Кіріспе
Сутекті байланыстар арқылы бір-бірімен байланысқан екі нуклеобазадан тұратын бірлік. Базалық жұп – екі нуклеобазадан тұратын, сутекті байланыстар арқылы бір-бірімен байланысқан екі тарамды нуклеин қышқылының негізгі бірлігі. Олар ДНК қос спиралінің құрылыс блоктарын құрайды және ДНК мен РНК-ның бүктелген құрылымына ықпал етеді. Белгілі бір сутекті байланысу үлгілері бойынша «Уотсон-Крик» (немесе «Уотсон-Крик-Франклин») негіз жұптары (гуанин-цитозин және аденин-тимин) ДНК спиралінің өз нуклеотидтік реттілігіне тәуелді тұрақты спиральді құрылымын сақтауға мүмкіндік береді. Бұл жұптасқан құрылымның өзара толықтығы әр ДНК тармағында кодталған генетикалық ақпараттың артық көшірмесін қамтамасыз етеді. ДНК қос спиралінің тұрақты құрылымы мен деректердің артықшылығы ДНК-ны генетикалық ақпаратты сақтауға жақсы бейімдейді, ал ДНК мен кіріс нуклеотидтердің арасындағы негіздер жұптасуы ДНК полимеразаның ДНК-ны және РНҚ полимеразаның РНҚ-ны транскрипциялауының механизмін қамтамасыз етеді. Көптеген ДНК-мен байланысатын ақуыздар гендердің белгілі бір реттеуші аймақтарын анықтайтын белгілі бір негізді жұптастыру үлгілерін тани алады. Молекулалық негіздер жұптары бір жіпті нуклеин қышқылының ішінде болуы мүмкін. Бұл әсіресе РНК молекулаларында (мысалы, трансферт РНК) маңызды, онда Уотсон-Крик негіздері (гуанин-цитозин және аденин-урацил) қысқа қос жіпті тікұшақтардың пайда болуына мүмкіндік береді, ал Уотсон-Крик емес өзара әрекеттесулердің (мысалы, G–U немесе A–A) әртүрлілігі РНК-ның кең ауқымды үш өлшемді құрылымдарға бүлінуіне мүмкіндік береді. Сонымен қатар, трансферттік РНК (tРНК) мен хабаршы РНК (мРНК) арасындағы негіз жұптасуы молекулалық тану оқиғаларының негізін құрайды, нәтижесінде мРНК нуклеотидтік тізбек генетикалық код арқылы ақуыздардың амин қышқылдар тізбектеріне аударылады. Жеке геннің немесе организмнің бүкіл геномның өлшемі көбінесе негіз жұптарымен өлшенеді, өйткені ДНК әдетте қос жіпті болады. Сондықтан, жалпы негіз жұптарының саны жіптердің біріндегі нуклеотидтердің санына тең (кодтауыш емес бір жіпті аймақтардағы теломерлерді қоспағанда). Гаплоидтық адам геномның (23 хромосома) ұзындығы 3,2 миллиардтаған негізге тең және құрамында 20-25 мың түрлі белок кодтауыш ген бар. Килобаза (кб) – молекулалық биологияда 1000 ДНК немесе РНК негіз жұптарына тең өлшем бірлігі. Жер бетіндегі ДНҚ негіздерінің жалпы саны 5,0 миллиард тонна салмақты 50 миллиард тонна деп бағаланады. Салыстырмалы түрде биосфераның жалпы массасы 4 ТтС (триллион тонна көміртегі) деп бағаланды.
A base pair (bp) is a fundamental unit of double stranded nucleic acids consisting of two nucleobases bound to each other by hydrogen bonds. They form the building blocks of the DNA double helix and contribute to the folded structure of both DNA and RNA. Dictated by specific hydrogen bonding patterns, "Watson–Crick" (or "Watson–Crick–Franklin") base pairs (guanine–cytosine and adenine–thymine) allow the DNA helix to maintain a regular helical structure that is subtly dependent on its nucleotide sequence. The complementary nature of this based paired structure provides a redundant copy of the genetic information encoded within each strand of DNA. The regular structure and data redundancy provided by the DNA double helix make DNA well suited to the storage of genetic information, while base pairing between DNA and incoming nucleotides provides the mechanism through which DNA polymerase replicates DNA and RNA polymerase transcribes DNA into RNA. Many DNA binding proteins can recognize specific base pairing patterns that identify particular regulatory regions of genes. Intramolecular base pairs can occur within single stranded nucleic acids. This is particularly important in RNA molecules (e. g., transfer RNA), where Watson–Crick base pairs (guanine–cytosine and adenine–uracil) permit the formation of short double stranded helices, and a wide variety of non–Watson–Crick interactions (e. g., G–U or A–A) allow RNAs to fold into a vast range of specific three dimensional structures. In addition, base pairing between transfer RNA (tRNA) and messenger RNA (mRNA) forms the basis for the molecular recognition events that result in the nucleotide sequence of mRNA becoming translated into the amino acid sequence of proteins via the genetic code. The size of an individual gene or an organism's entire genome is often measured in base pairs because DNA is usually double stranded. Hence, the number of total base pairs is equal to the number of nucleotides in one of the strands (with the exception of non coding single stranded regions of telomeres). The haploid human genome (23 chromosomes) is estimated to be about 3.2 billion bases long and to contain 20,000–25,000 distinct protein coding genes. A kilobase (kb) is a unit of measurement in molecular biology equal to 1000 base pairs of DNA or RNA. The total number of DNA base pairs on Earth is estimated at 5.0 with a weight of 50 billion tonnes. In comparison, the total mass of the biosphere has been estimated to be as much as 4 TtC (trillion tons of carbon).
