Termin "DNA-helix" historia ja luonne on monimutkainen. Sillä tarkoitetaan pääsääntöisesti James Watsonin esittelemää mallia. DNA:n kaksoiskierre pysyy yhdessä nukleotidien kanssa, jotka muodostavat parin. B-DNA:ssa, yleisimmässä luonnossa esiintyvässä helikaalisessa rakenteessa, kaksoiskierre on oikeakätinen 10-10,5 emäsparilla kierrosta kohden. DNA:n kaksoiskierrerakenne sisältää suuren uran ja pienen uran. B-DNA:ssa pääura on leveämpi kuin sivuura. Koska suuren ja pienemmän uran välinen leveysero otetaan huomioon, monet proteiinit, jotka sitoutuvat B-DNA:han, tekevät sen leveämmän suuren uran kautta.
Löytöhistoria
DNA-kaksoiskierteen rakennemallin julkaisivat ensimmäisen kerran Nature-lehdessä James Watson ja Francis Crick vuonna 1953 (X, Y, Z-koordinaatit vuonna 1954), joka perustui valokuvalla 51 merkityn DNA:n kriittiseen röntgendiffraktiokuvaan., Rosalind Franklinin vuoden 1952 työstä, jonka jälkeen hänestä otettu selkeämpi kuvaRaymond Gosling, Maurice Wilkins, Alexander Stokes ja Herbert Wilson. Alustava malli oli kolmijuosteinen DNA.
Ymmärrys siitä, että avoin rakenne on kaksoiskierre, selittää mekanismin, jolla kaksi DNA-säiettä yhdistyvät kierteeksi, jonka avulla geneettistä tietoa tallennetaan ja kopioidaan eläviin organismeihin. Tätä löytöä pidetään yhtenä 1900-luvun tärkeimmistä tieteellisistä oivalluksista. Crick, Wilkins ja Watson saivat kumpikin kolmanneksen vuoden 1962 fysiologian tai lääketieteen Nobelin palkinnosta panoksestaan löydöön. Franklin, jonka läpimurto röntgendiffraktiotietoja käytettiin DNA-heliksin muodostamiseen, kuoli vuonna 1958, eikä hän siksi ollut oikeutettu Nobel-ehdokkuuteen.
Hydridisaation arvo
Hybridisaatio on prosessi, jossa yhdistetään emäspareja, jotka sitoutuvat muodostamaan kaksoiskierteen. Sulaminen on prosessi, jossa kaksoiskierreketjujen väliset vuorovaikutukset katkeavat erottaen kaksi nukleiinihappolinjaa. Nämä sidokset ovat heikkoja, ne erottuvat helposti miedolla lämmöllä, entsyymeillä tai mekaanisella voimalla. Sulaminen tapahtuu pääasiassa tietyissä nukleiinihapon kohdissa. DNA-heliksin alueet, jotka on merkitty T ja A, sulavat helpommin kuin alueet C ja G. Jotkut emäsvaiheet (parit) ovat myös herkkiä DNA:n sulamiselle, kuten TA ja TG. Näitä mekaanisia piirteitä heijastavat sekvenssit, kuten TATA, monien geenien alussa, mikä auttaa RNA-polymeraasia sulattamaan DNA:n transkriptiota varten.
Lämmitys
Prosessin erottaminenSäikeiden käsittely matalalla kuumennuksella, kuten polymeraasiketjureaktiossa (PCR) käytetään, on yksinkertaista edellyttäen, että molekyylit ovat noin 10 000 emäsparia (10 kiloemäsparia tai 10 kbp). DNA-säikeiden kietoutuminen vaikeuttaa pitkien segmenttien erottamista. Solu välttää tämän ongelman antamalla DNA-sulatusentsyymiensä (helikaasien) toimia samanaikaisesti topoisomeraasien kanssa, jotka voivat kemiallisesti katkaista yhden juosteen fosfaattirungon, jotta se voi kääntyä toisen ympäri. Helikaasit purkavat säikeitä helpottaakseen sekvenssiä lukevien entsyymien, kuten DNA-polymeraasin, kulkemista. DNA:n kaksoiskierre muodostuu näiden säikeiden sidoksista.
