Терминът "ДНК спирала" има сложна история и природа. Под него по правило се разбира моделът, въведен от Джеймс Уотсън. Двойната спирала на ДНК се държи заедно с нуклеотиди, които образуват двойка. В B-DNA, най-често срещаната спирална структура, открита в природата, двойната спирала е дясна с 10-10,5 базови двойки на завой. Структурата с двойна спирала на ДНК съдържа голям жлеб и малък жлеб. В B-DNA главният жлеб е по-широк от второстепенния жлеб. Като се има предвид разликата в ширината между главните и малките канали, много протеини, които се свързват с B-DNA, правят това през по-широкия голям жлеб.
История на откриването
Структурният модел на двойната спирала на ДНК е публикуван за първи път в Nature от Джеймс Уотсън и Франсис Крик през 1953 г. (X, Y, Z координати през 1954 г.) въз основа на критично рентгеново дифракционно изображение на ДНК, обозначено със снимка 51, от работата на Розалинд Франклин от 1952 г., последвано от по-ясен образ, направен от неяРеймънд Гослинг, Морис Уилкинс, Александър Стоукс и Хърбърт Уилсън. Предварителният модел беше триверижна ДНК.
Осъзнаването, че отворената структура е двойна спирала, обяснява механизма, чрез който две вериги на ДНК се свързват в спирала, чрез която генетичната информация се съхранява и копира в живите организми. Това откритие се счита за едно от най-важните научни открития на ХХ век. Крик, Уилкинс и Уотсън получиха по една трета от Нобеловата награда за физиология и медицина за 1962 г. за приноса си към откритието. Франклин, чиито пробивни данни от рентгенова дифракция са използвани за формулиране на ДНК спиралата, умира през 1958 г. и следователно не отговаря на условията за номинация за Нобелова награда.
Стойност за хибридизация
Хибридизацията е процесът на свързване на базови двойки, които се свързват, за да образуват двойна спирала. Топенето е процесът, при който взаимодействията между нишките с двойна спирала се нарушават, разделяйки две линии нуклеинови киселини. Тези връзки са слаби, лесно се разделят от лека топлина, ензими или механична сила. Топенето се случва предимно в определени точки в нуклеиновата киселина. Областите на ДНК спиралата, обозначени с Т и А, се топят по-лесно от регионите С и G. Някои базови етапи (двойки) също са податливи на стопяване на ДНК, като TA и TG. Тези механични черти се отразяват от последователности като TATA в началото на много гени, за да помогнат на РНК полимеразата да стопи ДНК за транскрипция.
Отопление
Разделяне на процесавериги чрез плитко нагряване, както се използва в полимеразната верижна реакция (PCR), е просто, при условие че молекулите са приблизително 10 000 базови двойки (10 килобазни двойки или 10 kbp). Преплитането на ДНК вериги затруднява отделянето на дълги сегменти. Клетката избягва този проблем, като позволява на нейните ензими за топене на ДНК (хеликази) да работят едновременно с топоизомеразите, които могат химически да разцепят фосфатния гръбнак на една от нишките, така че тя да може да се обърне около другата. Хеликазите развиват нишките, за да улеснят преминаването на ензими за четене на последователност, като ДНК полимераза. Двойната спирала на ДНК се образува от връзките на тези вериги.
Спирална геометрия
Геометричният компонент на структурата на ДНК може да се характеризира с 6 координати: изместване, плъзгане, издигане, наклон, усукване и завъртане. Тези стойности определят точно местоположението и ориентацията в пространството на всяка двойка ДНК вериги. В области на ДНК или РНК, където нормалната структура е нарушена, промяна в тези стойности може да се използва за описване на такова нарушение.
Издигането и завъртането се определят от формата на спиралата. Други координати, напротив, могат да бъдат равни на нула.
Забележете, че "изкривяване" често се използва по различни начини в научната литература, отнасяйки се до отклонението на първата ос на основата между нишките от това да бъде перпендикулярна на оста на спиралата. Това съответства на плъзгане между базовата последователност на двойната спирала на ДНК и в геометрични координати се нарича правилно"наклон".
