DNA berfungsi sebagai bahan genetik untuk sel, baik prokariot maupun eukariot. Karena prokariot tidak memiliki sistem mebran internal, DNA tidak dipisahkan dari isi sel lainnya. Pada eukariot, DNA terletak di inti, dipisahkan dari sitoplasma oleh selubung inti. DNA eukariotik terikat ke protein, membentuk suatu kompleks yang dikenal sebagai kromatin. Selama interfase (sewaktu sel tidak membelah), kromatin dapat berbetuk padat (heterokromatin) atau difus (eukromatin), tetapi tidak dapat diamati adanya struktur yang jelas. Namun, selama mitosis (saat sel berada dalam proses membelah), kromatin memadat membentuk kromosom, yang dapat dilihat dan mempunyai ciri tersendiri, masing-masing terdiri dari dua kromatid bersaudara (sister chromatids) identik yang disatukan di regio sentromer. Mitokondria mengandung DNA, namun dalam jumlah yang sangat sedikit (kurang dari 0,1% DNA total dalm sel rata-rata). Pada tahun 1865, Frederick Meischer adalah orang yang pertama kali berhasil mengisolasi DNA, yang ia peroleh dari pus (nanah) yang dikerok dari pembalut bedah. Pada mulanya, para ilmuwan berspekulasi bahwa DNA adalah suatu bentuk penyimpanan sel untuk fosfat inorganik, suatu fungsi yang penting namun tidak menarik minat peneliti untuk mempelajarinya lebih lanjut. Akhirnya rincian struktur DNA ditentukan pada tahun 1953 oleh James Watson dan Francis Crick atau 90 tahun setelah DNA pertama kali diisolasi. Pada awal abad ke-20, basa-basa DNA berhasil diidentifikasi sebagai purin adenin (A) dan guanin (G), serta pirimidin sitosin (C) dan timin (T). gula yang terdapat pada struktur DNA ternyata adalah deoksiribosa, suatu turunan ribose, yang tidak memiliki sebuah gugus hidroksil pada karbon 2. Nukleotida, yang terdiri dari sebuah basa, sebuah gula dan fosfat dibuktikan merupakan unit monomerik asam nukleat. Basa nitrogen terikat melalui ikatan N-glikosidat ke karbon anomerik gula, dan fosfat inorganic membentuk suatu ester dengan gugus hidroksil gula. Pada tahun 1944, setelah Oswald Avery melakukan eksperimen yang memastikan bahwa DNA adalah bahan genetik maka ketertarikan peneliti untuk mempelajari struktur DNA mulai kuat. Digesti dengan enzim yang spesifisitasnya diketahui membuktikan bahwa fosfat inorganik berikatan dengan monomer nukleotida, membentuk suatu ikatan fosfodiester antara karbon-3 sebuah gula ndan karbon-5 gula berikutnya sepanjang rantai polinukleotida. Erwin Chargaff menganalisis komposisi basa DNA dari berbagai sumber dan menyimpulkan bahwa berdasarkan molar, jumlah adenin selalu sama dengan jumla timin sedangkan jumlah guanin sama dengan jumlah sitosin. Selama masa ini, James Watson dan Francis Crick ikut serta dan menggunakan informasi yang ada, termasuk data difraksi sinar-X dari Maurice Wilkins dan Rosalind Franklin, menyimpulkan bahwa DNA terdiri dari dua untai polinukleotida yang disatukan oleh pembentukan pasangan di antara basa-basa mereka. Akhirnya pada tahun 1953, mereka mempublikasikan sebuah makalah singkat yang menjelaskan DNA sebagai suatu heliks ganda. Untuk menjelaskan data Chargaff, Watson dan Crick mengajukan bahwa masing-masing molekul DNA terdiri dari dua rantai polinukleotida yang disatukan oleh ikatan hydrogen antara basa. Adenin pada satu untai membentuk pasangan basa dengan timin pada untai yang lain. Pasangan basa ini distabilkan oleh dua ikatan hidrogen. Jenis kedua pasangan basa DNA yakni ikatan hidrogen antara guanin dan sitosin, distabilkan oleh tiga ikatan hidrogen. Akibat pembentukan pasangan basa ini maka dua untai DNA dapat saling melengkapi (komplemengter) dan terikat satu sama lainnya. Konsep pembentukan pasangan basa terbukti penting untuk menentukan mekanisme replikasi DNA (di mana dibentuk salinan DNA yang didistribusikan ke sel-sel anak) dan mekanisme transkripsi dan translasi (di mana dihasilkan mRNA dari gen dan digunakan