Deoksiribonukleiinihappo eli DNA on se, mistä geenit muodostuvat. DNA-molekyylissä esiintyy neljä erilaista nukleotidirakennuspalikoita. Jokainen sisältää viiden hiilen sokeri- ja fosfaattiryhmän, mutta vaihtelee riippuen siitä, mikä orgaaninen emäs on kiinnittynyt. DNA-molekyylissä olevat neljä emästä ovat adeniini, tymiini, sytosiini ja guaniini.
DNA-molekyyli koostuu kahdesta nukleotidisäikeestä, jotka kiertävät toistensa ympäri muodostaen kaksoiskierteen. Nukleotidirunko muodostuu yhden nukleotidin sokerista, joka sitoutuu seuraavan nukleotidin fosfaattiryhmään. Kaksi juostetta pidetään yhdessä vetysidoksilla vastakkaisten nukleotidien emästen välillä. Tämä vetysidos on hyvin spesifinen ja tapahtuu vain komplementaaristen emäsparien välillä.
Jokaisen alustan rakenne määrittää tarkan pohjan, jonka kanssa se paritetaan. Kaikilla neljällä emäksellä on rengasrakenne, joka sisältää sekä hiili- että typpiatomeja, joten niitä kutsutaan usein typpipitoisiksi emäksiksi. Vaikka jokaisella on erilainen kemiallinen rakenne, ne ryhmitellään kahteen luokkaan niiden sisältämien renkaiden lukumäärän perusteella. Adeniini ja guaniini ovat puriiniemäksiä ja niillä on kaksoisrengasrakenne. Sytosiinilla ja tymiinillä on yksi rengasrakenne ja ne ovat pyrimidiiniemäksiä.
Kaksi tärkeää rajoitusta asetetaan sille, kuinka DNA-säikeiden väliset poikkipuolet voidaan muodostaa, jotta vetysidokset muodostuvat ja kaksoiskierteen säännöllinen kiertyminen tapahtuu. Ensinnäkin puriiniemäkset sitoutuvat vain pyrimidiiniemästen kanssa. Kun vain puriiniemäkset sitoutuvat pyrimidiiniemästen kanssa, DNA-juosteiden välisen poikkiviivan pituus pysyy vakiona. Jos puriiniemäkset voisivat sitoutua puriiniemästen kanssa tai pyrimidiiniemäkset pyrimidiiniemästen kanssa, poikittaispulman pituus muuttuisi aiheuttaen DNA-molekyylin taipumisen sisään ja ulos.
Toiseksi ja tarkemmin sanottuna adeniini sitoutuu vain tymiiniin ja sytosiini vain guaniiniin. Kun adeniini sitoutuu tymiiniin, muodostuu kaksi vetysidosta. Sytosiinin ja guaniinin välille muodostuu kolme vetysidosta. Vain nämä kaksi paria pystyvät muodostamaan tarvittavat vetysidokset DNA-molekyylin stabiilisuuden ylläpitämiseksi.
DNA-molekyylissä ei ole väliä emästen ilmestymisjärjestys. Tämä tarkoittaa, että poikkipuolta voi olla neljä: adeniini tymiinin kanssa, tymiini adeniinin kanssa, sytosiini guaniinin kanssa ja guaniini sytosiinin kanssa. Tämä on biologisesti merkittävää, koska se tarkoittaa, että DNA-molekyylin yhden juosteen emässekvenssi määrittää toisen juosteen emässekvenssin. Toisin sanoen nämä kaksi säiettä voidaan erottaa ja tehdä tarkkoja kopioita joka kerta, kun solu jakautuu.
Tymiini on ainutlaatuinen neljän emäksen joukossa, koska sitä esiintyy vain DNA-molekyyleissä. Adeniinia, sytosiinia ja guaniinia löytyy myös nukleotideista, jotka muodostavat ribonukleiinihapon tai RNA:n. RNA-molekyylissä tymiini korvataan urasiililla.