Begrepet "DNA-helix" har en kompleks historie og natur. Med det menes som regel modellen introdusert av James Watson. DNA-dobbelthelixen holdes sammen med nukleotider som danner et par. I B-DNA, den vanligste spiralstrukturen som finnes i naturen, er dobbelhelixen høyrehendt med 10-10,5 basepar per omdreining. Den doble helixstrukturen til DNA inneholder et hovedspor og et mindre spor. I B-DNA er hovedsporet bredere enn mindresporet. Gitt forskjellen i bredde mellom de store og små sporene, gjør mange proteiner som binder seg til B-DNA det gjennom det bredere hovedsporet.
Oppdagelseshistorikk
Den strukturelle modellen av DNA-dobbelthelixen ble først publisert i Nature av James Watson og Francis Crick i 1953 (X, Y, Z-koordinater i 1954) basert på et kritisk røntgendiffraksjonsbilde av DNA merket Foto 51, fra Rosalind Franklins arbeid fra 1952, etterfulgt av et klarere bilde av henne tattRaymond Gosling, Maurice Wilkins, Alexander Stokes og Herbert Wilson. Den foreløpige modellen var tre-trådet DNA.
Erkjennelsen av at den åpne strukturen er en dobbel helix forklarer mekanismen der to DNA-tråder går sammen til en helix, hvorved genetisk informasjon lagres og kopieres i levende organismer. Denne oppdagelsen regnes som en av de viktigste vitenskapelige innsiktene i det tjuende århundre. Crick, Wilkins og Watson mottok hver en tredjedel av 1962 Nobelprisen i fysiologi eller medisin for deres bidrag til oppdagelsen. Franklin, hvis banebrytende røntgendiffraksjonsdata ble brukt til å formulere DNA-helixen, døde i 1958 og var derfor ikke kvalifisert for en nobelprisnominasjon.
Verdi for hybridisering
Hybridisering er prosessen med å koble sammen basepar som binder seg for å danne en dobbel helix. Smelting er prosessen der interaksjoner mellom doble helix-tråder blir forstyrret, og skiller to linjer med nukleinsyrer. Disse bindingene er svake, lett adskilt av mild varme, enzymer eller mekanisk kraft. Smelting skjer hovedsakelig på visse punkter i nukleinsyren. Regioner av DNA-spiralen merket T og A smeltes lettere enn regioner C og G. Noen basetrinn (par) er også mottakelige for DNA-smelting, slik som TA og TG. Disse mekaniske egenskapene speiles av sekvenser som TATA i begynnelsen av mange gener for å hjelpe RNA-polymerase med å smelte DNA for transkripsjon.
Oppvarming
Prosessseparasjontråder ved grunn oppvarming, som brukt i polymerasekjedereaksjonen (PCR), er enkel, forutsatt at molekylene er omtrent 10 000 basepar (10 kilobasepar eller 10 kbp). Sammenvevingen av DNA-tråder gjør det vanskelig å skille lange segmenter. Cellen unngår dette problemet ved å la DNA-smeltende enzymer (helikaser) arbeide samtidig med topoisomeraser, som kjemisk kan sp alte fosfatryggraden i en av trådene slik at den kan snu seg rundt den andre. Helikaser vikler ut trådene for å lette passasjen av sekvenslesende enzymer som DNA-polymerase. DNA-dobbelthelixen dannes av bindingene til disse strengene.
Spiralgeometri
Den geometriske komponenten i DNA-strukturen kan karakteriseres av 6 koordinater: skift, skli, stige, vippe, vri og snu. Disse verdiene bestemmer nøyaktig plasseringen og orienteringen i rommet til hvert par DNA-tråder. I områder med DNA eller RNA der den normale strukturen er forstyrret, kan en endring i disse verdiene brukes til å beskrive en slik forstyrrelse.
Reise og turn bestemmes av formen på spiralen. Andre koordinater kan tvert imot være lik null.
Merk at "skjevhet" ofte brukes på ulike måter i vitenskapelig litteratur, og refererer til avviket til den første aksen til interstrengbasen fra å være vinkelrett på helixens akse. Dette tilsvarer å gli mellom basesekvensen til DNA-dobbelthelixen, og i geometriske koordinater kalles riktig"tilt".
