היציבות המבנית של סליל ה- DNA הכפול

בתנאים שנמצאים בתאים, ה- DNA מאמץ מבנה סליל כפול. למרות שקיימות מספר וריאציות על מבנה סליל כפול זה, לכולן אותה צורת סולם מפותלת בסיסית. מבנה זה נותן DNA תכונות פיזיקליות וכימיות ההופכות אותו ליציב מאוד. יציבות זו חשובה מכיוון שהיא מונעת משתי גדילי ה- DNA להתפרק באופן ספונטני וממלאת תפקיד חשוב באופן העתקת ה- DNA.

אנטרופיה היא תכונה פיזית המקבילה להפרעה. החוק השני של התרמודינמיקה מציע שתהליכים כמו היווצרות של סליל כפול יהיו קורים באופן ספונטני רק אם הם גורמים לגידול נטו באנטרופיה (שמצוין בעיקר על ידי שחרורו של חוֹם). ככל שגידול האנטרופיה המתלווה להיווצרות הסליל גדול יותר, כך שחרור החום לסביבת המולקולה גדול יותר והסליל הכפול יציב יותר. הסליל הכפול יציב מכיוון שהיווצרותו מובילה לעלייה באנטרופיה. (לעומת זאת, פירוק ה- DNA מוביל לירידה באנטרופיה כפי שמצוין על ידי ספיגת חום.)

מולקולת ה- DNA מיוצרת מיחידות משנה רבות המחוברות זו לזו בשרשרת ארוכה ומעוותת כמו סולם. יחידות היחיד נקראות נוקלאוטידים. DNA בתאים נמצא כמעט תמיד בצורה דו-גדילית, כאשר שני קווצות פולימרים מקושרים יחד ליצירת מולקולה אחת. בתנאי ה- pH (ריכוז המלח) והטמפרטורה הנמצאים בתאים, יצירת סליל כפול גורמת לעלייה נטו באנטרופיה. זו הסיבה שהמבנה המתקבל יציב יותר ממה ששני הגדילים יהיו אם הם נשארים נפרדים.

כאשר שני גדילי DNA מתחברים זה לזה, הם יוצרים קשרים כימיים חלשים הנקראים קשרי מימן בין הנוקלאוטידים בשתי השרשראות. היווצרות אג"ח משחררת אנרגיה ובכך תורמת לעלייה נטו באנטרופיה. דחיפה נוספת לאנטרופיה מגיעה מאינטראקציות בין הנוקלאוטידים שבמרכז הסליל; אלה נקראים אינטראקציות בסיסיות. קבוצות הפוספט הטעונות שלילית בעמוד השדרה של גדילי הדנ"א דוחות זו את זו. עם זאת, אינטראקציה ערערת יציבות זו מתגברת על ידי קשירת מימן חיובית ואינטראקציות בערימת בסיס. זו הסיבה שמבנה הסליל הכפול יציב יותר מחוטים בודדים: היווצרותו גורמת לרווח נקי באנטרופיה.

ה- DNA יכול לאמץ אחד ממספר מבני סליל כפול שונים: אלה צורות ה- A, B ו- Z של ה- DNA. צורת ה- B, היציבה ביותר בתנאים תאיים, נחשבת לצורה ה"סטנדרטית "; זה זה שאתה רואה בדרך כלל באיורים. צורת A היא סליל כפול אך היא דחוסה הרבה יותר מצורת ה- B. וצורת Z מעוותת בכיוון ההפוך מצורת B והמבנה שלה הוא הרבה יותר "שרוע." צורת ה- A אינה נמצאת בתאים, אם כי נראה כי כמה גנים פעילים בתאים מאמצים את ה- צורת Z. מדענים עדיין לא מבינים היטב איזו חשיבות יכולה להיות לכך או שיש לכך חשיבות אבולוציונית כלשהי.