В умовах клітин ДНК приймає структуру подвійної спіралі. Хоча існує декілька варіацій цієї подвійної спіральної структури, всі вони мають однакову основну форму скручених сходів. Ця структура надає ДНК фізичні та хімічні властивості, що роблять її дуже стабільною. Ця стабільність важлива, оскільки вона запобігає спонтанному розпаду двох ланцюгів ДНК і відіграє важливу роль у способі копіювання ДНК.
Термодинаміка
Ентропія - це фізична властивість, аналогічна розладу. Другий закон термодинаміки передбачає, що такі процеси, як утворення подвійної спіралі, будуть трапляються спонтанно, лише якщо вони призводять до чистого збільшення ентропії (про що свідчить головним чином вивільнення тепло). Чим більшим буде збільшення ентропії, що супроводжує утворення спіралі, тим більшим буде виділення тепла в оточення молекули і тим стабільнішою буде подвійна спіраль. Подвійна спіраль стабільна, оскільки її утворення призводить до збільшення ентропії. (На відміну від розпаду ДНК призводить до зменшення ентропії, як свідчить поглинання тепла.)
Нуклеотиди
Молекула ДНК складається з багатьох субодиниць, прикріплених один до одного довгим, скрученим схожим ланцюжком. Окремі субодиниці називаються нуклеотидами. ДНК у клітинах майже завжди міститься у дволанцюжковій формі, де дві полімерні ланцюги пов’язані між собою, утворюючи єдину молекулу. При рН (концентрації солі) і температурних умовах, виявлених у клітинах, утворення подвійної спіралі призводить до чистого збільшення ентропії. Ось чому отримана структура є більш стабільною, ніж ці дві нитки, якби вони залишались окремими.
Фактори стабілізації
Коли дві нитки ДНК з’єднуються, вони утворюють слабкі хімічні зв’язки, які називаються водневими зв’язками між нуклеотидами двох ланцюгів. Формування зв’язків вивільняє енергію і, таким чином, сприяє чистому збільшенню ентропії. Додатковий приріст ентропії походить від взаємодій між нуклеотидами в центрі спіралі; це називаються взаємодіями укладання основ. Негативно заряджені фосфатні групи в остові ланцюгів ДНК відштовхують одна одну. Однак ця дестабілізуюча взаємодія долається завдяки сприятливим взаємодіям водневого зв’язку та укладання основ. Ось чому структура подвійної спіралі є стабільнішою, ніж одиничні нитки: її утворення спричиняє чистий приріст ентропії.
Форми ДНК
ДНК може прийняти одну з декількох різних структур подвійної спіралі: це форми А, В і Z ДНК. Форма В, найбільш стабільна в клітинних умовах, вважається "стандартною" формою; це той, який ти зазвичай бачиш на ілюстраціях. Форма A є подвійною спіраллю, але набагато стиснутіша, ніж форма B. І форма Z скручена в протилежному напрямку, ніж форма B, і її структура набагато більше "простягнув." Форма A не зустрічається в клітинах, хоча деякі активні гени в клітинах справді приймають Z-форма. Вчені ще не до кінця розуміють, яке значення це може мати, чи це має якесь еволюційне значення.