Скручивание двойной спирали ДНК

Во-первых, ваше описание соответствует действительности. Единственная педантичная критика, которую я бы сделал, состоит в том, что технический термин для нуклеотидов в ДНК — дезоксирибонуклеотид .

Во-вторых, я не хочу сказать, что неспиральная ДНК никогда не встречается, поскольку структура любой макромолекулы динамична, но я специально избегаю исключений из правила, чтобы не запутать вопрос.

Спиральная структура ДНК представляет собой низкоэнергетическую форму, что делает ее образование термодинамически выгодным. Химические связи в ДНК (и в каждой молекуле) обладают конформационной гибкостью, что означает, что молекула в целом может принимать различные структуры . Если вы представите две нити ДНК, соединенные водородными связями, но в неспиральной, прямой форме, вы можете просто скрутить нити вокруг их центральной оси, чтобы сформировать спиральную структуру. Это скручивание допускается из-за конформационной гибкости химических связей. Спиральная структура более стабильна, чем «прямая» форма (из-за взаимодействий стекинга оснований ), и поэтому она формируется спонтанно. Я тщетно пытался найти хорошую анимацию, но не смог. Вы можете просмотреть это видеочтобы увидеть пример того, о чем я говорю. Это тонко, но вы сможете увидеть или осмыслить, что по мере того, как две нити закручиваются друг вокруг друга, соседние основания нити сближаются. Это позволяет стабилизировать взаимодействие между соседними основаниями, что способствует спонтанному образованию спирали (я кратко обсуждаю это в конце другого ответа ).

Что касается частоты появления «перекладин», это зависит от конкретной геометрии спирали . В ДНК B-формы, геометрия которой, как считается, возникает преимущественно in vivo , спираль совершает один полный оборот примерно через каждые 10,5 оснований, а расстояние между соседними основаниями составляет ~ 3,4 Å, как показано ниже:

Одним из ключевых моментов для тех, кто приходит к структурной биологии от другого ученика, является понимание базовой термодинамики, лежащей в основе концепции «стабильной» структуры. Это описано во вводной главе работы Berg et al. онлайн. Хотя строго необходимо учитывать энтропию всей системы, во многих случаях наиболее важным фактором является свободная энергия (Гиббса) структуры. Если сравнить две (или более) структуры, наиболее термодинамически устойчивой будет та, у которой наименьшая свободная энергия.

Факторами, способствующими состоянию с низкой свободной энергией в структуре («стабилизирующим ее»), являются наличие химических связей и отсутствие стерического или электростатического отталкивания. Двойная спиральная структура стабилизируется за счет водородных связей между основаниями противоположных цепей и стэкинг-взаимодействий между ароматическими кольцами выше и ниже друг друга в спирали. Об этом упоминает @canadiener, хотя перспектива его диаграммы не оптимальна для отображения стека. Кадр (а) моей диаграммы ниже показывает спираль ДНК «сверху» с пуриновыми основаниями красного цвета, пиримидиновыми основаниями синим и сахаро-фосфатным остовом белым. (Кадр (b) показывает водородные связи в виде пунктирных линий между основаниями, хотя синяя половина не очень хорошо видна.)

Причина «скручивания», лежащего в основе спирали ДНК, заключается просто в том, что она является частью структуры, обеспечивающей самые прочные водородные связи и укладку оснований с наименьшим стерическим или электростатическим отталкиванием. Это будет структура с наименьшей свободной энергией.

[См. также описание двойной спирали в Berg et al. , который включает в себя схему базового стека. Я бы очень посоветовал обращаться к текстам по биохимии и молекулярной биологии в Интернете на книжной полке NCBI в качестве стандартного материала, а не к Википедии. Ученость, судейство и постоянство последних вообще намного выше.]