Warum bildet Cytosin nur mit Guanin und Adenin nur mit Thymin Wasserstoffbrücken aus?

Moin,

das hat verschiedene Gründe:

1. Der Bau der Basen
Die vier Basen unterscheiden sich und lassen sich in zwei Gruppen einteilen:
Adenin (A) und Guanin (G) gehören zu den sogenannten Purinbasen; sie haben ein Doppelringsystem als Grundgerüst (großes Molekül).
Thymin (T) und Cytosin (C) gehören dagegen zu den sogenannten Pyrimidinbasen; sie bestehen nur aus einem einfachen Ring (kleines Molekül).

2. Die Basenpaarungen
An den Paarungen A – T bzw. T – A und C – G bzw. G – C kannst du sehen, dass sich immer eine Purin- mit einer Pyrimidinbase paart (großes Molekül mit kleinem Molekül). Dadurch haben die „Sprossen” im Strickleiterbau der DNA immer die gleiche Länge. Die DNA ist ein gleichmäßig breites Molekül...
Eine A – G- bzw. G – A-Paarung würde zwei große Moleküle paaren; diese „Sprosse” wäre also länger oder anders gesagt: der gleichmäßige Bau der DNA könnte nicht eingehalten werden.
Eine C – T- bzw. T – C-Paarung würde dagegen zwei kleine Moleküle paaren; die Stellen, die für die Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen fähig wären, kämen nicht zusammen und wären zu weit voneinander entfernt.

3. Die Wasserstoffbrückenbindung selbst
Damit sich eine Wasserstoffbrückenbindung ausbilden kann, müssen ein paar Voraussetzungen erfüllt sein.
Zunächst muss es polare Bindungen geben. Diese kommen zustande, wenn die Unterschiede der Elektronegativitätswerte beider Bindungspartner größer als 0,5 sind. Das ist zum Beispiel bei N–H-Bindungen oder O–H-Bindungen der Fall, nicht jedoch bei einer C–H-Bindung. Durch die polare Bindung entstehen Teilladungen (Partialladungen) an den Bindungspartnern. Das Stickstoff- oder das Sauerstoffatom sind negativ teilgeladen, während das Wasserstoffatom eine positive Partialladung trägt. So kommt es, dass der positivierte Wasserstoff Kontakt zu negativierten Atomen aufnehmen kann (elektrostatische Anziehungskräfte zwischen verschieden geladenen Teilchen).
Aber das reicht noch nicht. Damit sich eine Art Bindung ausbilden kann, müssen am negativierten Atom (N, O) außerdem noch freie, nicht-bindende Elektronenpaare vorhanden sein. Das ist sowohl am Sticktstoffatom als auch am Sauerstoffatom der Fall.
Deshalb können sich zwischen positivierten Wasserstoffatomen und den freien Elektronenpaaren der negativierten Stickstoff- oder Sauerstoffatome Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden.

Diese Wasserstoffbrückenbindungen können sich bei der Basenpaarung A – T bzw. T – A und der Paarung C – G bzw. G – C ausbilden.

Bei A – T bilden sich zwei Wasserstoffbrückenbindungen aus. Bei der Paarung zwischen C – G sogar drei:

Wenn du dagegen A (Purinbase) und C (Pyrimidinbase) paaren ließest, stieße ein positivierter Wasserstoff der einen Aminogruppe (am Adenin unten) auf einen ebenfalls positivierten Wasserstoff einer Aminogruppe (am Cytosin unten). Ebenso würden ein negativierter Stickstoff des Adenins (Mitte) auf einen ebenso negativierten Stickstoff des Cytosins (Mitte) stoßen. Da könnten sich also in beiden Fällen keine Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden.

Ähnlich wäre es bei der Paarung G – T, wo sich höchstens eine Wasserstoffbrückenbindung zwischen der Purin- und der Pyrimidinbase ausbilden könnte (anstatt der drei Wasserstoffbrückenbindungen bei der Paarung C – G).

Deshalb paaren sich ganz klar bevorzugt die Basen Adenin und Thymin bzw. Cytosin mit Guanin miteinander.

Hin und wieder kommt es allerdings doch einmal zu Fehlpaarungen (zum Beispiel bei der Replikation oder der Transkription). Doch solche Fehlpaarungen werden in der Regel von Reparatursystemen rasch erkannt und nachträglich korrigiert. Wenn das nicht passiert, kann es zu (einmaligen oder permanenten) Mutationen kommen, über deren Wert dann evolutive Prozesse entscheiden...

Alles klar?

LG von der Waterkant

Weil an den jeweiligen Stellen Elektronenpaar Donatoren mit den Akzeptoren Paare bilden. Eine Wasserstoffbrücke benötigt beides mit einem elektronegativen Element (Partialladung).