Spiraaligeometria
DNA-rakenteen geometrista komponenttia voidaan luonnehtia 6 koordinaatilla: siirtyminen, liukuminen, nousu, kallistus, vääntyminen ja kääntyminen. Nämä arvot määrittävät tarkasti kunkin DNA-juosteparin sijainnin ja suunnan avaruudessa. DNA:n tai RNA:n alueilla, joilla normaali rakenne on häiriintynyt, näiden arvojen muutosta voidaan käyttää kuvaamaan tällaista häiriötä.
Nousu ja kääntyminen määräytyvät spiraalin muodon mukaan. Muut koordinaatit päinvastoin voivat olla nolla.
Huomaa, että "vinoa" käytetään usein eri tavoin tieteellisessä kirjallisuudessa viitaten säikeiden välisen kannan ensimmäisen akselin poikkeamaan kohtisuorasta kierteen akseliin nähden. Tämä vastaa liukumista DNA-kaksoiskierteen emässekvenssin välillä, ja geometrisissa koordinaateissa sitä kutsutaan oikein"kallistus".
Geometriset erot spiraaleissa
Ainakin kolmen DNA-konformaation uskotaan esiintyvän luonnossa: A-DNA, B-DNA ja Z-DNA. James Watsonin ja Francis Crickin kuvaileman B-muodon uskotaan olevan vallitseva soluissa. Se on 23,7 Å leveä ja pidentää 34 Å 10 bp. sekvenssejä. DNA:n kaksoiskierre muodostuu kahden ribonukleiinihappolinjan sidoksista, jotka tekevät yhden täydellisen kierroksen akselinsa ympäri joka 10,4-10,5 emäspari liuoksessa. Tämä kierretaajuus (kutsutaan kierteiseksi nousuksi) riippuu suurelta osin pinoamisvoimista, joita kukin kanta kohdistaa naapureihinsa ketjussa. Kantojen absoluuttinen konfiguraatio määrittää kierteisen käyrän suunnan tietylle konformaatiolle.
Erot ja toiminnot
A-DNA ja Z-DNA eroavat merkittävästi geometri altaan ja koostaan B-DNA:han verrattuna, vaikka ne muodostavat edelleen kierteisiä rakenteita. Pitkään on ajateltu, että A-muotoa esiintyy vain dehydratoiduissa DNA-näytteissä kristallografisissa kokeissa käytetyssä laboratoriossa ja hybridi-DNA-RNA-juosteparituksissa, mutta DNA-dehydraatiota tapahtuu in vivo, ja A-DNA:lla on nyt meille tiedossa olevia biologisia toimintoja.. DNA-segmentit, joiden solut on metyloitu säätelytarkoituksiin, voivat omaksua Z-geometrian, jossa juosteet pyörivät kierteisen akselin ympäri päinvastaisella tavalla kuin A-DNA ja B-DNA. On myös todisteita proteiini-DNA-komplekseista, jotka muodostavat Z-DNA-rakenteita. DNA-heliksin pituus ei muutu millään tavalla riippuentyyppi.
Ongelmia nimien kanssa
Itse asiassa vain kirjaimet F, Q, U, V ja Y ovat nyt käytettävissä nimeämään eri DNA-tyyppejä, joita mahdollisesti löydetään tulevaisuudessa. Suurin osa näistä muodoista on kuitenkin luotu synteettisesti ja niillä on ei havaittu luonnollisissa biologisissa järjestelmissä. On myös kolmijuosteisia (3 DNA-säikettä) ja kvadrupolimuotoja, kuten G-kvadrupleksi.
Säikeiden kytkentä
DNA:n kaksoiskierre muodostuu kierteisten säikeiden sidoksista. Koska kierteet eivät ole suoraan toisiaan vastapäätä, niiden väliset urat ovat kooltaan epätasaisia. Yksi ura, pääura, on leveä 22 Å ja toinen, pieni, on 12 Å. Toisiouran kapeus tarkoittaa, että jalustan reunoja pääsee paremmin käsiksi pääurassa. Tämän seurauksena proteiinit, kuten transkriptiotekijät, jotka voivat sitoutua DNA:n kaksoiskierteen spesifisiin sekvensseihin, joutuvat tyypillisesti kosketukseen pääurassa avoimien emästen sivujen kanssa. Tämä tilanne muuttuu epätavallisissa DNA-konformaatioissa solun sisällä, mutta suuret ja pienet urat on aina nimetty kuvastamaan kokoeroja, jotka näkyisivät, jos DNA kierrettäisiin takaisin normaaliin B-muotoonsa.
