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.

Erwin Chargaffs Regeln zur DNA-Äquivalenz ebneten den Weg für die Entdeckung der Basenpaarung in der DNA. Die Chargaff-Regeln besagen, dass in einem doppelsträngigen DNA-Molekül

die Menge an Adenin (A) ist gleich der Menge an Thymin (T);
die Menge an Guanin (G) gleich der Menge an Cytosin (C) ist, und
Die Summe der Purine A und G ist gleich der Summe der Pyrimidine C und T (d. h. A+G = C+T).

Spätere Arbeiten von Watson und Crick zeigten, dass in doppelsträngiger DNA A immer zwei Wasserstoffbrückenbindungen mit T und G immer drei Wasserstoffbrückenbindungen mit C bildet. Diese Basenpaarung behält eine konstante Breite der DNA-Doppelhelix bei, da sowohl A-T- als auch C-G-Paare 10,85Å lang sind und genau zwischen die beiden Zucker-Phosphat-Rückgrate passen.

Basenpaarungen führen dazu, dass die stickstoffhaltigen Basen für andere Moleküle unzugänglich sind, bis sich die Wasserstoffbrückenbindungen trennen. Spezifische Enzyme können diese Wasserstoffbrückenbrücken jedoch leicht aufbrechen, um notwendige Zellprozesse wie DNA-Replikation und Transkription durchzuführen. Da ein G-C-Paar mehr Wasserstoffbrückenbindungen aufweist als ein A-T-Paar, benötigt DNA mit einem hohen Anteil an G-C-Paaren die höhere Energie für die Trennung von zwei DNA-Strängen als einer mit einem ähnlichen Prozentsatz an A-T-Paaren.

Basenanaloga als Medizin

Die korrekte Basenpaarung ist für die originalgetreue Replikation der DNA unerlässlich. Basenanaloga sind Moleküle, die die Standard-DNA-Basen während der DNA-Replikation ersetzen können. Diese Analoga sind wirksame antivirale und krebshemmende Mittel gegen Krankheiten wie Hepatitis, Herpes und Leukämie. Aciclovir, auch bekannt als Acicloguanosin, ist ein basisches Analogon von Guanin und wird häufig bei der Behandlung des Herpes-simplex-Virus eingesetzt. Der Guanin-Teil von Aciclovir paart sich wie üblich während der DNA-Replikation mit Adenin; Da sie jedoch kein 3'-Ende des Nukleotids hat, kann die DNA-Polymerase nicht weiter Basenpaare bilden, und die Replikation endet.

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