โครงสร้างของกรดนิวคลีอิกหมายถึงโครงสร้างของกรดนิวคลีอิกเช่นดีเอ็นเอและอาร์เอ็นเอในทางเคมีแล้ว ดีเอ็นเอและอาร์เอ็นเอมีความคล้ายคลึงกันมาก โครงสร้างของกรดนิวคลีอิกมักแบ่งออกเป็นสี่ระดับ ได้แก่ ระดับปฐมภูมิ ระดับทุติยภูมิ ระดับตติยภูมิ และระดับจตุรภูมิ

โครงสร้างปฐมภูมิประกอบด้วยลำดับเชิงเส้นของนิวคลีโอไทด์ที่เชื่อมต่อกันด้วยพันธะฟอสโฟไดเอสเทอร์ลำดับเชิงเส้นของนิวคลีโอไทด์นี้เองที่เป็นส่วนประกอบของโครงสร้างปฐมภูมิของDNAหรือRNAนิวคลีโอไทด์ประกอบด้วย 3 ส่วนประกอบ:

1. เบสไนโตรเจน
   1. อะดีนีน
   2. กัวนีน
   3. ไซโตซีน
   4. ไทมีน (พบเฉพาะในดีเอ็นเอ )
   5. ยูราซิล (พบเฉพาะในRNAเท่านั้น)
2. น้ำตาล ที่มีคาร์บอน 5 อะตอม ได้แก่ ดีออกซีไรโบส (พบใน DNA) และไรโบส (พบใน RNA)
3. กลุ่มฟอสเฟตหนึ่งกลุ่มหรือมากกว่า^{[ 1 ]}

เบสไนโตรเจนอะดีนีนและกัวนีนมีโครงสร้างเป็นพิวรีน และสร้าง พันธะไกลโคไซด์ระหว่างไนโตรเจน 9 กับหมู่ 1'-OH ของดีออกซีไรโบส ไซโตซีน ไทมีน และยูราซิลเป็นไพริมิดีนดังนั้นพันธะไกลโคไซด์จึงเกิดขึ้นระหว่างไนโตรเจน 1 กับหมู่ 1'-OH ของดีออกซีไรโบส สำหรับเบสพิวรีนและไพริมิดีน หมู่ฟอสเฟตจะสร้างพันธะกับน้ำตาลดีออกซีไรโบสผ่านพันธะเอสเทอร์ระหว่างหมู่ออกซิเจนที่มีประจุลบหนึ่งหมู่กับหมู่ 5'-OH ของน้ำตาล^{[ 2 ]}ขั้วใน DNA และ RNA มาจากอะตอมออกซิเจนและไนโตรเจนในโครงสร้างหลัก กรดนิวคลีอิกเกิดขึ้นเมื่อนิวคลีโอไทด์มารวมกันผ่านพันธะฟอสโฟไดเอสเทอร์ระหว่างอะตอมคาร์บอน 5' และ 3' ^{[ 3 ]} ลำดับกรดนิวคลีอิกคือลำดับของนิวคลีโอไทด์ภายในโมเลกุล DNA (GACT) หรือ RNA (GACU) ซึ่งกำหนดโดยชุดตัวอักษร ลำดับจะถูกนำเสนอจากปลาย 5' ไปยังปลาย 3' และกำหนดโครงสร้างโคเวเลนต์ของโมเลกุลทั้งหมด ลำดับสามารถเสริมกันได้กับลำดับอื่น โดยที่เบสในแต่ละตำแหน่งจะเสริมกัน รวมถึงในลำดับย้อนกลับด้วย ตัวอย่างของลำดับที่เสริมกันกับ AGCT คือ TCGA DNA เป็นสายคู่ที่มีทั้ง สาย เซนส์และ สาย แอนติเซนส์ดังนั้น ลำดับที่เสริมกันจะเป็นสายเซนส์^{[ 4 ]}

กรดนิวคลีอิกมีหมู่ที่สามารถจับกับโลหะได้ 3 หมู่ ได้แก่ หมู่ฟอสเฟต หมู่น้ำตาล และหมู่เบส โครงสร้างของแข็งของสารเชิงซ้อนกับไอออนโลหะอัลคาไลได้รับการทบทวนแล้ว^{[ 6 ]}

