DNA塩基ペアリング

DNAはねじれたはしごに似ています。そして、DNAラダーの横木は、窒素含有塩基の相補的なペアです。塩基対形成の規則によれば、プリンであるアデニンは、ピリミジンであるチミンと2つの水素結合を持つチミンと対になります。そして、プリンであるグアニンは、ピリミジンであるシトシンと3つの水素結合を持つピリミジンと一緒に現れます。しかし、なぜプリン体は常にピリミジンとペアになるのでしょうか?

立体的制約、つまりDNAのリン酸糖骨格によって課せられる空間的制約により、DNA二重らせんの塩基対に使用できるのは10.85オングストロームの空間のみです。

プリン体は二重のリング構造をしています。したがって、2つのプリン体を合わせると、このスペースに収まるには大きすぎます。一方、環が1つしかない2つのピリミジンを一緒にすると、それらの間の距離が大きすぎて、約2オングストロームの長さの水素結合が形成されます。

しかし、プリンとピリミジンを組み合わせると、DNAヘリックス内に完全に収まり、水素結合を形成するのに十分な距離になります。水素結合は、水素原子が酸素や窒素などの電気陰性原子から約2オングストローム離れている場合に形成されます。

アデニンは、酸素とチミンの近くに水素原子を1つ持っています。そしてチミンは窒素とアデニンに近い水素を1つ持っています。これにより、2つの水素結合が形成されます。

アデニンはシトシンと水素結合を形成できません、なぜならシトシンは酸素とチミンがあるはずの場所に水素原子を持っているからです。そして、チミンに存在する水素原子はシトシンには存在しません。

同様の現象がグアニンシトシン塩基対でも発生し、グアニン中の酸素とシトシン中の酸素と窒素がそれぞれ水素の向かいに位置し、グアニンチミン塩基対では起こらない3つの水素結合が形成されます。

塩基対形成の高い特異性とDNA複製酵素の助けにより、アデニンは常にチミンと対になり、グアニンは常にシトシンと対になります。