untuk translasi protein). Pembentukan pasangan basa memungkinkan satu untai DNA berfungsi sebagai cetakan untuk sintesis untai yang lain. Pembentukan pasangan basa juga memungkinkan satu untai DNA berfungsi sebagai cetakan untuk sintesis untai RNA yang saling melengkapi (komplementer). Watson dan Crick menyimpulkan bahwa dua untai DNA yang saling melengkapi berjalan dalam arah yang berlawanan. Seperti yang diperlihatkan pada salah satu untai polinukleotida, oksigen dari tiap cincin gula adalah di atas karbon sehingga karbon-5 di atas karbon 3. Untai ini dikatakan berjalan dalam arah 5 ke 3. Pada untai DNA yang lainnya, oksigen dari setiap cincin adalah di bawah karbon sehingga karbon 3 di atas karbon 5. Untai ini dikatakan berjalan dalam arah 3 dan 5. Jadi untai DNA bersifat antiparalel yaitu dua untai yang berjalan dalam arah yang berlawanan. Konsep pengarahan untai asam nukleat adalah penting untuk mengerti replikasi dan transkripsi. Karena setiap pasangan basa mengandung sebuah purin yang terikat dengan sebuah pirimidin, jarak antara pasangan basa yaitu jarak antara dua rangka fosofdiester adalah sekitar 11 AO. apabila dua untai yang sama jauhnya dari masing-masing diputar di bagian atas dan bawah akan terbentuk heliks ganda. Pada heliks ganda DNA, pasangan basa yang menggabungkan dua untai bertumpuk-tumpuk seperti tangga berbentuk spiral mengelilingi sepanjang aksis sentral molekul. Elektron pada pasangan basa yang berdekatan berinteraksi menghasilkan gaya penumpukan (stacking force) yang ikut menstabilkan heliks.Gugus fosfat pada rangka gula-fosfat terletak di sebelah luar heliks. Dua gugus asam pada masing-masing fosfat ikut terlibat dalam membentuk ester dengan gula di dekatnya. Gugus asam ketiga adalah bebas dan melepaskan sebuah proton pada pH fisiologis. Oleh karena itu, setiap heliks DNA memiliki muatan negatif yang menyelimuti permukaannya. Heliks mengandung alur yang ukurannya berselang-seling dan dikenal sebagai alur mayor dan minor. Basa dalam alur tersebut terpajan dan oleh karena itu dapat berinteraksi dengan protein atau molekul lain. Watson dan Crick menjelaskan adanya DNA bentuk B yakni suatu heliks yang berputar ke kanan yang jarak antara pasangan basa 3,4 AO dan 10 pasangan basa di setiap putaran. Walaupun dalam larutan encer bentuk ini adalah yang predominan, bentuk lain juga dapat dijumpai. Bentuk A, yang predominan pada hIbrid DNA-RNA, serupa dengan bentuk B, tetapi lebih tersusun rapat. Dalam bentuk Z, basa pada kedua untai DNA terletak ke arah perifer heliks yang berputar ke kiri. Bentuk heliks ini ditandai Z karena pada masing-masing untai, garis yang menghubungkan fosfat adalah berliku-liku (zig dan zag). Sebuah sel prokariotik umumnya memiliki kromosom tunggal yang terdiri dari DNA untai-ganda yang membetuk lingkaran. Molekul DNA sirkular ini berukuran sangat besar. Seluruh kromosom bakteri Escherichia coli, yang terdiri sebuah molekul DNA untai-ganda yang sirkular dan tunggal, mengandung lebih dari 4 x 106 pasangan basa. Berat molekulnya lebih dari 2.500 x 106. DNA sel eukariot bahkan lebih besar lagi dibandingkan dengan DNA bakteri. DNA kromosom manusia paling panjang memiliki ukuran 7 cm. Pada kenyataannya, DNA dari semua 46 kromosom dalam sebuah sel manusia diploid apabila disambung ujung ke ujung akan terentang dengan jarak 2 m. DNA ini mengandung 6 x 109 pasangan basa. Karena molekul DNA sangat besar, diperlukan kemasan khusus agar molekuk tersbut dapat termuat dalam sel. Pada E. coli, DNA sirkular membentuk supercoil dan melekat ke protein inti RNA. Eukariot mengandung lebih dari 1,000 kali jumlah DNA yang terdapat dalam prokariot. Akibatnya metode pengemasan DNAsel eukariotik menjadi lebih rumit. DNA eukariotik berinteraksi dengan protein basa kecil berukuran setara yang dikenal sebagai histon, yang mengandung banyak