為什麼生物的核酸鹼基會互補配對？

01-15

想不通，求解。為什麼會有這種原則，什麼決定的。高中生一枚，不喜勿噴。

從物理化學的角度來說，核酸鹼基會互補配對的根本原因是：鹼基是個雜環芳香分子。

鹼基的芳香性保證了所有鹼基雜環上的原子都是共平面的，而且同一條鏈上相鄰的兩個鹼基之間會通過 $pi -pi$ 相互作用產生鹼基堆積現象（也就是說所謂的鹼基堆積力其實就是兩層芳香環之間的電子云重疊），這就保證了核酸雙鏈或多鏈結構中鹼基能分層有序排列。

而雜環上的高電負性的氮和氧原子，則保證了鹼基能夠提供足夠的氫鍵供體和受體原子，使得同層鹼基之間能形成兩個或以上的氫鍵，這就使得同層的鹼基能夠配對。

實際上鹼基配對是相當多樣的，中學裡教的只有A-T C-G 順式watson-crick配對，然而除了這種經典的配對形式以外，還有非常多樣的非經典配對形式。具體可參考 @Leng Yeo 的這篇

知乎專欄

至於磷酸核糖骨架，那不是決定核酸能互補配對的關鍵。實際上，科學家們試過把磷酸核糖骨架修改得面目全非（如Peptide nucleic acid 、Threose nucleic acid、假設有一種阿拉伯糖核酸，除了五碳糖是阿拉伯糖之外，一級結構和 RNA 的相同，對其高級結構有什麼影響?），照樣能鹼基配對。

謝邀。這其實是一個很有深度的問題，因個人知識所限，先拋個磚頭。

RNA中的情況會複雜很多，所以這裡先考慮DNA。DNA中的鹼基"恰好"以AT/CG互補配對佔主導地位而其他形式是自由能不偏好的，這看起來似乎非常「巧」。單純討論核酸配對自由能的ontology大概是沒有意義的，因為這隻能說明"生來就是那個樣子"。下面從代謝和進化兩方面簡單加以考慮。

修過生化的童鞋都知道，鹼基的合成特別是嘌呤的合成是一個極為複雜，需要消耗很多能量的過程。當然我對代謝一竅不通，但是學到這個過程的時候我和很多人的感覺都是一樣的，就是這幾乎是一個"設計"出來的過程。當然，大部分人都不會明顯茲瓷"設計論"，而會說這是creationists蠱惑民眾的陰謀（滑稽）。

Purine metabolism

從某種意義上說，在自然界「發明」出嘌呤之前，它似乎也需要有儲存遺傳信息的方法。問題在於這個方法是什麼？這就是abiogenesis這一領域的關鍵問題了。這裡涉及到的時間節點甚至比"RNA世界"的年代還要古久得多，因為RNA中也包含嘌呤。當然我對abiogenesis也接觸得很少......不作過多評論。

RNA的配合性質是很複雜的，而且鹼基的變體也有很多。DNA的配對性質則十分簡潔，這是DNA可以作為中心法則的中心（拗口）的一個理由。那麼DNA的互補配對性質得到"選擇"的原因是什麼呢？我的（小）猜想是DNA的互補配對性質是伴隨依賴核酸的核酸聚合酶（拗口）的發展而得到選擇的。簡單說來，自然界「發現」自己優化依賴核酸的核酸聚合酶與核苷酸變體到適應DNA/RNA互補配對特異性在總體上是符合發展的需求的（滑稽）。這其中可能的原因是更高的鹼基配對特異性可以使依賴核酸的核酸聚合酶合成的雙鏈結構具有更高的穩定性。而因為DNA的化學性質導致自然界"找到"了AT/GC互補這一"局部最優解"，所以DNA的四元組合就一直沿用至今。

