核酸在核酸酶作用下水解成核苷酸（nucleotide），因此核苷酸是核酸的基本单位。核苷酸完全水解后可释放等摩尔的碱基、戊糖和磷酸（图2-1）。

碱基（base）是含氮的杂环化合物，分为嘌呤（purine）和嘧啶（pyrimidine）两类（图2-2）。常见的嘌呤碱包括鸟嘌呤（guanine，G）和腺嘌呤（adenine，A），常见的嘧啶包括胞嘧啶（cytosine，C）、尿嘧啶（uracil，U）和胸腺嘧啶（thymine，T）。构成DNA的碱基有A、G、C、T；构成RNA的碱基有A、G、C、U。碱基的各个原子分别加以编号以便于区分。

这5种碱基中的酮基和氨基受介质pH的影响可形成酮式-烯醇式互变异构体或氨基-亚氨基互变异构体。这为碱基之间形成氢键提供了结构基础（图2-3）。

构成核苷酸的戊糖有β-D-核糖（β-D-ribose）和β-D-2′-脱氧核糖（β-D-2′-deoxyribose）两种，分别存在于核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸中。为了有别于碱基的原子，戊糖的碳原子标以C-1′、C-2′…C-5′（图2-4）。两者的差别仅存在于C-2′原子所连接的基团，在核糖C-2′原子上是一个羟基，而脱氧核糖C-2′原子上则没有羟基。戊糖的结构差异使得DNA较RNA的化学稳定性更好，从而被自然选择为遗传信息的载体。

碱基与核糖或脱氧核糖生成核苷（nucleoside）或脱氧核苷（deoxynucleoside），通常是戊糖的C-1′原子与嘧啶的N-1原子或嘌呤的N-9原子通过缩合反应形成β-N-糖苷键相连（图2-5）。

核苷中戊糖的羟基与磷酸脱水缩合形成磷酸酯键，生成核苷酸（nucleotide）或脱氧核苷酸（deoxynucleotide）。尽管戊糖上的游离羟基（核糖的C-2′、C-3′、C-5′及脱氧核糖的C-3′、C-5′）均能与磷酸发生酯化反应，但生物体内多数核苷酸的酯化反应都是发生在C-5′原子上，都属于5′核苷酸。根据连接的磷酸基团的数目不同，核苷酸可分为核苷一磷酸（nucleoside monophosphate，NMP）、核苷二磷酸（nucleoside diphosphate，NDP）、核苷三磷酸（nucleoside triphosphate，NTP）。核苷三磷酸的磷原子分别标以α、β和γ以示区别（图2-6）。构成核酸的碱基、核苷、核苷酸的中英文名称见表2-1。表中核苷、核苷酸名称均采用缩写，如腺苷代表腺嘌呤核苷。

生物体内，核苷酸最主要的功能是作为原料合成核酸。此外，核苷酸还会以其他衍生物的形式参与各种物质代谢的调控和多种蛋白质功能的调节，如环腺苷酸（cyclic AMP，cAMP）（图2-6）、环鸟苷酸（cyclic GMP，cGMP）、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸、黄素单核苷酸等。

核酸是由数量众多的核苷酸通过3′，5′-磷酸二酯键连接而成的无分支结构的链状聚合物，即多聚核苷酸。多聚核苷酸链的一端是核苷酸C-5′原子上的磷酸基团，另一端是核苷酸C-3′原子上的羟基，分别称为核酸的5′-末端和3′-末端。多聚核苷酸链3′-末端的自由羟基可继续与核苷三磷酸的α-磷酸基团缩合，形成新的3′，5′-磷酸二酯键，使多聚核苷酸链在3′-末端增加一个核苷酸。也就是说，多聚核苷酸链具有方向性（图2-7），只能从5′-末端向3′-末端延长。当参与合成的原料是核糖核苷酸或脱氧核糖核苷酸时，多聚核苷酸链则分别为RNA链或DNA链。虽然核糖核酸在C-2′原子上也有一个羟基，但磷酸二酯键只能在C-3′和C-5′原子间形成。多聚核苷酸链中磷酸和戊糖交替排列形成链的骨架，4种碱基位于链的一侧。

核酸的一级结构是指多聚核苷酸链中5′-端到3′-端核苷酸的排列顺序。由于核苷酸之间的差异在于碱基的不同，因此核酸的一级结构也就是它的碱基序列。其书写方式见图2-8。

核酸分子的大小如单链DNA或RNA常用核苷酸（nucleotide，nt）数目表示，双链DNA则用碱基对（base pair，bp）数目表示。小的核酸片段（＜50bp）常被称为寡核苷酸。自然界DNA和RNA的长度在几十至几万个碱基，碱基序列的不同表示携带的遗传信息不同。