碱基（Bases）也称含氮碱基（Nitrogenous bases）或核碱基（Nucleobases），在生物体内碱基分为嘌呤碱基（purine bases）和嘧啶碱基（pyrimidine bases）两类，是核苷酸（nucleotide）重要组分。碱基的名称来源于其化学特性，它们属于含氮杂环化合物（Nitrogenous heterocyclic compounds），化学性质呈碱性。
结构、分类和特性
结构和分类
碱基属于嘧啶或嘌呤衍生物，嘧啶环为一种六元杂环化合物（six-member heterocyclic compounds），其间位的碳原子被氮原子取代而成，而嘌呤则是由一个嘧啶环和一个咪唑环稠合而成。碱基由单杂环的嘧啶或双环的嘌呤骨架以及侧链基团所构成。根据其侧链基团不同，主要可分为5种常见碱基： 腺嘌呤（Adenine， A），鸟嘌呤（Guanine， G），胞嘧啶（Cytosine， C），胸腺嘧啶（Thymine， T）和尿嘧啶（Uracil， U）。其中腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧啶在DNA和RNA中都存在，而胸腺嘧啶主要存在于DNA中、尿嘧啶主要存在于RNA中。尿嘧啶和胸腺嘧啶的主要区别在于尿嘧啶的嘧啶环C5碳原子侧链的氢由甲基取代后形成胸腺嘧啶，因此胸腺嘧啶也称5-甲基尿嘧啶。
碱基的特性
每种碱基都有至少两种互变异构体，其中腺嘌呤（A）和胞嘧啶（C）存在氨基（amino）和亚氨基（imino）型，而鸟嘌呤，胸腺嘧啶和尿嘧啶存在酮式（keto）或烯醇式（enol）。
这些互变异构体之间相互转变达到平衡，但氨基式和酮式互变异构体更稳定因此占得比重更多。在这些互变异构体中，杂环都是不饱和的（unsaturated）且是平面（planar）的，都具有吸收紫外光的特性，因此可以通过分光光度法检测核酸的浓度和纯度。嘌呤和嘧啶都是弱碱，且在生理PH条件下不溶于水，但在细胞中，大多数嘌呤和嘧啶是以多聚核苷酸（Polynucleotides）的形式存在且极易溶解。
配对方式
这些碱基之间可以以产生氢键（Hydrogen bond）的形式相互配对。根据Watson-Crick配对原则，六元杂环侧链上的氨基作为氢供体（Hydrogen donor），而杂环中的N原子或侧链上的氧原子作为氢受体（Hydrogen acceptor）。其中，腺嘌呤（A）可以形成两个氢键，而鸟嘌呤（G），胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）可以形成三个氢键。在生物体内，腺嘌呤（A）和胸腺嘧啶（T）配对时通常形成两个氢键，产生典型的Watson-Crick双键，而鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）通常形成三个氢键。
不同于Watson-Crick配对方式，根据Hoogsteen碱基配对原则，咪唑环上的N原则也可以作为氢受体参与氢键形成，从而形成DNA三螺旋或DNA四联体结构。Watson-Crick碱基配对方式和Hoogsteen碱基配对方式在DNA层面上不对来回转换，Hoogsteen碱基配对通常在DNA与蛋白结合或收到化学刺激损伤时产生，而当蛋白脱离DNA或DNA损伤被修复后，DNA双链又变为简单的Watson-Crick碱基配对方式。
修饰的碱基
自然界存在的修饰碱基
DNA和RNA上都存在一些修饰的碱基类型。在DNA中，最常见的修饰类型是5-甲基胞嘧啶。在RNA中，则存在更多的修饰碱基，如甲尿嘧啶（Ψ）、二氢嘧啶（D）、次黄嘌呤（Hypoxanthine，Hx）以及7-甲基鸟嘌呤。次黄嘌呤（Hx）和黄嘌呤（Xanthine，X）是两种主要通过致突剂引起的特殊碱基，次黄嘌呤由腺嘌呤脱氨产生，与尿嘧啶、胞嘧啶和腺嘌呤都可以配对，但在复制过程中与胞嘧啶配对；而黄嘌呤由鸟嘌呤脱氨产生，与胞嘧啶配对。
人造碱基
目前，人造碱基已经广泛应用于生物学研究中。如Aminoallyl-dUTP作为其天然配对物dTTP的替代物，通过PCR或者引物标记的方式插入到DNA或cDNA中，并被用于斑点印记（Dot blotting）或荧光原位杂交（In-situ hybridization）。此外，人造碱基已经被证实可以参与碱基互补配对和编码遗传信息。如特殊碱基dNam（X）与d5SICS（Y）配对、5-Aza-7-deazapurine （P）与 6-amino-5-nitro-2(1H)-pyridinone（Z）配对、异鸟嘌呤（B）与异胞嘧啶（rS）或1-甲基胞嘧啶（dS）配对。
生物学功能
碱基与核糖通过β糖苷键连接形成核苷（nucleoside），核苷结合一个磷酸基团形成核苷酸（nucleotide），单体核苷酸通过3'，5'-磷酸二酯键（3'，5'-phosphodiester linkage）连接形成核酸（nucleic acid）长链，核酸长链上的碱基排列方式记录了遗传密码，通过碱基互补配对的方式进行复制和传递。在构成DNA双螺旋结构时，碱基之间互补配对形成的氢键以及碱基相互堆叠产生的碱基堆积力是维持核酸链的螺旋结构稳定的主要作用力。
某些特殊碱基在遗传信息的传递过程中也起到了重要作用。比如密码子的摆动配对（Wobble pairing）方式，由于次黄嘌呤可以与尿嘧啶、胞嘧啶或腺嘌呤配对，因此，甘氨酸的反密码子CCI（I， 次黄嘌呤核苷）与mRNA上的密码子GGA、GGU、GGC都可以配对，因此这三个密码子都被编码为甘氨酸。特殊碱基在基因突变修复过中也产生重要作用。如由于烷化剂引起的碱基脱氨或甲基化产生的修饰碱基可以被体内特异的糖苷酶识别，从而水解核苷酸的糖苷键，将被修饰的碱基切除，修复突变。在医学上，多种核酸类似物已经被用于癌症和抗病毒的治疗中，特殊核苷穿过细胞膜进入细胞后被转化为核苷酸，并被用于合成核酸分子从而掺入癌细胞或病毒基因组中以抑制癌细胞或病毒的复制。
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