Termin „helisa DNA” ma złożoną historię i naturę. Z reguły rozumie się przez to model wprowadzony przez Jamesa Watsona. Podwójna helisa DNA jest utrzymywana razem z nukleotydami, które tworzą parę. W B-DNA, najczęstszej strukturze helikalnej występującej w przyrodzie, podwójna helisa jest prawoskrętna z 10-10,5 par zasad na obrót. Struktura podwójnej helisy DNA zawiera duży rowek i mniejszy rowek. W B-DNA duży rowek jest szerszy niż mniejszy rowek. Biorąc pod uwagę różnicę w szerokości między głównymi i mniejszymi rowkami, wiele białek, które wiążą się z B-DNA, robi to przez szerszy duży rowek.
Historia odkryć
Strukturalny model podwójnej helisy DNA został po raz pierwszy opublikowany w Nature przez Jamesa Watsona i Francisa Cricka w 1953 r. (współrzędne X, Y, Z w 1954 r.) w oparciu o krytyczny obraz dyfrakcyjny promieniowania rentgenowskiego oznaczony DNA Zdjęcie 51, z pracy Rosalind Franklin z 1952 roku, po której następuje wyraźniejsze zdjęcie jej zrobioneRaymond Gosling, Maurice Wilkins, Alexander Stokes i Herbert Wilson. Wstępnym modelem był trójniciowy DNA.
Świadomość, że otwarta struktura to podwójna helisa, wyjaśnia mechanizm, za pomocą którego dwie nici DNA łączą się w helisę, dzięki czemu informacja genetyczna jest przechowywana i kopiowana w żywych organizmach. Odkrycie to uważane jest za jedno z najważniejszych odkryć naukowych XX wieku. Crick, Wilkins i Watson otrzymali po jednej trzeciej Nagrody Nobla z 1962 roku w dziedzinie fizjologii lub medycyny za swój wkład w odkrycie. Franklin, którego przełomowe dane z dyfrakcji rentgenowskiej zostały wykorzystane do sformułowania helisy DNA, zmarł w 1958 r. i dlatego nie kwalifikował się do nominacji do Nagrody Nobla.
Wartość hybrydyzacji
Hybrydyzacja to proces łączenia par zasad, które wiążą się w podwójną helisę. Topienie to proces, w którym interakcje między nićmi podwójnej helisy są przerywane, oddzielając dwie linie kwasów nukleinowych. Wiązania te są słabe, łatwo rozdzielone przez łagodne ciepło, enzymy lub siłę mechaniczną. Topienie zachodzi głównie w pewnych punktach kwasu nukleinowego. Regiony helisy DNA oznaczone T i A ulegają topnieniu łatwiej niż regiony C i G. Niektóre stadia podstawowe (pary) są również podatne na topienie DNA, takie jak TA i TG. Te mechaniczne cechy są odzwierciedlone w sekwencjach takich jak TATA na początku wielu genów, aby pomóc polimerazie RNA w stopieniu DNA w celu transkrypcji.
Ogrzewanie
Rozdzielenie procesunici przez płytkie ogrzewanie, jak stosuje się w reakcji łańcuchowej polimerazy (PCR), jest proste, pod warunkiem, że cząsteczki mają około 10 000 par zasad (10 kilopar zasad lub 10 kpz). Przeplatanie się nici DNA utrudnia oddzielanie długich segmentów. Komórka unika tego problemu, pozwalając swoim enzymom topiącym DNA (helikazy) działać jednocześnie z topoizomerazami, które mogą chemicznie rozszczepić szkielet fosforanowy jednej z nici, aby mogła obracać się wokół drugiej. Helikazy rozwijają nici, aby ułatwić przejście enzymów odczytujących sekwencje, takich jak polimeraza DNA. Podwójna helisa DNA jest tworzona przez wiązania tych nici.
Geometria spiralna
Komponent geometryczny struktury DNA można scharakteryzować za pomocą 6 współrzędnych: przesunięcie, przesunięcie, wzniesienie, pochylenie, obrót i obrót. Wartości te precyzyjnie określają położenie i orientację w przestrzeni każdej pary nici DNA. W regionach DNA lub RNA, w których normalna struktura jest zaburzona, zmianę tych wartości można wykorzystać do opisania takiego zakłócenia.
Wznoszenie i skręcanie zależy od kształtu spirali. Wręcz przeciwnie, inne współrzędne mogą być równe zeru.
Zauważ, że słowo „skośne” jest często używane w literaturze naukowej na różne sposoby, odnosząc się do odchylenia pierwszej osi podstawy międzyżyłowej od prostopadłej do osi spirali. Odpowiada to przesuwaniu się pomiędzy sekwencją zasad podwójnej helisy DNA, a we współrzędnych geometrycznych poprawnie nazywa się"przechyl".
