyse, ou accélère, la formation de liaisons phosphodiester.

Les liaisons phosphodiester dans une chaîne polynucléotidique forment un motif alternant des résidus de sucre et de phosphate, qui s’appelle le squelette sucre-phosphate. Les liaisons phosphodiester confèrent un caractère directionnel à une chaîne de polynucléotides. La chaîne polynucléotidique possède un groupe phosphate 5^o libre à une extrémité et un groupe hydroxyle 3^o libre à l’autre. Ces extrémités sont appelées, respectivement, l’extrémité 5^o et l’extrémité 3^o. Le caractère directionnel des acides nucléiques est essentiel pour la réplication de l’ADN et la synthèse de l’ARN.