Τα νουκλεοτίδια είναι πολύπλοκα μόρια που αποτελούν τα δομικά στοιχεία για το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA) και το ριβονουκλεϊκό οξύ (RNA). Κάθε νουκλεοτίδιο έχει τρία μέρη – ένα σάκχαρο πέντε άνθρακα, μια φωσφορική ομάδα και μια οργανική βάση. Υπάρχουν δύο παραλλαγές του σακχάρου, ανάλογα με το αν το νουκλεοτίδιο βρίσκεται σε ένα μόριο DNA ή RNA. Επίσης, μία από τις πέντε διαφορετικές οργανικές βάσεις μπορεί να συνδεθεί σε κάθε νουκλεοτίδιο – αδενίνη, κυτοσίνη, γουανίνη, θυμίνη ή ουρακίλη. Η κυτοσίνη, η γουανίνη και η αδενίνη βρίσκονται και στα μόρια του RNA και του DNA, ενώ η θυμίνη βρίσκεται μόνο στο DNA και η ουρακίλη μόνο στο RNA.
Και οι πέντε βάσεις έχουν μια σύνθετη δομή δακτυλίου που αποτελείται από άτομα άνθρακα και αζώτου. Λόγω των ατόμων αζώτου που βρίσκονται στον δακτύλιο, οι βάσεις αναφέρονται και ως αζωτούχες βάσεις. Κάθε μία από τις βάσεις έχει μια χημική δομή που διαφέρει από τις άλλες τέσσερις, η οποία επιτρέπει το συγκεκριμένο ζεύγος βάσεων μεταξύ καθεμιάς από τις βάσεις.
Οι πέντε βάσεις μπορούν να χωριστούν σε δύο ομάδες με βάση τον αριθμό των δακτυλίων που βρίσκονται στη χημική τους δομή. Οι βάσεις πουρίνης αποτελούνται από δύο δακτυλίους ατόμων και οι βάσεις πυριμιδίνης έχουν μόνο έναν δακτύλιο ατόμων. Οι βάσεις πουρίνης περιλαμβάνουν αδενίνη και γουανίνη, ενώ οι βάσεις πυριμιδίνης είναι η κυτοσίνη, η θυμίνη και η ουρακίλη. Όταν οι βάσεις ζευγαρώνουν και συνδέονται μεταξύ τους, οι βάσεις πουρινών συνδέονται μόνο με τις βάσεις πυριμιδίνης. Πιο συγκεκριμένα, η αδενίνη συνδέεται μόνο με τη θυμίνη ή την ουρακίλη και η κυτοσίνη μόνο με τη γουανίνη.
Αυτό το συγκεκριμένο ζεύγος βάσεων είναι πολύ σημαντικό για τη σταθερότητα ενός μορίου DNA, το οποίο αποτελείται από δύο κλώνους νουκλεοτιδίων που σπειροειδώς σχηματίζουν μια διπλή έλικα. Οι δύο κλώνοι συγκρατούνται μεταξύ τους με δεσμούς υδρογόνου μεταξύ συμπληρωματικών βάσεων σε κάθε κλώνο. Η αδενίνη και η θυμίνη συνδέονται με δύο δεσμούς υδρογόνου, ενώ η γουανίνη και η κυτοσίνη συνδέονται με τρεις δεσμούς υδρογόνου. Μόνο αυτά τα ζεύγη είναι ικανά να σχηματίσουν τους απαιτούμενους δεσμούς υδρογόνου για να κάνουν το μόριο του DNA σταθερό.
Με τη σύνδεση που συμβαίνει μόνο μεταξύ βάσεων πουρίνης και βάσεων πυριμιδίνης, η απόσταση μεταξύ των δύο κλώνων παραμένει ομοιόμορφη, προσθέτοντας περαιτέρω σταθερότητα στο μόριο DNA. Όταν μια βάση πουρίνης συνδέεται με μια βάση πυριμιδίνης, ένα μόριο διπλού δακτυλίου συνδέεται με ένα μόριο μονήρους δακτυλίου. Εάν μια βάση πουρίνης συνδεόταν με μια βάση πουρίνης, τότε θα προσκολληθούν δύο μόρια διπλού δακτυλίου ή εάν μια βάση πυριμιδίνης συνδεθεί με μια βάση πυριμιδίνης, τότε θα προσκολληθούν δύο μόρια απλού δακτυλίου. Εάν συνέβαιναν όλα αυτά τα σενάρια σύνδεσης, το μόριο του DNA θα έκλινε μέσα και έξω και δεν θα ήταν ομοιόμορφο, κάτι που θα επηρέαζε τη συνολική δομή και τη σταθερότητά του. Η ύπαρξη ενός σταθερού μορίου DNA είναι επιτακτική ανάγκη για επιτυχία, καθώς μεταφέρει τη γενετική πληροφορία για κάθε οργανισμό.