El ácido desoxirribonucleico, o ADN, es de lo que están hechos los genes. Dentro de una molécula de ADN, ocurren cuatro bloques de construcción de nucleótidos diferentes. Cada uno contiene un azúcar de cinco carbonos y un grupo fosfato, pero difiere dependiendo de la base orgánica que se adjunta. Las cuatro bases que se encuentran en una molécula de ADN son adenina, timina, citosina y guanina.
Una molécula de ADN está formada por dos hebras de nucleótidos que giran en espiral entre sí para formar una doble hélice. La columna vertebral de nucleótidos es creada por el azúcar de un nucleótido que se une al grupo fosfato del siguiente. Las dos hebras se mantienen unidas por enlaces de hidrógeno entre las bases de los nucleótidos opuestos. Este enlace de hidrógeno es muy específico y solo ocurre entre pares de bases complementarios.
La estructura de cada base determina la base exacta con la que se emparejará. Las cuatro bases tienen una estructura de anillo que contiene átomos de carbono y nitrógeno, por lo que a menudo se las denomina bases nitrogenadas. Aunque cada uno tiene una estructura química diferente, se agrupan en dos categorías según la cantidad de anillos que contienen. La adenina y la guanina son bases purínicas y tienen una estructura de doble anillo. La citosina y la timina tienen una estructura de anillo único y son bases de pirimidina.
Se imponen dos limitaciones importantes sobre cómo se pueden formar los peldaños cruzados entre las hebras de ADN para que se formen los enlaces de hidrógeno y se produzca el enrollamiento regular de la doble hélice. Primero, las bases de purina solo se unen con bases de pirimidina. Al tener solo bases de purina enlazadas con bases de pirimidina, la longitud del escalón cruzado entre las hebras de ADN permanecerá constante. Si las bases de purina pudieran unirse con bases de purina o las bases de pirimidina con bases de pirimidina, la longitud del peldaño cruzado cambiaría haciendo que la molécula de ADN se arqueara hacia adentro y hacia afuera.
En segundo lugar, y más específicamente, la adenina solo se une a la timina y la citosina solo se une a la guanina. Cuando la adenina se une con la timina, se forman dos enlaces de hidrógeno. Se forman tres enlaces de hidrógeno entre la citosina y la guanina. Solo estos dos pares son capaces de formar los enlaces de hidrógeno necesarios para mantener la estabilidad de la molécula de ADN.
Lo que no tiene importancia en la molécula de ADN es el orden en que aparecen las bases. Esto significa que puede haber cuatro peldaños cruzados diferentes: adenina con timina, timina con adenina, citosina con guanina y guanina con citosina. Esto es biológicamente significativo, ya que significa que la secuencia de bases de una hebra de una molécula de ADN especifica la secuencia de bases de la otra hebra. En otras palabras, las dos hebras se pueden separar y hacer copias exactas cada vez que una célula se divide.
La timina es única entre las cuatro bases, ya que solo se encuentra en moléculas de ADN. La adenina, la citosina y la guanina también se encuentran en los nucleótidos que forman el ácido ribonucleico o ARN. Dentro de una molécula de ARN, la timina es reemplazada por uracilo.