DNA und RNA sind lange lineare Polymere, die Nukleinsäuren genannt werden und Informationen in einer Form tragen, die von einer Generation zur nächsten weitergegeben werden kann. Diese Makromoleküle bestehen aus einer großen Anzahl miteinander verbundener Nukleotide, die jeweils aus einem Zucker, einem Phosphat und einer Base bestehen. Die durch Phosphate verknüpften Zucker bilden ein gemeinsames Grundgerüst, während die Basen aus vier verschiedenen Arten bestehen. Die genetische Information ist in dieser Abfolge von Basen entlang einer Nukleinsäurekette gespeichert. Die Basen haben noch eine weitere besondere Eigenschaft: Sie bilden spezifische Paare miteinander, die durch Wasserstoffbrücken stabilisiert werden. Die Basenpaarung führt zur Bildung einer Doppelhelix, einer schraubenförmigen Struktur, die aus zwei Strängen besteht. Diese Basenpaare bieten einen Mechanismus zum Kopieren der genetischen Information in einer bestehenden Nukleinsäurekette, um eine neue Kette zu bilden. Obwohl die RNA wahrscheinlich schon sehr früh in der Evolutionsgeschichte als genetisches Material diente, bestehen die Gene aller modernen Zellen und vieler Viren aus DNA. Die DNA wird durch die Wirkung von DNA-Polymerase-Enzymen repliziert. Diese äußerst spezifischen Enzyme kopieren Sequenzen von Nukleinsäurevorlagen mit einer Fehlerquote von weniger als 1 in 100 Millionen Nukleotiden.

Gene spezifizieren die Arten von Proteinen, die von Zellen hergestellt werden, aber DNA ist nicht die direkte Vorlage für die Proteinsynthese. Vielmehr sind die Vorlagen für die Proteinsynthese RNA-Moleküle (Ribonukleinsäure). Insbesondere eine Klasse von RNA-Molekülen, die so genannte Messenger-RNA (mRNA), ist das informationstragende Zwischenglied der Proteinsynthese. Andere RNA-Moleküle, wie die Transfer-RNA (tRNA) und die ribosomale RNA (rRNA), sind Teil der Proteinsynthesemaschinerie. Alle Formen der zellulären RNA werden von RNA-Polymerasen synthetisiert, die Anweisungen von DNA-Vorlagen erhalten. Auf diesen Transkriptionsprozess folgt die Translation, die Synthese von Proteinen nach den Anweisungen der mRNA-Vorlagen. Der Fluss der genetischen Information oder der Genexpression in normalen Zellen ist also:

Dieser Informationsfluss hängt vom genetischen Code ab, der die Beziehung zwischen der Basenabfolge in der DNA (oder ihrem mRNA-Transkript) und der Abfolge der Aminosäuren in einem Protein definiert. Der Code ist bei allen Organismen nahezu identisch: Eine Folge von drei Basen, Codon genannt, spezifiziert eine Aminosäure. Die Codons in dermRNA werden nacheinander von tRNA-Molekülen gelesen, die bei der Proteinsynthese als Adaptoren dienen. Die Proteinsynthese findet an Ribosomen statt, die eine komplexe Ansammlung von rRNAs und mehr als 50 Arten von Proteinen sind.

Das letzte zu betrachtende Thema ist der unterbrochene Charakter der meisten eukaryotischen Gene, die Mosaike von Nukleinsäuresequenzen sind, die Introns und Exons genannt werden. Beide werden transkribiert, aber Introns werden aus neu synthetisierten RNA-Molekülen herausgeschnitten, so dass reife RNA-Moleküle mit durchgehenden Exons übrig bleiben. Die Existenz von Introns und Exons hat entscheidende Auswirkungen auf die Evolution von Proteinen.