Геометрични разлики в спиралите
Счита се, че най-малко три ДНК конформации се срещат естествено: A-DNA, B-DNA и Z-DNA. Смята се, че форма В, както е описано от Джеймс Уотсън и Франсис Крик, преобладава в клетките. Той е широк 23,7 Å и се удължава с 34 Å на 10 bp. последователности. Двойната спирала на ДНК се образува от връзките на две линии рибонуклеинова киселина, които правят един пълен оборот около оста си на всеки 10,4-10,5 базови двойки в разтвор. Тази честота на усукване (наречена спираловидна стъпка) зависи до голяма степен от силите на подреждане, които всяка база упражнява върху своите съседи във веригата. Абсолютната конфигурация на основите определя посоката на спиралната крива за дадена конформация.
Разлики и функции
A-DNA и Z-DNA са значително различни по своята геометрия и размер в сравнение с B-DNA, въпреки че все още образуват спираловидни структури. Дълго време се смяташе, че А-формата се среща само в дехидратирани ДНК проби в лабораторията, използвана в кристалографски експерименти и в хибридни сдвояване на ДНК-РНК вериги, но дехидратацията на ДНК се случва in vivo и A-ДНК вече има биологични функции, известни ни. ДНК сегменти, чиито клетки са метилирани за регулаторни цели, могат да приемат Z геометрия, при която нишките се въртят около спиралната ос по обратен начин на A-DNA и B-DNA. Съществуват и доказателства за протеин-ДНК комплекси, образуващи Z-ДНК структури. Дължината на ДНК спиралата не се променя по никакъв начин в зависимост оттип.
Проблеми с имена
Всъщност само буквите F, Q, U, V и Y вече са налични за назоваване на различните типове ДНК, които могат да бъдат открити в бъдеще. Въпреки това повечето от тези форми са създадени синтетично и имат не се наблюдава в естествените биологични системи. Съществуват и триверижни (3 вериги на ДНК) и четириполюсни форми, като G-квадруплекс.
Свързване на нишки
Двойната спирала на ДНК се образува от връзките на спираловидни нишки. Тъй като нишките не са директно една срещу друга, жлебовете между тях са с неравномерен размер. Единият жлеб, основният, има ширина 22 Å, а другият, малък, достига дължина 12 Å. Тесността на вторичния жлеб означава, че ръбовете на основите са по-достъпни в главния жлеб. В резултат на това протеини като транскрипционни фактори, които могат да се свързват със специфични последователности в двойната спирала на ДНК, обикновено осъществяват контакт със страните на базите, които са отворени в главния жлеб. Тази ситуация се променя в необичайни ДНК конформации в клетката, но главните и малките канали винаги са наименувани, за да отразяват разликите в размера, които биха се наблюдавали, ако ДНК бъде усукана обратно в нормалната си форма B.
Създаване на модел
В края на 70-те години на миналия век алтернативните неспирални модели бяха разгледани накратко като потенциално решение на проблемите с репликацията на ДНК в плазмиди и хроматин. Те обаче бяха изоставени в полза на модела с двойна намотка на ДНК поради последващи експериментални постижения като рентгенови лъчикристалография на ДНК дуплекси. Освен това моделите с недвойна спирала понастоящем не се приемат от основната научна общност.
Едноверижните нуклеинови киселини (ssDNA) не приемат спираловидна форма и се описват от модели като произволна намотка или червееподобна верига.
ДНК е относително твърд полимер, обикновено моделиран като верига, подобна на червей. Твърдостта на модела е важна за циркуляризацията на ДНК и ориентацията на свързаните с нея протеини един спрямо друг, докато хистерезичната аксиална твърдост е важна за обвиването на ДНК и циркулацията и взаимодействието на протеините. Удължаването на компресия е относително маловажно при липса на високо напрежение.
