Вторичная структура ДНК отображает пространственную организацию ее цепи. Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных вправо с образованием двойной спирали диаметром до 2 нм.

Эти цепи антипараллельны друг другу: в одной цепи направление соединения нуклеотидов определяется как 5’> 3’, а в другом как 3’ > 5’. Две цепи ДНК являются комплементарными (дополняющими), поскольку между азотистыми основаниями цепей образуются поперечные водородные связи. Существуют комплементарные пары – аденин-тимин (2 водородные связи) и гуанин-цитозин (3 связи). Площади, которые занимают пары комплементарных оснований, приблизительно одинаковы. Этим объясняется постоянный диаметр спирали.

Причиной комплементарности оснований является совпадение углов, по которым основания присоединяются к пентозофосфатным остаткам ДНК. Это обеспечивает максимальное сближение между собой пар – аденин-тимин и гуанин – цитозин.

Комплементарность оснований открыл Чаргафф, который сформулировал такие правила:

1. Количество пуриновых оснований равно количеству пиримидиновых (А + Г = Ц + Т)

2. Количество аденина равно количеству тимина, а гуанину - цитозина (А = Т; Г = Ц).

У ДНК разных видов соотношения между аденином и гуанином, цитозином и тимином является неодинаковым и видоспецифическим и является таксономическим признаком.

Существует несколько форм правозакрученной двойной спирали ДНК. В клетке ДНК чаще всего находится в В-форме, в которой на один виток спирали приходится до 10 пар нуклеотидов. Диаметр спирали 2 нм, причем пуриновый нуклеотид имеет размер 1,2 нм, а пиримидиновый - 0,8 нм. В А-форме на 1 виток приходится 11 пар нуклеотидов, а в С-форме – 9,3 пар нуклеотидов. Внутреннюю пустоту в спирали ДНК занимают гидрофобные азотистые основания. Эта часть ДНК является неполярной областью, тогда как внешняя сторона - полярной и заряженной отрицательно за счет остатков углеводов и фосфатных групп. Цепи ДНК образуют 2 желоба - малую и большую борозды. Считается, что в А-форме ДНК принимает участие в процессах транскрипции, а в В-форме – в процессах репликации. Кроме правозакрученной спирали существует одна левая спираль ДНК - (Z -форма), в которой на один виток приходится 12 пар нуклеотидов. Двойная спираль характерна для большинства молекул ДНК, однако некоторые вирусы содержат одноцепную или кольцевую молекулу ДНК

В функциональном отношении цепи ДНК не эквивалентны. Кодирующей цепью (матричной, смысловой) является та, которая считывается в процессе транскрипции и служит матрицей для PHK. Некодирующая цепь (антисмысловая) подобна РНК (при условии замены T на У). Структуру гена обычно подают в виде последовательности некодирующей цепи ДНК в направлении 5'>3'. Если прочитать кодоны в этом направлении, то посредством генетического кода можно воспроизвести аминокислотную последовательность белка от N- к С-концу.