Molekyylibiologiassa komplementaarisuus tarkoittaa sitä, että DNA:n ja RNA:n kaltaisten nukleiinihapojen yksittäisten nukleotidien typpiemäkset muodostavat parin vain tietyntyyppisten emästen kanssa. Kukin typpiemäs voi muodostaa sidoksen vain yhtä tai kahta muuta emästä vastaavan emäksen kanssa, jolloin muodostuu niin kutsuttu emäspari. Nämä emäsparit ovat sidoksissa toisiinsa ei-kovalenttisilla vuorovaikutuksilla, erityisesti vetysidoksilla, sekä emäsparien välisten litostus- eli emäspariketjujen pinoutumisella (base stacking), jotka yhdessä vakauttavat kaksoiskierteen tai sekundäärirakenteita.

Periaatteessa komplementaarisuus merkitsee sitä, että DNA:ssa ja RNA:ssa on kullakin emäksellä yksi ensisijainen kumppani: puriinit parittuvat pyrimidiinien kanssa (A ja G ovat puriineja; C, T ja U pyrimidiineja). Tämä mahdollistaa sen, että entsyymit voivat kopioida tai rakentaa vastakkaisen, komplementaarisen säikeen mistä tahansa yksittäisestä säikeestä. Tätä ilmiötä hyödynnetään sekä solun omassa DNA:n replikaatiossa että transkription (RNA-synteesin) aikana.

  • A ja T
  • C ja G

Huomaa, että RNA:ssa tymin (T) korvautuu urasiililla (U), joten RNA:ssa vasteparit ovat yleensä A–U ja C–G. Lisäksi RNA:ssa esiintyy usein niin kutsuttua wobble-paritusta, esimerkiksi G–U-pari, joka sallii joustavamman parittumisen erityisesti lähetti-RNA:n ja siirtäjä-RNA:n (tRNA) vuorovaikutuksissa.

Mekaniikka ja suuntaisuus

Komplementaariset nukleiinihapposäikeet ovat antiparalleleja: toisen säikeen 5'-pää vastaa toisen 3'-päätä. Emäsparit muodostuvat aina puriinin ja pyrimidiinin välillä (A–T/U, C–G), ja parien lukumäärä vaikuttaa kahden säikeen väliseen vakauteen: A–T-pari muodostaa tyypillisesti kaksi vetysidosta ja C–G-pari kolme, minkä vuoksi C–G-rikkaat alueet ovat lämpötilan nousulle (melting temperature, Tm) vastustuskykyisempiä. Emäspari- ja pinoutumisvuorovaikutukset selittävät kaksoiskierteen geometrian ja biologiset toiminnot kuten replikaation, transkription ja DNA:n korjausmekanismit.

Esimerkki

Esimerkiksi DNA-jakson (kirjoitettuna 5'→3' -suunnassa)

5' — A G T C A T G — 3'

komplementaarinen säie (saman suunnan mukaisesti kirjattuna, eli 3'→5' emäspari kunkin emäksen kohdalla) on

3' — T C A G T A C — 5'

Jos halutaan esittää komplementaarinen säie myös 5'→3' -suunnassa (niin sanottu käänteiskomplementti), se on

5' — C A T G A C T — 3'.

Merkitys käytännössä

Komplementaarisuuden ansiosta biologiset prosessit kuten DNA:n replikaatio, RNA:n transkriptio ja monet korjaus- ja rekombinaatiomekanismit voivat toimia tarkasti. Sitä hyödynnetään myös laboratoriotekniikoissa, esimerkiksi PCR:ssä, DNA-hybridisaatiossa, sekvenoinnissa ja mikrosirutekniikoissa, joissa tietyn nukleiinihapposekvenssin tunnistaminen tai kopioiminen perustuu nimenomaan emäspariperiaatteeseen.

Poikkeukset ja erityistapaukset

Vaikka perussääntö A–T(U) ja C–G pätee useimmissa tapauksissa, luonnossa esiintyy poikkeuksia ja erityisrakenteita: heteroduplexit, mismatches (virheelliset pariutumat), epätavalliset emäkset ja kemialliset modifikaatiot voivat heikentää tai muuttaa parien muodostumista. RNA:ssa intramolekulaarinen parittuminen johtaa sekundäärirakenteisiin, kuten silmukoihin ja hairpin-rakenteisiin, jotka ovat tärkeitä esimerkiksi ribosomi- ja ribozyme-funktioissa.

Komplementaarisuus on siis keskeinen periaate, joka selittää, miten geneettinen informaatio tallennetaan, kopioidaan ja luetaan biologisissa järjestelmissä sekä miten sitä voidaan teknisesti hyödyntää laboratoriossa ja bioteknologiassa.