Nukleové kyseliny jsou spolu s bílkovinami nejdůležitější makromolekuly v mikrobiální buňce. Protože byly objeveny v jádře, dostaly název z lat. nukleus = jádro. Jejich základní stavební jednotkou je nukleotid, který se skládá z molekuly pětiuhlíkatého cukru pentózy (ribózy nebo deoxyribózy), dusíkaté sloučeniny a kyseliny fosforečné. Na struktuře nukleotidů se obecně podílí pět různých dusíkatých sloučenin, z nichž tři odpovídají typu pyrimidinu (tymin, uracil a cytozin) a dvě typu purinu (adenin a guanin). Vazbou těchto bází na 1-uhlík pentózy vznikají nukleosidy. Nukleotid se vytvoří vazbou kyseliny fosforečné na 5-uhlík pentózy nukleosidu. Polynukleotidy jsou polymery nukleotidů.

Podle přítomnosti pentózy se dělí nukleové kyseliny na dvě skupiny:

Ribonukleové kyseliny, označované RNA obsahují jenom β-D-ribózu. Tvoří jedno vlákno spojením nukleotidů, obsahujících adenin, guanin, cytozin a uracil. Vyskytují se v buněčném jádru, ribozomech i v cytoplazmě a účastní se biosyntézy bílkovin. Jejich stavbu určuje DNA, podle které vznikají transkripcí.

Podle funkce, kterou mají při biosyntéze bílkovin, rozlišujeme:

Deoxyribonukleové kyseliny, označované DNA obsahují jenom 2-deoxy-β-D-ribózu. Vyskytují se hlavně v buněčném jádru, kde tvoří strukturu chromozomů a tvoří také plazmidy. Molekula DNA má tvar dvojité šroubovice tvořený dvěma paralelními řetězci, jež jsou vzájemně spojeny vodíkovými můstky. Je to polynukleotid obsahující adenin a guanin, což jsou purinové báze. A také tymin a cytozin, což jsou pyrimidinové báze. Deoxyribóza je vázána prvním uhlíkem na dusíkatou bázi, čímž se vytváří nukleosid. Kyselina fosforečná spojuje pátý uhlík nukleosidu s třetím uhlíkem dalšího nukleosidu fosfodiesterovými vazbami. Pořadí bází v řetězci je velmi důležité, neboť udává složení bílkovin a ribonukleových kyselin v buňce. Protilehlé dva paralelní řetězce jsou spojeny vodíkovými můstky, a to tak, že adenin (A) je vždy spojen dvěma vodíkovými můstky s tyminem (T), a guanin (G) třemi můstky s cytosinem (C), takže nastává párování A-T a G-C. Určitý úsek DNA představuje informaci o určitém složení bílkoviny nebo určité ribonukleové kyseliny anebo má určitou regulační funkci a je označován jako gen.

DNA je v mikrobiální buňce obsažena především v chromozomech, charakteristických vláknitých útvarech buněčného jádra nebo se v jádře vyskytuje ve formě rozptýlené. Geny jsou tak zařazeny přímo do jejich struktury. V prokaryotních buňkách jsou všechny geny uloženy v jednom chromozomu, který je zde totožný s makromolekulou DNA kruhovitě uzavřenou. Při rozmnožování dochází nejdříve ke zdvojení molekuly DNA neboli replikaci DNA.

Genetická informace přítomná v DNA se v buňce realizuje tak, že podle jednoho řetězce DNA se na základě principu párování bází syntetizují určité molekuly RNA, a to mediátorová RNA (mRNA), transferová RNA (tRNA) a ribozomální RNA (rRNA), které jsou nutné pro syntézu bílkoviny. Syntéza RNA podle jednoho z řetězců DNA se nazývá transkripce a od replikace se liší mimo jiné tím, že se proti adeninu napojuje uracil a nikoliv tymin.

V prvním stupni syntézy bílkovinného řetězce se přepisuje informace o pořadí aminokyselin z DNA do mRNA. Tento proces transkripce v mnohém připomíná replikaci DNA. I při něm se jednotlivá vlákna každé molekuly DNA od sebe oddělí (tentokrát jen dočasně), aby mohla sloužit jako základ pro pořadí nukleotidů (bází) molekul mRNA. K uvolněnému řetězci DNA se řadí nukleotidy na principu párování dusíkatých zásad:

Enzym RNA-polymeráza pak katalyzuje spojení fosfodiesterovými vazbami seřazených nukleotidů v řetězec mRNA.

Teprve ve druhém stupni probíhá translace genetické informace, tj. její překlad do primární struktury bílkovin. Informační RNA opouští buněčné jádro a dostává se do kontaktu s ribozomy. Molekuly mRNA obsahují v různém pořadí pouze čtyři zásady (U, A, C, G) a tři za sebou následující zásady (triplety) v této látce určí zařazení jedné aminokyseliny do bílkovinného řetězce. Při kombinaci všech možností navázání 20 aminokyselin musí pro umístění jedné aminokyseliny existovat více trojic zásad. Transferová RNA je tvořena poměrně malými polynukleotidy a každá molekula tRNA má na konci tři volné zásady (antikodony). Jejím úkolem je přenos příslušné aminokyseliny na místo syntézy bílkovin. Každá z 20 aminokyselin má jednu nebo více specifických tRNA. Transferovou RNA je aminokyselina přenesena na informační RNA v ribozomu. Tam se na triplet mRNA dočasně napojí svými antikodony tRNA nesoucí jednotlivé aminokyseliny z buněčné zásoby volných molekul. V ribozomech se mezi seřazenými aminokyselinami syntetizují peptidové vazby a vytvoří se, primární struktura bílkovinného řetězce.