Кожна нитка має хімічну спрямованість, що визначається цукрово-фосфатним остовом: один кінець має вільну 5′-фосфатну групу, інший — вільний 3′-гідроксил. У подвійній спіралі нитки йдуть у протилежних напрямках: одна — від 5′ до 3′ вгору, інша — від 5′ до 3′ вниз. Така антипаралельна орієнтація необхідна для того, щоб комплементарні основи були спрямовані всередину і утворювали водневі зв'язки у правильній геометрії. У симуляції це видно по тому, що обидва остови закручуються в одному напрямку, але зміщені на півдії (π радіан), ставлячи кожен вузол остову навпроти свого партнера.

У канонічній B-формі спіралі, характерній для більшості клітин у фізіологічних умовах, припадає приблизно 10,5 пар основ на повний виток (360°), що дає крок спіралі близько 3,57 нм (10,5 × 0,34 нм). Це значення не є фіксованим: торсійні напруження, створювані топоізомеразами або ДНК-зв'язуючими білками, можуть перекручувати або розкручувати спіраль. У симуляторі повзунок Витки дозволяє вільно досліджувати різну щільність скручування — спробуйте 60 пар і 6 витків для наближення до реального співвідношення B-форми.

Хімічна структура гуаніну та цитозину надає трьом комплементарним донорним/акцепторним сайтам правильне просторове розташування у геометрії Уотсона-Кріка: паттерн донор-акцептор-донор однієї основи точно відповідає паттерну акцептор-донор-акцептор іншої, утворюючи три водневі зв'язки. Аденін і тимін можуть вирівняти лише два сумісних сайти. Додатковий зв'язок робить пари Г-Ц приблизно на 30–40% міцнішими, тому ділянки ДНК, багаті на Г-Ц, потребують більше енергії для розплавлення — ця властивість використовується у дизайні праймерів для ПЛР.

Натискання кнопки Випадкова послідовність генерує новий масив випадкових основ А, Т, Г, Ц для першої нитки, а потім автоматично призначає комплемент (А↔Т, Г↔Ц) кожній позиції другої нитки, дотримуючись правил комплементарного спарювання. Тривимірна геометрія остовів не змінюється — оновлюються лише кольори «перекладин». У режимі «За основою» одразу видно новий розподіл червоних (А), зелених (Т), синіх (Г) та жовтих (Ц) пар.

Симулятор використовує реальне біохімічне значення 0,34 нм на пару основ для обчислення «Прибл. довжини» у панелі статистики: 30 пар основ дають правильне значення 10,2 нм — відповідно до кристалографічних даних для B-форми ДНК. 3D-відображення масштабовано приблизно у 3 рази для наочності, тому розміри моделі на екрані не відповідають реальним; показник у статистиці відображає справжні молекулярні розміри. Реальний радіус B-ДНК становить близько 1 нм, тому початкове значення повзунка радіуса 1,0 є розумним наближенням до справжнього діаметра.

Подвійна спіраль ДНК — це тривимірна структура, утворена двома комплементарними нитками дезоксирибонуклеїнової кислоти, закрученими навколо спільної осі. Кожна нитка складається з цукрово-фосфатного остову з однією з чотирьох азотистих основ — Аденіном (А), Тиміном (Т), Гуаніном (Г) або Цитозином (Ц) — спрямованою всередину. Дві нитки утримуються разом водневими зв'язками між комплементарними парами основ: А завжди спарюється з Т, а Г завжди спарюється з Ц.

Перетягніть мишею чи пальцем, щоб обертати спіраль у 3D, і прокрутіть або зведіть пальці, щоб наблизити чи віддалити зображення. Використовуйте повзунок «Пари основ» (10-60), щоб подовжити чи вкоротити молекулу, повзунки «Радіус спіралі» та «Витки», щоб змінити геометрію, і повзунок «Швидкість обертання», щоб зупинити чи прискорити обертання. Перемикайте режими кольору між «За основою» (за типом нуклеотиду), «Веселка» (градієнт за висотою) та «Моно» (однорідний блакитний), а також натискайте «Випадкова послідовність», щоб згенерувати новий випадковий порядок нуклеотидів.

У B-формі ДНК — конформації, наявної в клітинах за нормальних фізіологічних умов, — кожна наступна пара основ зміщена на 0,34 нанометра вздовж осі спіралі. Це точно виміряна кристалографічна константа. Симулятор використовує це значення безпосередньо: показник «Прибл. довжина» на панелі статистики дорівнює кількості пар основ, помноженій на 0,34 нм, тому 30 пар основ коректно відображаються як 10,2 нм. 3D-модель масштабована приблизно втричі для наочності на екрані.

