腺嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶和鸟嘌呤它们都是含氮碱基。在dna中，胞嘧啶和鸟嘌呤结合，腺嘌呤仅与胸腺嘧啶结合和。这些含氮碱基的结构很好的解释了为什么会有这样的规则。
首先，我们要明白，腺嘌呤和鸟嘌呤属于嘌呤碱基，胞嘧啶和胸腺嘧啶属于嘧啶碱基。
嘌呤在其一般结构中具有连接到嘧啶环的咪唑环。在双链dna中，它的两条链之间的空间只能够容纳一个嘌呤和一个嘧啶。两个嘌呤体积太大，无法塞进直径仅为2纳米的双螺旋结构中，嘧啶又距离彼此太远，它们需要移动到足够近的距离，以便在它们之间形成氢键。因此一个嘌呤必须与一个嘧啶形成氢键。
现在看腺嘌呤，我们看到两个可能的氢键位点，n1和氨基。为了与两者形成氢键，我们需要氢以电负性原子连接在一起以及在特定构型中都具有电负性原子。 胸腺嘧啶可以满足这个条件，而胞嘧啶却不能满足这些条件。 因此腺嘌呤的n1与n3的氢键合，氨基的氢与胸腺嘧啶的氧代基团键合。
同样的道理也可以用来分析鸟嘌呤和胞嘧啶的结合。只有胞嘧啶可以与其在双链dna中形成氢键，从而使得dna的结构如图所示。所以，胞嘧啶只与鸟嘌呤结合，腺嘌呤只与胸腺嘧啶结合。
为什么胞嘧啶和鸟嘌呤有3个氢键？
氧和氮是在含氮碱基中发现的带负电的原子， 具有自由孤对的负电性o和n原子是潜在的氢键受体。与o和n等负电极性原子相连的氢原子具有强的部分正电荷，是潜在的氢键供体。
下图中的虚线表示氢键供体（氢原子很容易失去电子）和氢键受体（具有至少一个孤对电子的电负性原子）之间的非共价吸引力。
含氮碱中的许多氧，氮和氢原子是非常有效的氢键供体和受体，如下图所示。
另外，在上图忽略了靠近糖基(r)基团的潜在氢键供体和受体。这是因为靠近糖-磷酸骨架的含氮碱基的那些部分将不能用于与该对中的另一个碱基的氢键结合。
鸟嘌呤和胞嘧啶组成含氮碱基对，因为它们的可用的氢键供体和氢键受体可以相互配对。
这如下图所示，用虚线表示氢键，图片突出显示了dna双螺旋中鸟嘌呤和胞嘧啶之间的氢键。
腺嘌呤和胸腺嘧啶也是通过氢键供体和受体配对的，然而腺嘌呤和胸腺嘧啶碱基对之间仅具有两个氢键。
为什么鸟嘌呤和胞嘧啶很稳定？
g（鸟嘌呤）c（胞嘧啶）碱基对由三个氢键结合，而a（腺嘌呤）t（胸腺嘧啶）和a（腺嘌呤）u（尿嘧啶）碱基对由两个氢键结合。为了强调这种差异，我们可以用g≡c和a=t或a=u这样的写法来表示氢键数的差异。具有低g≡c含量的dna不如具有高g≡c含量的dna稳定。然而，人们最终确定氢键本身对稳定性没有特别显着的影响，稳定性主要来自碱基堆积的相互作用。
已经表明，在较高温度下原核生物最佳生长与结构化rna的gc含量之间存在很强的相关性。au碱基与含有3个氢键的gc碱基对相比，其稳定性略差，这使得高gc含量的rna结构更耐受高温的影响。最近，已经证明双链核酸热稳定性的最稳定因素实际上是由于相邻碱基的碱基堆积，而不是碱基之间的氢键数。由于外环基团的相对位置，g:c对比a:u对具有更好的堆积能量。此外，碱基堆积的顺序与热稳定性之间也存在相关性。
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