Как мы уже знаем, спираль ДНК на всем своем протяжении имеет одинаковую толщину, что обеспечивается тем, что мелкие азотистые основания, содержащее лишь одно кольцо атомов (их название — ПИРИМИДИНЫ), всегда сопрягаются только с крупными, содержащими два кольца (их название — ПУРИНЫ), то есть в спирали ДНК пурины всегда сопрягаются с пиримидинами — как на картинке ниже.
Например, гуанин, как видно на этой картинке, содержит два кольца и является, таким образом, пурином.
Для того, чтобы связаться с цитозином, гуанин использует три атома — один атом водорода, принадлежащего «хвостику» NH₂, а также один атом водорода и один атом кислорода, торчащие в стороны от большого кольца. Так же, как и в цитозине, атомы колец гуанина пронумеровали для удобства. Таким образом цитозин (С) сопрягается с гуанином (G), образуя одну «ступеньку» С-G внутри спирали ДНК. Точно так же образуется вторая возможная пара: аденин (А)-тимин (Т).
Мы видим, что связи между тремя парами атомов гуанина и цитозина обозначены не так, как обозначены связи между другими атомами внутри молекул. Они обозначены не сплошной, а штриховой линией. Это связано с тем, что природа их химической связи другая. Внутри молекул атомы связаны очень прочной, так называемой «ковалентной» связью, в то время как штриховой линией обозначена слабая химическая связь, называемая «водородной».
(Что это означает и в чем между ними разница, ты узнаешь, прочтя цикл моих статей на тему электронных оболочек атомов и межатомных связей: https://vk.com/topic-154297467_38479325).
Но для нас сейчас важно то, что поскольку водородная связь слабая, то для того, чтобы она образовалась и стала удерживать вместе спаренные азотистые основания, необходимо точное пространственное соответствие молекул друг другу. Молекулы цитозина и гуанина должны не просто иметь нужные атомы с тех боков, где они соединяются, но еще и пространственно друг с другом хорошо сопрягаться, иметь подходящую для этого трехмерную структуру. Если бы молекула цитозина имела другую форму, никакого соединения бы не получилось — водородные связи попросту не смогли бы образоваться, азотистые основания не смогли бы спариваться, спираль ДНК бы не смогла существовать. Поэтому в результате естественного отбора выжили только такие существа, у которых конструкция азотистых оснований была оптимальной.
Структура азотистых оснований подобралась в результате эволюционных процессов таким образом, что в спирали ДНК образуются только две возможные пары: А-Т и С-G. Больше никаким образом они состыковаться между собой не могут (бывает точечное ошибочное спаривание, но это другая тема). Это называется «принципом комплементарности». Обрати внимание — правильно пишется «комплЕментарность», а не «комплИментарность». Комплименты тут не при чем, хотя, конечно, мы не можем исключить того, что комплементарность базируется на умении азотистых оснований подбирать друг для друга такие комплименты, что они просто не могут устоять и спариваются между собой несмотря на то, что в целом по своей конструкции пурины и пиримидины так сильно отличаются. Главное то, что они сумели подходящим образом изогнуться в месте сопряжения, и что в этих местах пространственного сопряжения у них оказались подходящие, притягивающиеся друг к другу части.
Молекула аденина в спирали ДНК комплементарна молекуле тимина, и только ей. Молекула цитозина комплементарна только молекуле гуанина. Отсюда следует, что если по какой-то причине две нити ДНК, составляющие спираль, разойдутся в стороны, то имея хотя бы одну из них мы легко сможем пристроить к ней вторую — точно такую же, какая была раньше, и восстановить структуру спирали. Именно такой механизм и используется при делении клетки для того, чтобы, имея одну спираль из двух молекул ДНК, на её основе создать две. Исходная спираль расслаивается, одиночные нити расходятся в стороны, после чего с помощью специальных инструментов к ним пристраиваются новые парные нити. Теперь вместо одной спирали ДНК имеется две, и клетка спокойно дальше может делиться на две части, каждая из которых по-прежнему несет в себе все полноту наследственной информации.
Можно воспользоваться тем, что буква «С» очень похожа на букву «G». Пользуясь таким мнемоническим правилом легко запомнить, что цитозин «С» соединяется только с гуанином «G», и вторая пара А-Т вспоминается автоматически.