ภายใต้สภาวะที่พบในเซลล์ DNA ใช้โครงสร้างเกลียวคู่ แม้ว่าจะมีรูปแบบต่างๆ มากมายในโครงสร้างเกลียวคู่นี้ แต่ทั้งหมดก็มีรูปทรงบันไดบิดแบบพื้นฐานเหมือนกัน โครงสร้างนี้ให้คุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของ DNA ที่ทำให้มีความเสถียรมาก ความคงตัวนี้มีความสำคัญเนื่องจากป้องกันไม่ให้สาย DNA สองเส้นแยกออกจากกันโดยธรรมชาติและมีบทบาทสำคัญในการคัดลอก DNA
อุณหพลศาสตร์
เอนโทรปีเป็นสมบัติทางกายภาพที่คล้ายคลึงกับความผิดปกติ กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์แสดงให้เห็นว่ากระบวนการต่างๆ เช่น การก่อตัวของเกลียวคู่จะ เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติก็ต่อเมื่อส่งผลให้เอนโทรปีเพิ่มขึ้นสุทธิ ความร้อน) ยิ่งเอนโทรปีที่มาพร้อมกับการก่อตัวของเกลียวมากเท่าใด ความร้อนก็จะยิ่งปล่อยสู่สภาพแวดล้อมของโมเลกุลมากขึ้นเท่านั้น และเกลียวคู่ก็จะยิ่งมีความเสถียรมากขึ้น เกลียวคู่มีความเสถียรเนื่องจากการก่อตัวของมันทำให้เอนโทรปีเพิ่มขึ้น (ในทางตรงกันข้าม การแตกตัวของ DNA ทำให้เอนโทรปีลดลงตามที่ระบุโดยการดูดซับความร้อน)
นิวคลีโอไทด์
โมเลกุล DNA ถูกสร้างขึ้นจากหน่วยย่อยจำนวนมากที่เชื่อมต่อกันในสายโซ่ยาวคล้ายบันไดที่บิดเป็นเกลียว แต่ละหน่วยย่อยเรียกว่านิวคลีโอไทด์ ดีเอ็นเอในเซลล์มักพบในรูปแบบเกลียวคู่ โดยที่พอลิเมอร์สองสายเชื่อมโยงกันเพื่อสร้างโมเลกุลเดี่ยว ที่ pH (ความเข้มข้นของเกลือ) และสภาวะอุณหภูมิที่พบในเซลล์ การก่อตัวของเกลียวคู่ส่งผลให้เอนโทรปีเพิ่มขึ้นสุทธิ นี่คือสาเหตุที่โครงสร้างที่ได้มีความเสถียรมากกว่าเส้นใยทั้งสองเส้นหากยังคงแยกจากกัน
ปัจจัยที่ทำให้เสถียร
เมื่อ DNA สองสายมารวมกัน จะเกิดพันธะเคมีอ่อนๆ ที่เรียกว่าพันธะไฮโดรเจนระหว่างนิวคลีโอไทด์ในสายโซ่ทั้งสอง การก่อตัวของพันธะจะปลดปล่อยพลังงานและทำให้เอนโทรปีเพิ่มขึ้นสุทธิ การเพิ่มเอนโทรปีเพิ่มเติมมาจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างนิวคลีโอไทด์ที่อยู่ตรงกลางเกลียว สิ่งเหล่านี้เรียกว่าการโต้ตอบแบบวางซ้อนฐาน กลุ่มฟอสเฟตที่มีประจุลบในกระดูกสันหลังของสาย DNA จะผลักกัน อย่างไรก็ตาม อันตรกิริยาที่ไม่เสถียรนี้จะเอาชนะได้ด้วยปฏิกิริยาพันธะไฮโดรเจนที่ดีและปฏิกิริยาการซ้อนฐาน นี่คือสาเหตุที่โครงสร้างเกลียวคู่มีความเสถียรมากกว่าเกลียวเดี่ยว: การก่อตัวของมันทำให้เกิดเอนโทรปีสุทธิ
รูปแบบของ DNA
ดีเอ็นเอสามารถนำโครงสร้างเกลียวคู่แบบใดแบบหนึ่งมาใช้ได้: นี่คือรูปแบบ A, B และ Z ของ DNA รูปแบบ B ซึ่งเสถียรที่สุดภายใต้สภาวะของเซลล์ถือเป็นรูปแบบ "มาตรฐาน" มันเป็นสิ่งที่คุณมักจะเห็นในภาพประกอบ แบบฟอร์ม A เป็นเกลียวคู่ แต่มีการบีบอัดมากกว่ารูปแบบ B และรูป Z บิดไปในทิศทางตรงกันข้ามกับรูป B และมีโครงสร้างมากกว่า "ยืดออก" ไม่พบรูปแบบ A ในเซลล์ แม้ว่ายีนบางตัวที่ทำงานอยู่ในเซลล์ดูเหมือนจะรับเอา แบบฟอร์ม Z นักวิทยาศาสตร์ยังไม่เข้าใจอย่างถ่องแท้ว่าสิ่งนี้อาจมีนัยสำคัญหรือว่าสิ่งนี้มีความสำคัญเชิงวิวัฒนาการหรือไม่