Deoxiribonukleinsyra, eller DNA, är vad gener är gjorda av. Inom en DNA-molekyl förekommer fyra olika nukleotidbyggstenar. Var och en innehåller en socker- och en fosfatgrupp med fem kolatomer, men skiljer sig beroende på vilken organisk bas som är fäst. De fyra baserna som finns i en DNA-molekyl är adenin, tymin, cytosin och guanin.
En DNA-molekyl är uppbyggd av två strängar av nukleotider som spirar runt varandra för att bilda en dubbelspiral. Nukleotidryggraden skapas genom att sockret i en nukleotid binder till fosfatgruppen i nästa. De två strängarna hålls samman av vätebindningar mellan baserna i de motsatta nukleotiderna. Denna vätebindning är mycket specifik och sker endast mellan komplementära baspar.
Strukturen för varje bas avgör den exakta basen den kommer att paras med. Alla fyra baserna har en ringstruktur som innehåller både kol- och kväveatomer, så de kallas ofta för kvävehaltiga baser. Även om var och en har en annan kemisk struktur, är de grupperade i två kategorier baserat på antalet ringar de innehåller. Adenin och guanin är purinbaser och har en dubbelringstruktur. Cytosin och tymin har en enda ringstruktur och är pyrimidinbaser.
Två viktiga begränsningar läggs på hur korsstegarna mellan DNA-strängarna kan bildas för att vätebindningarna ska bildas och dubbelspiralens regelbundna lindning ska ske. För det första binder purinbaser endast till pyrimidinbaser. Genom att endast ha purinbaser som binder till pyrimidinbaser kommer längden på korssteget mellan DNA-strängarna att förbli konstant. Om purinbaser kunde binda med purinbaser eller pyrimidinbaser med pyrimidinbaser, skulle längden på korssteget ändras vilket får DNA-molekylen att böja sig in och ut.
För det andra, och mer specifikt, binder endast adenin till tymin och endast cytosin binder till guanin. När adenin binder till tymin bildas två vätebindningar. Tre vätebindningar bildas mellan cytosin och guanin. Endast dessa två par är kapabla att bilda de nödvändiga vätebindningarna för att upprätthålla stabiliteten hos DNA-molekylen.
Det som är oviktigt i DNA-molekylen är i vilken ordning baserna uppträder. Det betyder att det kan finnas fyra olika tvärsteg – adenin med tymin, tymin med adenin, cytosin med guanin och guanin med cytosin. Detta är biologiskt signifikant eftersom det betyder att bassekvensen för en sträng av en DNA-molekyl specificerar bassekvensen för den andra strängen. Med andra ord kan de två strängarna separeras och exakta kopior göras varje gång en cell delar sig.
Tymin är unikt bland de fyra baserna eftersom det bara förekommer i DNA-molekyler. Adenin, cytosin och guanin finns också i nukleotider som utgör ribonukleinsyra, eller RNA. Inom en RNA-molekyl ersätts tymin med uracil.