Nukleotida adalah molekul kompleks yang merupakan blok bangunan untuk asam deoksiribonukleat (DNA) dan asam ribonukleat (RNA). Setiap nukleotida memiliki tiga bagian – gula lima karbon, gugus fosfat dan basa organik. Ada dua variasi gula, tergantung pada apakah nukleotida berada dalam molekul DNA atau RNA. Juga, salah satu dari lima basa organik yang berbeda dapat melekat pada setiap nukleotida – adenin, sitosin, guanin, timin atau urasil. Sitosin, guanin, dan adenin ditemukan di molekul RNA dan DNA, sedangkan timin hanya ada di DNA dan urasil hanya ada di RNA.
Kelima basa memiliki struktur cincin kompleks yang terdiri dari atom karbon dan nitrogen. Karena atom nitrogen yang ditemukan di cincin, basa juga disebut sebagai basa nitrogen. Masing-masing basa memiliki struktur kimia yang berbeda dari empat lainnya, yang memungkinkan pasangan basa tertentu antara masing-masing basa.
Lima basa dapat dibagi menjadi dua kelompok berdasarkan jumlah cincin yang ditemukan dalam struktur kimianya. Basa purin terdiri dari dua cincin atom dan basa pirimidin hanya memiliki satu cincin atom. Basa purin meliputi adenin dan guanin, sedangkan basa pirimidin adalah sitosin, timin, dan urasil. Ketika basa berpasangan dan berikatan bersama, basa purin hanya berikatan dengan basa pirimidin. Lebih khusus lagi, hanya ikatan adenin dengan timin atau urasil dan hanya ikatan sitosin dengan guanin.
Pasangan basa spesifik ini sangat penting untuk stabilitas molekul DNA, yang terdiri dari dua untai nukleotida yang spiral bersama untuk membentuk heliks ganda. Kedua untai disatukan oleh ikatan hidrogen antara basa komplementer pada setiap untai. Adenin dan timin diikat oleh dua ikatan hidrogen, sedangkan guanin dan sitosin diikat oleh tiga ikatan hidrogen. Hanya pasangan ini yang mampu membentuk ikatan hidrogen yang diperlukan untuk membuat molekul DNA stabil.
Dengan ikatan yang hanya terjadi antara basa purin dan basa pirimidin, jarak antara dua untai tetap seragam, menambah stabilitas lebih lanjut pada molekul DNA. Ketika basa purin berikatan dengan basa pirimidin, molekul cincin ganda berikatan dengan molekul cincin tunggal. Jika basa purin terikat dengan basa purin, maka dua molekul cincin ganda akan terikat, atau jika basa pirimidin terikat pada basa pirimidin, maka dua molekul cincin tunggal akan terikat. Jika semua skenario ikatan ini terjadi, molekul DNA akan melengkung masuk dan keluar dan tidak seragam, yang akan mempengaruhi struktur dan stabilitasnya secara keseluruhan. Memiliki molekul DNA yang stabil sangat penting untuk sukses, karena membawa informasi genetik untuk setiap organisme.