При условията, открити в клетките, ДНК приема структура с двойна спирала. Въпреки че съществуват няколко варианта на тази структура с двойна спирала, всички те имат еднаква основна форма на усукана стълба. Тази структура придава на ДНК физични и химични свойства, които я правят много стабилна. Тази стабилност е важна, тъй като предотвратява спонтанното разпадане на двете вериги на ДНК и играе важна роля в начина на копиране на ДНК.
Термодинамика
Ентропията е физическо свойство, аналогично на разстройството. Вторият закон на термодинамиката предполага, че процеси като образуването на двойна спирала ще се случват спонтанно само ако водят до нетно увеличение на ентропията (посочено главно от освобождаването на топлина). Колкото по-голямо е увеличението на ентропията, което съпътства образуването на спиралата, толкова по-голямо отделяне на топлина в околността на молекулата и толкова по-стабилна ще бъде двойната спирала. Двойната спирала е стабилна, защото нейното образуване води до увеличаване на ентропията. (За разлика от това, разпадането на ДНК води до намаляване на ентропията, както е показано чрез абсорбиране на топлина.)
Нуклеотиди
Молекулата на ДНК е направена от множество субединици, прикрепени една към друга в дълга, усукана стълбовидна верига. Отделните субединици се наричат нуклеотиди. ДНК в клетките почти винаги се намира в двуверижна форма, където две полимерни нишки са свързани заедно, за да образуват една молекула. При рН (концентрация на сол) и температурни условия, открити в клетките, образуването на двойна спирала води до нетно увеличение на ентропията. Ето защо получената структура е по-стабилна, отколкото биха били двете направления, ако те останат отделни.
Стабилизиращи фактори
Когато две вериги на ДНК се съберат, те образуват слаби химически връзки, наречени водородни връзки между нуклеотидите в двете вериги. Образуването на връзки освобождава енергия и по този начин допринася за нетно увеличение на ентропията. Допълнителен тласък на ентропията идва от взаимодействията между нуклеотидите в центъра на спиралата; те се наричат основни взаимодействия. Отрицателно заредените фосфатни групи в гръбнака на ДНК веригите се отблъскват. Това дестабилизиращо взаимодействие обаче се преодолява чрез благоприятните взаимодействия на водородната връзка и подреждането на основата. Ето защо структурата с двойна спирала е по-стабилна от единичните нишки: нейното образуване води до нетна печалба в ентропията.
Форми на ДНК
ДНК може да приеме една от няколко различни структури с двойна спирала: това са A, B и Z формите на ДНК. Формата В, най-стабилна при клетъчни условия, се счита за "стандартна" форма; това е този, който обикновено виждате на илюстрации. Формата A е двойна спирала, но е много по-компресирана от формата B. И, Z формата е усукана в обратна посока от B формата и нейната структура е много повече "разтегнат." Формата A не се среща в клетките, въпреки че някои активни гени в клетките изглежда приемат Z форма. Учените все още не разбират напълно какво значение може да има това или дали това има някакво еволюционно значение.