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DNA是脱氧核糖核酸的简称，是所有生物遗传信息的载体。DNA由四种碱基组成：腺嘌呤A、胸腺嘧啶T、鸟嘌呤G和胞嘧啶C。这些碱基按照严格的配对规则结合：A总是与T配对，G总是与C配对，它们通过氢键连接。两条DNA链以反向平行的方式缠绕，形成著名的双螺旋结构，这一结构为遗传信息的稳定存储和准确传递提供了基础。
遗传信息的编码是生命的核心机制。DNA通过三联体密码子系统存储信息，每三个碱基组成一个密码子，编码一个氨基酸。64个可能的密码子中，61个编码氨基酸，3个是终止信号，AUG既是起始密码子也编码蛋氨酸。遗传信息流动遵循中心法则：DNA通过转录产生mRNA，mRNA再通过翻译合成蛋白质。这个过程确保了遗传信息从基因准确转化为功能蛋白质，控制生物的各种性状表达。
DNA复制采用半保守机制，每条新合成的DNA分子都包含一条原有链和一条新合成链。复制过程需要多种酶类协同工作：解旋酶负责解开双螺旋结构，引物酶合成RNA引物为DNA合成提供起始点，DNA聚合酶负责合成新的DNA链。由于DNA聚合酶只能从5'到3'方向合成，前导链可以连续合成，而滞后链必须以不连续的方式合成多个冈崎片段，最后由连接酶将这些片段连接成完整的链。这种精密的复制机制确保了遗传信息的高保真传递。
基因表达调控是细胞精确控制基因活性的关键机制。启动子是转录起始的必需序列，增强子能够提高转录效率，而转录因子则是调控蛋白质。正调控通过激活因子促进转录，负调控通过阻遏因子抑制转录。经典的lac操纵子模型展示了细菌如何根据环境中乳糖的存在与否来调节相关酶的合成。当乳糖存在时，阻遏蛋白被移除，转录得以进行；当乳糖缺乏时，阻遏蛋白结合到操作子上阻止转录。这种精密的调控机制使细胞能够根据需要合成蛋白质，节约能量并适应环境变化。
DNA变异是生物进化的根本驱动力。主要的突变类型包括点突变，即单个碱基的替换；插入缺失突变，涉及碱基序列的增加或减少；以及染色体重排等大规模结构变化。为了维护基因组稳定性，细胞进化出了精密的DNA修复机制，能够识别和纠正大部分DNA损伤。然而，少数逃脱修复的突变为进化提供了原材料。通过比较不同物种的DNA序列差异，科学家们建立了分子钟概念，利用突变积累的速率来推算物种分化的时间，构建系统发育树，揭示生物进化的历史轨迹。