Nelle condizioni trovate 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 base di scala a pioli. Questa struttura conferisce al DNA proprietà fisiche e chimiche che la rendono molto stabile. Questa stabilità è importante perché impedisce ai due filamenti del DNA di disgregarsi spontaneamente e gioca 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 si verifichino spontaneamente solo se determinano un aumento netto dell'entropia (indicato principalmente dal rilascio di calore). Maggiore è l'aumento di entropia che accompagna la formazione dell'elica, maggiore è il rilascio di calore nei dintorni della molecola e più stabile sarà la doppia elica. La doppia elica è stabile perché la sua formazione porta ad un aumento di entropia. (Al contrario, la rottura del DNA porta ad una diminuzione nell'entropia come indicato dall'assorbimento di calore.)

Nucleotidi

La molecola del DNA è composta da molte sub-unità attaccate l'una all'altra in un lungo, contorto catena a forma di scala. Le singole subunità sono chiamate nucleotidi. Il DNA nelle cellule si trova quasi sempre nella forma a doppio filamento, dove due fili di polimeri sono collegati tra loro per formare un'unica molecola. A pH (concentrazione di sale) e condizioni di temperatura rilevate nelle cellule, la formazione di una doppia elica comporta un aumento netto di entropia. Questo è il motivo per cui la struttura risultante è più stabile dei due fili se rimanessero separati.

Fattori di stabilizzazione

Quando due filamenti di DNA si uniscono formano dei legami chimici deboli chiamati legami di idrogeno tra i nucleotidi nelle due catene. La formazione di legami rilascia energia e quindi contribuisce ad un aumento netto di entropia. Un ulteriore aumento di entropia deriva dalle interazioni tra i nucleotidi nel centro dell'elica; queste sono chiamate interazioni di impilamento di base. I gruppi fosfato caricati negativamente nella spina dorsale dei filamenti di DNA si respingono a vicenda. Tuttavia, questa interazione destabilizzante viene superata dal legame favorevole con l'idrogeno e dalle interazioni di impilamento della base. Questo è il motivo per cui la struttura a doppia elica è più stabile dei singoli filamenti: la sua formazione causa un guadagno netto nell'entropia.

Forme di DNA

Il DNA può adottare una delle diverse strutture a doppia elica: queste sono le forme di DNA A, B e Z. 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 più "tesa". La forma A non si trova nelle celle, anche se alcuni geni attivi nelle cellule sembrano adottare la forma Z. Gli scienziati non hanno ancora compreso appieno il significato che questo potrebbe avere o se questo abbia qualche importanza evolutiva.