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1.2.1 核酸
核酸是最主要的遗传物质，它是由称为核苷酸(nucleotide)的小分子生成的聚合物。核苷酸还可以进一步分解成核苷(nucleoside)和磷酸，核苷进一步水解生成碱基(base)和戊糖。所以，核酸的基本结构单位是核苷酸，其组成方式为碱基-戊糖-磷酸。核酸可分为脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。它们之间的不同主要体现在所含的戊糖不同：DNA中的戊糖是脱氧核糖，而RNA中的则是核糖。DNA和RNA在组成上的另一个区别体现在它们所含的碱基组成上。DNA中的碱基有4种，分别是腺嘌呤(adenine，简写作A)、鸟嘌呤(guanine，简写作G)、胞嘧啶(cytosine，简写作C)和胸腺嘧啶(thymine，简写作T)。RNA中没有胸腺嘧啶T，取而代之的是尿嘧啶U(Uracil)。DNA主要存在于细胞核中，但也有少量的DNA存在于细胞质里的线粒体、叶绿体中，RNA则主要分布在细胞质中。
可见，仅就DNA或者RNA分子而言，不同核苷酸之间的区别仅在于它们所含的碱基不同。因此，A、G、C、T(U)也常被用来直接表示相应的核苷酸。核苷酸相互连接形成长的多核苷酸链。由四种脱氧核苷酸连接而成的长链高分子多聚体为DNA分子的一级结构。DNA分子中第一个核苷酸的 -羟基与第二个核苷酸的 -磷酸基脱水形成 , -磷酸二酯键，第二个核苷酸的 -羟基又与第三个核苷酸的磷酸基脱水形成 , -磷酸二酯键，依此类推，形成线性多聚体。DNA分子中第一个核苷酸的 -磷酸与最末一个核苷酸的 -羟基都未参与形成 , -磷酸二酯键，故分别称为 -磷酸端(或 -端)和 -羟基端(或 -端)。
生物的绝大部分遗传信息存储于DNA序列中，核苷酸的不同排列顺序决定了生物多样化，研究DNA的空间结构有助于了解DNA的生物学功能。由Watson和Crick提出的DNA双螺旋模型(见图1-1)特征如下：
图1-1：DNA分子双螺旋结构模型
Fig. 1-1: The double helix structure model of DNA molecular
1.2.2 蛋白质
蛋白质是生物体的基本构件，也是生命活动的重要物质基础，几乎一切生命现象都要通过蛋白质的结构与功能来体现。因此，在分子生物学中，深刻阐明蛋白质的结构与功能，是探索生命奥秘最基本的任务。生物体内蛋白质种类繁多，结构各异，功能也是多种多样的。
蛋白质的生物功能由蛋白质的结构所决定的，因此在研究蛋白质的功能时需要了解蛋白质的空间结构。目前，已知蛋白质序列数与已知的结构数严重不平衡。蛋白质序列数据库中的数据量大大超过结构数据库中的数据量。虽然蛋白质结构的测定方法有所改进，但仍不能满足实际的需要，需要发展理论预测的方法。蛋白质变性及重折叠试验，为从蛋白质的氨基酸序列预测蛋白质的三文空间结构提供了实验基础。直接从蛋白质序列预测蛋白质结构对研究蛋白质结构与功能的关系十分有用，这也将促进蛋白质工程和蛋白质设计的发展。从原理上讲，蛋白质序列隐含了蛋白质折叠后的空间结构，理论上可以从氨基酸序列计算出自然折叠的蛋白质结构。但是，由于蛋白质多肽链可能的构象是个天文数字，现有的计算能力不可能搜索整个构象空间，需采用一定的启发式方法来寻找自由能最优或接近于最优的构象。
蛋白质是由氨基酸(amino acid) 聚合而成的生物大分子。氨基酸是带有氨基的有机酸，它的中心碳原子特称为 碳( )。 有四个键，分别连着一个氨基(NH2), 一个羧基(COOH)，一个氢原子和一个R基团(如图1-2)。各种 氨基酸的区别在于侧链R基团不同，R基团的特异性使不同氨基酸显示出不同的理化性质，进而决定了氨基酸在蛋白质分子的空间结构中可能的位置。
图1-2：氨基酸分子结构示意图