Die DNA existiert in linearer und kreisförmiger Form. Die letztere Form hat eine interessante Funktion namens Supercoiling. Je mehr sich winden, desto mehr Supercoiling wird es, wodurch es kompakter wird. Daher läuft die superspiralisierte DNA im Vergleich zu anderen Formen in einem Gelelektrophorese-Experiment schneller.
Aber warum läuft die zirkuläre DNA langsamer als die lineare DNA? Soll Zirkularität es nicht kompakt machen?
Um dies zu verstehen, muss man verstehen, wie ein Agarosegel die Größentrennung von DNA überhaupt bewirken kann.
Der Grund, warum Agarosegele zur Trennung von DNA nach Größe funktionieren, liegt darin, dass das elektrische Feld, das von der Elektrophoresemaschine erzeugt wird, Kraft auf die DNA ausübt. Der Effekt der zunehmenden Ladung für DNAs mit zunehmenden Nukleotiden wird fast genau durch die zunehmende Masse dieser größeren DNA-Moleküle ausgeglichen, sodass in Abwesenheit des Gels alle DNA-Stücke mit einer konstanten Geschwindigkeit durch den Apparat wandern würden.
Der Grund dafür ist das Maschengerüst des Agarosegels. Dies ist wie ein dichter Wald oder eine große Anzahl von Sieben mit zufällig großen Löchern. Es gibt kleine Löcher (von unterschiedlicher Größe) und damit sich große DNA-Stücke ihren Weg durch das Gel bahnen können, muss sie sich durch diese Poren schlängeln. Kleinere DNA-Stücke können durch kleinere Poren gehen, also nehmen sie einen schnelleren, direkteren Weg, während größere Stücke Umwege machen müssen, und selbst wenn sie eine Pore finden, durch die sie passen, müssen sie eine Menge Zeit damit verbringen, vor ihnen herumzuflattern können sich durch die Pore stopfen.
Es ist also streng genommen nicht „Größe“ oder „Kompaktheit“, durch die das Agarosegel Moleküle trennt, sondern es ist die Fähigkeit des DNA-Stücks, sich durch das Geflecht von Agarosemolekülen zu bewegen. Während entspannte, zirkuläre DNA kompakter ist als eine ausgedehnte lineare DNA der gleichen nt-Länge, bedeutet das nicht unbedingt, dass es ihr leichter fällt, sich durch das Netzwerk zu arbeiten.
Beispielsweise kann sich ein lineares DNA-Stück so orientieren, dass es "Ende zuerst" durch das Netz geht. Sobald das Ende der DNA durch eine Pore geht, ist es relativ einfach, den Rest der DNA durch dieselbe Pore zu ziehen, im Vergleich zu dem Versuch, die DNA zu biegen und "seitwärts" durch die Pore zu ziehen - das müssen Sie sich merken molekularen Skalen, DNA ist ziemlich steif. Man kann es nicht so leicht in zwei Hälften knicken, daher nimmt ein DNA-Stück, das "seitlich" durch die Pore gehen muss, viel mehr Platz ein als eines, das am Ende durchgefädelt werden kann, selbst wenn Sie es so weit wie möglich biegen in eine Haarnadel.
Bei einer entspannten kreisförmigen DNA gibt es kein Ende, also geht sie immer "seitwärts" durch die Poren, so dass sie auf die größeren Poren beschränkt ist. Außerdem ist es groß und schlaff, so dass es eine ganze Weile dauert, bis es durch die Poren geht, die dort vorhanden sind. Wenn Sie Supercoiling hinzufügen, beheben Sie das Problem nicht, indem Sie "seitwärts" durch die Poren gehen, aber Sie begrenzen das Herumflattern. Sobald Sie also eine Pore mit verwendbarer Größe gefunden haben, bekommen Sie den Rest der DNA durch Schneller. Tatsächlich reduzieren Sie mit genügend Supercoiling die Zeit, die Sie damit verbringen, so weit herumzuflattern, dass sie sogar schneller durch die Agarose geht als die lineare DNA, die - obwohl sie durch kleinere Poren passen kann - immer noch viel Zeit damit verbringt, herumzuflattern, anstatt durch die Agarose zu gehen Pore, die es begonnen hat, durchzugehen.
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