Nukleotidi su složene molekule koje su građevni blokovi za deoksiribonukleinsku kiselinu (DNK) i ribonukleinsku kiselinu (RNA). Svaki nukleotid ima tri dijela – šećer s pet ugljika, fosfatnu skupinu i organsku bazu. Postoje dvije varijacije šećera, ovisno o tome nalazi li se nukleotid u molekuli DNA ili RNA. Također, na svaki nukleotid može se vezati jedna od pet različitih organskih baza – adenin, citozin, gvanin, timin ili uracil. Citozin, gvanin i adenin nalaze se i u RNA i u DNK molekulama, dok je timin samo u DNK, a uracil samo u RNA.
Svih pet baza ima složenu strukturu prstena sastavljenu od atoma ugljika i dušika. Zbog atoma dušika koji se nalaze u prstenu, baze se također nazivaju dušičnim bazama. Svaka od baza ima kemijsku strukturu koja se razlikuje od ostale četiri, što omogućuje specifično uparivanje baza između svake od baza.
Pet baza može se podijeliti u dvije skupine na temelju broja prstenova koji se nalaze u njihovoj kemijskoj strukturi. Purinske baze se sastoje od dva prstena atoma, a pirimidinske baze imaju samo jedan atomski prsten. Purinske baze uključuju adenin i gvanin, dok su pirimidinske baze citozin, timin i uracil. Kada se baze spajaju i vežu zajedno, purinske baze se vežu samo s pirimidinskim bazama. Točnije, adenin se veže samo s timinom ili uracilom, a citozin samo s gvaninom.
Ovo specifično uparivanje baza vrlo je važno za stabilnost molekule DNA, koja se sastoji od dva lanca nukleotida koji se spiralno spajaju u dvostruku spiralu. Dva lanca drže zajedno vodikove veze između komplementarnih baza na svakom lancu. Adenin i timin su povezani s dvije vodikove veze, dok su gvanin i citozin povezani s tri vodikove veze. Samo su ti parovi sposobni formirati potrebne vodikove veze kako bi molekula DNK bila stabilna.
Vezanjem koja se javlja samo između purinskih baza i pirimidinskih baza, udaljenost između dva lanca ostaje ujednačena, dodajući dodatnu stabilnost molekuli DNA. Kada se purinska baza veže s bazom pirimidina, molekula s dvostrukim prstenom veže se na molekulu s jednim prstenom. Ako bi se purinska baza vezala s bazom purina, tada bi se spojile dvije molekule s dvostrukim prstenom, ili ako bi se pirimidinska baza vezala na pirimidinsku bazu, tada bi se spojile dvije jednostruke molekule prstena. Kada bi se dogodili svi ovi scenariji vezanja, molekula DNK bi se savijala i izlazila i ne bi bila jednolična, što bi utjecalo na njenu ukupnu strukturu i stabilnost. Imati stabilnu molekulu DNK imperativ je za uspjeh, jer nosi genetske informacije za svaki organizam.