ما الذي يسبب التفاف اللولب المزدوج في صورة الحمض النووي؟

تخيل أن لديك خيطين رفيعين ، طول كل منهما حوالي 3 1/4 أقدام ، متماسكين معًا بواسطة قصاصات من مادة مقاومة للماء لتشكيل خيط واحد. تخيل الآن تركيب هذا الخيط في وعاء مملوء بالماء بقطر بضعة ميكرومتر. هذه هي الظروف التي يواجهها الحمض النووي البشري داخل نواة الخلية. يعمل التركيب الكيميائي للحمض النووي ، جنبًا إلى جنب مع تأثيرات البروتينات ، على تحريف الحافتين الخارجيتين للحمض النووي إلى شكل حلزوني ، أو حلزون ، يساعد على احتواء الحمض النووي في نواة صغيرة.

داخل نواة الخلية ، الحمض النووي هو جزيء ملفوف بإحكام ، يشبه الخيوط. تختلف جزيئات النوى والحمض النووي في الحجم بين المخلوقات وأنواع الخلايا. في كل حالة ، تظل حقيقة واحدة ثابتة: إذا تمدد بشكل مسطح ، فإن الحمض النووي للخلية سيكون أطول أضعافًا مضاعفة من قطر نواتها. تتطلب قيود المساحة التواء لجعل الحمض النووي أكثر إحكاما ، وتشرح الكيمياء كيفية حدوث التواء.

الحمض النووي هو جزيء كبير مبني من جزيئات أصغر من ثلاثة مكونات كيميائية مختلفة: قواعد السكر والفوسفات والنيتروجين. يقع السكر والفوسفات على الحواف الخارجية لجزيء الحمض النووي ، مع ترتيب القواعد بينهما مثل درجات السلم. بالنظر إلى أن السوائل في خلايانا تعتمد على الماء ، فإن هذا الهيكل منطقي: السكر والفوسفات كلاهما محب للماء ، أو محبوب للماء ، في حين أن القواعد كارهة للماء ، أو تخشى الماء.

•••هيميرا تكنولوجيز / AbleStock.com / جيتي إيماجيس

الآن ، بدلاً من سلم ، تخيل حبلًا ملتويًا. تقرب التقلبات خيوط الحبل من بعضها ، مما يترك مسافة صغيرة بينها. ينحرف جزيء الحمض النووي بالمثل لتقليص المسافات بين القواعد الكارهة للماء في الداخل. لا يشجع الشكل الحلزوني الماء من التدفق بينهما ، وفي نفس الوقت يترك مساحة لذرات كل مكون كيميائي لتناسب دون تداخل أو تداخل.

تفاعل القواعد الكارهة للماء ليس الحدث الكيميائي الوحيد الذي يؤثر على تحريف الحمض النووي. تتجاذب القواعد النيتروجينية التي تتقاطع مع بعضها البعض على خيطي الحمض النووي لبعضها البعض ، ولكن هناك قوة جذب أخرى ، تسمى قوة التراص ، تلعب دورًا أيضًا. تجذب قوة التكديس القواعد الموجودة أعلى أو أسفل بعضها البعض على نفس الخيط. لقد تعلم باحثو جامعة ديوك من خلال توليف جزيئات الحمض النووي المكونة من قاعدة واحدة فقط أن كل قاعدة تمارس قوة تكديس مختلفة ، مما يساهم في الشكل الحلزوني للحمض النووي.

في بعض الحالات ، يمكن أن تتسبب البروتينات في لف أجزاء من الحمض النووي بشكل أكثر إحكامًا ، مكونة ما يسمى بالفائق الفائقة. على سبيل المثال ، تخلق الإنزيمات التي تساعد في تكرار الحمض النووي تقلبات إضافية أثناء انتقالها في حبلا الحمض النووي. كشفت دراسة أجرتها جامعة كاليفورنيا في بيركلي عام 1999 ، أن بروتينًا يسمى 13S condensin يبدو أنه يحفز الخلايا الفائقة في الحمض النووي قبل انقسام الخلية. يواصل العلماء البحث عن هذه البروتينات على أمل فهم المزيد من التقلبات في الحلزون المزدوج للحمض النووي.