الاستقرار الهيكلي للحمض النووي الحلزون المزدوج

في ظل الظروف الموجودة في الخلايا ، يتبنى الحمض النووي بنية حلزونية مزدوجة. على الرغم من وجود العديد من الاختلافات في هيكل اللولب المزدوج هذا ، إلا أن جميعها لها نفس شكل السلم الملتوي الأساسي. يمنح هذا الهيكل الحمض النووي الخصائص الفيزيائية والكيميائية التي تجعله مستقرًا للغاية. هذا الاستقرار مهم لأنه يمنع خيوط الحمض النووي من التفكك تلقائيًا ويلعب دورًا مهمًا في طريقة نسخ الحمض النووي.

الانتروبيا هي خاصية فيزيائية تشبه الفوضى. يقترح القانون الثاني للديناميكا الحرارية أن عمليات مثل تشكيل اللولب المزدوج سوف تحدث تلقائيًا فقط إذا أدت إلى زيادة صافية في الانتروبيا (يشار إليها بشكل أساسي من خلال إطلاق الحرارة). كلما زادت الزيادة في الانتروبيا التي تصاحب تكوين اللولب ، زاد إطلاق الحرارة في محيط الجزيء وكلما كان الحلزون المزدوج أكثر استقرارًا. اللولب المزدوج مستقر لأن تكوينه يؤدي إلى زيادة في الإنتروبيا. (في المقابل ، يؤدي تفكك الحمض النووي إلى انخفاض في الانتروبيا كما يتضح من امتصاص الحرارة).

يتكون جزيء الحمض النووي من العديد من الوحدات الفرعية المرتبطة ببعضها البعض في سلسلة طويلة ملتوية تشبه السلم. تسمى الوحدات الفرعية الفردية نيوكليوتيدات. يوجد الحمض النووي في الخلايا دائمًا تقريبًا في شكل مزدوج الشريطة ، حيث يتم ربط خيطين من البوليمرات معًا لتشكيل جزيء واحد. عند درجة الحموضة (تركيز الملح) وظروف درجة الحرارة الموجودة في الخلايا ، ينتج عن تكوين اللولب المزدوج زيادة صافية في الانتروبيا. هذا هو السبب في أن الهيكل الناتج يكون أكثر استقرارًا من السلاسل إذا بقيتا منفصلين.

عندما يجتمع شريطين من الحمض النووي معًا ، فإنهما يشكلان روابط كيميائية ضعيفة تسمى روابط هيدروجينية بين النيوكليوتيدات في السلسلتين. يطلق تكوين الرابطة الطاقة وبالتالي يساهم في زيادة صافية في الانتروبيا. يأتي التعزيز الإضافي للإنتروبيا من التفاعلات بين النيوكليوتيدات في مركز اللولب. هذه تسمى تفاعلات التكديس الأساسي. تتنافر مجموعات الفوسفات سالبة الشحنة الموجودة في العمود الفقري لخيوط الحمض النووي مع بعضها البعض. ومع ذلك ، يتم التغلب على هذا التفاعل المزعزع للاستقرار من خلال الروابط الهيدروجينية المواتية وتفاعلات التراص القاعدية. هذا هو السبب في أن بنية اللولب المزدوج أكثر استقرارًا من الخيوط المفردة: يؤدي تكوينها إلى ربح صافٍ في الانتروبيا.

يمكن أن يتبنى الحمض النووي واحدًا من عدة هياكل حلزونية مزدوجة مختلفة: هذه هي أشكال الحمض النووي A و B و Z. يعتبر النموذج B ، وهو الأكثر استقرارًا في ظل الظروف الخلوية ، هو الشكل "القياسي" ؛ إنها الصورة التي تراها عادةً في الرسوم التوضيحية. النموذج A هو حلزون مزدوج ولكنه مضغوط أكثر بكثير من النموذج B. والصورة Z ملتوية في الاتجاه المعاكس للصورة B وهيكلها أكثر من ذلك بكثير "ممدودة." لا يوجد الشكل A في الخلايا ، على الرغم من أن بعض الجينات النشطة في الخلايا يبدو أنها تتبنى شكل Z. لا يفهم العلماء تمامًا بعد ما هي الأهمية التي قد يكون لها هذا أو ما إذا كان لهذا أي أهمية تطورية.