arginin dan lisin. Terdapat lima kelas histon yakni H1, H2A, H2B, H3 dan H4. Apabila kromatin (kompleks DNA dan protein yang terdapat di inti) diekstraksi dari sel, kromatin tersebutr akan tampak seperti manik-manik pada benang. Manic-manik dengan tonjolan DNA di masing-masing ujung dikenal sebagai nukleosom. Dua molekul dari masing-masing empat kelas histon (histon H2A, H2B, H3 dan H4) membentuk suatu inti yang dikelilingi oleh sekitar 140 pasangan basa DNA untai ganda yang terluka. DNA yang melingkar membungkus inti nukleosom bersambungan dan menghubungkan satu inti nukelosom dengan inti di sebelahna. DNA yang mengubungkan inti-inti tersebut membentuk kompleks dengan histon tipe kelim, H1. Penyusunan rapat lebih lanjut pada kromatin terjadi sewaktu benang-benang nukleosom memilin menjadi kumparan heliks tubukar (sering sering disebut struktur solenoid). Walaupun kompleksa DNA dan histon membentuk substruktur nukleosom kromatin, di inti protein jenis lain juga berikatan dengan DNA. Protein ini diberi nama protein kromosomal non-histon. Sel dari jaringan yang berbeda memiliki perbedaan dalam jumlah dan jenis protein ini, yang mencakup enzim yang bekerja pada DNA dan faktor yang mempengaruhi transkripsi.Genom atau kandungan genetik total pada sebuah sel haploid manusia terdistribus dalam 23 kromosom. Genom manusia mengandung 3 milyar pasangan basa. Pada sel diploid, masing-masing dari 22 kromosom autosom memiliki sebuah homolog. Kromosom homolog mengandung rangkaian gen yang sama yaitu memiliki urutan DNA yang sama. Namun, pasangan tersebut tidak perlu identik karena satu homolog berasal dari sperma haploid ayah dan satu homolog berasal dari telur haploid ibu sewaktu keduanya bersatu untuk membentuk zigot diploid. Selain kromosom autosom, masing-masing sel diploid memiliki dua kromosom seks yakni X dan Y. Wanita memiliki dua kromosom X dan pria memiliki satu kromosom X dan satu kromosom Y. jumlah total kromosom per sel diploid adalah 46 buah.Masing-masing gen pada kromosom sel diploid dicocokkan dengan alel yang sesuai pada kromosom yang homolog. Alel mungkin identik dalam urutan basa atau mungkin berbeda sampai tahap tertentu (satu berasal dari ayah dan satu berasal dari ibu). Apabila alel berbeda, urutan asam amino protein yang dihasilkan juga dapat berbeda. Genom sel prokariotik dan eukariotik berbeda ukurannya. Genom bakteri E. coli mengandung sekitar 3.000 gen. Semua DNA ini memiliki suatu fungsi. DNA tersebut berfungsi mengkode protein, rRna, dan tRna atau berfungsi mengatur sintesis produk gen. Sebaliknya, DNA manusia mengandung sekitar 50.000 sampai 100.000 gen, 10=30 kali dari jumlah pada E. coli. Namun genom pada sel haploid manusia berukuran sekitar 1.000 kali lebih besar dibandingkan dengan yang terdapat pada E. coli. Perbaikan DNA Walaupun terdapat mekanisme pengkoreksian cetakan percobaan dan perbaikan pembentukan pasangan basa yang tidak sepadan selama replikasi, sebagian basa yang tidak sepadan tersebut tetap ada. Selain itu, DNA dapat mengalami kerusakan akibat mutagen yang dihasilkan di dalam sel atau yang dihirup atau diserap dari lingkungan. Mutagen adalah agen yang merusak DNA, menyebabkan mutasi yang dapat menimbulkan efek yang merusak sel. Mutagen yang menyebabkan sel normal menjadi sel kanker dikenal sebagai karsinogen. Sayangnya, setiap hari terjadi kesalahan pembentukan pasangan basa dan kerusakan DNA menghasilkan ribuan lesi berpotensi mutagenik di dalam setiap sel. Tanpa mekanisme perbaikan, kita tidak dapat bertahan hidup dari berbagai serangan terhadap gen kita. Kerusakan DNA dapat disebabkan oleh radiasi atau oleh zat kimia. Bahan-bahan ini dapat secara langsung mempengaruhi DNA atau bekerja secara tidak langsung. Misalnya sinar-X, suatu jenis radiasi pengion, bekerja secara tidak langsung dengan merangsang molekul di dalam sel yang