Różnice geometryczne w spiralach
Uważa się, że co najmniej trzy konformacje DNA występują naturalnie: A-DNA, B-DNA i Z-DNA. Uważa się, że forma B, opisana przez Jamesa Watsona i Francisa Cricka, dominuje w komórkach. Ma szerokość 23,7 Å i wydłuża 34 Å o 10 pz. sekwencje. Podwójna helisa DNA jest utworzona przez wiązania dwóch linii kwasu rybonukleinowego, które wykonują jeden pełny obrót wokół własnej osi co 10,4-10,5 par zasad w roztworze. Ta częstotliwość skręcania (nazywana skokiem spiralnym) zależy w dużej mierze od sił nakładania, jakie każda podstawa wywiera na sąsiadów w łańcuchu. Bezwzględna konfiguracja zasad określa kierunek krzywej helikalnej dla danej konformacji.
Różnice i funkcje
A-DNA i Z-DNA różnią się znacznie geometrią i rozmiarem w porównaniu z B-DNA, chociaż nadal tworzą struktury helikalne. Od dawna uważano, że forma A występuje tylko w odwodnionych próbkach DNA w laboratorium używanym w eksperymentach krystalograficznych i w hybrydowych parach nici DNA-RNA, ale odwodnienie DNA zachodzi in vivo, a A-DNA ma teraz znane nam funkcje biologiczne. Segmenty DNA, których komórki zostały zmetylowane w celach regulacyjnych, mogą przyjąć geometrię Z, w której nici obracają się wokół osi helikalnej w odwrotny sposób do A-DNA i B-DNA. Istnieją również dowody na to, że kompleksy białko-DNA tworzą struktury Z-DNA. Długość helisy DNA nie zmienia się w żaden sposób w zależności odtyp.
Problemy z nazwami
W rzeczywistości tylko litery F, Q, U, V i Y są obecnie dostępne, aby nazwać różne typy DNA, które mogą zostać odkryte w przyszłości. Jednak większość z tych form została stworzona syntetycznie i ma nie zaobserwowano w naturalnych systemach biologicznych. Istnieją również formy trójniciowe (3 nici DNA) i kwadrupolowe, takie jak G-kwadrupleks.
Połączenie wątków
Podwójna helisa DNA jest tworzona przez wiązania spiralnych pasm. Ponieważ nici nie znajdują się bezpośrednio naprzeciw siebie, rowki między nimi mają nierówną wielkość. Jeden rowek, główny, ma szerokość 22 Å, a drugi, mały, osiąga długość 12 Å. Wąski rowek pomocniczy sprawia, że krawędzie podstaw są bardziej dostępne w rowku głównym. W rezultacie białka, takie jak czynniki transkrypcyjne, które mogą wiązać się z określonymi sekwencjami w podwójnej helisie DNA, zazwyczaj stykają się z bokami zasad, które są otwarte w głównym rowku. Ta sytuacja zmienia nietypowe konformacje DNA w komórce, ale główne i mniejsze rowki są zawsze nazywane tak, aby odzwierciedlały różnice w wielkości, które byłyby widoczne, gdyby DNA zostało skręcone z powrotem do swojego normalnego kształtu B.
Tworzenie modelu
Pod koniec lat 70. alternatywne modele niehelikalne były krótko rozważane jako potencjalne rozwiązanie problemów replikacji DNA w plazmidach i chromatynie. Zostały one jednak porzucone na rzecz modelu podwójnej cewki DNA ze względu na późniejsze postępy eksperymentalne, takie jak promieniowanie rentgenowskiekrystalografia dupleksów DNA. Ponadto modele niebędące modelami podwójnej helisy nie są obecnie akceptowane przez społeczność naukową głównego nurtu.
Jednoniciowe kwasy nukleinowe (ssDNA) nie przybierają kształtu spiralnego i są opisywane przez modele takie jak kłębek nieuporządkowany lub łańcuch podobny do robaka.
DNA to stosunkowo sztywny polimer, zwykle modelowany jako łańcuch przypominający robaka. Sztywność modelu jest ważna dla cyrkularyzacji DNA i orientacji powiązanych z nim białek względem siebie, podczas gdy histeretyczna sztywność osiowa jest ważna dla owijania DNA oraz krążenia i interakcji białek. Wydłużenie przy ściskaniu jest stosunkowo nieistotne przy braku wysokiego napięcia.