โครงสร้างทุติยภูมิคือชุดของปฏิกิริยาระหว่างเบส กล่าวคือ ส่วนใดของสายดีเอ็นเอที่ยึดติดกัน ในดีเอ็นเอเกลียวคู่ สายดีเอ็นเอทั้งสองยึดติดกันด้วยพันธะไฮโดรเจน นิวคลี โอไทด์บนสายหนึ่งจับคู่กับนิวคลีโอไทด์บนอีกสายหนึ่ง โครงสร้างทุติยภูมิเป็นตัวกำหนดรูปร่างของกรดนิวคลีอิก เบสในดีเอ็นเอแบ่งออกเป็นพิวรีนและไพริมิดีน พิวรีนได้แก่อะดีนีนและกัวนีนพิวรีนมีโครงสร้างเป็นวงแหวนคู่ คือวงแหวนหกเหลี่ยมและวงแหวนห้าเหลี่ยมที่มีไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบ ส่วนไพริมิดีนได้แก่ไซโตซีนและไทมีนมีโครงสร้างเป็นวงแหวนเดี่ยว คือวงแหวนหกเหลี่ยมที่มีไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบ เบสพิวรีนจะจับคู่กับเบสไพริมิดีนเสมอ (กัวนีน (G) จับคู่กับไซโตซีน (C) และอะดีนีน (A) จับคู่กับไทมีน (T) หรือยูราซิล (U)) โครงสร้างทุติยภูมิของ DNA ส่วนใหญ่ถูกกำหนดโดยการจับคู่เบสของสายโพลีนิวคลีโอไทด์สองสายที่พันรอบกันเพื่อสร้างเกลียวคู่แม้ว่าสายทั้งสองจะเรียงตัวกันด้วยพันธะไฮโดรเจนในคู่เบส แต่แรงที่แข็งแกร่งกว่าที่ยึดสายทั้งสองเข้าด้วยกันคือปฏิกิริยาการเรียงซ้อนระหว่างเบส ปฏิกิริยาการเรียงซ้อนเหล่านี้มีความเสถียรโดยแรงแวนเดอร์วาลส์และปฏิกิริยาไฮโดรโฟบิก และแสดงให้เห็นถึงความแปรผันของโครงสร้างในระดับท้องถิ่นจำนวนมาก^{[ 7 ]}นอกจากนี้ยังมีร่องสองร่องในเกลียวคู่ ซึ่งเรียกว่าร่องหลักและร่องรองตามขนาดสัมพัทธ์ของมัน

โครงสร้างทุติยภูมิของ RNA ประกอบด้วยพอลินิวคลีโอไทด์เดี่ยว การจับคู่เบสใน RNA เกิดขึ้นเมื่อ RNA พับตัวระหว่างบริเวณที่เข้ากันได้ ทั้งบริเวณที่เป็นสายเดี่ยวและสายคู่มักพบได้ในโมเลกุล RNA

องค์ประกอบพื้นฐานสี่อย่างในโครงสร้างทุติยภูมิของ RNA ได้แก่:

• เฮลิกซ์
• ส่วนที่โป่งออกมา
• ลูป
• ทางแยก

สายคู่ขนานตรงข้ามก่อตัวเป็นรูปทรงเกลียว^{[ 3 ]}ส่วนนูนและห่วงภายในเกิดขึ้นจากการแยกส่วนของเกลียวคู่บนสายใดสายหนึ่ง (ส่วนนูน) หรือบนทั้งสองสาย (ห่วงภายใน) โดยนิวคลีโอไทด์ที่ไม่มีคู่

ก้านห่วงหรือห่วงผมเป็นองค์ประกอบที่พบได้บ่อยที่สุดของโครงสร้างทุติยภูมิของ RNA ^{[ 8 ]}ก้านห่วงเกิดขึ้นเมื่อสาย RNA พับกลับเข้าหากันเพื่อสร้างส่วนเกลียวคู่ที่เรียกว่า 'ก้าน' นิวคลีโอไทด์ที่ไม่ได้จับคู่กันจะสร้างบริเวณสายเดี่ยวที่เรียกว่า 'ห่วง' เตตระห่วงเป็นโครงสร้าง RNA ผมสี่คู่เบส มีเตตระห่วงสามตระกูลที่พบได้ทั่วไปใน RNA ไรโบโซม ได้แก่UNCG , GNRAและCUUG ( Nคือหนึ่งในสี่นิวคลีโอไทด์และRคือพิวรีน) UNCG เป็นเตตระห่วงที่เสถียรที่สุด^{[ 9 ]}