Mallin luominen
1970-luvun lopulla vaihtoehtoisia ei-kierteisiä malleja pidettiin lyhyesti mahdollisena ratkaisuna DNA:n replikaatioongelmiin plasmideissa ja kromatiinissa. Ne kuitenkin hylättiin DNA:n kaksoiskelamallin hyväksi myöhempien kokeellisten edistysten, kuten röntgensäteen, vuoksi. DNA-dupleksien kristallografia. Myöskään v altavirran tiedeyhteisö ei tällä hetkellä hyväksy ei-kaksoiskierremalleja.
Yksijuosteiset nukleiinihapot (ssDNA) eivät ota kierteistä muotoa, ja niitä kuvaavat mallit, kuten satunnainen kela tai matomainen ketju.
DNA on suhteellisen jäykkä polymeeri, joka on tyypillisesti mallinnettu matomaiseksi ketjuksi. Mallin jäykkyys on tärkeä DNA:n kiertokululle ja siihen liittyvien proteiinien orientoitumiselle toistensa suhteen, kun taas hystereettinen aksiaalinen jäykkyys on tärkeää DNA:n kääreen ja proteiinikierron ja vuorovaikutuksen kann alta. Puristusvenymä on suhteellisen merkityksetön korkean jännitteen puuttuessa.
Kemia ja genetiikka
DNA liuoksessa ei ota jäykkää rakennetta, vaan muuttaa jatkuvasti konformaatiota lämpövärähtelyn ja vesimolekyylien kanssa törmäyksen vuoksi, mikä tekee klassisten jäykkyysmittausten soveltamisen mahdottomaksi. Siksi DNA:n taivutusjäykkyys mitataan pysyvyyden pituudella, joka määritellään "DNA:n pituudeksi, jonka aikana polymeerin aikakeskiarvoinen orientaatio muuttuu kertoimella korreloimattomaksi".
Tämä arvo voidaan mitata tarkasti käyttämällä atomivoimamikroskooppia eripituisten DNA-molekyylien kuvaamiseksi suoraan. Vesiliuoksessa keskimääräinen vakiopituus on 46-50 nm tai 140-150 emäsparia (DNA 2 nm), vaikka tämä voi vaihdella huomattavasti. Tämä tekee DNA:sta kohtalaisen jäykän molekyylin.
DNA-segmentin jatkumisen kesto riippuu suuresti sen sekvenssistä, ja tämä voi johtaa merkittäviinmuutoksia. Jälkimmäiset johtuvat enimmäkseen pinoamisenergiasta ja fragmenteista, jotka leviävät pieniin ja suuriin uriin.
Fysikaaliset ominaisuudet ja käyrät
DNA:n entrooppinen joustavuus on huomattavan yhdenmukainen polymeerifysiikan standardimallien, kuten Kratky-Porodin ketjumadon mallin kanssa. Madon k altaisen mallin kanssa on sopusoinnussa havainto, että DNA:n taipumista kuvaa myös Hooken laki hyvin pienillä (subpikoneontonisilla) voimilla. Kestoltaan ja pysyvyydeltään pienemmillä DNA-segmenteillä taivutusvoima on kuitenkin suunnilleen vakio ja käyttäytyminen poikkeaa ennusteista, toisin kuin jo mainituissa matomaisissa malleissa.
Tämä vaikutus johtaa epätavallisen helposti pienten DNA-molekyylien kiertämiseen ja suurempaan todennäköisyyteen löytää erittäin kaarevia DNA-alueita.
DNA-molekyyleillä on usein suositeltu taivutussuunta, eli anisotrooppinen taivutus. Tämä taas johtuu DNA-sekvenssit muodostavien emästen ominaisuuksista, ja juuri ne yhdistävät kaksi DNA-juostetta heliksiksi. Joissakin tapauksissa sarjoissa ei ole sananlaskujen käänteitä.