Geometriske forskjeller i spiraler
Minst tre DNA-konformasjoner antas å forekomme naturlig: A-DNA, B-DNA og Z-DNA. Form B, som beskrevet av James Watson og Francis Crick, antas å være dominerende i celler. Den er 23,7 Å bred og forlenger 34 Å med 10 bp. sekvenser. DNA-dobbelthelixen er dannet av bindingene til to linjer med ribonukleinsyre, som gjør en fullstendig omdreining rundt sin akse hver 10,4-10,5 basepar i løsning. Denne vridningsfrekvensen (k alt spiralstigning) avhenger i stor grad av stablingskreftene hver base utøver på naboene i kjeden. Den absolutte konfigurasjonen av basene bestemmer retningen til den spiralformede kurven for en gitt konformasjon.
Forskjeller og funksjoner
A-DNA og Z-DNA er betydelig forskjellige i geometri og størrelse sammenlignet med B-DNA, selv om de fortsatt danner spiralformede strukturer. Det har lenge vært antatt at A-formen bare forekommer i dehydrerte DNA-prøver i laboratoriet brukt i krystallografiske eksperimenter og i hybrid DNA-RNA-trådparing, men DNA-dehydrering skjer in vivo, og A-DNA har nå biologiske funksjoner kjent for oss. DNA-segmenter hvis celler er blitt metylert for regulatoriske formål, kan ta i bruk en Z-geometri der trådene roterer rundt den skruelinjeformede aksen på motsatt måte av A-DNA og B-DNA. Det er også bevis på protein-DNA-komplekser som danner Z-DNA-strukturer. Lengden på DNA-helixen endres ikke på noen måte avhengig avtype.
Problemer med navn
Faktisk er det nå bare bokstavene F, Q, U, V og Y som er tilgjengelige for å navngi de forskjellige typene DNA som kan bli oppdaget i fremtiden. De fleste av disse formene ble imidlertid laget syntetisk og har ikke blitt observert i naturlige biologiske systemer. Det finnes også tre-trådede (3 DNA-tråder) og kvadrupolformer, for eksempel G-quadruplex.
Kobling av tråder
DNA-dobbelthelix dannes av bindingene til spiralformede tråder. Siden gjengene ikke er rett overfor hverandre, er sporene mellom dem av ujevn størrelse. Det ene sporet, det viktigste, har en bredde på 22 Å, og det andre, et lite, når en lengde på 12 Å. Smalheten til sekundærsporet gjør at kantene på basene er mer tilgjengelige i hovedsporet. Som et resultat kommer proteiner som transkripsjonsfaktorer som kan binde seg til spesifikke sekvenser i DNA-dobbelthelixen typisk i kontakt med sidene av basene som er åpne i hovedsporet. Denne situasjonen endrer seg i uvanlige DNA-konformasjoner i cellen, men de store og mindre sporene er alltid navngitt for å gjenspeile forskjellene i størrelse som ville bli sett hvis DNA ble vridd tilbake til sin normale B-form.
Opprette en modell
På slutten av 1970-tallet ble alternative ikke-spiralformede modeller kort vurdert som en potensiell løsning på problemene med DNA-replikasjon i plasmider og kromatin. Imidlertid ble de forlatt til fordel for den doble spolemodellen av DNA på grunn av påfølgende eksperimentelle fremskritt som røntgenkrystallografi av DNA-duplekser. Dessuten er ikke-dobbelt helix-modeller for øyeblikket akseptert av det vanlige vitenskapelige miljøet.
Enkeltrådede nukleinsyrer (ssDNA) har ikke spiralform og er beskrevet av modeller som tilfeldig spole eller ormlignende kjede.
DNA er en relativt stiv polymer, typisk modellert som en ormlignende kjede. Modellstivhet er viktig for DNA-sirkularisering og orienteringen av tilhørende proteiner i forhold til hverandre, mens hysteretisk aksial stivhet er viktig for DNA-innpakning og proteinsirkulasjon og interaksjon. Kompresjonsforlengelse er relativt uviktig i fravær av høyspenning.
Kjemi og genetikk
DNA i løsning får ikke en stiv struktur, men endrer stadig konformasjon på grunn av termisk vibrasjon og kollisjon med vannmolekyler, noe som gjør det umulig å anvende klassiske stivhetsmål. Derfor blir bøyestivheten til DNA målt ved persistenslengden, definert som "lengden av DNA over hvilken den tidsgjennomsnittlige orienteringen til polymeren blir ukorrelert koeffisient."