Сутегі байланысы және тұрақтылығы
Үстіңгі жағында үш сутекті байланысы бар G.C негіздік жұп. Төменгі жағында екі сутекті байланысы бар A.T негіздік жұп. Негіздер арасындағы ковалентті емес сутекті байланыстар пунктирлі сызықтармен көрсетілген. Иілісқан сызықтар пентоза қантымен байланысты екенін және кіші саңылауға қарай бағытталғанын көрсетеді. Сутекті байланыс – жоғарыда сипатталған негіздік жұптасу ережелерінің негізінде жатқан химиялық өзара әрекеттесу. Сутекті байланыс доноры мен акцепторының геометриялық сәйкестігі тек «дұрыс» жұптардың тұрақты түзілуіне мүмкіндік береді. Жоғары GC мазмұнына ие ДНК, төмен GC мазмұнына ие ДНК-ға қарағанда тұрақтырақ. Бірақ ең бастысы, үйісу әрекеттесулері екі спиральды құрылымды тұрақтандыру үшін жауапты; Уотсон-Крик негіздік жұптасуының жалпы құрылымдық тұрақтылыққа үлесі минимал, бірақ оның ерекшеліктегі ролі, керісінше, өте маңызды, себебі ол орталық догманың үлгіге тәуелді процестерінің негізі (мысалы, ДНК көшірмесі). Ірі нуклеобазалар – аденин және гуанин – екі сақиналы химиялық құрылымдар класына, пуриндерге жатады; кіші нуклеобазалар – цитозин және тимин (және урацил) – бір сақиналы химиялық құрылымдар класына, пиримидиндерге жатады. Пуриндер тек пиримидиндермен толықтырады: пиримидин-пиримидин жұптасулары энергетикалық тұрғыдан тиімсіз, себебі молекулалар сутекті байланыс орнату үшін тым алыс; пурин-пурин жұптасулары энергетикалық тұрғыдан тиімсіз, себебі молекулалар тым жақын, бұл итергіш күшке әкеледі. AT немесе GC немесе UA (РНК-да) пурин-пиримидин негіздік жұптасуы дұрыс дуплекс құрылымын құрайды. Басқа пурин-пиримидин жұптасулары AC және GT және UG (РНК-да) болады; бұл жұптасулар сәйкес келмейді, себебі сутегін берушілер мен қабылдағыштардың үлгілері сәйкес келмейді. Екі сутекті байланысы бар GU жұптасуы РНК-да жиі кездеседі (көзілдіріп тұратын негіздік жұптарды қараңыз). Жұпталған ДНК және РНҚ молекулалары бөлме температурасында салыстырмалы түрде тұрақты, бірақ екі нуклеотидтік тізбек молекулалардың ұзындығына, жұптасу деңгейіне (бар болса) және GC мазмұнына байланысты болатын балқу температурасынан жоғары айырылады. Жоғары GC мазмұны жоғары балқу температурасына әкеледі; сондықтан Thermus thermophilus сияқты экстремофильді организмдердің геномдары GC-ға бай екендігі таңқаларлық емес. Керісінше, геномның жиі айырылатын аймақтары – мысалы, жиі транскрипцияланатын гендер үшін промотор аймақтары – салыстырмалы түрде GC-ға кедей (мысалы, TATA қойындысын қараңыз). ПТР реакциялары үшін праймерлерді жобалау кезінде GC мазмұны мен балқу температурасын да ескеру қажет.
Базаның аналогтары мен интеркаляторлары
Нуклеотидтердің химиялық аналогтары дұрыс нуклеотидтердің орнын басып, канондық емес негіздік жұптасуды құра алады, соның салдарынан ДНК репликациясы мен ДНК транскрипциясында қателер (көбінесе нүктелік мутациялар) пайда болады. Бұл олардың изостериялық химиясына байланысты. Белгілі бір мутагендік негіз аналогы – 5-бромұрацил, ол тиминге ұқсас, бірақ энол түрінде гуанинмен жұптаса алады. Басқа химиялық заттар, ДНК интеркаляторлары деп аталады, бір тізбектегі жақын негіздер арасындағы кеңістікке сыйып, "негіз ретінде жасырыну" арқылы қателікке қатысты мутацияларды тудырады, бұл ДНК репликациялық машинасының интеркаляцияланған жерде қосымша нуклеотидтерді жіберіп кетуіне немесе қосуына себеп болады. Көптеген интеркаляторлар ірі полиароматты қосылыстар болып табылады және олардың канцерогендік қасиеттері белгілі немесе күдік тудырады. Мысалдарға этидий бромиді және акридинді жатқызуға болады.
Сәйкестікті жөндеу
ДНҚ репликациясының қателіктерінен және гомологтық рекомбинация кезіндегі аралық заттар ретінде сәйкес келмейтін негіз жұптары пайда болуы мүмкін. Денеге тән сәйкессіздікті жөндеу процесі әдетте қалыпты ДНҚ негіздерінің ұзақ тізбектеріндегі шамалы ғана қате жұптарды таниды және дұрыс жөндеуі керек. ДНҚ репликациясы кезінде пайда болған сәйкессіздіктерді жөндеу үшін, бірнеше ерекше жөндеу процестері дамыды, олар шаблондық тізбек пен жаңадан түзілген тізбекті ажыратып, жаңадан енгізілген дұрыс емес нуклеотидті ғана жояды (мутацияның алдын алу үшін). ДНҚ репликациясы кезінде сәйкессіздікті жөндеуде қолданылатын ақуыздар және осы процестегі ақаулардың клиникалық маңызы "ДНҚ сәйкессіздікті жөндеу" мақаласында сипатталған. Ал рекомбинация кезіндегі қате жұптасуды түзету процесі "Гендік конверсия" мақаласында сипатталған.