DNA:n kaksoiskierrerakenne
DNA-taivutuksen ensisijainen suunta määräytyy kunkin emäksen pinoamisen stabiiliuden perusteella seuraavan päälle. Jos epästabiilit emästen pinoamisvaiheet ovat aina DNA-kierteen toisella puolella, niin DNA ensisijaisesti taittuu pois tästä suunnasta. Kahden DNA-juosteen yhdistäminen heliksiksimolekyylit, jotka riippuvat tästä suunnasta. Taivutuskulman kasvaessa niillä on steeristen esteiden rooli, mikä osoittaa kykyä rullata jäännöksiä suhteessa toisiinsa, erityisesti pienessä urassa. Saostumat A ja T esiintyvät edullisesti pienissä urissa mutkien sisällä. Tämä vaikutus on erityisen ilmeinen DNA-proteiinin sitoutumisessa, kun DNA:n jäykkä taipuminen indusoidaan, esimerkiksi nukleosomipartikkeleissa.
DNA-molekyylit, joilla on poikkeuksellisen taipumus, voivat muuttua taipuisiksi. Tämä löydettiin ensimmäisen kerran trypanosomatid-kinetoplastin DNA:sta. Tyypillisiä tämän aiheuttavia sekvenssejä ovat 4–6 G:llä ja C:llä erotettua T- ja A-jaksoa, jotka sisältävät A- ja T-tähteitä pienessä uravaiheessa molekyylin samalla puolella.
Sisäinen taivutettu rakenne syntyy emäsparien "kiertymisestä" toisiinsa nähden, mikä mahdollistaa epätavallisten kaksihaaraisten vetysidosten muodostumisen perusasteiden välille. Korkeammissa lämpötiloissa tämä rakenne denaturoituu ja siksi luontainen kaarevuus menetetään.
Kaikella anisotrooppisesti taipuvalla DNA:lla on keskimäärin pidempi työntövoima ja suurempi aksiaalinen jäykkyys. Tämä lisääntynyt jäykkyys on tarpeen, jotta estetään tahaton taipuminen, joka saa molekyylin toimimaan isotrooppisesti.
DNA:n renkaat riippuvat sekä molekyylin aksiaalisesta (taivutusjäykkyydestä) että vääntöjäykkyydestä (rotaatiosta). Jotta DNA-molekyyli kiertää onnistuneesti, sen on oltava riittävän pitkä, jotta se taipuu helposti täyteen ympyrään ja siinä on oltava oikea määrä emäksiäpäät pyörivät oikein, jotta spiraalien liimaus olisi mahdollista. Optimaalinen pituus kiertävälle DNA:lle on noin 400 emäsparia (136 nm). Pariton määrä kierroksia on merkittävä energiaeste piireille, esimerkiksi 10,4 x 30=312 parin molekyyli kiertää satoja kertoja nopeammin kuin 10,4 x 30,5 ≈ 317 molekyyli.
Elastisuus
Pidemmät DNA-osuudet ovat entrooppisesti joustavia venytettynä. Kun DNA on liuoksessa, se käy läpi jatkuvia rakenteellisia muutoksia lämpöliuotinkylvyssä käytettävissä olevan energian vuoksi. Tämä johtuu DNA-molekyylin lämpövärähtelyistä yhdistettynä jatkuviin törmäyksiin vesimolekyylien kanssa. Entropiasyistä kompaktimmat rentoutuneet tilat ovat termisesti helpommin saavutettavissa kuin venytetyt tilat, ja siksi DNA-molekyylit ovat lähes kaikkialla monimutkaisissa "rentoutuneissa" molekyylimalleissa. Tästä syystä yksi DNA-molekyyli venyy voiman alla ja suoristaa sitä. Optisilla pinseteillä on tutkittu ja analysoitu DNA:n entropiavenytyskäyttäytymistä polymeerifysiikan näkökulmasta ja havaittu, että DNA käyttäytyy pohjimmiltaan kuin Kratky-Porodin matomainen ketjumalli fysiologisesti saatavilla olevilla energia-asteikoilla.
