Stabilitas Struktural dari Heliks Ganda DNA

Di bawah kondisi yang ditemukan dalam sel, DNA mengadopsi struktur heliks ganda. Meskipun beberapa variasi pada struktur heliks ganda ini ada, semuanya memiliki bentuk tangga bengkok dasar yang sama. Struktur ini memberikan sifat fisik dan kimia DNA yang membuatnya sangat stabil. Stabilitas ini penting karena mencegah dua untai DNA pecah secara spontan dan memainkan peran penting dalam cara DNA disalin.

Entropi adalah sifat fisik yang analog dengan ketidakteraturan. Hukum Kedua Termodinamika menunjukkan bahwa proses seperti pembentukan heliks ganda akan terjadi secara spontan hanya jika mereka menghasilkan peningkatan entropi bersih (ditunjukkan terutama oleh pelepasan panas). Semakin besar peningkatan entropi yang menyertai pembentukan heliks, semakin besar pelepasan panas ke lingkungan molekul dan semakin stabil heliks ganda. Heliks ganda stabil karena pembentukannya menyebabkan peningkatan entropi. (Sebaliknya, pemecahan DNA menyebabkan penurunan entropi seperti yang ditunjukkan oleh penyerapan panas.)

Molekul DNA terbuat dari banyak subunit yang melekat satu sama lain dalam rantai seperti tangga yang panjang dan bengkok. Subunit individu disebut nukleotida. DNA dalam sel hampir selalu ditemukan dalam bentuk untai ganda, di mana dua untai polimer dihubungkan bersama untuk membentuk satu molekul. Pada pH (konsentrasi garam) dan kondisi suhu yang ditemukan dalam sel, pembentukan heliks ganda menghasilkan peningkatan entropi bersih. Inilah sebabnya mengapa struktur yang dihasilkan lebih stabil daripada dua untai jika mereka tetap terpisah.

Ketika dua untai DNA bersatu, mereka membentuk ikatan kimia lemah yang disebut ikatan hidrogen antara nukleotida dalam dua rantai. Pembentukan ikatan melepaskan energi dan dengan demikian berkontribusi pada peningkatan bersih entropi. Dorongan entropi tambahan berasal dari interaksi antara nukleotida di tengah heliks; ini disebut interaksi dasar susun. Gugus fosfat bermuatan negatif di tulang punggung untai DNA saling tolak. Namun, interaksi destabilisasi ini diatasi dengan ikatan hidrogen yang menguntungkan dan interaksi penumpukan basa. Inilah sebabnya mengapa struktur heliks ganda lebih stabil daripada untaian tunggal: pembentukannya menyebabkan keuntungan bersih dalam entropi.

DNA dapat mengadopsi salah satu dari beberapa struktur heliks ganda yang berbeda: ini adalah bentuk DNA A, B dan Z. Bentuk B, yang paling stabil dalam kondisi seluler, dianggap sebagai bentuk "standar"; itu yang biasanya Anda lihat dalam ilustrasi. Bentuk A adalah heliks ganda tetapi jauh lebih padat daripada bentuk B. Dan, bentuk Z dipelintir ke arah yang berlawanan dari bentuk B dan strukturnya jauh lebih banyak "terbentang." Bentuk A tidak ditemukan dalam sel, meskipun beberapa gen aktif dalam sel tampaknya mengadopsi bentuk Z. Para ilmuwan belum sepenuhnya memahami apa signifikansi ini atau apakah ini memiliki kepentingan evolusioner.