碱基对

碱基对 (bp) 是双链核酸的基本单位，由两个通过氢键相互结合的核碱基组成。 它们构成 DNA 双螺旋结构的基石，并有助于 DNA 和 RNA 的折叠结构。

根据特定的氢键模式，Watson-Crick（或 Watson-Crick-Franklin）碱基对（鸟嘌呤-胞嘧啶和腺嘌呤-胸腺嘧啶）允许 DNA 螺旋保持规则的螺旋结构，该结构微妙地依赖于其核苷酸序列。

这种基于配对结构的互补性提供了每条 DNA 链中编码的遗传信息的冗余副本。 DNA 双螺旋提供的规则结构和数据冗余使 DNA 非常适合存储遗传信息，而 DNA 和传入核苷酸之间的碱基配对提供了 DNA 聚合酶复制 DNA 和 RNA 聚合酶将 DNA 转录为 RNA 的机制。 许多 DNA 结合蛋白可以识别特定的碱基配对模式，从而识别基因的特定调控区域。

分子内碱基对可以出现在单链核酸中。 这在 RNA 分子（例如转移 RNA）中尤为重要，其中 Watson-Crick 碱基对（鸟嘌呤-胞嘧啶和腺嘌呤-尿嘧啶）允许形成短双链螺旋，以及各种非 Watson-Crick 相互作用 （例如，G–U 或 A–A）允许 RNA 折叠成范围广泛的特定三维结构。 此外，转移 RNA (tRNA) 和信使 RNA (mRNA) 之间的碱基配对构成了分子识别事件的基础，这些事件导致 mRNA 的核苷酸序列通过遗传密码被翻译成蛋白质的氨基酸序列。

单个基因或生物体的整个基因组的大小通常以碱基对来衡量，因为 DNA 通常是双链的。 因此，总碱基对的数量等于其中一条链中的核苷酸数量（端粒的非编码单链区域除外）。 单倍体人类基因组（23 条染色体）估计长约 32 亿个碱基，包含 20,000-25,000 个不同的蛋白质编码基因。 千碱基 (kb) 是分子生物学中的计量单位，等于 1000 个碱基对的 DNA 或 RNA。 地球上的 DNA 碱基对总数估计为 5.0×1037，重量为 500 亿吨。 相比之下，生物圈的总质量估计高达 4 TtC（万亿吨碳）。

氢键是构成上述碱基配对规则基础的化学相互作用。 氢键供体和受体的适当几何对应关系只允许正确的对稳定形成。 GC 含量高的 DNA 比 GC 含量低的 DNA 更稳定。 但是，与普遍的看法相反，氢键并不能显着稳定 DNA； 稳定性主要是由于堆叠相互作用。

较大的核碱基，腺嘌呤和鸟嘌呤，是一类称为嘌呤的双环化学结构的成员； 较小的核碱基、胞嘧啶和胸腺嘧啶（以及尿嘧啶）是一类称为嘧啶的单环化学结构的成员。 嘌呤仅与嘧啶互补：嘧啶-嘧啶配对在能量上是不利的，因为分子相距太远而无法建立氢键； 嘌呤-嘌呤配对在能量上是不利的，因为分子太近，导致重叠排斥。 AT 或 GC 或 UA（在 RNA 中）的嘌呤-嘧啶碱基配对导致正确的双链结构。 xxx的其他嘌呤-嘧啶配对是 AC 和 GT 和 UG（在 RNA 中）； 这些配对是不匹配的，因为氢供体和受体的模式不对应。 具有两个氢键的 GU 配对确实经常出现在 RNA 中。

配对的 DNA 和 RNA 分子在室温下相对稳定，但两条核苷酸链会在熔点以上分离，熔点由分子长度、错配程度（如果有）和 GC 含量决定。 较高的 GC 含量导致较高的熔化温度； 因此，嗜热栖热菌等极端微生物的基因组特别富含 GC 也就不足为奇了。 相反，基因组中需要经常分离的区域——例如，经常转录基因的启动子区域——GC 相对较差。 在设计用于 PCR 反应的引物时，还必须考虑 GC 含量和解链温度。

以下 DNA 序列说明了配对双链模式。 按照惯例，顶链是从 5'端写到 3'端； 因此，底部链被写为 3' 到 5'。