Parowanie zasad i naprawa DNA

DNA przypomina skręconą drabinę. A szczeble drabiny DNA są komplementarnymi parami zasad azotowych. Zgodnie z regułami parowania zasad adenina, puryna, łączy się z tyminą, pirymidyną, z dwoma wiązaniami wodorowymi. A guanina, puryna, pojawia się z cytozyną, pirymidyną, z trzema wiązaniami wodorowymi. Ale dlaczego puryny zawsze łączą się z pirymidynami?

Ze względu na ograniczenia steryczne, to znaczy ograniczenia przestrzenne narzucone przez szkielet fosforanu cukru DNA, dla par zasad w podwójnej helisie DNA dostępna jest tylko przestrzeń 10,85 angstrema.

Puryny mają strukturę podwójnego pierścienia. Dlatego dwie puryny razem będą zbyt duże, aby zmieścić się w tej przestrzeni. Z drugiej strony, jeśli połączymy ze sobą dwie pirymidyny, które zawierają tylko jeden pierścień, odległość między nimi będzie zbyt duża, aby utworzyć wiązania wodorowe, które mają około dwóch angstremów długości.

Jeśli jednak połączymy ze sobą purynę i pirymidynę, idealnie pasują one do helisy DNA i są wystarczająco blisko, aby utworzyć wiązania wodorowe. Wiązania wodorowe mogą powstawać, gdy atom wodoru znajduje się w odległości około dwóch angstremów od atomu elektroujemnego, takiego jak tlen lub azot.

Adenina ma jeden atom wodoru zbliżony do tlenu i tyminy. A tymina ma jeden wodór zbliżony do azotu i adeniny. Prowadzi to do powstania dwóch wiązań wodorowych.

Adenina nie może tworzyć wiązań wodorowych z cytozyną, ponieważ cytozyna ma atom wodoru, w którym znajdowałby się tlen i tymina. A atom wodoru, który jest obecny w tyminie, jest nieobecny w cytozynie.

Podobne zjawisko zachodzi w parze zasad cytozyny guaniny, w której tlen w guaninie oraz tlen i azot w cytozynie są umieszczone naprzeciwko wodoru, co prowadzi do powstania trzech wiązań wodorowych, co nie ma miejsca w parowaniu zasad guaniny tyminy.

Wysoka specyficzność parowania zasad, wraz z pomocą enzymów replikacji DNA, powoduje, że adenina zawsze łączy się z tyminą, a guanina zawsze łączy się z cytozyną.