ДНК напоминает витую лестницу. А ступеньками лестницы ДНК являются комплементарные пары азотистых оснований. Согласно правилам спаривания оснований, аденин, пурин, соединяется с тимином, пиримидином, с двумя водородными связями.

А гуанин, пурин, появляется вместе с цитозином, пиримидином, с тремя водородными связями. Но почему пурины всегда образуют пары с пиримидинами? Из-за стерических ограничений, представляющих собой пространственные ограничения, налагаемые сахарофосфатным остовом ДНК, для пар оснований в двойной спирали ДНК доступно только пространство в 10, 85 ангстрем.

Пурины имеют двойную кольцевую структуру. Следовательно, два пурина вместе слишком велики, чтобы поместиться здесь. С другой стороны, если мы соединим вместе два пиримидина, которые содержат только одно кольцо, расстояние между ними будет слишком большим для образования водородных связей, длина которых составляет примерно два ангстрем.

Однако, если мы объединим пурин и пиримидин вместе, они идеально впишутся в спираль ДНК и будут достаточно близки, чтобы образовать водородные связи. Водородные связи могут образовываться, когда атом водорода находится на расстоянии примерно двух ангстрем от от электроотрицательного атома типа кислорода или азота. Аденин имеет один атом водорода, близкий к кислороду и тимину.

А тимин имеет один атом водорода, близкий к азоту и аденину. Это приводит к образованию двух водородных связей. Аденин не может образовывать водородные связи с цитозином, потому что у цитозина есть атом водорода вместо кислорода и тимина.

А атом водорода, который присутствует в тимине, отсутствует в цитозине. Аналогичное явление происходит в паре оснований гуанин-цитозин, где кислород в гуанине, а также кислород и азот в цитозине расположены напротив водорода, что приводит к образованию трех водородных связей, чего не происходит при спаривании оснований гуанин-тимин. Высокая специфичность спаривания оснований, наряду с помощью ферментов репликации ДНК, является причиной того, почему аденин всегда соединяется с тимином, а гуанин всегда соединяется с цитозином.