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核酸主要分为脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）。原核生物和真核生物共有的3种主要RNA是mRNA（messenger，RNA）、tRNA（transfer，RNA）和rRNA（ribosomal，RNA）。其中tRNA分子量最小，占总RNA 10%～15%，在蛋白质生物合成过程中携带活化的氨基酸。mRNA半寿期最短，占总RNA 5%～10%，是蛋白质合成的模板。rRNA含量最多，占总RNA 75%～80%，与蛋白质结合构成核糖体，是蛋白质合成的场所。
核苷酸间的连接化学键是一个核苷酸3′-OH与另一个核苷酸5′-磷酸脱水形成3′，5′-磷酸二酯键。
DNA一级结构是指DNA分子中脱氧多核苷酸链中核苷酸的排列顺序或分子中碱基的顺序。DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于DNA分子中四种脱氧核苷酸千变万化的不同排列组合之中。多核苷酸链具有方向性，从5′-末端到3′-末端。
DNA分子一级结构的表示方法有三种（见图3-3）：①结构式表示法：即写出所有元件。②线条式表示法：G、C、T、A表示不同的碱基。③文字式表示法：5′pGpCpTpA3′或5′pGCTA3′。
图3-3 DNA多核苷酸
①多核苷酸链的一个小片段
在前人工作基础上，J.Watson和F.Crick于1953年提出DNA的双螺旋结构模型（见图3-4）：①DNA分子由两条反向平行的多核苷酸链构成右手双螺旋结构。螺旋表面有深沟和浅沟。②磷酸与脱氧核糖在外侧，彼此之间通过磷酸二酯键连接，形成DNA的骨架。嘌呤碱和嘧啶碱层叠于螺旋内侧，碱基平面与螺旋纵轴垂直，上下碱基平面之间的距离为0.34nm。糖环平面与中轴平行。③两条链间借嘌呤与嘧啶之间的氢键相连，匹配成对。碱基配对遵守A与T、G与C配对原则。A与T之间形成2个氢键；G与C间形成3个氢键。④双螺旋的直径为2nm，沿中心轴每旋转一圈有10个核苷酸，螺距为3.4nm。⑤稳定双螺旋结构的主要作用力是氢键和碱基堆积力。横向作用力主要是碱基对之间的氢键，纵向作用力主要是碱基堆积力。
图3-4 DNA分子双螺旋结构模型
DNA双螺旋结构的发现是学科交叉产生的重大科研成果
对DNA双螺旋结构的发现做出重大贡献的科学家有克里克（F.Crick）、沃森（J.Watson）、威尔金斯（M.Wilkins）和弗兰克林（R.Franklin）四位。此外，鲍林（L.Pauling）参与了竞争，多诺霍（J.Donohue）也提供了重要的参考意见。由于弗兰克林过早去世，1962年诺贝尔生理和医学奖只授给了克里克、沃森和威尔金斯。这四位科学家中，沃森毕业于生物专业，克里克和威尔金斯毕业于物理专业，而弗兰克林则毕业于化学专业。他们具有不同的知识背景，在同一时间都致力于研究遗传物质的分子结构，在又合作又竞争，充满学术交流和争论的环境中，发挥了各自专业的特长，为双螺旋结构的发现做出了各自的贡献，这是科学史上由学科交叉产生的重大科研成果。
DNA的三级结构是指DNA在双螺旋结构基础上进一步扭曲盘旋形成的空间构象。超螺旋是DNA三级结构的主要形式（见图3-5）。有些DNA是以双链环状DNA形式存在，如细菌染色体DNA、某些病毒DNA、线粒体DNA和叶绿体DNA等；但多数DNA是以双链线状DNA形式存在的。不论是哪种形式都可形成超螺旋。根据螺旋的方向不同可分为正超螺旋和负超螺旋。天然DNA一般都是负超螺旋，是由右手螺旋的DNA进一步扭曲形成的左手螺旋。负超螺旋易于解链，因此负超螺旋有利于DNA的复制、重组和转录等过程的进行。
图3-5 DNA的超螺旋结构
真核生物的双链线状DNA通常与蛋白质结合，形成染色体。染色体的基本结构单位是核小体（nucleosome）。核小体是由DNA双螺旋缠绕在组蛋白八聚体上形成的。每个核小体分为核心颗粒和连接区两部分，核心颗粒是146bp长的双螺旋DNA以左手螺旋在组蛋白八聚体上缠绕1.75圈，其中组蛋白八聚体是由H2A、H2B、H3和H4各两分子组成；连接区是由约60bp双螺旋DNA和1分子组蛋白H1构成，平均每个核小体DNA约为200bp。多个核小体形成串珠样结构，并进一步盘绕形成每圈六个核小体的染色质纤丝，其直径为30nm，染色质纤丝再组装成螺旋圈，再由螺旋圈进一步卷曲组装成棒状染色单体。
在人体细胞中，双螺旋的DNA分子可以依次压缩组装成核小体、核小体纤维、染色体等结构层次。人类体细胞中46条染色体的DNA总长可达1.68m，经过螺旋化压缩，实际总长只有200μm，压缩了大约8400倍。