Čo spôsobuje skrútenie dvojitej špirály v obraze DNA?

Predstavte si, že máte dva tenké pramene, každé dlhé asi 3 1/4 stopy, spojené pokope útržkami vodoodpudivého materiálu, aby vytvorili jednu niť. Teraz si predstavte, že ste túto niť umiestnili do vodou naplnenej nádoby s priemerom niekoľkých mikrometrov. Toto sú podmienky, ktorým ľudská DNA čelí v bunkovom jadre. Chemické zloženie DNA spolu s účinkami proteínov krúti dva vonkajšie okraje DNA do špirálového tvaru alebo do špirály, ktoré pomáhajú DNA zapadnúť do malého jadra.

V bunkovom jadre je DNA pevne zvinutá, vláknitá molekula. Veľkosť jadier a DNA sa líši medzi tvormi a typmi buniek. V každom prípade zostáva jeden fakt konzistentný: napnutá naplocho, DNA bunky by bola exponenciálne dlhšia ako priemer jej jadra. Priestorové obmedzenia vyžadujú skrútenie, aby bola DNA kompaktnejšia, a chémia vysvetľuje, ako k skrúteniu dochádza.

DNA je veľká molekula vyrobená z menších molekúl troch rôznych chemických zložiek: cukru, fosfátu a dusíkatých báz. Cukor a fosfát sú umiestnené na vonkajších okrajoch molekuly DNA a bázy sú medzi nimi usporiadané ako rebríky. Vzhľadom na to, že kvapaliny v našich bunkách sú založené na vode, má táto štruktúra zmysel: cukor a fosfát sú hydrofilné alebo milujú vodu, zatiaľ čo zásady sú hydrofóbne alebo sa obávajú vody.

•••Hemera Technologies / AbleStock.com / Getty Images

Teraz si namiesto rebríka predstavte skrútené lano. Zvraty približujú pramene lana k sebe, pričom medzi nimi zostáva malý priestor. Molekula DNA sa podobne krúti, aby zmenšila medzery medzi hydrofóbnymi bázami vo vnútri. Špirálový tvar odrádza vodu od prúdenia medzi nimi a zároveň ponecháva priestor pre zapadnutie atómov každej chemickej zložky bez toho, aby sa prekrývali alebo zasahovali.

Hydrofóbna reakcia báz nie je jediným chemickým javom, ktorý ovplyvňuje krútenie DNA. Dusíkaté bázy, ktoré sedia oproti sebe na dvoch reťazcoch DNA, sa navzájom lákajú, ale v hre je aj ďalšia príťažlivá sila, ktorá sa nazýva stohovacia sila. Stohovacia sila priťahuje základne nad alebo pod sebou na rovnakom vlákne. Vedci z Duke University sa syntetizáciou molekúl DNA zložených iba z jednej bázy naučili, že každá báza vyvíja inú stohovaciu silu, čím prispieva k špirálovitému tvaru DNA.

V niektorých prípadoch môžu proteíny spôsobiť, že sa časti DNA stočia ešte pevnejšie a vytvárajú takzvané supercoily. Napríklad enzýmy, ktoré pomáhajú pri replikácii DNA, vytvárajú ďalšie zákruty, keď prechádzajú reťazcom DNA. Zdá sa tiež, že proteín zvaný 13S kondenzín vyvoláva supercoily v DNA tesne pred bunkovým delením, ukázala štúdia z Kalifornskej univerzity v Berkeley z roku 1999. Vedci pokračujú vo výskume týchto proteínov v nádeji, že ďalej pochopia zákruty v dvojitej špirále DNA.