Was bewirkt, dass sich die Doppelhelix in einem DNA-Bild verdreht?

Stellen Sie sich vor, Sie haben zwei dünne Stränge von jeweils etwa 3 1/4 Fuß Länge, die von Schnipseln aus einem wasserabweisenden Material zu einem Faden zusammengehalten werden. Stellen Sie sich nun vor, dieses Gewinde in einen mit Wasser gefüllten Behälter mit einem Durchmesser von wenigen Mikrometern zu stecken. Dies sind die Bedingungen, denen die menschliche DNA innerhalb eines Zellkerns ausgesetzt ist. Die chemische Zusammensetzung der DNA, zusammen mit der Wirkung von Proteinen, verdreht die beiden äußeren Kanten der DNA in eine Spiralform oder Helix, die der DNA hilft, in einen winzigen Kern zu passen.

Innerhalb eines Zellkerns ist DNA ein eng gewundenes, fadenförmiges Molekül. Kerne und DNA-Moleküle variieren in der Größe zwischen Lebewesen und Zelltypen. Eine Tatsache bleibt in jedem Fall stimmig: Flach gestreckt wäre die DNA einer Zelle exponentiell länger als der Durchmesser ihres Zellkerns. Die Platzbeschränkungen erfordern eine Verdrillung, um die DNA kompakter zu machen, und die Chemie erklärt, wie die Verdrillung stattfindet.

DNA ist ein großes Molekül, das aus kleineren Molekülen dreier verschiedener chemischer Bestandteile aufgebaut ist: Zucker, Phosphat und stickstoffhaltige Basen. Zucker und Phosphat befinden sich an den äußeren Rändern des DNA-Moleküls, zwischen denen die Basen wie die Sprossen einer Leiter angeordnet sind. Angesichts der Tatsache, dass die Flüssigkeiten in unseren Zellen auf Wasser basieren, ist diese Struktur sinnvoll: Zucker und Phosphat sind beide hydrophil oder wasserliebend, während die Basen hydrophob oder wasserscheu sind.

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Stellen Sie sich nun anstelle einer Leiter ein verdrehtes Seil vor. Die Drehungen bringen die Stränge des Seils eng zusammen und lassen wenig Platz zwischen ihnen. Das DNA-Molekül verdreht sich in ähnlicher Weise, um die Räume zwischen den hydrophoben Basen im Inneren zu verkleinern. Die Spiralform verhindert, dass Wasser zwischen ihnen fließt, und lässt gleichzeitig Platz für die Atome jedes chemischen Inhaltsstoffs, ohne sich zu überlappen oder zu stören.

Die hydrophobe Reaktion der Basen ist nicht das einzige chemische Ereignis, das die Verdrehung der DNA beeinflusst. Die stickstoffhaltigen Basen, die sich auf den beiden DNA-Strängen gegenüberliegen, ziehen sich an, aber auch eine andere anziehende Kraft, die sogenannte Stapelkraft, ist im Spiel. Die Stapelkraft zieht die Böden über- oder untereinander am gleichen Strang an. Forscher der Duke University haben durch die Synthese von DNA-Molekülen, die aus nur einer Base bestehen, gelernt, dass jede Base eine andere Stapelkraft ausübt und so zur Spiralform der DNA beiträgt.

In manchen Fällen können Proteine ​​dazu führen, dass sich DNA-Abschnitte noch enger zusammenrollen und so genannte Supercoils bilden. Zum Beispiel erzeugen Enzyme, die bei der DNA-Replikation helfen, zusätzliche Drehungen, während sie den DNA-Strang wandern. Auch ein Protein namens 13S-Kondensin scheint kurz vor der Zellteilung Supercoils in der DNA auszulösen, ergab eine Studie der University of California in Berkeley aus dem Jahr 1999. Wissenschaftler forschen weiter an diesen Proteinen, in der Hoffnung, die Verdrehungen in der DNA-Doppelhelix weiter zu verstehen.