В условиях клеток ДНК принимает структуру двойной спирали. Хотя существует несколько вариантов этой двойной спиральной структуры, все они имеют одинаковую базовую форму витой лестницы. Эта структура придает ДНК физические и химические свойства, которые делают ее очень стабильной. Эта стабильность важна, потому что она предотвращает спонтанное разрушение двух цепей ДНК и играет важную роль в способе копирования ДНК.
Термодинамика
Энтропия - это физическое свойство, аналогичное беспорядку. Второй закон термодинамики предполагает, что такие процессы, как образование двойной спирали, будут происходят спонтанно только в том случае, если они приводят к чистому увеличению энтропии (на что в основном указывает высвобождение нагревать). Чем больше увеличение энтропии, которое сопровождает образование спирали, тем больше выделяется тепла в окружающую среду молекулы и тем более стабильной будет двойная спираль. Двойная спираль устойчива, поскольку ее образование приводит к увеличению энтропии. (Напротив, разрыв ДНК приводит к снижению энтропии, на что указывает поглощение тепла.)
Нуклеотиды
Молекула ДНК состоит из множества субъединиц, связанных друг с другом длинной скрученной цепочкой, похожей на лестницу. Отдельные субъединицы называются нуклеотидами. ДНК в клетках почти всегда находится в двухцепочечной форме, где две полимерные цепи соединены вместе, образуя единую молекулу. При pH (концентрации соли) и температурных условиях в клетках образование двойной спирали приводит к чистому увеличению энтропии. Вот почему полученная структура более устойчива, чем две нити, если бы они оставались отдельными.
Стабилизирующие факторы
Когда две нити ДНК соединяются, они образуют слабые химические связи, называемые водородными связями, между нуклеотидами в двух цепочках. Образование связи высвобождает энергию и, таким образом, способствует чистому увеличению энтропии. Дополнительный прирост энтропии происходит за счет взаимодействия между нуклеотидами в центре спирали; они называются взаимодействиями с накоплением оснований. Отрицательно заряженные фосфатные группы в основной цепи цепей ДНК отталкиваются друг от друга. Однако это дестабилизирующее взаимодействие преодолевается за счет благоприятных взаимодействий водородных связей и стэкинга оснований. Вот почему структура двойной спирали более стабильна, чем одинарная нить: ее образование приводит к чистому увеличению энтропии.
Формы ДНК
ДНК может принимать одну из нескольких различных структур двойной спирали: это формы ДНК A, B и Z. Форма B, наиболее устойчивая в клеточных условиях, считается «стандартной» формой; это тот, который вы обычно видите на иллюстрациях. Форма A - это двойная спираль, но она намного более сжатая, чем форма B. И форма Z скручена в противоположном направлении, чем форма B, и ее структура намного больше "вытянутый." Форма A не обнаруживается в клетках, хотя некоторые активные гены в клетках, по-видимому, усваивают Z форма. Ученые еще не до конца понимают, какое это может иметь значение и имеет ли это какое-либо эволюционное значение.