DNA condensation by multivalent cations

化学 DNA缩合 冷凝 反离子冷凝 分子间力 化学物理 反离子 结晶学 DNA 热力学 离子 分子 物理 有机化学 生物化学 基因 转染
作者
Victor A. Bloomfield
出处
期刊:Biopolymers [Wiley]
卷期号:44 (3): 269-282 被引量:1040
标识
DOI:10.1002/(sici)1097-0282(1997)44:3<269::aid-bip6>3.0.co;2-t
摘要

In the presence of multivalent cations, high molecular weight DNA undergoes a dramatic condensation to a compact, usually highly ordered toroidal structure. This review begins with an overview of DNA condensation : condensing agents, morphology, kinetics, and reversibility, and the minimum size required to form orderly condensates. It then summarizes the statistical mechanics of the collapse of stiff polymers, which shows why DNA condensation is abrupt and why toroids are favored structures. Various ways to estimate or measure intermolecular forces in DNA condensation are discussed, all of them agreeing that the free energy change per base pair is very small, on the order of 1% of thermal energy. Experimental evidence is surveyed showing that DNA condensation occurs when about 90% of its charge is neutralized by counterions. The various intermolecular forces whose interplay gives rise to DNA condensation are then reviewed. The entropy loss upon collapse of the expanded wormlike coil costs free energy, and stiffness sets limits on tight curvature. However, the dominant contributions seem to come from ions and water. Electrostatic repulsions must be overcome by high salt concentrations or by the correlated fluctuations of territorially bound multivalent cations. Hydration must be adjusted to allow a cooperative accommodation of the water structure surrounding surface groups on the DNA helices as they approach. Undulations of the DNA in its confined surroundings extend the range of the electrostatic forces. The condensing ions may also subtly modify the local structure of the double helix. © 1998 John Wiley & Sons, Inc. Biopoly 44: 269–282, 1997
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