De structurele stabiliteit van de dubbele DNA-helix

Onder de omstandigheden die in cellen worden aangetroffen, neemt DNA een dubbele helixstructuur aan. Hoewel er verschillende variaties op deze dubbele helixstructuur bestaan, hebben ze allemaal dezelfde basisvorm met een gedraaide ladder. Deze structuur geeft DNA fysische en chemische eigenschappen die het zeer stabiel maken. Deze stabiliteit is belangrijk omdat het voorkomt dat de twee DNA-strengen spontaan uit elkaar vallen en speelt een belangrijke rol bij de manier waarop DNA wordt gekopieerd.

Entropie is een fysieke eigenschap analoog aan wanorde. De tweede wet van de thermodynamica suggereert dat processen zoals de vorming van een dubbele helix gebeuren alleen spontaan als ze resulteren in een netto toename van de entropie (voornamelijk aangegeven door het vrijkomen van warmte). Hoe groter de toename in entropie die gepaard gaat met de vorming van de helix, hoe groter de afgifte van warmte aan de omgeving van het molecuul en hoe stabieler de dubbele helix zal zijn. De dubbele helix is ​​stabiel omdat de vorming ervan leidt tot een toename van de entropie. (Daarentegen leidt het uiteenvallen van DNA tot een afname van de entropie zoals aangegeven door absorptie van warmte.)

Het DNA-molecuul is gemaakt van vele subeenheden die aan elkaar zijn bevestigd in een lange, gedraaide ladderachtige keten. De afzonderlijke subeenheden worden nucleotiden genoemd. DNA in cellen wordt bijna altijd gevonden in dubbelstrengs vorm, waarbij twee polymeren strengen aan elkaar zijn gekoppeld om een ​​enkel molecuul te vormen. Bij de pH (zoutconcentratie) en temperatuuromstandigheden die in cellen worden aangetroffen, resulteert de vorming van een dubbele helix in een netto toename van entropie. Dit is de reden waarom de resulterende structuur stabieler is dan de twee strengen zouden zijn als ze gescheiden zouden blijven.

Wanneer twee DNA-strengen samenkomen, vormen ze zwakke chemische bindingen die waterstofbruggen worden genoemd tussen de nucleotiden in de twee ketens. Bij de vorming van bindingen komt energie vrij en draagt ​​zo bij aan een netto toename van de entropie. Een extra entropieboost komt van interacties tussen de nucleotiden in het centrum van de helix; dit worden base-stacking-interacties genoemd. De negatief geladen fosfaatgroepen in de ruggengraat van de DNA-strengen stoten elkaar af. Deze destabiliserende interactie wordt echter overwonnen door de gunstige waterstofbinding en base-stacking interacties. Dit is de reden waarom de structuur met dubbele helix stabieler is dan enkele strengen: de vorming ervan veroorzaakt een nettowinst in entropie.

DNA kan een van verschillende dubbele helix-structuren aannemen: dit zijn de A-, B- en Z-vormen van DNA. De B-vorm, de meest stabiele onder cellulaire omstandigheden, wordt beschouwd als de "standaard" vorm; het is degene die je meestal in illustraties ziet. De A-vorm is een dubbele helix, maar is veel meer gecomprimeerd dan de B-vorm. En de Z-vorm is in de tegenovergestelde richting gedraaid dan de B-vorm en de structuur is veel meer "uitgestrekt." De A-vorm wordt niet gevonden in cellen, hoewel sommige actieve genen in cellen de lijken over te nemen Z-vorm. Wetenschappers begrijpen nog niet volledig welke betekenis dit kan hebben en of dit evolutionair van belang is.