核酸的一級結(jié)構(gòu)是指核酸分子中核苷酸的線性排列順序。由于核苷酸之間的差異主要由包含的堿基不同造成，因而在表達(dá)時(shí)也可將其簡化成堿基的符號(hào)進(jìn)行表述，核苷酸的不同排列順序決定了生物的多樣性。

核酸二級結(jié)構(gòu)是以堿基之間的氫鍵來定義的。在DNA中嘧啶堿基與嘌呤堿基之間通過氫鍵作用相互配對，表現(xiàn)為A與T通過兩個(gè)氫鍵相連，而C與G通過三個(gè)氫鍵相連，因而，G-C配對的穩(wěn)定性高于A-T配對的穩(wěn)定性。DNA最著名的二級結(jié)構(gòu)是雙螺旋結(jié)構(gòu)，由JamesWatson和FrancisCrick在1953年提出。

在雙螺旋結(jié)構(gòu)中兩條由脫氧核糖和磷酸交替連接形成的主鏈圍繞一個(gè)共同軸心盤旋而上，形成外側(cè)的骨架。互補(bǔ)配對的堿基則處于內(nèi)側(cè)，它們以垂直于螺旋軸的取向通過糖苷鍵與主鏈糖基相連。雙螺旋的兩條鏈?zhǔn)欠雌叫械模捎谶B接于兩條主鏈糖基上的配對堿基并非直接相對，使得在主鏈間沿螺旋形成空隙大小不一的的溝槽，它們分別被稱為大溝(Major groove)和小溝(Minor groove)。

小溝位于雙螺旋的互補(bǔ)鏈之間，而大溝位于相毗鄰的雙股之間。大溝和小溝可以使部分堿基暴露出來，為雙鏈DNA分子(dsDNA)與蛋白質(zhì)和其他小分子的相互識(shí)別和相互作用提供了空間，具有重要的生物學(xué)意義。

自然界中可見的dsDNA結(jié)構(gòu)主要包括A-DNA、B-DNA和Z-DNA三種。其中，B型為最常見的結(jié)構(gòu)，最接近于大量存在于細(xì)胞中的DNA構(gòu)象。

B-DNA為右螺旋結(jié)構(gòu)，與B-DNA相同，A-DNA也為右螺旋結(jié)構(gòu)，但螺旋較短并且緊密，螺旋周期包括11個(gè)堿基。研究表明，A-DNA在基因表達(dá)中發(fā)揮著重要作用，并且可用作蛋白質(zhì)-DNA復(fù)合物中的識(shí)別體。

1979年，美國麻省理工學(xué)院和荷蘭拉依登大學(xué)小組的研究成果證明了Z-DNA結(jié)構(gòu)的存在。Z-DNA為左螺旋結(jié)構(gòu)，并呈現(xiàn)鋸齒形狀。在Z-DNA中鳥嘌呤的一部分碳和氮原子在螺旋結(jié)構(gòu)的表面暴露出來，其在研究致癌機(jī)制方面具有重要意義。

除了上述正規(guī)的雙鏈結(jié)構(gòu)外，某些單鏈DNA中顯示重復(fù)的DNA序列。在人類基因組中有超過50%的序列為重復(fù)的DNA序列，而簡單重復(fù)序列占DNA總數(shù)的3%。在一定條件下這些重復(fù)序列可以形成獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，例如:DNA三鏈、發(fā)卡結(jié)構(gòu)、G-四鏈體結(jié)構(gòu)和i-motif結(jié)構(gòu)等，這些不正常的二級結(jié)構(gòu)可能參與基因新陳代謝過程并參與重要的生物過程。

RNA二級結(jié)構(gòu)是RNA分子在自然條件下對自身進(jìn)行各種形式的回折，在不同的堿基互補(bǔ)對莖區(qū)之間，以非匹配的環(huán)區(qū)形式和最頂部單鏈形式兩者交替出現(xiàn)的莖環(huán)結(jié)構(gòu)，也稱作局部雙螺旋結(jié)構(gòu)。

DNA雙螺旋進(jìn)一步盤繞形成的空間構(gòu)象稱為DNA的三級結(jié)構(gòu)，它是一種超螺旋結(jié)構(gòu)。在真核細(xì)胞內(nèi)的DNA為線性的雙螺旋結(jié)構(gòu)，經(jīng)過組裝可形成致密的超螺旋結(jié)構(gòu)。某些病毒、細(xì)菌、真核生物線粒體和葉綠體內(nèi)的DNA也可形成超螺旋結(jié)構(gòu)。

RNA分子在二級結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)一步扭曲、折疊則形成三級結(jié)構(gòu)。RNA的三級結(jié)構(gòu)是非編碼RNA發(fā)揮催化、調(diào)控和結(jié)構(gòu)等功能的基礎(chǔ)。

通過核酸結(jié)構(gòu)的解析和研究方法的不斷進(jìn)步，人們已經(jīng)可以在分子層面對核酸進(jìn)行合成、提取和編輯，從而實(shí)現(xiàn)一系列蛋白的表達(dá)和生命過程的調(diào)控。成功的核酸提取是大多數(shù)生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)課題的第一步。