תוֹכֶן
תאר לעצמך שיש לך שני גדילים דקים, כל אחד באורך של מטר וחצי, מוחזקים זה בזה על ידי קטעי חומר דוחה מים ויוצרים חוט אחד. עכשיו דמיין להכניס את החוט הזה למכל מלא מים בקוטר של כמה מיקרומטר. אלה הם התנאים בהם מתמודד ה- DNA האנושי בתוך גרעין התא. איפור כימי של DNA, יחד עם פעולותיהם של חלבונים, מסובבים את ה- DNA בשני קצוות חיצוניים לצורה ספירלית, או סליל, המסייעים ל- DNA להשתלב בגרעין זעיר.
גודל
בתוך גרעין תאים, DNA הוא מולקולה מפותלת וחוטה. מולקולות גרעין ו- DNA משתנות בגודלן בין יצורים וסוגי תאים. בכל מקרה עובדה אחת נותרה עקבית: נמתח שטוח, DNA של תאים יהיה ארוך יותר באופן אקספוננציאלי מקוטר הגרעין שלו. אילוצי החלל דורשים פיתול כדי להפוך את ה- DNA לקומפקטי יותר, וכימיה מסבירה כיצד מתפתל הפיתול.
כימיה
DNA הוא מולקולה גדולה הבנויה ממולקולות קטנות יותר משלושה מרכיבים כימיים שונים: בסיסים לסוכר, פוספט וחנקן. הסוכר והפוספט ממוקמים בשוליים החיצוניים של מולקולת ה- DNA, כאשר הבסיסים מסודרים ביניהם כמו שולי סולם. בהתחשב בכך שהנוזלים בתאים שלנו מבוססים על מים, מבנה זה הגיוני: סוכר ופוספט הם שניהם הידרופיליים, או אוהבי מים, בעוד הבסיסים הם הידרופוביים, או מפחדים מים.
מבנה
••• Hemera Technologies / AbleStock.com / Getty Imagesכעת, במקום סולם, דמיינו חבל מעוות. הפיתולים מקרבים את גדילי החבל זה לזה, ומשאירים מעט מקום ביניהם. מולקולת ה- DNA מתפתלת באופן דומה לכיווץ הרווחים בין הבסיסים ההידרופוביים שבפנים. צורת הספירלה מרתיעה את זרימתם של מים ביניהם, ובמקביל משאירה מקום לאטומים של כל מרכיב כימי להתאים אותם מבלי לחפוף או להפריע.
ערמה
הבסיסים התגובה ההידרופובית אינה האירוע הכימי היחיד המשפיע על טוויסטים של ה- DNA.הבסיסים החנקניים היושבים זה מול זה על גבי DNAs שני גדילים מושכים זה את זה, אך כוח אטרקטיבי נוסף, המכונה כוח הערימה, נמצא גם הוא משחק. כוח הערימה מושך את הבסיסים מעל זה או מתחת זה לזה. חוקרי אוניברסיטת דיוק למדו על ידי סינתזת מולקולות DNA המורכבות מבסיס אחד בלבד, שכל בסיס מפעיל כוח גיבוב שונה, ובכך תורם לצורת ספירלה של DNA.
חלבונים
במקרים מסוימים, חלבונים יכולים לגרום לחתכים של DNA להסתלסל עוד יותר, ולייצר מה שנקרא סלילי-על. לדוגמה, אנזימים המסייעים בשכפול DNA יוצרים טוויסטים נוספים בזמן שהם נובעים בגדיל ה- DNA. כמו כן, נראה כי חלבון בשם 13S קונדנסין מעורר סלילי-על ב- DNA רגע לפני חלוקת תאים, כך עולה ממחקר שנערך באוניברסיטת ברקלי משנת 1999,. מדענים ממשיכים לחקור חלבונים אלה בתקווה להבין עוד יותר את הפיתולים בסליל הכפול של ה- DNA.