L'associazione di una specifica purina a una specifica pirimidina è dovuta alla struttura e alle proprietà di ciascun anello e all'adattamento tridimensionale tra i complementi. Purina e pirimidina sono composti organici ad anello aromatici che fungono da elementi costitutivi dell'acido nucleico. Nel DNA, le purine si presentano come adenina e guanina, mentre le pirimidine si presentano come timina e citosina. Nell'accoppiamento della base del DNA, l'adenina si accoppia con la timina e la guanina si accoppia con la citosina.
Le coppie di basi corrispondenti composte da una purina e una pirimidina formano legami di idrogeno. Le purine hanno una struttura a doppio anello e le pirimidine hanno una struttura a singolo anello. L'adenina e la timina hanno entrambi due siti in cui formano legami di idrogeno l'uno con l'altro, mentre la guanina e la citosina hanno tre siti. Legate insieme, queste basi azotate formano i pioli della scala del DNA, o doppia elica.
Il legame dell'idrogeno tra gli anelli è possibile solo in una specifica forma tautomerica. Come spiegato dal Dipartimento di Chimica dell'Università del Maine, i tautomeri sono isomeri legati alla posizione mutevole di un singolo idrogeno e di un doppio legame. Per ognuna delle quattro basi azotate, deve essere incorporata una specifica forma tautomerica per un corretto legame, stabilità e attaccamento alla spina dorsale zucchero-fosfato del DNA. Se le coppie di basi sono i pioli di una scala, la spina dorsale zucchero-fosfato agisce come i lati della scala. Con una torsione elicoidale della scala, c'è meno ingombro sterico tra atomi vicini nella molecola del DNA.
