核酸的一級結構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，因而在表達時也可將其簡化成堿基的符號進行表述，核苷酸的不同排列順序決定了生物的多樣性。

核酸二級結構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通過兩個氫鍵相連，而C與G通過三個氫鍵相連，因而，G-C配對的穩(wěn)定性高于A-T配對的穩(wěn)定性。DNA最著名的二級結構是雙螺旋結構，由JamesWatson和FrancisCrick在1953年提出。

在雙螺旋結構中兩條由脫氧核糖和磷酸交替連接形成的主鏈圍繞一個共同軸心盤旋而上，形成外側的骨架。互補配對的堿基則處于內(nèi)側，它們以垂直于螺旋軸的取向通過糖苷鍵與主鏈糖基相連。雙螺旋的兩條鏈是反平行的，由于連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)與蛋白質和其他小分子的相互識別和相互作用提供了空間，具有重要的生物學意義。

自然界中可見的dsDNA結構主要包括A-DNA、B-DNA和Z-DNA三種。其中，B型為最常見的結構，最接近于大量存在于細胞中的DNA構象。

B-DNA為右螺旋結構，與B-DNA相同，A-DNA也為右螺旋結構，但螺旋較短并且緊密，螺旋周期包括11個堿基。研究表明，A-DNA在基因表達中發(fā)揮著重要作用，并且可用作蛋白質-DNA復合物中的識別體。

1979年，美國麻省理工學院和荷蘭拉依登大學小組的研究成果證明了Z-DNA結構的存在。Z-DNA為左螺旋結構，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構的表面暴露出來，其在研究致癌機制方面具有重要意義。

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

RNA二級結構是RNA分子在自然條件下對自身進行各種形式的回折，在不同的堿基互補對莖區(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)結構，也稱作局部雙螺旋結構。

DNA雙螺旋進一步盤繞形成的空間構象稱為DNA的三級結構，它是一種超螺旋結構。在真核細胞內(nèi)的DNA為線性的雙螺旋結構，經(jīng)過組裝可形成致密的超螺旋結構。某些病毒、細菌、真核生物線粒體和葉綠體內(nèi)的DNA也可形成超螺旋結構。

RNA分子在二級結構結構基礎上進一步扭曲、折疊則形成三級結構。RNA的三級結構是非編碼RNA發(fā)揮催化、調控和結構等功能的基礎。

通過核酸結構的解析和研究方法的不斷進步，人們已經(jīng)可以在分子層面對核酸進行合成、提取和編輯，從而實現(xiàn)一系列蛋白的表達和生命過程的調控。成功的核酸提取是大多數(shù)生命科學實驗課題的第一步。