Asam deoksiribonukleat, atau DNA, adalah penyusun gen. Dalam molekul DNA, empat blok bangunan nukleotida yang berbeda terjadi. Masing-masing mengandung gula lima karbon dan gugus fosfat, tetapi berbeda tergantung pada basa organik apa yang melekat. Empat basa yang ditemukan dalam molekul DNA adalah adenin, timin, sitosin, dan guanin.
Molekul DNA terdiri dari dua untai nukleotida yang berputar di sekitar satu sama lain untuk membentuk heliks ganda. Tulang punggung nukleotida dibuat oleh gula dari satu ikatan nukleotida dengan gugus fosfat berikutnya. Kedua untai disatukan oleh ikatan hidrogen antara basa nukleotida yang berlawanan. Ikatan hidrogen ini sangat spesifik dan hanya terjadi antara pasangan basa komplementer.
Struktur setiap basis menentukan basis yang tepat yang akan dipasangkannya. Keempat basa memiliki struktur cincin yang mengandung atom karbon dan nitrogen, sehingga sering disebut sebagai basa nitrogen. Meskipun masing-masing memiliki struktur kimia yang berbeda, mereka dikelompokkan menjadi dua kategori berdasarkan jumlah cincin yang dikandungnya. Adenin dan guanin adalah basa purin dan memiliki struktur cincin ganda. Sitosin dan timin memiliki struktur cincin tunggal dan merupakan basa pirimidin.
Dua batasan penting ditempatkan pada bagaimana anak tangga silang antara untaian DNA dapat dibentuk agar ikatan hidrogen terbentuk dan penggulungan heliks ganda yang teratur terjadi. Pertama, basa purin hanya berikatan dengan basa pirimidin. Dengan hanya memiliki ikatan basa purin dengan basa pirimidin, panjang anak tangga silang antara untai DNA akan tetap konstan. Jika basa purin dapat berikatan dengan basa purin atau basa pirimidin dengan basa pirimidin, panjang anak tangga silang akan berubah menyebabkan molekul DNA melengkung masuk dan keluar.
Kedua, dan lebih khusus lagi, adenin hanya berikatan dengan timin dan sitosin hanya berikatan dengan guanin. Ketika ikatan adenin dengan timin, dua ikatan hidrogen terbentuk. Tiga ikatan hidrogen terbentuk antara sitosin dan guanin. Hanya dua pasangan ini yang mampu membentuk ikatan hidrogen yang diperlukan untuk menjaga stabilitas molekul DNA.
Apa yang tidak penting dalam molekul DNA adalah urutan munculnya basa. Ini berarti bahwa mungkin ada empat anak tangga silang yang berbeda – adenin dengan timin, timin dengan adenin, sitosin dengan guanin, dan guanin dengan sitosin. Ini signifikan secara biologis karena ini berarti bahwa urutan basa dari satu untai molekul DNA menentukan urutan dasar untai lainnya. Dengan kata lain, dua untai dapat dipisahkan dan salinan yang tepat dibuat setiap kali sel membelah.
Timin unik di antara empat basa karena hanya terjadi pada molekul DNA. Adenin, sitosin dan guanin juga ditemukan dalam nukleotida yang membentuk asam ribonukleat, atau RNA. Dalam molekul RNA, timin digantikan oleh urasil.