Denne verdien kan måles nøyaktig ved hjelp av et atomkraftmikroskop for å avbilde DNA-molekyler av forskjellige lengder direkte. I vandig løsning er gjennomsnittlig konstant lengde 46-50 nm eller 140-150 basepar (DNA 2 nm), selv om dette kan variere betydelig. Dette gjør DNA til et moderat stivt molekyl.
Varigheten av fortsettelsen av et DNA-segment er svært avhengig av sekvensen, og dette kan føre til betydeligEndringer. Sistnevnte skyldes for det meste stabling av energi og fragmenter som forplanter seg til mindre og større riller.
Fysiske egenskaper og kurver
Den entropiske fleksibiliteten til DNA er bemerkelsesverdig konsistent med standardmodeller for polymerfysikk, slik som Kratky-Porod-modellen av kjedeormen. I samsvar med den ormlignende modellen er observasjonen at bøyd DNA også er beskrevet av Hookes lov ved svært små (subpiconeontoniske) krefter. For segmenter av DNA som er mindre i varighet og persistens, er imidlertid bøyekraften tilnærmet konstant og atferden avviker fra forutsigelser, i motsetning til de allerede nevnte ormlignende modellene.
Denne effekten resulterer i en uvanlig letthet i å sirkulere små DNA-molekyler og en høyere sannsynlighet for å finne svært buede DNA-regioner.
DNA-molekyler har ofte en foretrukket retning for bøyning, dvs. anisotrop bøyning. Dette er igjen på grunn av egenskapene til basene som utgjør DNA-sekvensene, og det er de som forbinder de to DNA-trådene til en helix. I noen tilfeller har ikke sekvenser de ordspråklige vendingene.
DNA dobbel helixstruktur
Den foretrukne retningen for DNA-bøyning bestemmes av stablingsstabiliteten til hver base på toppen av den neste. Hvis ustabile basestablingstrinn alltid er på den ene siden av DNA-helixen, vil DNA fortrinnsvis folde seg bort fra den retningen. Koble to DNA-tråder til en helixutføres av molekyler som er avhengige av denne retningen. Når bøyevinkelen øker, spiller de rollen som steriske hindringer, og viser evnen til å rulle restene i forhold til hverandre, spesielt i det lille sporet. Avsetninger A og T vil fortrinnsvis skje i små riller innenfor bendene. Denne effekten er spesielt tydelig ved DNA-proteinbinding når DNA-stiv bøyning induseres, for eksempel i nukleosompartikler.
DNA-molekyler med eksepsjonell bøyning kan bli bøyelige. Dette ble først oppdaget i DNA fra trypanosomatid kinetoplast. Typiske sekvenser som forårsaker dette inkluderer 4-6 T- og A-strekninger atskilt med G og C, som inneholder A- og T-rester i en mindre groove-fase på samme side av molekylet.
Den indre bøyde strukturen induseres av "skruing" av baseparene i forhold til hverandre, noe som tillater dannelsen av uvanlige todelte hydrogenbindinger mellom basistrinnene. Ved høyere temperaturer denatureres denne strukturen og derfor går den indre krumningen tapt.
Alt DNA som bøyer anisotropisk har i gjennomsnitt en lengre skyvekraft og større aksial stivhet. Denne økte stivheten er nødvendig for å forhindre utilsiktet bøyning som vil få molekylet til å virke isotropisk.
DNA-ringing avhenger av både aksial (bøye)stivhet og torsjonsstivhet (rotasjonsstivhet) til molekylet. For at et DNA-molekyl skal sirkulere vellykket, må det være langt nok til å bøye seg lett inn i en hel sirkel og ha riktig antall baser for åendene var i riktig rotasjon for å sikre muligheten for liming av spiralene. Den optimale lengden for sirkulerende DNA er omtrent 400 basepar (136 nm). Tilstedeværelsen av et oddetall svinger er en betydelig energibarriere for kretser, for eksempel vil et 10,4 x 30=312 par molekyl sirkulere hundrevis av ganger raskere enn et 10,4 x 30,5 ≈ 317 molekyl.