химия и генетика
ДНК в разтвор не придобива твърда структура, но постоянно променя конформацията поради термична вибрация и сблъсък с водни молекули, което прави невъзможно прилагането на класическите мерки за твърдост. Следователно, гъвкавостта на ДНК се измерва чрез дължината на персистентност, дефинирана като "дължината на ДНК, върху която осреднената във времето ориентация на полимера става коефициент некорелирана."
Тази стойност може да бъде точно измерена с помощта на атомно-силов микроскоп за директно изобразяване на ДНК молекули с различни дължини. Във воден разтвор средната постоянна дължина е 46-50 nm или 140-150 базови двойки (ДНК 2 nm), въпреки че това може да варира значително. Това прави ДНК умерено твърда молекула.
Продължителността на продължението на ДНК сегмент е силно зависима от неговата последователност и това може да доведе до значителнипромени. Последните се дължат най-вече на натрупване на енергия и фрагменти, които се разпространяват в малки и големи канали.
Физически свойства и криви
Ентропийната гъвкавост на ДНК е забележително съвместима със стандартните модели на полимерната физика, като модела Кратки-Пород на верижния червей. В съответствие с модела, подобен на червей, е наблюдението, че огъването на ДНК също се описва от закона на Хук при много малки (субпиконеонтонични) сили. Въпреки това, за сегменти от ДНК с по-малка продължителност и устойчивост, силата на огъване е приблизително постоянна и поведението се отклонява от прогнозите, за разлика от вече споменатите модели, подобни на червеи.
Този ефект води до необичайна лекота при циркулацията на малки ДНК молекули и по-голяма вероятност за намиране на силно извити ДНК региони.
ДНК молекулите често имат предпочитана посока за огъване, т.е. анизотропно огъване. Това отново се дължи на свойствата на базите, които изграждат ДНК последователностите, и именно те свързват двете вериги на ДНК в спирала. В някои случаи последователностите нямат пословичните обрати.
структура на ДНК с двойна спирала
Предпочитаната посока на огъване на ДНК се определя от стабилността на подреждане на всяка база върху следващата. Ако стъпките на нестабилно подреждане на основите винаги са от едната страна на спиралата на ДНК, тогава ДНК за предпочитане ще се сгъва от тази посока. Свързване на две вериги на ДНК в спиралаосъществявано от молекули, които зависят от тази посока. С увеличаване на ъгъла на огъване те играят ролята на пространствени пречки, показващи способността да търкалят остатъците един спрямо друг, особено в малкия жлеб. Отлаганията А и Т за предпочитане ще се появят в малки канали в огъванията. Този ефект е особено очевиден при свързването на ДНК-протеин, когато се индуцира твърдо огъване на ДНК, например в нуклеозомни частици.
ДНК молекули с изключително огъване могат да станат гъвкави. Това е открито за първи път в ДНК от трипаносоматиден кинетопласт. Типичните последователности, които причиняват това, включват 4-6 T и A участъци, разделени от G и C, които съдържат остатъци от A и T в незначителна фаза на бразда от същата страна на молекулата.
Вътрешната огъната структура се индуцира от "завиването на винтове" на базовите двойки една спрямо друга, което позволява създаването на необичайни разклонени водородни връзки между базовите етапи. При по-високи температури тази структура се денатурира и следователно вътрешната кривина се губи.
Всички ДНК, които се огъват анизотропно, имат средно по-дълга тяга и по-голяма аксиална твърдост. Тази повишена твърдост е необходима, за да се предотврати случайно огъване, което би накарало молекулата да действа изотропно.
Пръстен на ДНК зависи както от аксиалната (огъващата) твърдост, така и от усукващата (ротационна) твърдост на молекулата. За да може една ДНК молекула да циркулира успешно, тя трябва да е достатъчно дълга, за да се огъва лесно в пълен кръг и да има правилния брой бази закраищата бяха в правилна ротация, за да се осигури възможност за залепване на спиралите. Оптималната дължина за циркулираща ДНК е около 400 базови двойки (136 nm). Наличието на нечетен брой завои е значителна енергийна бариера за веригите, например молекула 10,4 x 30=312 двойки ще циркулира стотици пъти по-бързо от молекула 10,4 x 30,5 ≈ 317.