Кожна нитка остову описується параметричною спіраллю: x(t) = r cos(t), y(t) = t × (крок / 2π), z(t) = r sin(t), де r — радіус спіралі, а крок — підйом за повний виток (приблизно 3,57 нм для B-ДНК за 10,5 пар основ на виток). Дві нитки пов'язані поворотом на π радіан (180 градусів) навколо осі спіралі, що розміщує кожен вузол остову точно навпроти партнера. Ця антипаралельна геометрія зі зміщенням у половину витка означає, що великі та малі борозенки — ділянки різної ширини між нитками остову — чергуються навколо спіралі, що критично важливо для розпізнавання білок-ДНК.

В еукаріотичних клітинах (рослини, тварини, гриби) ДНК зберігається в ядрі, мітохондріях і хлоропластах. Гаплоїдний геном людини містить приблизно 3,2 мільярда пар основ загальною довжиною близько 2 метрів подвійної спіралі, упакованих у ядро діаметром приблизно 6 мікрометрів. Це надзвичайне ущільнення досягається намотуванням ДНК на білкові котушки — гістони (нуклеосоми), скручуванням нуклеосом у 30-нм фібрили та подальшим складанням у хромосоми. Прокаріоти, як-от бактерії, мають одну кільцеву хромосому в цитоплазмі без ядра.

Так — це правило Чаргаффа, підтверджене моделлю Уотсона-Кріка, і воно діє універсально в дволанцюговій ДНК. Аденін і тимін утворюють два водневі зв'язки за геометрії Уотсона-Кріка; гуанін і цитозин — три. Форми та патерни донорів-акцепторів водневих зв'язків основ фізично унеможливлюють невідповідності: А не може утворити стабільні зв'язки з Г чи Ц у стандартній геометрії, тому таке спарювання називають комплементарним. Це правило є молекулярною основою точності реплікації ДНК — кожна нитка слугує точним шаблоном для синтезу свого комплементу.

Структуру подвійної спіралі опублікували Джеймс Вотсон і Френсіс Крік 25 квітня 1953 року в журналі Nature, разом зі знаковою супровідною статтею Розалінд Франклін і Реймонда Гослінга, яка представила дані рентгенівської кристалографії, що зробили модель можливою. «Фото 51» Франклін — рентгенівське дифракційне зображення B-форми спіралі — надало критично важливі вимірювання розмірів спіралі та антипаралельного розташування ниток. Вотсон, Крік і Моріс Вілкінс отримали Нобелівську премію з фізіології або медицини у 1962 році; Франклін померла 1958 року, і правила Нобелівського комітету не дозволяють посмертні нагороди.

РНК (рибонуклеїнова кислота) утворює подібні спіральні структури, але зазвичай є одноланцюговою і набуває A-форми спіралі у дволанцюговому стані, з ширшою й коротшою геометрією, ніж B-ДНК. Сама ДНК може набувати A-форми (у зневодненому стані) та Z-форми (лівозакрученої спіралі, у чергованих Г-Ц-послідовностях за високої солоності). Триланцюгова ДНК (триплекс) і чотириланцюгові G-квадруплексні структури існують у теломерах і промоторах генів. Білки, такі як альфа-спіралі та потрійні спіралі колагену, мають подібну математичну спіральну геометрію, але на рівні пептидів, а не нуклеотидів.

Подвійну спіраль використовують у ПЛР (полімеразній ланцюговій реакції), яка застосовує термічну денатурацію для розділення ниток і ферментативний синтез для їх копіювання мільярди разів — це основа тестів на COVID-19, судової ДНК-експертизи та генетичних досліджень. Редагування генів CRISPR-Cas9 потребує точного розпізнавання конкретної послідовності ДНК у спіралі. ДНК-нанотехнології використовують програмоване спарювання основ для складання ниток ДНК у точні 2D- та 3D-наноструктури (ДНК-оригамі) для доставки ліків і наномасштабного виробництва. Технології секвенування довгих прочитань (Oxford Nanopore) пропускають окремі молекули спіралі крізь білкові пори, щоб зчитати послідовність електрично.

Дослідники картують тривимірну організацію ДНК усередині живих ядер з нанометровою роздільною здатністю за допомогою методу захоплення хромосом Hi-C та кріоелектронної томографії, розкриваючи, як згортання геному регулює експресію генів. Епігенетичні модифікації — хімічні мітки на основах (5-метилцитозин) і гістонах — змінюють доступність спіралі без зміни послідовності, і розуміння їх успадкування є важливим відкритим питанням. Групи синтетичної біології розширюють генетичний алфавіт за межі А/Т/Г/Ц штучними парами основ, що утворюють стабільні спіралі, відкриваючи шлях до білків з новими амінокислотами. Рідиннофазне зберігання даних у ДНК — кодування цифрових файлів у нуклеотидних послідовностях — активно розробляється як архівний носій із тисячолітньою стабільністю.