Elasticity
Lengere DNA-strekninger er entropisk elastiske når de strekkes. Når DNA er i løsning, gjennomgår det kontinuerlige strukturelle endringer på grunn av energien som er tilgjengelig i det termiske løsningsmiddelbadet. Dette skyldes de termiske vibrasjonene til DNA-molekylet, kombinert med konstante kollisjoner med vannmolekyler. Av entropigrunner er mer kompakte avslappede tilstander termisk mer tilgjengelige enn strakte tilstander, og derfor er DNA-molekyler nesten allestedsnærværende i intrikate "avslappede" molekylære modeller. Av denne grunn vil ett DNA-molekyl strekke seg under kraften og rette det ut. Ved å bruke optisk pinsett har entropi-strekkoppførselen til DNA blitt studert og analysert fra polymerfysikkens perspektiv, og det har blitt funnet at DNA oppfører seg i hovedsak som en Kratky-Porod ormlignende kjedemodell på fysiologisk tilgjengelige energiskalaer.
Med tilstrekkelig spenning og positivt dreiemoment antas det at DNAet gjennomgår en faseovergang, med ryggradene som beveger seg utover og fosfatene beveger seg inn imidten. Denne foreslåtte strukturen for overstrukket DNA ble k alt P-form DNA etter Linus Pauling, som opprinnelig så det for seg som en mulig DNA-struktur.
Bevis for mekanisk strekking av DNA i fravær av pålagt dreiemoment peker på en overgang eller overganger som fører til ytterligere strukturer ofte referert til som S-former. Disse strukturene har ennå ikke blitt definitivt karakterisert på grunn av vanskeligheten med å utføre oppløsningsavbildning av en atomresonator i løsning med kraft påført, selv om mange datasimuleringsstudier er gjort. Foreslåtte S-DNA-strukturer inkluderer de som beholder baseparfolden og hydrogenbindingen (anriket i GC).
Sigmoid-modell
Periodisk brudd på baseparstabelen med et brudd har blitt foreslått som en vanlig struktur som beholder regulariteten til basestabelen og frigjør en passende mengde ekspansjon, med begrepet "Σ-DNA" som introduseres som en mnemonikk der de tre prikkene på høyre side av "Sigma"-symbolet tjener en påminnelse om tre grupperte basepar. Formen Σ har vist seg å ha en sekvenspreferanse for GNC-motiver, som GNC_h-hypotesen mener har evolusjonær betydning.
Smelting, oppvarming og avvikling av spiralen
Form B av DNA-helixen vrir seg 360° i 10,4-10,5 bp. i fravær av torsjonsdeformasjon. Men mange molekylærbiologiske prosesser kan indusere torsjonsstress. Et DNA-segment med et overskudd ellerundercoiling er nevnt i henholdsvis positiv og negativ sammenheng. DNA in vivo er vanligvis negativt kveilet (dvs. har krøller som er vridd i motsatt retning), noe som letter avviklingen (smeltingen) av dobbelthelixen, som er sårt nødvendig for RNA-transkripsjon.
Inne i cellen er det meste av DNA topologisk begrenset. DNA finnes vanligvis i lukkede sløyfer (som plasmider i prokaryoter) som er topologisk lukkede eller svært lange molekyler hvis diffusjonskoeffisienter effektivt produserer topologisk lukkede områder. Lineære strekninger av DNA er også ofte assosiert med proteiner eller fysiske strukturer (som membraner) for å danne lukkede topologiske løkker.
Enhver endring i T-parameteren i et lukket topologisk område må balanseres av en endring i W-parameteren, og omvendt. Dette resulterer i en høyere helixstruktur av DNA-molekyler. Et vanlig DNA-molekyl med rot 0 vil være sirkulært i sin klassifisering. Hvis vridningen av dette molekylet deretter økes eller reduseres ved superkonformering, vil røttene bli endret tilsvarende, noe som får molekylet til å gjennomgå plektnemisk eller toroidal superhelisk vikling.
Når endene av en del av DNA-dobbelspiralen kobles sammen slik at den danner en sirkel, er trådene topologisk bundet. Dette betyr at individuelle tråder ikke kan skilles fra noen prosess som ikke er knyttet til et trådbrudd.(f.eks. oppvarming). Oppgaven med å løsne de topologisk koblede DNA-trådene faller på enzymer k alt topoisomeraser.