berinteraksi dengan DNA, mengubah struktur basa atau memutuskan untai DNA. Sementara pajanan ke sinar-X jarang terjadi, menghindari pajanan asap rokok jauh lebih sulit dan hampir tidak mungkin kita dapat mengindari pajanan sinar matahari. Asap rokok mengandung karsinogen misalnya hidrokarbon polisiklik aromatic benzo[a]piren. Apabila senyawa ini dioksidasi oleh enzim sel, yang secara normal berfungsi agar senyawa asing lebih larut air dan mudah diekskresikan, senyawa ini menjadi mampu membentuk produk kimia tambahan yang besar sekali sebagai residu guanin pada DNA. Sinar ultraviolet dari matahari juga menimbulkan distorsi (penyimoangan) pada heliks DNA. Sinar ultraviolet merangsang basa pirimidin yang berdekatan pada untai DNA, menyebabkan untai DNA tersebut membentuk dimer kovalen. Mekanisme yang digunakan untuk memperbaiki DNA memiliki banyak kesamaan. Pertama, distorsi (penyimpangan) pada heliks DNA dikenali dari regio yang mengandung distrosi tersebut disingkirkan. Celah pada untai yang rusak diganti dengan atau diisi oleh kerja DNA polimerase yang menggunakan untai utuh yang tidak rusak sebagai cetakan. Akhirnya, ligase menutup proses perbaikan pada untai yang telah menjalani perbaikan. 1. Perbaikan eksisi nukleotida Endonuklease yang mengenali distorsi (penyimoangan) lokal pada heliks DNA, misalnya pasangan basa yang tidak sepadan atau produk kimia tambahan yang besar sekali, memutuskan rantai yang abnormal dan mengeluarkan regio yang mengalami distorsi. Celah kemudia diisi oleh sebuah DNA polimerase yang menambahkan deoksiribonukleotida, satu setiap saat, ke ujung-3 DNA yang putus, menggunakan untai DNA komplementer yang utuh sebahai cetakan. Segmen yang baru disintesis digabung dengan ujung-5 pada sisa dari untai DNA smula oleh DNA ligase.

2. Perbaikan eksisi basaDNA glikosilase mengenali distorsi (penyimpangan) kecil pada DNA, yaitu lesi yang disebabka oleh kerusakan pada satu basa. Glikosilase memutuskan ikatan N-glikosidat yang menghubungkan basa yang rusak tersebut ke deoksiribosa. Rangka gula-fosfat pada DNA sekarang tidak memiliki sebuah basa di tempat ini (dikenal sebagai tempat apurinat atau apirimidinat, atau tempat AP). Kemudian AP endonuklease memutuskan untai gula-fosfat di tempat ini. Selanjutnya, jenis enzim yang sama yang berperan pada mekanisme perbaikan jenis lain memulihkan regio ini menjadi normal.3. Perbaikan basa yang tidak sepadanBasa yang tidak sepadan dikenali oleh enzim pada sistem sistem perbaikan basa yang tidak sepadan (mismatch repair system). Karena tidak ada kerusakan basa yang tidak sepadan, enzim perbaikan ini harus mampu menentukan basa mana yang harus diperbaiki. Kesalahan yang terjadi selama masa replikasi diperbaiki oleh kompleks enzim perbaikan basa yang tidak sepadan (mismatch repair system). Pada bakteri, untai DNA induk mengandung gugus metil pada basa dalam urutan yang spesifik. Selama replikasi, untai yang baru disintesis tidak segera mengalami metilasi. Sebelum terjadi metilasi, protein yang berperan pada perbaikan yang tidak sepadan dapat membedakan untai induk dari untai yang baru disintesis. Bagian pada untai baru yang belum mengalami metilasi, termasuk basa yang tidak sepadan, dikeluarkan dan digantiEnzim manusia juga dapat membedakan untai induk dari untai yang baru disintesis dan memperbaiki basa yang tidak sepadan. Namun, mekanisme ini belum diketahui sejelas mekanisme pada bakteri.4. Perbaikan transkripsi-berpasangan (transcription-coupled repair)

Gen yang secaraaktif ditranskripsikan untuk menghasilkan mRNA diperbaiki secara istimewa. RNA polymerase yang sedang melakukan transkripsi suatu gen akan berhenti apabila menemui daerah yang rusak pada cetakan DNA. Protein perbaikan eksisi mendekati tempat ini dan memperbaiki daerah yang rusak. Selanjutnya, RNA polimerase dapat melanjutkan proses transkripsi.