Acidul dezoxiribonucleic sau ADN-ul este din care sunt făcute genele. În cadrul unei molecule de ADN, apar patru blocuri diferite de nucleotide. Fiecare conține un zahăr cu cinci atomi de carbon și o grupă fosfat, dar diferă în funcție de ce bază organică este atașată. Cele patru baze găsite într-o moleculă de ADN sunt adenina, timina, citozină și guanina.
O moleculă de ADN este alcătuită din două fire de nucleotide care spiralează una în jurul celeilalte pentru a forma o dublă helix. Coloana vertebrală nucleotidă este creată de zahărul unei legături nucleotide cu gruparea fosfat a următoarei. Cele două catene sunt ținute împreună prin legături de hidrogen între bazele nucleotidelor opuse. Această legătură de hidrogen este foarte specifică și are loc numai între perechile de baze complementare.
Structura fiecărei baze determină baza exactă cu care se va asocia. Toate cele patru baze au o structură ciclică care conține atât atomi de carbon, cât și atomi de azot, așa că sunt adesea denumite baze azotate. Deși fiecare are o structură chimică diferită, acestea sunt grupate în două categorii în funcție de numărul de inele pe care le conțin. Adenina și guanina sunt baze purinice și au o structură inelară dublă. Citozina și timina au o singură structură inelală și sunt baze pirimidinice.
Două constrângeri importante sunt impuse modului în care treptele încrucișate dintre catenele ADN pot fi formate pentru a se forma legăturile de hidrogen și pentru a avea loc înfăşurarea regulată a dublei helix. În primul rând, bazele purinice se leagă numai cu bazele pirimidinice. Prin legarea bazelor purinice numai cu bazele pirimidinice, lungimea treptei încrucișate dintre catenele ADN va rămâne constantă. Dacă bazele purinice s-ar putea lega cu bazele purinice sau bazele pirimidinice cu bazele pirimidinice, lungimea treptei transversale s-ar modifica, determinând ca molecula de ADN să se încline înăuntru și în afara.
În al doilea rând, și mai precis, adenina se leagă numai de timină, iar citozina se leagă doar de guanina. Când adenina se leagă de timină, se formează două legături de hidrogen. Se formează trei legături de hidrogen între citozină și guanină. Doar aceste două perechi sunt capabile să formeze legăturile de hidrogen necesare pentru a menține stabilitatea moleculei de ADN.
Ceea ce nu este important în molecula de ADN este ordinea în care apar bazele. Aceasta înseamnă că pot exista patru trepte încrucișate diferite – adenină cu timină, timină cu adenină, citozină cu guanină și guanină cu citozină. Acest lucru este semnificativ din punct de vedere biologic deoarece înseamnă că secvența de baze a unei catene a unei molecule de ADN specifică secvența de baze a celeilalte catene. Cu alte cuvinte, cele două fire pot fi separate și pot fi făcute copii exacte de fiecare dată când o celulă se divide.
Timina este unică printre cele patru baze, deoarece apare doar în moleculele de ADN. Adenina, citozina și guanina se găsesc și în nucleotidele care formează acidul ribonucleic sau ARN. În cadrul unei molecule de ARN, timina este înlocuită cu uracil.