Pseudoknotเป็นโครงสร้างทุติยภูมิของ RNA ที่ถูกระบุครั้งแรกในไวรัสโมเสกสีเหลืองของหัวผักกาด^{[ 10 ]}ประกอบด้วยส่วนเกลียวสองส่วนที่เชื่อมต่อกันด้วยบริเวณสายเดี่ยวหรือลูปอย่างน้อยที่สุด Pseudoknot แบบพับ H-type มีลักษณะเฉพาะที่ดีที่สุด ในโครงสร้างแบบพับ H-type นิวคลีโอไทด์ในลูปแฮร์พินจะจับคู่กับเบสที่อยู่นอกก้านแฮร์พิน ทำให้เกิดก้านและลูปที่สอง ซึ่งทำให้เกิดการสร้าง Pseudoknot ที่มีก้านสองก้านและลูปสองลูป^{[ 11 ]} Pseudoknot เป็นองค์ประกอบเชิงฟังก์ชันในโครงสร้าง RNA ที่มีฟังก์ชันหลากหลายและพบได้ใน RNA เกือบทุกประเภท

โครงสร้างทุติยภูมิของ RNA สามารถทำนายได้จากข้อมูลการทดลองเกี่ยวกับองค์ประกอบโครงสร้างทุติยภูมิ ได้แก่ เฮลิกซ์ ลูป และส่วนที่โป่งออกมา วิธี DotKnot-PW ใช้สำหรับการทำนายปมเทียมแบบเปรียบเทียบ จุดสำคัญในวิธี DotKnot-PW คือการให้คะแนนความคล้ายคลึงที่พบในลำต้น องค์ประกอบทุติยภูมิ และปมเทียมแบบ H ^{[ 12 ]}

โครงสร้างระดับตติยภูมิหมายถึงตำแหน่งของอะตอมในพื้นที่สามมิติ โดยคำนึงถึงข้อจำกัดทางเรขาคณิตและเชิงพื้นที่ โครงสร้างระดับตติยภูมิ มีลำดับสูงกว่าโครงสร้างระดับทุติยภูมิ ซึ่งมีการพับตัวในระดับใหญ่ในพอลิเมอร์เชิงเส้น และสายโซ่ทั้งหมดถูกพับเป็นรูปร่างสามมิติที่เฉพาะเจาะจง โครงสร้างของดีเอ็นเอสามารถแตกต่างกันได้ใน 4 ด้าน

1. ความถนัดมือ – มือขวาหรือมือซ้าย
2. ความยาวของการหมุนเกลียว
3. จำนวนคู่เบสต่อรอบ
4. ความแตกต่างของขนาดระหว่างร่องหลักและร่องรอง^{[ 3 ]}

การจัดเรียงระดับตติยภูมิของ เกลียวคู่ของ DNA ในอวกาศประกอบด้วยB-DNA , A-DNAและZ-DNA โครงสร้าง DNA สามสายได้รับการพิสูจน์แล้วใน ลำดับ ไมโครแซทเทล ไลต์โพลีพิวรีน : โพลีไพริมิดี น ที่ซ้ำกัน และDNA แซทเทลไลต์

B-DNAเป็นรูปแบบของ DNA ที่พบได้บ่อยที่สุดในสิ่งมีชีวิต และเป็นเกลียวที่แคบและยาวกว่า A-DNA ร่องหลักที่กว้างทำให้โปรตีนเข้าถึงได้ง่ายกว่า ในทางกลับกัน มันมีร่องรองที่แคบ รูปทรงที่เหมาะสมของ B-DNA เกิดขึ้นที่ความเข้มข้นของน้ำสูง การไฮเดรชั่นของร่องรองดูเหมือนจะเอื้อต่อ B-DNA คู่เบสของ B-DNA เกือบตั้งฉากกับแกนเกลียว การโค้งงอของน้ำตาลซึ่งกำหนดรูปร่างของเกลียวอัลฟา ไม่ว่าเกลียวจะมีอยู่ในรูปแบบ A หรือรูปแบบ B เกิดขึ้นที่ C2'-endo ^{[ 13 ]}

