Biophysics · 24.09

DNAの構造と弾性

Structure and elasticity of DNA

🧠 DNAの力–伸長曲線は、低力での配座伸展、中等度での主鎖変形、高力での過伸長転移overstretching transition過伸長転移（overstretching transition）overstretching transition（過伸長転移）という三つの領域を示す。

DNAを高分子鎖として捉える

B-DNAは二重らせんdouble helix二重らせん（double helix）double helix（二重らせん）構造をもち、無荷重では熱運動thermal motion熱運動（thermal motion）thermal motion（熱運動）によって曲がった配座をとる。生体高分子biopolymer生体高分子（biopolymer）biopolymer（生体高分子）のエントロピー弾性entropic elasticityエントロピー弾性（entropic elasticity）entropic elasticity（エントロピー弾性）と同様、低い力では結合を大きく変形させず、曲がりを伸ばして配座エントロピーを減らすことが主な応答になる。

持続長persistence length持続長（persistence length）persistence length（持続長）は鎖の曲がりにくさ、輪郭長contour length輪郭長（contour length）contour length（輪郭長）は鎖を完全にたどった長さを表し、みみず鎖モデルの主要な尺度である。

力によって変わる応答

力の領域	主な変化	力学的意味
低力	曲がった鎖が伸びる	エントロピー弾性entropic elasticityエントロピー弾性（entropic elasticity）entropic elasticity（エントロピー弾性）
中等度	主鎖・塩基スタッキングstackingスタッキング（stacking）stacking（スタッキング）が変形	エンタルピーenthalpyエンタルピー（enthalpy）enthalpy（エンタルピー）寄与が増える
高力	約1.7倍の過伸長	S-DNA様状態または鎖分離

過伸長転移overstretching transition過伸長転移（overstretching transition）overstretching transition（過伸長転移）は単純なフックhookフック（hook）hook（フック）型伸長ではなく、分子構造の協同的変化である。塩濃度や引っ張る末端、温度によってS-DNA様伸長と鎖分離の寄与が変わる。

構造から力–伸長曲線へ

flowchart TD
  A["低い張力"] --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='thermal motion'>熱運動</span>による曲がりを伸ばす"]
  B --> C["主鎖と塩基<span class='jp-term jp-term-diagram' title='stacking'>スタッキング</span>を変形"]
  C --> D["臨界力へ到達"]
  D --> E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='overstretching transition'>過伸長転移</span><br><span class='jp-term jp-term-diagram' title='contour length'>輪郭長</span>が大きく増える"]

単分子操作により、DNA–タンパク質結合や酵素による巻き戻しも力学信号として観測できる。構造を安定化する相互作用は生体分子の非共有結合とも共通する。

まとめ

低力ではDNAの曲がりが伸び、配座エントロピーが減少する。
持続長persistence length持続長（persistence length）persistence length（持続長）は曲げ剛性stiffness剛性（stiffness）stiffness（剛性）、輪郭長contour length輪郭長（contour length）contour length（輪郭長）は鎖に沿った最大長の尺度である。
高力での約1.7倍の過伸長は、分子構造転移を伴う非線形non-linear非線形（non-linear）non-linear（非線形）応答である。