Dans les conditions trouvées dans les cellules, l'ADN adopte une structure en double hélice. Bien qu'il existe plusieurs variantes de cette structure à double hélice, toutes ont la même forme d'échelle torsadée de base. Cette structure donne à l'ADN des propriétés physiques et chimiques qui le rendent très stable. Cette stabilité est importante car elle empêche les deux brins d'ADN de se séparer spontanément et joue un rôle important dans la manière dont l'ADN est copié.
La deuxième loi de la thermodynamique suggère que des processus tels que la formation d'une double hélice ne se produiront spontanément que s'ils entraînent une augmentation nette de l'entropie (indiquée principalement par la libération de chaleur). Plus l'augmentation d'entropie qui accompagne la formation de l'hélice est grande, plus la libération de chaleur dans l'environnement de la molécule est importante et plus la double hélice sera stable. La double hélice est stable car sa formation conduit à une augmentation de l'entropie. (En revanche, la rupture d'ADN conduit à une diminution de l'entropie comme indiqué par l'absorption de la chaleur.)
Nucléotides
La molécule d'ADN est faite de nombreuses sous-unités attachées les unes aux autres dans une longue torsion chaîne en forme d'échelle. Les sous-unités individuelles sont appelées nucléotides. L'ADN dans les cellules se trouve presque toujours sous forme de double brin, où deux brins de polymères sont liés ensemble pour former une seule molécule. Aux conditions de pH (concentration de sel) et de température trouvées dans les cellules, la formation d'une double hélice entraîne une augmentation nette de l'entropie. C'est pourquoi la structure résultante est plus stable que les deux brins s'ils sont restés séparés.
Facteurs stabilisateurs
Quand deux brins d'ADN se rejoignent, ils forment des liaisons chimiques faibles appelées liaisons hydrogène entre les nucléotides dans les deux chaînes. La formation de liaisons libère de l'énergie et contribue ainsi à une augmentation nette de l'entropie. Un apport supplémentaire d'entropie provient des interactions entre les nucléotides au centre de l'hélice; ce sont les interactions de base-empilement. Les groupes phosphate chargés négativement dans le squelette des brins d'ADN se repoussent les uns les autres. Cependant, cette interaction déstabilisante est surmontée par les interactions favorables de liaison hydrogène et de base-empilement. C'est pourquoi la structure en double hélice est plus stable que les simples brins: sa formation entraîne un gain net d'entropie.
Formes d'ADN
L'ADN peut adopter une des différentes structures en double hélice: ce sont les formes A, B et Z de l'ADN. La forme B, la plus stable dans les conditions cellulaires, est considérée comme la forme "standard"; c'est celui que vous voyez généralement dans les illustrations. La forme A est une double hélice mais est beaucoup plus compressée que la forme B. Et, la forme Z est tordue dans la direction opposée à la forme B et sa structure est beaucoup plus "étirée". La forme A n'est pas trouvée dans les cellules, bien que certains gènes actifs dans les cellules semblent adopter la forme Z. Les scientifiques ne comprennent pas encore complètement quelle signification cela pourrait avoir ou si cela a une importance sur le plan de l'évolution.
