Nukleotide sind komplexe Moleküle, die die Bausteine für Desoxyribonukleinsäure (DNA) und Ribonukleinsäure (RNA) sind. Jedes Nukleotid besteht aus drei Teilen – einem Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen, einer Phosphatgruppe und einer organischen Base. Es gibt zwei Variationen des Zuckers, je nachdem, ob sich das Nukleotid in einem DNA- oder RNA-Molekül befindet. Außerdem kann an jedes Nukleotid eine von fünf verschiedenen organischen Basen angehängt werden – Adenin, Cytosin, Guanin, Thymin oder Uracil. Cytosin, Guanin und Adenin kommen sowohl in RNA- als auch in DNA-Molekülen vor, während Thymin nur in DNA und Uracil nur in RNA vorkommt.
Alle fünf Basen haben eine komplexe Ringstruktur aus Kohlenstoff- und Stickstoffatomen. Aufgrund der im Ring befindlichen Stickstoffatome werden die Basen auch als stickstoffhaltige Basen bezeichnet. Jede der Basen hat eine chemische Struktur, die sich von den anderen vier unterscheidet, was eine spezifische Basenpaarung zwischen jeder der Basen ermöglicht.
Die fünf Basen lassen sich anhand der Anzahl der Ringe in ihrer chemischen Struktur in zwei Gruppen einteilen. Purinbasen bestehen aus zwei Atomringen und Pyrimidinbasen haben nur einen Atomring. Zu den Purinbasen gehören Adenin und Guanin, während die Pyrimidinbasen Cytosin, Thymin und Uracil sind. Wenn sich die Basen paaren und miteinander verbinden, binden Purinbasen nur mit Pyrimidinbasen. Genauer gesagt bindet Adenin nur an Thymin oder Uracil und Cytosin bindet nur an Guanin.
Diese spezifische Basenpaarung ist sehr wichtig für die Stabilität eines DNA-Moleküls, das aus zwei Nukleotidsträngen besteht, die sich spiralförmig zu einer Doppelhelix zusammenfügen. Die beiden Stränge werden durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen komplementären Basen an jedem Strang zusammengehalten. Adenin und Thymin sind über zwei Wasserstoffbrücken verbunden, während Guanin und Cytosin über drei Wasserstoffbrücken verbunden sind. Nur diese Paare sind in der Lage, die erforderlichen Wasserstoffbrückenbindungen zu bilden, um das DNA-Molekül stabil zu machen.
Da die Bindung nur zwischen Purinbasen und Pyrimidinbasen auftritt, bleibt der Abstand zwischen den beiden Strängen gleichmäßig, was dem DNA-Molekül zusätzliche Stabilität verleiht. Wenn eine Purinbase an eine Pyrimidinbase bindet, bindet ein Doppelringmolekül an ein Einzelringmolekül. Wenn eine Purinbase mit einer Purinbase binden würde, dann würden zwei Doppelringmoleküle angehängt, oder wenn eine Pyrimidinbase an eine Pyrimidinbase gebunden wäre, würden zwei Einzelringmoleküle angehängt. Wenn all diese Bindungsszenarien eintreten würden, würde sich das DNA-Molekül nach innen und außen beugen und nicht einheitlich sein, was seine Gesamtstruktur und Stabilität beeinträchtigen würde. Ein stabiles DNA-Molekül ist für den Erfolg unerlässlich, da es die genetischen Informationen für jeden Organismus trägt.