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Stellen Sie sich vor, Sie haben zwei dünne Stränge, die jeweils etwa 3 1/4 Fuß lang sind und durch Schnipsel eines wasserabweisenden Materials zusammengehalten werden, um einen Faden zu bilden. Stellen Sie sich nun vor, Sie würden diesen Faden in einen mit Wasser gefüllten Behälter mit einem Durchmesser von einigen Mikrometern einpassen. Dies sind die Bedingungen, denen die menschliche DNA in einem Zellkern ausgesetzt ist. Die chemische Zusammensetzung der DNA verdreht zusammen mit der Wirkung von Proteinen die DNA an zwei Außenkanten in eine Spiralform oder Helix, die dazu beiträgt, dass die DNA in einen winzigen Kern passt.
Größe
Innerhalb eines Zellkerns ist DNA ein eng gewundenes, fadenförmiges Molekül. Die Größe der Kerne und DNA-Moleküle variiert je nach Tier und Zelltyp. In jedem Fall bleibt eine Tatsache konsistent: Flach gestreckt wäre die DNA einer Zelle exponentiell länger als der Durchmesser ihres Kerns. Die Platzbeschränkungen erfordern eine Verdrehung, um die DNA kompakter zu machen, und die Chemie erklärt, wie die Verdrehung erfolgt.
Chemie
DNA ist ein großes Molekül, das aus kleineren Molekülen aus drei verschiedenen chemischen Bestandteilen aufgebaut ist: Zucker, Phosphat und stickstoffhaltige Basen. Der Zucker und das Phosphat befinden sich an den Außenrändern des DNA-Moleküls, wobei die Basen wie die Sprossen einer Leiter zwischen ihnen angeordnet sind. Angesichts der Tatsache, dass die Flüssigkeiten in unseren Zellen auf Wasserbasis vorliegen, ist diese Struktur sinnvoll: Zucker und Phosphat sind beide hydrophil oder wasserliebend, während die Basen hydrophob sind oder Wasser fürchten.
Struktur
••• Hemera Technologies / AbleStock.com / Getty ImagesStellen Sie sich statt einer Leiter ein verdrehtes Seil vor. Die Drehungen bringen die Stränge des Seils eng zusammen und lassen wenig Raum zwischen ihnen. Das DNA-Molekül verdreht sich auf ähnliche Weise, um die Zwischenräume zwischen den hydrophoben Basen auf der Innenseite zu verkleinern. Die Spiralform verhindert, dass Wasser zwischen ihnen fließt, und lässt gleichzeitig Platz für die Atome jedes chemischen Bestandteils, ohne sich zu überlappen oder zu stören.
Stapeln
Die hydrophobe Reaktion der Basen ist nicht das einzige chemische Ereignis, das die Verdrehung der DNA beeinflusst.Die stickstoffhaltigen Basen, die sich auf zwei DNA-Strängen gegenüberliegen, ziehen sich gegenseitig an, aber es spielt auch eine andere Anziehungskraft, die so genannte Stapelkraft, eine Rolle. Die Stapelkraft zieht die Basen am gleichen Strang übereinander oder darunter an. Forscher der Duke University haben durch die Synthese von DNA-Molekülen, die aus nur einer Base bestehen, gelernt, dass jede Base eine unterschiedliche Stapelkraft ausübt und so zur Spiralform der DNA beiträgt.
Proteine
In einigen Fällen können Proteine dazu führen, dass DNA-Abschnitte noch enger gewickelt werden und sogenannte Supercoils bilden. Beispielsweise verursachen Enzyme, die die DNA-Replikation unterstützen, zusätzliche Drehungen, wenn sie den DNA-Strang durchlaufen. Außerdem scheint ein Protein namens 13S-Kondensin Superspulen in der DNA kurz vor der Zellteilung auszulösen, wie eine Studie der University of California in Berkeley aus dem Jahr 1999 ergab. Wissenschaftler erforschen diese Proteine weiterhin in der Hoffnung, die Wendungen in der DNA-Doppelhelix besser zu verstehen.