Die DNA ist ein sehr langes, fadenförmiges Molekül. Ihre Bausteine heißen Nukleotide. Ein Nukleotid besteht aus drei Teilen: einem Phosphatrest, einem Zucker (Desoxyribose) und einer Base. Es gibt vier Basen: Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C).

Viele Nukleotide hängen wie Perlen an einer Schnur zu einem Strang zusammen. Die DNA besteht aus zwei Strängen, die durch ihre Basen verbunden sind. Dabei passt immer nur eine Base zu einer bestimmten anderen: A zu T und G zu C. Diese Regel heißt komplementäre Basenpaarung. Die Basenpaare halten die Stränge zusammen, ähnlich wie die Sprossen einer Leiter. Die Leiter ist zu einer Wendel verdreht: Das ist die Doppelhelix, die James Watson und Francis Crick 1953 als Modell aufgestellt haben.

Die Erbinformation steckt in der Reihenfolge der Basen. Sie ist wie ein Text, der mit nur vier Buchstaben geschrieben ist. Ein Gen ist ein Abschnitt dieser Reihenfolge, der den Bauplan für ein Protein enthält. Der einfache Chromosomensatz des Menschen hat etwa 3 Milliarden Basenpaare und rund 20.000 Gene. Ausgestreckt wäre die DNA einer Körperzelle etwa zwei Meter lang. Sie passt in den Zellkern, weil sie um Proteine gewickelt und vielfach gefaltet ist.

Vor jeder Zellteilung wird die DNA in der S-Phase der Interphase verdoppelt. Das heißt Replikation. Enzyme öffnen den Doppelstrang wie einen Reißverschluss. Jeder Einzelstrang dient nun als Vorlage. Das Enzym DNA-Polymerase setzt an jede Base die passende freie Base nach der Paarungsregel und verknüpft die neuen Nukleotide.

So entstehen zwei Doppelstränge, die untereinander und zur ursprünglichen DNA gleich sind. Jeder besteht aus einem alten und einem neuen Strang. Das ist die Grundlage der Erbgleichheit bei der Mitose. Gelegentlich geht beim Kopieren etwas schief. Meist werden solche Fehler repariert. Bleiben sie, ist eine Mutation entstanden.

Die RNA ist ein zweites Nukleinsäuremolekül. Sie unterscheidet sich von der DNA in drei Punkten: Sie hat nur einen Strang, ihr Zucker ist Ribose, und statt Thymin hat sie die Base Uracil (U). Uracil paart mit Adenin. Es gibt mehrere RNA-Arten. Die mRNA (Boten-RNA) ist eine Kopie eines Gens, die den Bauplan zu den Ribosomen bringt. Die tRNA (Transfer-RNA) bringt Aminosäuren zum Ribosom. Die rRNA ist ein Baustoff der Ribosomen.

Der Bauplan eines Proteins ist eine Folge von Aminosäuren. Der genetische Code legt fest, welche Basenfolge welche Aminosäure bedeutet. Drei aufeinanderfolgende Basen der mRNA, ein Triplett oder Codon, stehen für eine Aminosäure. Aus vier Basen ergeben sich 4 mal 4 mal 4 = 64 mögliche Tripletts, für nur 20 Aminosäuren. Darum haben viele Aminosäuren mehrere Codons, aber kein Codon steht für zwei verschiedene Aminosäuren. Das Codon AUG steht für Methionin und ist das Startcodon. UAA, UAG und UGA stehen für keine Aminosäure und sind Stoppcodons. Der Code gilt bei fast allen Lebewesen.

Die Proteinbiosynthese hat zwei Schritte.

• Transkription (im Zellkern): Ein Gen wird abgelesen. Die DNA öffnet sich an dieser Stelle. Das Enzym RNA-Polymerase baut an einem der beiden Stränge, dem Matrizenstrang, eine komplementäre mRNA zusammen. Die fertige mRNA verlässt den Zellkern durch die Kernporen.
• Translation (im Zellplasma am Ribosom): Das Ribosom liest die mRNA Codon für Codon. Jede tRNA trägt eine bestimmte Aminosäure und hat ein Antikodon, das zu einem Codon passt. Passt es, lagert die tRNA an, und die Aminosäure wird mit der vorherigen durch eine Peptidbindung verbunden. Bei einem Stoppcodon endet die Kette. Sie faltet sich zum Protein.

Ein Gen bestimmt ein Protein, das Genprodukt. Viele Proteine sind Enzyme, und Enzyme steuern Stoffwechselreaktionen. So kommt das Merkmal zustande: Gen, mRNA, Protein, Stoffwechselreaktion, Merkmal.

Oft folgen Reaktionen aufeinander, jede mit einem eigenen Enzym und einem eigenen Gen. Das ist eine Genwirkkette. Fällt ein Enzym aus, wird die Kette unterbrochen. Der Stoff davor häuft sich an, der Stoff danach fehlt. Beim Albinismus (Typ 1) fehlt ein funktionierendes Enzym für den Bau des Farbstoffs Melanin. Haut, Haare und Augen sind darum sehr hell. Ist ein Gen verändert, wie bei der Sichelzellenanämie, entsteht ein verändertes Protein und damit ein verändertes Merkmal. Viele Merkmale hängen von mehreren Genen und der Umwelt ab.