Chemia i genetyka
DNA w roztworze nie przybiera sztywnej struktury, ale stale zmienia konformację pod wpływem drgań termicznych i zderzeń z cząsteczkami wody, co uniemożliwia zastosowanie klasycznych miar sztywności. Dlatego sztywność zginania DNA mierzy się długością trwałości, zdefiniowaną jako „długość DNA, w której uśredniona w czasie orientacja polimeru staje się nieskorelowana”.
Tę wartość można dokładnie zmierzyć za pomocą mikroskopu sił atomowych, aby bezpośrednio obrazować cząsteczki DNA o różnych długościach. W roztworze wodnym średnia stała długość wynosi 46-50 nm lub 140-150 par zasad (DNA 2 nm), chociaż może się to znacznie różnić. To sprawia, że DNA jest umiarkowanie sztywną cząsteczką.
Czas kontynuacji segmentu DNA jest wysoce zależny od jego sekwencji, co może prowadzić do znacznegozmiany. Te ostatnie wynikają głównie z ułożenia energii i fragmentów, które propagują się w mniejsze i większe rowki.
Właściwości fizyczne i krzywe
Entropiczna elastyczność DNA jest niezwykle zgodna ze standardowymi modelami fizyki polimerów, takimi jak model dżdżownicy Kratky-Porod. Zgodna z modelem robaka jest obserwacja, że zginanie DNA jest również opisane przez prawo Hooke'a przy bardzo małych (subpikoneontonicznych) siłach. Jednak w przypadku segmentów DNA o krótszym czasie trwania i trwałości siła zginająca jest w przybliżeniu stała, a zachowanie odbiega od przewidywań, w przeciwieństwie do wspomnianych już modeli robakowatych.
Ten efekt skutkuje niezwykłą łatwością w cyrkulacji małych cząsteczek DNA i większym prawdopodobieństwem znalezienia wysoce zakrzywionych regionów DNA.
Cząsteczki DNA często mają preferowany kierunek zginania, tj. zginanie anizotropowe. Znowu wynika to z właściwości zasad, które tworzą sekwencje DNA i to one łączą dwie nici DNA w spiralę. W niektórych przypadkach sekwencje nie mają przysłowiowych zwrotów akcji.
Struktura podwójnej helisy DNA
Preferowany kierunek zginania DNA jest określony przez stabilność ułożenia każdej bazy na wierzchu następnej. Jeśli niestabilne etapy układania zasad są zawsze po jednej stronie helisy DNA, to DNA będzie preferencyjnie składać się z tego kierunku. Łączenie dwóch nici DNA w helisęprzeprowadzane przez cząsteczki zależne od tego kierunku. Wraz ze wzrostem kąta gięcia pełnią one rolę przeszkód sterycznych, pokazując zdolność do toczenia pozostałości względem siebie, zwłaszcza w małym rowku. Osady A i T będą korzystnie pojawiać się w małych rowkach w zagięciach. Efekt ten jest szczególnie widoczny w wiązaniu DNA-białko, gdy indukowane jest sztywne zginanie DNA, na przykład w cząsteczkach nukleosomów.
Cząsteczki DNA o wyjątkowym zgięciu mogą stać się zgięte. Zostało to po raz pierwszy odkryte w DNA z kinetoplastu trypanosomatów. Typowe sekwencje, które to powodują, obejmują odcinki 4-6 T i A rozdzielone G i C, które zawierają reszty A i T w fazie mniejszego rowka po tej samej stronie cząsteczki.
Wewnętrzna wygięta struktura jest indukowana przez „skręcanie śrub” par zasad względem siebie, co pozwala na tworzenie niezwykłych, rozdwojonych wiązań wodorowych między stopniami zasad. W wyższych temperaturach struktura ta ulega denaturacji, co powoduje utratę wewnętrznej krzywizny.
Wszystkie DNA, które wyginają się anizotropowo, mają średnio dłuższy ciąg i większą sztywność osiową. Ta zwiększona sztywność jest konieczna, aby zapobiec przypadkowemu zginaniu, które mogłoby spowodować izotropowe działanie cząsteczki.
Pierścienie DNA zależy zarówno od sztywności osiowej (zginania), jak i sztywności skrętnej (obrotowej) cząsteczki. Aby cząsteczka DNA mogła pomyślnie krążyć, musi być wystarczająco długa, aby łatwo zgiąć się w pełne koło i mieć odpowiednią liczbę zasad dokońce były w prawidłowym obrocie, aby zapewnić możliwość sklejenia spiral. Optymalna długość dla krążącego DNA to około 400 par zasad (136 nm). Obecność nieparzystej liczby zwojów stanowi istotną barierę energetyczną dla obwodów, na przykład cząsteczka 10,4 x 30=312 par będzie krążyć setki razy szybciej niż cząsteczka 10,4 x 30,5 ≈ 317.
