Препараты этой группы являются антагонистами естественных метаболитов: антагонисты фолиевой кислоты — метотрексат (аметоптерин); антагонисты пурина — меркаптопурин (леупурин, пуринетол); антагонисты пиримидина — фторурацил (флуороурацил), фторафур (тегафур), цитарабин (цитозар).
Антиметаболиты в химическом отношении напоминают естественные метаболиты, но не идентичны им; тем самым они нарушают синтез нуклеиновых кислот. Действуют антиметаболиты на разных этапах синтеза нуклеиновых кислот. Метотрексат вызывает нарушение образования пуринов и тимидина, меркаптопурин препятствует включению пуринов в состав нуклеотида, фторурацил ингибирует фермент тимидил-синтетазу.
Антагонисты фолиевой кислоты и пурина в основном назначают при острых лейкозах. Антагонист пиримидина фторурацил применяют при раке желудка, поджелудочной железы, толстого кишечника, молочной железы. Препарат весьма токсичен. Тиогуанин и цитарабин применяют при острой миелоидной и лимфоидной лейкемии.