A-DNAเป็นรูปแบบหนึ่งของดีเอ็นเอแบบเกลียวคู่ที่สังเกตได้ภายใต้สภาวะขาดน้ำ มีขนาดสั้นกว่าและกว้างกว่า B-DNA อาร์เอ็นเอใช้รูปแบบเกลียวคู่นี้ และอาร์เอ็นเอ-ดีเอ็นเอแบบเกลียวคู่ส่วนใหญ่เป็นแบบ A-form แต่ก็มีการสังเกตพบอาร์เอ็นเอ-ดีเอ็นเอแบบเกลียวคู่แบบ B -form ด้วย ^{[ 14 ]}ในบริบทของไดนิวคลีโอไทด์สายเดี่ยวเฉพาะที่ อาร์เอ็นเอสามารถใช้รูปแบบ B-form ได้โดยไม่ต้องจับคู่กับดีเอ็นเอ^{[ 15 ]} A-DNA มีร่องหลักที่ลึกและแคบซึ่งทำให้โปรตีนเข้าถึงได้ยาก ในทางกลับกัน ร่องรองที่กว้างและตื้นทำให้โปรตีนเข้าถึงได้ แต่มีปริมาณข้อมูลน้อยกว่าร่องหลัก รูปทรงที่เหมาะสมของมันคือที่ความเข้มข้นของน้ำต่ำ คู่เบสของ A-DNA เอียงเมื่อเทียบกับแกนเกลียว และถูกเบี่ยงเบนออกจากแกน การบิดงอของน้ำตาลเกิดขึ้นที่ C3'-endo และในอาร์เอ็นเอ 2'-OH ยับยั้งรูปทรง C2'-endo ^{[ 13 ]} A-DNA ซึ่ง เคยถูกมองว่าเป็นเพียงสิ่งประดิษฐ์ในห้องปฏิบัติการนั้น ปัจจุบันเป็นที่ทราบกันดีว่ามีหน้าที่ทางชีวภาพหลายประการ

Z-DNAเป็นเกลียวคู่ซ้ายที่ค่อนข้างหายาก หากมีลำดับที่เหมาะสมและความตึงของเกลียวซ้อน มันสามารถเกิดขึ้นได้ในสิ่งมีชีวิต แต่หน้าที่ของมันยังไม่ชัดเจน มันมีเกลียวที่แคบกว่าและยาวกว่า A หรือ B ร่องหลักของ Z-DNA ไม่ใช่ร่องจริงๆ และมีร่องรองที่แคบ โครงสร้างที่เหมาะสมที่สุดเกิดขึ้นเมื่อมีความเข้มข้นของเกลือสูง มีการแทนที่เบสบางส่วน แต่ต้องใช้ลำดับพิวรีน-ไพริมิดีนสลับกัน N2-อะมิโนของ G สร้างพันธะไฮโดรเจนกับ 5' PO ซึ่งอธิบายถึงการแลกเปลี่ยนโปรตอนที่ช้าและความจำเป็นของพิวรีน G คู่เบสของ Z-DNA เกือบตั้งฉากกับแกนเกลียว Z-DNA ไม่ได้ประกอบด้วยคู่เบสเดี่ยว แต่เป็นการทำซ้ำ GpC โดยมีระยะ PP ที่แตกต่างกันสำหรับ GpC และ CpG บนกอง GpC มีการทับซ้อนของเบสที่ดี ในขณะที่บนกอง CpG มีการทับซ้อนน้อยกว่า โครงสร้างซิกแซกของ Z-DNA เกิดจากการที่โครงสร้างน้ำตาล C ชดเชยโครงสร้างพันธะไกลโคไซด์ G โครงสร้าง G เป็นแบบ syn, C2'-endo ส่วน C เป็นแบบ anti, C3'-endo ^{[ 13 ]}

