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核酸是生物体中遗传物质的分子载体，在生命过程中起着非常重要的作用。自由基和电子转移导致生物体系核酸的断链损伤，导致衰老、癌症、心血管、神经紊乱等多种疾病的发生。因此，深入细致地研究核酸及其自由基与损伤中间体的物化性质、研究因自由基和电子转移诱导的DNA损伤与癌症等疾病的关系，是当前生物物理有机化学、化学生物学、生物医学等领域中最热门的前沿课题之一。但由于实验条件和研究对象的限制，采用量子理论化学方法研究核酸就显得非常必要。本论文对核酸自由基、损伤中间体的物化性质及损伤机理等进行了深入的研究，本文的主要研究工作下：开发一个新的高精度组合从头算方法（ONIOM-G3B3），通过对179个有机化合物C-H，N-H，O-H键离解能的理论计算，发现ONIOM-G3B3方法可以准确预测各类有机化合物的键解离能，精度达到1.4 kcal／mol。此方法为精确预测各种分子量较大的有机化合物及生命体系的化合物的键解离能值提供了可行性。确定了生物体系中存在较多的核苷和脱氧核苷的构型，这是对核苷和脱氧核苷进行理论研究的基础；准确预测了核苷和脱氧核苷糖环及碱基上的C-H和N-HBDE值，核酸作为生命科学中重要的一类化合物，给出全部精确可靠的键解离能值具有非常重要的意义；提出的合理的损伤机理帮助我们更好了解损伤与疾病的关系。确定了DNA片段3’，5’-二磷酸脱氧核苷及其阴离子RNA片段中3’，5’-二磷酸核苷和-2价的3’，5’二磷酸核苷阴离子的几何构型，研究讨论了3’，5’-位磷酸基团和水溶液对糖环不同位置炭自由基相对稳定性的影响，研究发现阴离子磷酸基团（-OPO3H）是比OH基团更好的自由基稳定基团，然而中性磷酸基团（-OPO3H2）是比OH基团更差的自由基稳定基团。另外发现磷酸基的存在显著降低核苷C’2-H的BDE值，为夺氢反应最易发生在糖环C’2-位的实验现象提供了理论支持。开发了一种新的理论方法准确可靠地计算水相中DNA和RNA链在损伤过程产生的中性或者自由基残基化合物的标准氧化还原电动势值，提供一套完整的DNA和RNA链损伤过程产生的中性或者自由基残基化合物的水相中的标准氧化还原电动势图表，根据图表，深入研究讨论了生物体系内因电子转移反应导致的DNA和RNA链损伤的合理机理。抗氧化剂作为自由基清除剂，在抑制因自由基氧化引起的损伤过程中起至关重要的作用。通过高精度计算方法准确预测了十类非常重要的抗氧化剂的键解离能值，研究了各类抗氧化剂的构效关系和自由基作用机理，纠正了前人的一些误解，对新型高效的抗氧化剂药物的结构进行合理预测，提出合理的结构活性关系，帮助设计合成新型更高效的抗氧化剂。基于量子化学理论方法的第一性原理，其计算结果是可靠的，同时它不受实验条件的限制，可以解决一些通过实验手段难以解决的问题。本论文的研究成果，会对自由基生物学和基因治疗学的发展提供有价值的基础资料。