Die DNA ähnelt einer verdrehten Leiter. Und die Sprossen der DNA-Leiter sind komplementäre Paare stickstoffhaltiger Basen. Nach den Regeln der Basenpaarung paart sich Adenin, ein Purin, mit Thymin, einem Pyrimidin, mit zwei Wasserstoffbrückenbindungen. Und Guanin, ein Purin, tritt zusammen mit Cytosin, einem Pyrimidin, mit drei Wasserstoffbrückenbindungen auf. Aber warum paaren sich Purine immer mit Pyrimidinen?

Aufgrund sterischer Beschränkungen, d.h. räumlicher Restriktionen, die durch das Zuckerphosphat-Rückgrat der DNA auferlegt werden, steht für die Basenpaare in einer DNA-Doppelhelix nur ein Raum von 10,85 Angström zur Verfügung.

Purine haben eine Doppelringstruktur. Daher sind zwei Purine zusammen zu groß, um in diesen Raum zu passen. Wenn wir andererseits zwei Pyrimidine zusammenbringen, die nur einen einzigen Ring enthalten, ist der Abstand zwischen ihnen zu groß, um Wasserstoffbrückenbindungen zu bilden, die etwa zwei Ångström lang sind.

Wenn wir jedoch ein Purin und ein Pyrimidin miteinander paaren, passen sie perfekt in die DNA-Helix und sind nahe genug, um Wasserstoffbrückenbindungen zu bilden. Wasserstoffbrückenbindungen können sich bilden, wenn ein Wasserstoffatom etwa zwei Ångström von einem elektronegativen Atom wie Sauerstoff oder Stickstoff entfernt ist.

Adenin hat ein Wasserstoffatom in der Nähe von Sauerstoff und Thymin. Und Thymin hat einen Wasserstoff in der Nähe von Stickstoff und Adenin. Dies führt zur Bildung von zwei Wasserstoffbrückenbindungen.

Adenin kann keine Wasserstoffbrückenbindungen mit Cytosin bilden, da Cytosin ein Wasserstoffatom hat, wo sich Sauerstoff und Thymin befinden würden. Und das Wasserstoffatom, das in Thymin vorhanden ist, fehlt in Cytosin.

Ein ähnliches Phänomen tritt im Guanin-Cytosin-Basenpaar auf, wo ein Sauerstoff in Guanin und ein Sauerstoff und ein Stickstoff in Cytosin jeweils gegenüber einem Wasserstoff positioniert sind, was zur Bildung von drei Wasserstoffbrückenbindungen führt, was bei der Guanin-Thymin-Basenpaarung nicht vorkommt.

Die hohe Spezifität der Basenpaarung, zusammen mit Hilfe von DNA-Replikationsenzymen, ist der Grund, warum Adenin immer mit Thymin und Guanin immer mit Cytosin paart.