Desoxyribonukleinsäure oder DNA ist das, woraus Gene bestehen. Innerhalb eines DNA-Moleküls kommen vier verschiedene Nukleotidbausteine vor. Jeder enthält einen Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen und eine Phosphatgruppe, unterscheidet sich jedoch je nachdem, welche organische Base gebunden ist. Die vier Basen eines DNA-Moleküls sind Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin.
Ein DNA-Molekül besteht aus zwei Nukleotidsträngen, die sich spiralförmig umeinander drehen und eine Doppelhelix bilden. Das Nukleotidrückgrat wird durch den Zucker eines Nukleotids gebildet, das mit der Phosphatgruppe des nächsten bindet. Die beiden Stränge werden durch Wasserstoffbrücken zwischen den Basen der gegenüberliegenden Nukleotide zusammengehalten. Diese Wasserstoffbrückenbindung ist sehr spezifisch und tritt nur zwischen komplementären Basenpaaren auf.
Die Struktur jeder Base bestimmt die genaue Base, mit der sie gepaart wird. Alle vier Basen haben eine Ringstruktur, die sowohl Kohlenstoff- als auch Stickstoffatome enthält, daher werden sie oft als stickstoffhaltige Basen bezeichnet. Obwohl jeder eine andere chemische Struktur hat, werden sie basierend auf der Anzahl der darin enthaltenen Ringe in zwei Kategorien eingeteilt. Adenin und Guanin sind Purinbasen und haben eine Doppelringstruktur. Cytosin und Thymin haben eine einzelne Ringstruktur und sind Pyrimidinbasen.
Zwei wichtige Beschränkungen werden auferlegt, wie die Kreuzsprossen zwischen den DNA-Strängen gebildet werden können, damit sich die Wasserstoffbrückenbindungen bilden und die regelmäßige Windung der Doppelhelix stattfindet. Erstens binden Purinbasen nur mit Pyrimidinbasen. Indem nur Purinbasen mit Pyrimidinbasen binden, bleibt die Länge der Quersprosse zwischen den DNA-Strängen konstant. Wenn Purinbasen an Purinbasen oder Pyrimidinbasen an Pyrimidinbasen binden könnten, würde sich die Länge der Quersprosse ändern, wodurch das DNA-Molekül nach innen und außen gebogen werden könnte.
Zweitens und insbesondere bindet Adenin nur an Thymin und Cytosin nur an Guanin. Wenn Adenin mit Thymin bindet, werden zwei Wasserstoffbrücken gebildet. Zwischen Cytosin und Guanin werden drei Wasserstoffbrücken gebildet. Nur diese beiden Paare sind in der Lage, die notwendigen Wasserstoffbrückenbindungen zu bilden, um die Stabilität des DNA-Moleküls zu erhalten.
Was im DNA-Molekül unwichtig ist, ist die Reihenfolge, in der die Basen erscheinen. Das bedeutet, dass es vier verschiedene Kreuzsprossen geben kann – Adenin mit Thymin, Thymin mit Adenin, Cytosin mit Guanin und Guanin mit Cytosin. Dies ist biologisch bedeutsam, da die Basensequenz eines Strangs eines DNA-Moleküls die Basensequenz des anderen Strangs angibt. Mit anderen Worten, die beiden Stränge können bei jeder Zellteilung getrennt und exakte Kopien erstellt werden.
Thymin ist unter den vier Basen einzigartig, da es nur in DNA-Molekülen vorkommt. Adenin, Cytosin und Guanin werden auch in Nukleotiden gefunden, aus denen Ribonukleinsäure oder RNA besteht. Innerhalb eines RNA-Moleküls wird Thymin durch Uracil ersetzt.