Die strukturelle Stabilität der DNA-Doppelhelix

Unter den in Zellen vorkommenden Bedingungen nimmt die DNA eine Doppelhelix-Struktur an. Obwohl es mehrere Variationen dieser Doppelhelix-Struktur gibt, haben alle die gleiche Grundform der verdrillten Leiter. Diese Struktur verleiht der DNA physikalische und chemische Eigenschaften, die sie sehr stabil machen. Diese Stabilität ist wichtig, weil sie ein spontanes Auseinanderbrechen der beiden DNA-Stränge verhindert und eine wichtige Rolle beim Kopieren der DNA spielt.

Entropie ist eine physikalische Eigenschaft, die der Unordnung entspricht. Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik legt nahe, dass Prozesse wie die Bildung einer Doppelhelix passieren spontan nur, wenn sie zu einer Netto-Entropiezunahme führen (vor allem durch die Freisetzung von Hitze). Je größer die Entropiezunahme, die mit der Helixbildung einhergeht, desto größer ist die Wärmeabgabe an die Molekülumgebung und desto stabiler wird die Doppelhelix. Die Doppelhelix ist stabil, weil ihre Bildung zu einer Entropieerhöhung führt. (Im Gegensatz dazu führt der DNA-Aufbruch zu einer Abnahme der Entropie, was durch die Aufnahme von Wärme angezeigt wird.)

Das DNA-Molekül besteht aus vielen Untereinheiten, die in einer langen, verdrillten, leiterartigen Kette miteinander verbunden sind. Die einzelnen Untereinheiten werden Nukleotide genannt. DNA in Zellen liegt fast immer in doppelsträngiger Form vor, bei der zwei Polymerstränge zu einem einzigen Molekül verbunden sind. Bei den in Zellen gefundenen pH- (Salzkonzentration) und Temperaturbedingungen führt die Bildung einer Doppelhelix zu einer Nettozunahme der Entropie. Aus diesem Grund ist die resultierende Struktur stabiler als die beiden Stränge, wenn sie getrennt bleiben würden.

Wenn zwei DNA-Stränge zusammenkommen, bilden sie schwache chemische Bindungen, die Wasserstoffbrücken zwischen den Nukleotiden in den beiden Ketten genannt werden. Die Bindungsbildung setzt Energie frei und trägt somit zu einer Netto-Entropiezunahme bei. Ein zusätzlicher Entropieschub kommt von Wechselwirkungen zwischen den Nukleotiden im Zentrum der Helix; diese werden als basenstapelnde Wechselwirkungen bezeichnet. Die negativ geladenen Phosphatgruppen im Rückgrat der DNA-Stränge stoßen sich gegenseitig ab. Diese destabilisierende Wechselwirkung wird jedoch durch die günstigen Wasserstoffbrücken- und Basenstapelwechselwirkungen überwunden. Aus diesem Grund ist die Doppelhelixstruktur stabiler als Einzelstränge: Ihre Bildung bewirkt einen Nettogewinn an Entropie.

DNA kann eine von mehreren verschiedenen Doppelhelix-Strukturen annehmen: Dies sind die A-, B- und Z-Formen der DNA. Die B-Form, die unter zellulären Bedingungen am stabilsten ist, gilt als "Standard"-Form; es ist das, das Sie normalerweise in Abbildungen sehen. Die A-Form ist eine Doppelhelix, aber viel komprimierter als die B-Form. Und die Z-Form ist in die entgegengesetzte Richtung verdreht als die B-Form und ihre Struktur ist viel mehr "ausgestreckt." Die A-Form kommt in Zellen nicht vor, obwohl einige aktive Gene in Zellen die Z-Form. Wissenschaftler wissen noch nicht ganz, welche Bedeutung dies haben könnte oder ob dies eine evolutionäre Bedeutung hat.