Nelle condizioni riscontrate nelle cellule, il DNA adotta una struttura a doppia elica. Sebbene esistano diverse varianti su questa struttura a doppia elica, tutte hanno la stessa forma a scala ritorta di base. Questa struttura conferisce al DNA proprietà fisiche e chimiche che lo rendono molto stabile. Questa stabilità è importante perché impedisce ai due filamenti di DNA di rompersi spontaneamente e svolge un ruolo importante nel modo in cui il DNA viene copiato.
Termodinamica
L'entropia è una proprietà fisica analoga al disordine. La Seconda Legge della Termodinamica suggerisce che processi come la formazione di una doppia elica avvengono spontaneamente solo se determinano un aumento netto di entropia (indicato principalmente dal rilascio di calore). Maggiore è l'aumento di entropia che accompagna la formazione dell'elica, maggiore sarà il rilascio di calore nell'ambiente circostante la molecola e più stabile sarà la doppia elica. La doppia elica è stabile perché la sua formazione porta ad un aumento dell'entropia. (Al contrario, la rottura del DNA porta a una diminuzione dell'entropia come indicato dall'assorbimento di calore.)
Nucleotidi
La molecola del DNA è costituita da molte subunità attaccate l'una all'altra in una lunga catena attorcigliata a forma di scala. Le singole subunità sono chiamate nucleotidi. Il DNA nelle cellule si trova quasi sempre in forma a doppio filamento, in cui due filamenti di polimeri sono collegati tra loro per formare una singola molecola. Alle condizioni di pH (concentrazione salina) e di temperatura riscontrate nelle cellule, la formazione di una doppia elica determina un aumento netto dell'entropia. Questo è il motivo per cui la struttura risultante è più stabile di quanto sarebbero i due filamenti se rimanessero separati.
Fattori stabilizzanti
Quando due filamenti di DNA si uniscono, formano legami chimici deboli chiamati legami idrogeno tra i nucleotidi nelle due catene. La formazione del legame rilascia energia e quindi contribuisce ad un aumento netto dell'entropia. Un ulteriore aumento di entropia deriva dalle interazioni tra i nucleotidi al centro dell'elica; queste sono chiamate interazioni di impilamento di base. I gruppi fosfato con carica negativa nella spina dorsale dei filamenti di DNA si respingono l'un l'altro. Tuttavia, questa interazione destabilizzante è superata dal legame idrogeno favorevole e dalle interazioni di impilamento delle basi. Questo è il motivo per cui la struttura a doppia elica è più stabile dei filamenti singoli: la sua formazione provoca un guadagno netto di entropia.
Forme di DNA
Il DNA può adottare una delle diverse strutture a doppia elica: queste sono le forme A, B e Z del DNA. La forma B, la più stabile in condizioni cellulari, è considerata la forma "standard"; è quello che di solito vedi nelle illustrazioni. La forma A è una doppia elica ma è molto più compressa della forma B. E la forma Z è attorcigliata nella direzione opposta rispetto alla forma B e la sua struttura è molto di più "allungato". La forma A non si trova nelle cellule, sebbene alcuni geni attivi nelle cellule sembrino adottare la forma Z. Gli scienziati non hanno ancora compreso appieno quale significato possa avere o se abbia un'importanza evolutiva.