โมเลกุล DNA เชิงเส้นที่มีปลายอิสระสามารถหมุนได้ เพื่อปรับตัวให้เข้ากับการเปลี่ยนแปลงของกระบวนการไดนามิกต่างๆ ในเซลล์ โดยการเปลี่ยนจำนวนครั้งที่สายโซ่ทั้งสองของเกลียวคู่บิดรอบกัน โมเลกุล DNA บางชนิดเป็นวงกลมและถูกจำกัดทางโทโพโลยี เมื่อไม่นานมานี้มีการค้นพบ RNA วงกลม ซึ่งเป็นกรดนิวคลีอิกชนิดหนึ่งที่พบได้ทั่วไปตามธรรมชาติ และแสดงออกในสิ่งมีชีวิตหลายชนิด (ดูCircRNA )

ดีเอ็นเอแบบวงกลมที่ปิดสนิทด้วยพันธะโควาเลนต์ (หรือที่เรียกว่า cccDNA) มีข้อจำกัดทางโทโพโลยี เนื่องจากจำนวนครั้งที่สายพันรอบกันไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ cccDNA นี้สามารถเกิดการขดตัวแบบซูเปอร์คอยล์ซึ่งเป็นโครงสร้างตติยภูมิของดีเอ็นเอ การขดตัวแบบซูเปอร์คอยล์มีลักษณะเฉพาะด้วยเลขเชื่อมโยง การบิด และการพันกัน เลขเชื่อมโยง (Lk) สำหรับดีเอ็นเอแบบวงกลมถูกกำหนดให้เป็นจำนวนครั้งที่สายหนึ่งจะต้องผ่านอีกสายหนึ่งเพื่อแยกสายทั้งสองออกจากกันอย่างสมบูรณ์ เลขเชื่อมโยงสำหรับดีเอ็นเอแบบวงกลมสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยการแตกของพันธะโควาเลนต์ในสายใดสายหนึ่งเท่านั้น เลขเชื่อมโยงของ cccDNA จะเป็นจำนวนเต็มเสมอ ซึ่งเป็นผลรวมของสององค์ประกอบ ได้แก่ การบิด (Tw) และการพันกัน (Wr) ^{[ 16 ]}

${\displaystyle Lk=Tw+Wr}$

การบิด (Twist) คือจำนวนครั้งที่สายดีเอ็นเอสองสายบิดพันกัน ส่วนการพันกันแบบไขว้ (Writhe) คือจำนวนครั้งที่เกลียวดีเอ็นเอไขว้กันเอง ดีเอ็นเอในเซลล์มีโครงสร้างแบบซูเปอร์คอยล์เชิงลบและมีแนวโน้มที่จะคลายตัว ดังนั้นการแยกสายดีเอ็นเอจึงง่ายกว่าในดีเอ็นเอที่มีโครงสร้างซูเปอร์คอยล์เชิงลบมากกว่าในดีเอ็นเอที่คลายตัวแล้ว ส่วนประกอบสองส่วนของซูเปอร์คอยล์ดีเอ็นเอคือแบบโซลีนอยด์และแบบเพล็กโทนีมิกซูเปอร์คอยล์แบบเพล็กโทนีมิกพบในโปรคาริโอต ในขณะที่ซูเปอร์คอยล์แบบโซลีนอยด์ส่วนใหญ่พบในยูคาริโอต

โครงสร้างควอเทอร์นารีของกรดนิวคลีอิกมีความคล้ายคลึงกับโครงสร้างควอเทอร์นารีของโปรตีนแม้ว่าแนวคิดบางอย่างจะไม่เหมือนกันทุกประการ แต่โครงสร้างควอเทอร์นารีหมายถึงการจัดระเบียบของกรดนิวคลีอิกในระดับที่สูงขึ้น นอกจากนี้ยังหมายถึงปฏิสัมพันธ์ของกรดนิวคลีอิกกับโมเลกุลอื่นๆ รูปแบบการจัดระเบียบของกรดนิวคลีอิกในระดับที่สูงขึ้นที่พบเห็นได้บ่อยที่สุดคือโครมาตินซึ่งนำไปสู่ปฏิสัมพันธ์กับโปรตีนขนาดเล็กอย่างฮิสโตนนอกจากนี้ โครงสร้างควอเทอร์นารียังหมายถึงปฏิสัมพันธ์ระหว่างหน่วย RNA ที่แยกจากกันในไรโบโซมหรือสไปโซโซม^{[ 17 ]}