Elastyczność
Dłuższe odcinki DNA są elastycznie entropowo rozciągnięte. Gdy DNA jest w roztworze, podlega ciągłym zmianom strukturalnym ze względu na energię dostępną w kąpieli rozpuszczalnika termicznego. Wynika to z drgań termicznych cząsteczki DNA, połączonych z ciągłymi zderzeniami z cząsteczkami wody. Ze względu na entropię bardziej zwarte stany rozluźnione są termicznie bardziej dostępne niż stany rozciągnięte, a zatem cząsteczki DNA są niemal wszechobecne w skomplikowanych „zrelaksowanych” modelach molekularnych. Z tego powodu jedna cząsteczka DNA rozciągnie się pod wpływem siły, prostując ją. Za pomocą pęsety optycznej zbadano i przeanalizowano entropię rozciągania DNA z perspektywy fizyki polimerów. Odkryto, że DNA zachowuje się zasadniczo jak model łańcucha podobnego do robaka Kratky-Porod na fizjologicznie dostępnej skali energii.
Przy wystarczającym napięciu i dodatnim skręcie, uważa się, że DNA przechodzi przemianę fazową, ze szkieletami poruszającymi się na zewnątrz i fosforanami dośrodek. Ta proponowana struktura nadmiernie rozciągniętego DNA została nazwana DNA w formie P po Linusie Paulingu, który pierwotnie wyobrażał sobie ją jako możliwą strukturę DNA.
Dowody na mechaniczne rozciąganie DNA przy braku narzuconego momentu obrotowego wskazują na przejście lub przejścia prowadzące do dalszych struktur powszechnie określanych jako kształty S. Struktury te nie zostały jeszcze definitywnie scharakteryzowane ze względu na trudności w wykonaniu obrazowania rozdzielczości rezonatora atomowego w roztworze z przyłożoną siłą, chociaż przeprowadzono wiele badań symulacyjnych. Sugerowane struktury S-DNA obejmują te, które zachowują fałdowanie pary zasad i wiązanie wodorowe (wzbogacone w GC).
Model sigmoidalny
Okresowe pękanie stosu par zasad z przerwaniem zostało zaproponowane jako regularna struktura, która zachowuje regularność stosu zasad i uwalnia odpowiednią ilość ekspansji, z wprowadzeniem terminu „Σ-DNA” jako mnemonik, w którym trzy kropki po prawej stronie symbolu „Sigma” przypominają o trzech skupionych parach zasad. Wykazano, że forma Σ ma preferencję sekwencji dla motywów GNC, co według hipotezy GNC_h ma znaczenie ewolucyjne.
Topienie, podgrzewanie i rozwijanie spirali
Forma B helisy DNA skręca się o 360° o 10,4-10,5 pz. przy braku odkształceń skrętnych. Jednak wiele procesów biologii molekularnej może wywoływać stres skrętny. Segment DNA z nadmiarem lubUndercoiling jest wymieniany odpowiednio zarówno w kontekście pozytywnym, jak i negatywnym. DNA in vivo jest zwykle zwinięty w ujemny (tj. ma skręcone w przeciwnym kierunku), co ułatwia rozwijanie (topienie) podwójnej helisy, co jest bardzo potrzebne do transkrypcji RNA.
Wewnątrz komórki większość DNA jest ograniczona topologicznie. DNA zwykle znajduje się w zamkniętych pętlach (takich jak plazmidy u prokariotów), które są topologicznie zamkniętymi lub bardzo długimi cząsteczkami, których współczynniki dyfuzji skutecznie wytwarzają topologicznie zamknięte regiony. Liniowe odcinki DNA są również powszechnie związane z białkami lub strukturami fizycznymi (takimi jak błony), tworząc zamknięte pętle topologiczne.
Każda zmiana parametru T w zamkniętym obszarze topologicznym musi być zrównoważona zmianą parametru W i na odwrót. Powoduje to wyższą strukturę helisy cząsteczek DNA. Zwykła cząsteczka DNA z korzeniem 0 byłaby w swojej klasyfikacji kołowa. Jeśli skręcenie tej cząsteczki zostanie następnie zwiększone lub zmniejszone przez superkonformację, wówczas korzenie zostaną odpowiednio zmienione, powodując, że cząsteczka podlega plektnonemicznym lub toroidalnym uzwojeniom superhelistycznym.
Gdy końce odcinka podwójnej helisy DNA są połączone tak, że tworzy okrąg, nici są topologicznie związane. Oznacza to, że poszczególnych wątków nie można oddzielić od żadnego procesu, który nie jest powiązany z przerwaniem wątku.(np. ogrzewanie). Zadanie odwiązania topologicznie połączonych nici DNA spada na enzymy zwane topoizomerazami.
