Nukleotidit ovat monimutkaisia molekyylejä, jotka ovat deoksiribonukleiinihapon (DNA) ja ribonukleiinihapon (RNA) rakennuspalikoita. Jokaisessa nukleotidissa on kolme osaa – viisi hiilisokeria, fosfaattiryhmä ja orgaaninen emäs. Sokerista on kaksi muunnelmaa riippuen siitä, onko nukleotidi DNA- vai RNA -molekyylissä. Lisäksi kuhunkin nukleotidiin voidaan kiinnittää yksi viidestä erilaisesta orgaanisesta emäksestä – adeniini, sytosiini, guaniini, tymiini tai urasiili. Sytosiinia, guaniinia ja adeniinia esiintyy sekä RNA- että DNA -molekyyleissä, kun taas tymiini on vain DNA: ssa ja urasiili on vain RNA: ssa.
Kaikilla viidellä emäksellä on monimutkainen rengasrakenne, joka koostuu hiili- ja typpiatomeista. Renkaassa olevien typpiatomien vuoksi emäksiä kutsutaan myös typpipitoisiksi emäksiksi. Jokaisella emäksellä on kemiallinen rakenne, joka eroaa muista neljästä, mikä mahdollistaa tietyn emäsparin muodostamisen kunkin emäksen välillä.
Viisi emästä voidaan jakaa kahteen ryhmään niiden kemiallisessa rakenteessa olevien renkaiden lukumäärän perusteella. Puriiniemäkset koostuvat kahdesta atomirenkaasta ja pyrimidiiniemäksissä on vain yksi atomirengas. Puriiniemäkset sisältävät adeniinin ja guaniinin, kun taas pyrimidiiniemäkset ovat sytosiini, tymiini ja urasiili. Kun emäkset muodostavat parin ja sitoutuvat yhteen, puriiniemäkset sitoutuvat vain pyrimidiiniemästen kanssa. Tarkemmin sanottuna vain adeniini sitoutuu tymiinin tai urasiilin kanssa ja sytosiini vain guaniinin kanssa.
Tämä erityinen emäspari on erittäin tärkeä DNA -molekyylin vakauden kannalta, sillä se koostuu kahdesta nukleotidisäikeestä, jotka kiertyvät yhdessä muodostaen kaksoiskierukan. Kaksi säiettä pidetään yhdessä vetysidoksilla kunkin juosteen komplementaaristen emästen välillä. Adeniini ja tymiini ovat kiinnittyneet kahdella vetysidoksella, kun taas guaniini ja sytosiini sitoutuvat kolmella vetysidoksella. Vain nämä parit kykenevät muodostamaan tarvittavat vetysidokset DNA -molekyylin vakauttamiseksi.
Sitoutumalla vain puriiniemästen ja pyrimidiiniemästen välillä, kahden juosteen välinen etäisyys pysyy yhtenäisenä, mikä lisää DNA -molekyylin vakautta. Kun puriiniemäs sitoutuu pyrimidiiniemäkseen, kaksoisrengasmolekyyli sitoutuu yhteen rengasmolekyyliin. Jos puriiniemäs sitoutuisi puriiniemäkseen, niin kaksi kaksirengasmolekyyliä kiinnittyisi, tai jos pyrimidiiniemäs olisi sitoutunut pyrimidiiniemäkseen, niin kaksi yksittäistä rengasmolekyyliä kiinnittyisi. Jos kaikki nämä sidosskenaariot tapahtuisivat, DNA -molekyyli kumartuisi sisään ja ulos eikä olisi yhtenäinen, mikä vaikuttaisi sen yleiseen rakenteeseen ja vakauteen. Vakaan DNA -molekyylin saaminen on välttämätöntä menestykselle, koska se kuljettaa geneettistä tietoa jokaisesta organismista.