La stabilité structurelle de la double hélice d'ADN

Dans les conditions présentes dans les cellules, l'ADN adopte une structure en double hélice. Bien qu'il existe plusieurs variantes de cette structure à double hélice, toutes ont la même forme d'échelle torsadée de base. Cette structure confère à l'ADN des propriétés physiques et chimiques qui le rendent très stable. Cette stabilité est importante car elle empêche les deux brins d'ADN de se séparer spontanément et joue un rôle important dans la façon dont l'ADN est copié.

L'entropie est une propriété physique analogue au désordre. La deuxième loi de la thermodynamique suggère que des processus comme la formation d'une double hélice vont se produisent spontanément que s'ils entraînent une augmentation nette de l'entropie (indiquée principalement par la libération de Chauffer). Plus l'augmentation d'entropie qui accompagne la formation de l'hélice est importante, plus le dégagement de chaleur dans l'environnement de la molécule est important et plus la double hélice sera stable. La double hélice est stable car sa formation entraîne une augmentation de l'entropie. (En revanche, la rupture de l'ADN entraîne une diminution de l'entropie, comme indiqué par l'absorption de chaleur.)

La molécule d'ADN est constituée de nombreuses sous-unités attachées les unes aux autres dans une longue chaîne en forme d'échelle torsadée. Les sous-unités individuelles sont appelées nucléotides. L'ADN dans les cellules se trouve presque toujours sous forme double brin, où deux brins de polymères sont liés ensemble pour former une seule molécule. Aux conditions de pH (concentration en sel) et de température trouvées dans les cellules, la formation d'une double hélice entraîne une nette augmentation de l'entropie. C'est pourquoi la structure résultante est plus stable que ne le seraient les deux brins s'ils restaient séparés.

Lorsque deux brins d'ADN se réunissent, ils forment des liaisons chimiques faibles appelées liaisons hydrogène entre les nucléotides des deux chaînes. La formation de liaison libère de l'énergie et contribue ainsi à une augmentation nette de l'entropie. Une augmentation supplémentaire de l'entropie provient des interactions entre les nucléotides au centre de l'hélice; celles-ci sont appelées interactions d'empilement de base. Les groupes phosphates chargés négativement dans le squelette des brins d'ADN se repoussent. Cependant, cette interaction déstabilisante est surmontée par les interactions favorables de liaison hydrogène et d'empilement de bases. C'est pourquoi la structure en double hélice est plus stable que les simples brins: sa formation provoque un gain net d'entropie.

L'ADN peut adopter l'une des différentes structures en double hélice: ce sont les formes A, B et Z de l'ADN. La forme B, la plus stable dans les conditions cellulaires, est considérée comme la forme « standard »; c'est celui que vous voyez généralement dans les illustrations. La forme A est une double hélice mais mais est beaucoup plus compressée que la forme B. Et, la forme Z est tordue dans la direction opposée à celle de la forme B et sa structure est beaucoup plus "étiré." La forme A ne se trouve pas dans les cellules, bien que certains gènes actifs dans les cellules semblent adopter la forme Z. Les scientifiques ne comprennent pas encore complètement quelle importance cela pourrait avoir ou si cela a une importance évolutive.