El DNA en las células normalmente se organiza en estructuras compactas, lo que resulta en una configuración superenrollada debido a la tensión estructural. El superenrollamiento puede ser de dos tipos: plectonémico, donde se forma una hélice adicional a lo largo del eje imaginario central del DNA, o toroidal, donde el eje se enrolla alrededor de proteínas.
El grado de superenrollamiento plectonémico del DNA es regulado principalmente por enzimas llamadas topoisomerasas. Estas enzimas cortan y vuelven a unir las hebras del DNA después de que han cambiado de posición en el espacio, lo que altera la topología tridimensional de la molécula. Hay dos clases de topoisomerasas: clase I y clase II. Las topoisomerasas de clase I cortan una de las hebras del DNA y no requieren ATP, lo que provoca el relajamiento gradual de las moléculas superenrolladas de DNA. Por otro lado, las topoisomerasas de clase II requieren ATP, cortan ambas hebras del DNA y las vuelven a unir después de que han rotado en el espacio, lo que introduce superenrollamientos en el DNA. En el caso de las bacterias, algunas topoisomerasas de clase II, conocidas como girasas, pueden cambiar la posición de las hebras antes de volver a unirlas. Otras topoisomerasas de clase II requieren un mecanismo independiente, como la unión de proteínas al DNA, para realizar el cambio espacial de las hebras del DNA. El superenrollamiento toroidal se genera principalmente por la interacción de proteínas con carga positiva con el DNA y la acción de las topoisomerasas, tanto de clase I como de clase II.
El genoma de las bacterias generalmente se presenta como una única molécula circular de DNA, aunque algunas bacterias pueden tener dos moléculas circulares o una o más moléculas lineales. Cada molécula tiene una región de inicio de replicación. A pesar de que el DNA bacteriano es grande en relación al volumen celular, se encuentra altamente compactado en una estructura llamada nucleoide. El nucleoide contiene la molécula de DNA condensada aproximadamente 1,000 veces, así como moléculas de RNA, enzimas como la RNA polimerasa, topoisomerasas y proteínas básicas. Algunas bacterias también pueden tener moléculas de DNA más pequeñas llamadas plásmidos, además de la molécula principal que contiene la información genética esencial en el nucleoide. Estos plásmidos han permitido el desarrollo de la ingeniería genética al poder ser purificados, modificados con fragmentos de DNA y reintroducidos en las bacterias.
El modelo más completo del nucleoide se ha desarrollado en la bacteria E. coli. Según este modelo, la molécula circular de DNA cerrada de E. coli tiene aproximadamente 4.64 millones de pares de bases y alrededor de 4,300 genes, con una longitud de aproximadamente 1 mm. Se cree que está organizada en bucles con superenrollamiento plectonémico. Alrededor del 50% del DNA también se encuentra en superenrollamiento toroidal alrededor de proteínas similares a las histonas encontradas en células eucariotas.
El nucleoide es la estructura equivalente a la cromatina en las células eucariotas. Sin embargo, difiere de la cromatina en dos aspectos principales: 1) las proteínas básicas similares a las histonas presentes en el nucleoide no forman estructuras regulares y compactas como las histonas en los nucleosomas de la cromatina, y tienen una organización menos compleja y se disocian más fácilmente del DNA; 2) la tensión helicoidal que compacta el DNA en el nucleoide es tanto de tipo plectonémico como toroidal, mientras que en la cromatina, la tensión se produce principalmente por la interacción entre el DNA y las histonas (superenrollamiento toroidal).
Tanto el nucleoide como la cromatina contienen el genoma del organismo, es decir, el DNA que contiene la información genética que define al organismo. El término "cromosoma" generalmente se refiere a una molécula de DNA del genoma. Las bacterias generalmente tienen su genoma en una sola molécula o cromosoma, mientras que en los eucariontes, el genoma se encuentra distribuido en varias moléculas de DNA o cromosomas.
En los eucariontes, el genoma se encuentra en un complejo molecular de DNA, RNA y proteínas llamado cromatina. El DNA de la cromatina se presenta en 23 pares de moléculas lineales de cromosomas diferentes en las células humanas, con una longitud total de más de 1 metro. Además del DNA nuclear, las células eucariotas también contienen moléculas de DNA adicionales en organelos como las mitocondrias y los cloroplastos.
Cada cromosoma tiene un centrómero, dos telómeros y varias regiones de inicio de replicación. Los centrómeros son regiones compuestas generalmente por secuencias pequeñas repetidas que unen a las cromátidas hermanas al huso cromático durante la mitosis. Los telómeros son secuencias ubicadas en los extremos de cada cromosoma y son importantes para la replicación de moléculas lineales de DNA.
Los cromosomas son estructuras dinámicas que varían en apariencia durante el ciclo celular. Durante la interfase, cuando el DNA se transcribe y replica, los cromosomas forman una malla nuclear dispersa donde no es posible identificar a cada cromosoma. Durante la fase de mitosis, los cromosomas forman estructuras más compactas que se unen al huso cromático, lo que permite la identificación de cada par de cromosomas.