就說這麼多，歡迎批評╰(*°Д°*)╯

簡單來說就是AT CG 可以穩定配對。

起到穩定的作用通常是氫鍵 (H-bonding )還有 pi-pi 芳香環疊加 (pi-pi aromatic stacking). 這兩個作用一起提供了精確的穩定作用，保證新和成的雙鏈dna結構穩定，被聚合酶 polymerase 識別，繼續合成雙鏈DNA。

下面這張圖上半部分就是 pi-pi 疊加作用力過於強大導致新合成的鹼基嵌到了舊鏈上，不能被聚合酶繼續識別：

鹼基配對一個新的方向是人造新的鹼基。最早人們是想通過仿造自然的鹼基... 結果發現完全不行，人造的氫鍵和芳香環的穩定作用完全比不上ATCG 提供的.

研究過很多鹼基，包括使用雜環，擴大芳香環面積，增加氫鍵，反正都沒有辦法提供自然界ATCG 那樣穩定的結構：

前兩年Floyd E. Romesberg 大神找出來這樣一組：

不僅能夠提供恰到好處的穩定作用，新合成的雙鏈還能被聚合酶完美識別. 進一步的研究表明，這組新的鹼基對能夠在圖一那種過度嵌入的情況發生後，自動回到完美配對的構型。

總結的來說，鹼基配對是由於氫鍵和芳香環疊加提供了精確的穩定作用力，保證了雙鏈DNA 的穩定結構... 至於為什麼是ATCG 這兩組... 這就是大自然的鬼斧神工了...

reference：

1）Malyshev, D. A.; Pfaff, D. A.; Ippoliti, S. I.; Hwang, G.
T.; Dwyer, T. J.; Romesberg, F. E. Chemistry 2010, 16,
12650.

2）Seo, Y.
J.; Hwang, G. T.; Ordoukhanian, P.; Romesberg, F. E. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131,
3246.

3）Lavergne, T.; Malyshev, D. A.; Romesberg, F. E. Chemistry 2012, 18, 1231.

直覺上猜測，拋開所以人類沙文主義的干擾，沒有為什麼，純粹的巧合。或許能有其他的遺傳信息載體，不過地球上是核糖核酸佔了先機並發展出了最初的細胞尺度生命。由此一發不可收拾取得了主導。

類似DNA的物質還有很多，比如肽鍵鏈接核糖鹼基的PNA（DNA是磷酸二酯鍵）、異形鹼基（ATCUG除外的別種鹼基）等。

謝邀。

具體不懂，隨便說下。

鹼基互補配對原則是指DNA中AT，CG配對，RNA中AU，CG配對。原理很簡單，這是分子結構決定的配對方式，圖中的虛線是氫鍵，AT/AU之間會有兩條，CG之間是三條。

這個原則非常重要，鹼基的一對一配對，能保證遺傳信息在傳播過程中的穩定。

DNA和RNA是遺傳信息的載體，鹼基就是密碼，目前的原則可以讓這個密碼穩定地轉運、複製和翻譯。

如果A同時對應T和C，那麼一條核苷酸單鏈ATTG就會對應TAAC和CAAC兩種，一個生物體內有多少鹼基，就會產生多少的不唯一鹼基對，而DNA的複製、轉運、翻譯是在不斷發生的，這樣造成的影響就是，DNA的內容在不斷地不可控制地變化。不要說遺傳到下一代，個體的存續都無法維持。

那麼，如果A對應A，T對應T，這樣是否可以呢？這樣也是一對一，但是……鹼基配對需要鹼基之間在一定條件下才會形成，同種物質之間產生這樣配對的物理/化學變化……我覺得不太可能。至少在目前的ATCGU的體系下，我們知道這五個鹼基都不會與自己配對。

最後，我想說的是，這是一種有效的遺傳信息載體，但這不代表這是唯一可行的。同意 @趙三川的回答，只是這個系統率先成功，於是帶著這個系統的最初的生命就開始將它延續下來了。

這張圖挺大，挺清楚的。

在生物上剪窗花？不是吧，為了一個藝術至於么