Riittävällä jännityksellä ja positiivisella vääntömomentilla DNA:n uskotaan käyvän läpi faasimuutoksen, jolloin selkärangat liikkuvat ulospäin ja fosfaatitkeskellä. Tämä ehdotettu rakenne ylivenytetylle DNA:lle nimettiin P-muodon DNA:ksi Linus Paulingin mukaan, joka alun perin visioi sen mahdollisena DNA-rakenteena.
Todisteet DNA:n mekaanisesta venyttämisestä ilman määrättyä vääntömomenttia viittaavat siirtymään tai siirtymiin, jotka johtavat lisärakenteisiin, joita yleisesti kutsutaan S-muodoiksi. Näitä rakenteita ei ole vielä lopullisesti karakterisoitu, koska atomiresonaattorin resoluutiokuvantaminen liuoksessa on vaikeaa voimaa käytettäessä, vaikka monia tietokonesimulaatiotutkimuksia on tehty. Ehdotettuja S-DNA-rakenteita ovat ne, jotka säilyttävät emäsparilaskoksen ja vetysidoksen (rikastettu GC:llä).
Sigmoid-malli
Perusparipinon jaksoittaista murtumista katkolla on ehdotettu säännölliseksi rakenteeksi, joka säilyttää peruspinon säännöllisyyden ja vapauttaa sopivan määrän laajenemista, ja termi "Σ-DNA" otetaan käyttöön. muistona, jossa "Sigma"-symbolin kolme oikeanpuoleista pistettä muistuttavat kolmesta klusteroidusta emäsparista. Muodolla Σ on osoitettu olevan sekvenssipreferenssi GNC-motiiveille, joilla GNC_h-hypoteesi uskoo olevan evolutiivista merkitystä.
Spiraalin sulatus, lämmitys ja purkaminen
DNA-kierteen muoto B kiertyy 360° 10,4-10,5 bp. vääntömuodonmuutoksen puuttuessa. Mutta monet molekyylibiologiset prosessit voivat aiheuttaa vääntöjännitystä. DNA-segmentti, jossa on ylimäärä taiundercoiling mainitaan sekä positiivisessa että negatiivisessa yhteydessä. DNA in vivo on yleensä negatiivisesti kiertynyt (eli siinä on vastakkaiseen suuntaan kiertyneet kiharat), mikä helpottaa RNA:n transkriptioon kipeästi tarvittavan kaksoiskierteen purkamista (sulamista).
Solun sisällä suurin osa DNA:sta on topologisesti rajoitettua. DNA löytyy yleensä suljetuista silmukoista (kuten plasmideista prokaryooteissa), jotka ovat topologisesti suljettuja tai erittäin pitkiä molekyylejä, joiden diffuusiokertoimet tuottavat tehokkaasti topologisesti suljettuja alueita. Lineaariset DNA-osuudet yhdistetään myös yleisesti proteiineihin tai fysikaalisiin rakenteisiin (kuten kalvoihin) suljettujen topologisten silmukoiden muodostamiseksi.
Kaikki T-parametrin muutokset suljetulla topologisella alueella on tasapainotettava W-parametrin muutoksella ja päinvastoin. Tämä johtaa DNA-molekyylien korkeampaan heliksirakenteeseen. Tavallinen DNA-molekyyli, jonka juuri on 0, olisi luokituksessaan pyöreä. Jos tämän molekyylin kierrettä lisätään tai vähennetään myöhemmin superkonformaation avulla, juuret muuttuvat vastaavasti, jolloin molekyyli käy läpi plektnoneemisen tai toroidisen superkierteen käämityksen.
Kun DNA:n kaksoiskierteen osan päät yhdistetään niin, että se muodostaa ympyrän, säikeet ovat topologisesti sidottu. Tämä tarkoittaa, että yksittäisiä säikeitä ei voida erottaa mistään prosessista, joka ei liity säikeenkatkoon.(esim. lämmitys). Topologisesti kytkeytyneiden DNA-säikeiden sidonnaisuuden purkaminen kuuluu topoisomeraaseiksi kutsutuille entsyymeille.
