L'ADN est formé de deux brins qui constituent chacun une séquence de nucléotides. L'assemblage de cette séquence est asymétrique et c'est pour cette raison que l'on spécifie les orientations 5' et 3' qui sont les positions auxquelles on retrouve respectivement le groupement phosphate et le groupement hydroxyle des nucléotides.
La synthèse d'un brin d'ADN, aussi appelée polymérisation de l'ADN, qui est essentielle à la réplication de l'ADN, se fait dans le sens 5' vers 3'. En effet, les protéines responsables de cette polymérisation, appelées ADN polymérases, convertissent en premier lieu un nucléotide triphosphate en nucléotide monophosphate, forme sous laquelle il peut être incorporé à la séquence en cours de synthèse. Cette conversion libère de l'énergie qui permet à l'ADN polymérase de progresser pour continuer la synthèse du brin d'ADN. Le nucléotide monophosphate est ensuite attaché au brin en cours de synthèse grâce à une réaction chimique entre son groupement phosphate et le groupement hydroxyle du dernier nucléotide du brin d'ADN. C'est pour cette raison que la polymérisation est orientée dans le sens 5' vers 3'.
L'importance de l'orientation antiparallèle des brins d'ADN vient du fait que les ADN polymérases utilisent le deuxième brin, que l'on nomme brin matrice, comme modèle pour effectuer la polymérisation du brin en cours de synthèse. La lecture du brin matrice se fait de façon inverse, c'est-à-dire dans le sens 3' vers 5', et l'ADN polymérase ajoute les nucléotides au brin en cours de synthèse par complémentarité avec le brin matrice.
Pour résumer, l'orientation antiparallèle des 2 brins d'ADN est nécessaire à sa réplication: le brin matrice est lu dans le sens 3' vers 5' et confère un modèle de recopiage pour la synthèse du brin complémentaire, qui se fait, quant à elle, dans le sens 5' vers 3'.