Еластичност
По-дългите участъци от ДНК са ентропично еластични, когато се разтягат. Когато ДНК е в разтвор, тя претърпява непрекъснати структурни промени поради енергията, налична в банята с термичен разтворител. Това се дължи на термичните вибрации на молекулата на ДНК, съчетани с постоянни сблъсъци с водни молекули. Поради ентропийни причини, по-компактните отпуснати състояния са термично по-достъпни от разтегнатите състояния и така молекулите на ДНК са почти повсеместни в сложните „отпуснати“молекулярни модели. Поради тази причина една молекула ДНК ще се разтегне под силата, изправяйки я. С помощта на оптични пинсети поведението на ДНК при разтягане на ентропия е изследвано и анализирано от гледна точка на полимерната физика и е установено, че ДНК се държи основно като верижен модел на червей Кратки-Пород във физиологично достъпни енергийни скали.
При достатъчно напрежение и положителен въртящ момент се смята, че ДНК претърпява фазов преход, като гръбнаците се движат навън, а фосфатите се движат навътресреден. Тази предложена структура за свръхразтеглена ДНК беше наречена P-форма ДНК на името на Линус Полинг, който първоначално я представи като възможна ДНК структура.
Доказателство за механично разтягане на ДНК при липса на наложен въртящ момент сочи към преход или преходи, водещи до други структури, обикновено наричани S-образни форми. Тези структури все още не са окончателно охарактеризирани поради трудността при извършване на разделителна способност на атомен резонатор в разтвор с приложена сила, въпреки че са направени много изследвания с компютърна симулация. Предложените S-DNA структури включват тези, които запазват сгъването на базовата двойка и водородната връзка (обогатени с GC).
Сигмоиден модел
Периодичното счупване на стека на базовата двойка с прекъсване е предложено като регулярна структура, която запазва редовността на базовия стек и освобождава подходящо количество разширение, като се въвежда терминът "Σ-DNA" като мнемоника, в която трите десни точки на символа "Сигма" служат за напомняне за три групирани базови двойки. Доказано е, че формата Σ има предпочитание за последователност за GNC мотиви, за които GNC_h-хипотезата смята, че имат еволюционно значение.
Разтопяване, нагряване и развиване на спиралата
Форма B на спиралата на ДНК се усуква на 360° за 10,4-10,5 bp. при липса на деформация на усукване. Но много молекулярно-биологични процеси могат да предизвикат напрежение на усукване. Сегмент от ДНК с излишък илиundercoiling се споменава съответно в положителен и отрицателен контекст. ДНК in vivo обикновено е отрицателно навита (т.е. има къдрици, които са усукани в обратна посока), което улеснява развиването (топенето) на двойната спирала, която е крайно необходима за транскрипцията на РНК.
В клетката повечето ДНК е топологично ограничено. ДНК обикновено се намира в затворени вериги (като плазмиди в прокариотите), които са топологично затворени или много дълги молекули, чиито коефициенти на дифузия ефективно произвеждат топологично затворени области. Линейните участъци от ДНК също често се свързват с протеини или физически структури (като мембрани), за да образуват затворени топологични вериги.
Всяка промяна в параметъра T в затворена топологична област трябва да бъде балансирана от промяна в параметъра W и обратно. Това води до по-висока спирална структура на ДНК молекулите. Една обикновена ДНК молекула с корен 0 би била кръгла в своята класификация. Ако усукването на тази молекула впоследствие бъде увеличено или намалено чрез свръхсъответствие, тогава корените ще бъдат съответно променени, причинявайки на молекулата да претърпи плектнонемична или тороидална суперспирална намотка.
Когато краищата на участък от двойната спирала на ДНК са свързани така, че да образува кръг, нишките са топологично свързани. Това означава, че отделните нишки не могат да бъдат отделени от нито един процес, който не е свързан с прекъсване на нишката.(напр. отопление). Задачата за развързване на топологично свързани вериги на ДНК се пада на ензими, наречени топоизомерази.
