niezwykłe właściwości kwasów nukleinowych, które kwalifikują te substancje jako nośniki informacji genetycznej, zwróciły uwagę wielu badaczy. Podwaliny położyli pionierzy biochemii, którzy odkryli, że kwasy nukleinowe są długołańcuchowymi cząsteczkami, których tylne kości składają się z powtarzających się sekwencji wiązań fosforanowych i cukrowych—cukru rybozy w RNA i cukru deoksyrybozy w DNA. Do ogniw cukrowych w kręgosłupie dołączone są dwa rodzaje zasad azotowych: puryn i pirymidyn. Purynami są adenina (A) i guanina (G) w DNA i RNA; pirymidyny to cytozyna (C) i tymina (T) w DNA i cytozyna (C) i uracyl (U) w RNA. Do każdego cukru przyłączona jest pojedyncza puryna lub pirymidyna, a cała podjednostka fosforanowo-cukrowo-zasadowa nazywana jest nukleotydem. Kwasy nukleinowe ekstrahowane z różnych gatunków zwierząt i roślin mają różne proporcje czterech nukleotydów. Niektóre są stosunkowo bogatsze w adeninę i tyminę, podczas gdy inne mają więcej guaniny i cytozyny. Jednak biochemik Erwin Chargaff stwierdził, że ilość a jest zawsze równa T, a ilość G jest zawsze równa C.

wraz z ogólną akceptacją DNA jako chemicznej podstawy dziedziczności na początku lat 50.wielu naukowców zwróciło uwagę na ustalenie, w jaki sposób zasady azotowe pasują do siebie, tworząc cząsteczkę przypominającą nitkę. Struktura DNA została określona przez amerykańskiego genetyka Jamesa Watsona i brytyjskiego biofizyka Francisa Cricka w 1953 roku. Watson i Crick oparli swój model w dużej mierze na badaniach brytyjskich fizyków Rosalind Franklin i Maurice Wilkins, którzy przeanalizowali wzorce dyfrakcji rentgenowskiej, aby pokazać, że DNA jest podwójną helisą. Odkrycia Chargaffa sugerowały Watsonowi i Crickowi, że adenina w jakiś sposób łączy się z tyminą, a guanina z cytozyną.

korzystając z tych informacji, Watson i Crick wymyślili swój słynny model pokazujący DNA jako podwójną helisę złożoną z dwóch splecionych łańcuchów nukleotydów, w których adeniny jednego łańcucha są połączone z tyminami drugiego, a guaniny w jednym łańcuchu są połączone z cytozynami drugiego. Struktura przypomina drabinę, która została skręcona w spiralny kształt: boki drabiny składają się z grup cukru i fosforanów, a szczeble składają się ze sparowanych zasad azotowych. Tworząc model przewodowy struktury, stało się jasne, że jedynym sposobem, w jaki model mógł spełniać wymagania molekularnych wymiarów DNA, było zawsze sparowanie a z T I G Z C; w rzeczywistości pary A-T I G-C wykazały satysfakcjonujące dopasowanie zamka i klucza. Chociaż większość wiązań w DNA to silne wiązania kowalencyjne, to wiązania A-T I G-C to słabe wiązania wodorowe. Jednak wiele wiązań wodorowych wzdłuż środka cząsteczki zapewnia wystarczającą stabilność, aby utrzymać obie nici razem.

Encyclopædia Britannica, Inc.

dwie nici podwójnej helisy Watsona i Cricka były antyrównoległe; to znaczy, nukleotydy były ułożone w przeciwnej orientacji. Można to zobrazować, jeśli kształt L nukleotydu jest wyobrażony jako skarpeta: szyjka skarpety to podstawa azotowa, palec to grupa fosforanowa, a pięta to grupa cukrowa. Łańcuch nukleotydowy byłby wtedy ciągiem skarpet przymocowanych piętą do palca, z szyjkami skierowanymi do środka cząsteczki DNA. W jednej nici układ szkieletu cukrowo-fosforanowego byłby toe-heel-toe-heel i tak dalej, a w drugiej nici w tym samym kierunku układ byłby heel-toe-heel-toe. Chemicznie pięta jest końcem 3 ’- hydroksylowym, a palec to koniec 5 ’ – fosforanowy. (Nazwy te pochodzą od atomów węgla, przez które powstaje połączenie cukier-fosforan.) Zatem jedna nić DNA biegnie od 5′ → 3′ (pięć pierwszych do trzech pierwszych), podczas gdy druga biegnie od 3′ → 5′.

Watson i Crick zauważyli, że zaproponowana przez nich struktura DNA spełnia dwie niezbędne cechy dziedzicznej cząsteczki. Po pierwsze, cząsteczka dziedziczna musi być zdolna do replikacji, aby informacje mogły być przekazywane następnej generacji; dlatego Watson i Crick wysunęli hipotezę, że jeśli dwie połówki podwójnej helisy mogą się rozdzielić, mogą działać jako szablony do syntezy dwóch identycznych podwójnych Helis. Po drugie, cząsteczka dziedziczna musi zawierać informacje, aby kierować rozwojem kompletnego organizmu; dlatego Watson i Crick spekulowali, że sekwencja nukleotydów może reprezentować zakodowane informacje tego rodzaju. Późniejsze badania wykazały, że ich spekulacje w obu punktach były poprawne.