Strukturna stabilnost dvostruke zavojnice DNA

U uvjetima koji se nalaze u stanicama, DNA usvaja strukturu dvostruke zavojnice. Iako postoji nekoliko varijacija ove dvostruke zavojnice, sve one imaju isti osnovni oblik uvijenih ljestava. Ova struktura daje DNA fizikalna i kemijska svojstva koja je čine vrlo stabilnom. Ova stabilnost je važna jer sprečava da se dva DNA lanca spontano raspadnu i igra važnu ulogu u načinu kopiranja DNA.

Entropija je fizičko svojstvo analogno poremećaju. Drugi zakon termodinamike sugerira da će procesi poput stvaranja dvostruke zavojnice događaju se spontano samo ako rezultiraju neto porastom entropije (na što ukazuje uglavnom oslobađanje toplina). Što je veći porast entropije koji prati stvaranje zavojnice, to će veće ispuštanje topline u okolinu molekule biti dvostruka zavojnica stabilnija. Dvostruka zavojnica je stabilna jer njezino stvaranje dovodi do povećanja entropije. (Nasuprot tome, raspad DNK dovodi do smanjenja entropije što je naznačeno apsorpcijom topline.)

Molekula DNA izrađena je od mnogih podjedinica koje su povezane jedna s drugom u dugom, uvijenom lancu nalik ljestvama. Pojedinačne podjedinice nazivaju se nukleotidima. DNA se u stanicama gotovo uvijek nalazi u dvolančanom obliku, gdje su dvije polimerne niti povezane zajedno da bi stvorile jednu molekulu. U uvjetima pH (koncentracije soli) i temperature koji se nalaze u stanicama, stvaranje dvostruke zavojnice rezultira neto porastom entropije. Zbog toga je rezultirajuća struktura stabilnija nego što bi bile dvije niti ako bi ostale odvojene.

Kad se dvije niti DNA sjedine, one stvaraju slabe kemijske veze koje se nazivaju vodikove veze između nukleotida u dva lanca. Stvaranje veza oslobađa energiju i na taj način doprinosi neto povećanju entropije. Dodatni poticaj entropije dolazi od interakcija između nukleotida u središtu zavojnice; to se nazivaju interakcije slaganja baze. Negativno nabijene fosfatne skupine u okosnici DNA lanaca međusobno se odbijaju. Međutim, ovu destabilizirajuću interakciju nadvladavaju povoljne interakcije vodikove veze i slaganja baze. Zbog toga je struktura s dvostrukom zavojnicom stabilnija od pojedinačnih niti: njezin nastanak uzrokuje neto dobitak u entropiji.

DNA može usvojiti jednu od nekoliko različitih struktura dvostruke zavojnice: to su A, B i Z oblici DNA. Oblik B, najstabilniji u staničnim uvjetima, smatra se "standardnim" oblikom; to je onaj koji obično vidite na ilustracijama. Oblik A dvostruka je zavojnica, ali je mnogo komprimiraniji od oblika B. A, oblik Z uvijen je u suprotnom smjeru od oblika B i njegova je struktura puno više "ispruženo". Oblik A nije pronađen u stanicama, iako se čini da neki aktivni geni u stanicama prihvaćaju Z oblik. Znanstvenici još uvijek ne razumiju u potpunosti kakav značaj ovo može imati ili ima li evolucijskog značaja.