Terminal "DNA spiraal" on keeruline ajalugu ja olemus. Selle all mõeldakse reeglina James Watsoni tutvustatud mudelit. DNA kaksikheeliksit hoitakse koos nukleotiididega, mis moodustavad paari. B-DNA-s, kõige levinumas looduses leiduvas spiraalses struktuuris, on topeltheeliks parempoolne 10–10,5 aluspaari pöörde kohta. DNA kaksikheeliksi struktuur sisaldab suurt soont ja väikest soont. B-DNA-s on suur soon laiem kui väike soon. Arvestades suuremate ja väiksemate soonte laiuse erinevust, teevad paljud B-DNA-ga seonduvad valgud seda laiema suurema soone kaudu.
Avastuste ajalugu
DNA kaksikheeliksi struktuurimudeli avaldasid esmakordselt ajakirjas Nature 1953. aastal James Watson ja Francis Crick (X, Y, Z koordinaadid 1954. aastal), mis põhines DNA kriitilisel röntgendifraktsioonipildil, millel on foto 51., Rosalind Franklini 1952. aasta tööst, millele järgneb temast tehtud selgem piltRaymond Gosling, Maurice Wilkins, Alexander Stokes ja Herbert Wilson. Esialgne mudel oli kolmeahelaline DNA.
Arusaamine, et avatud struktuur on topeltheeliksiks, selgitab mehhanismi, mille abil kaks DNA ahelat ühinevad heeliksiks, mille abil säilitatakse ja kopeeritakse elusorganismides geneetilist teavet. Seda avastust peetakse üheks kõige olulisemaks kahekümnenda sajandi teaduslikuks arusaamaks. Crick, Wilkins ja Watson said oma panuse eest avastusse ühe kolmandiku 1962. aasta Nobeli füsioloogia- või meditsiiniauhinnast. Franklin, kelle läbimurdelisi röntgendifraktsiooniandmeid kasutati DNA heeliksi koostamisel, suri 1958. aastal ega saanud seetõttu Nobeli preemia kandidaadiks kandideerida.
Hübridisatsiooni väärtus
Hübridiseerimine on aluspaaride ühendamise protsess, mis seostuvad topeltheeliksi moodustamiseks. Sulamine on protsess, mille käigus katkevad interaktsioonid topeltheeliksi ahelate vahel, eraldades kaks nukleiinhapete rida. Need sidemed on nõrgad, kerge kuumuse, ensüümide või mehaanilise jõu toimel kergesti eraldatavad. Sulamine toimub valdav alt nukleiinhappe teatud punktides. DNA heeliksi piirkonnad, mis on märgistatud T ja A, sulavad kergemini kui piirkonnad C ja G. Mõned alusfaasid (paarid) on samuti vastuvõtlikud DNA sulamisele, nagu TA ja TG. Neid mehaanilisi tunnuseid peegeldavad järjestused nagu TATA paljude geenide alguses, et aidata RNA polümeraasil DNA transkriptsiooniks sulatada.
Küte
Protsessi eraldamineahelate töötlemine madala kuumutamisega, nagu seda kasutatakse polümeraasi ahelreaktsioonis (PCR), on lihtne eeldusel, et molekulid on ligikaudu 10 000 aluspaari (10 kilobaaspaari või 10 kbp). DNA ahelate põimumine raskendab pikkade segmentide eraldamist. Rakk väldib seda probleemi, lubades oma DNA sulatusensüümidel (helikaasidel) töötada samaaegselt topoisomeraasidega, mis võivad keemiliselt lõhustada ühe ahela fosfaatkarkassi, et see saaks teise ümber pöörata. Helikaasid kerivad ahelad lahti, et hõlbustada järjestust lugevate ensüümide, näiteks DNA polümeraasi, läbimist. DNA kaksikheeliks moodustub nende ahelate sidemetest.
Spiraalgeomeetria
DNA struktuuri geomeetrilist komponenti saab iseloomustada 6 koordinaadiga: nihe, libisemine, tõus, kallutamine, keerdumine ja pööramine. Need väärtused määravad täpselt iga DNA ahela paari asukoha ja orientatsiooni ruumis. DNA või RNA piirkondades, kus normaalne struktuur on häiritud, võib sellise häire kirjeldamiseks kasutada nende väärtuste muutust.
Tõuse ja pöörde määrab spiraali kuju. Teised koordinaadid, vastupidi, võivad olla võrdsed nulliga.
Pange tähele, et "viltust" kasutatakse teaduskirjanduses sageli mitmel viisil, viidates ahelatevahelise aluse esimese telje kõrvalekaldele spiraali teljega risti. See vastab libisemisele DNA kaksikheeliksi alusjärjestuse vahel ja geomeetrilistes koordinaatides nimetatakse seda õigesti"kallutama".
Geomeetrilised erinevused spiraalides
Arvatakse, et looduslikult esineb vähem alt kolm DNA konformatsiooni: A-DNA, B-DNA ja Z-DNA. James Watsoni ja Francis Cricki kirjeldatud vorm B arvatakse olevat rakkudes domineeriv. See on 23,7 Å lai ja pikeneb 34 Å 10 bp võrra. järjestused. DNA kaksikheeliks moodustub kahe ribonukleiinhappeliini sidemetest, mis teevad lahuses ühe täieliku pöörde ümber oma telje iga 10,4–10,5 aluspaari järel. See keerdumise sagedus (nimetatakse spiraalseks sammuks) sõltub suuresti virnastamisjõududest, mida iga alus avaldab oma ahela naabritele. Aluste absoluutne konfiguratsioon määrab antud konformatsiooni spiraalse kõvera suuna.
Erinevused ja funktsioonid
A-DNA ja Z-DNA erinevad oma geomeetria ja suuruse poolest oluliselt võrreldes B-DNA-ga, kuigi moodustavad siiski spiraalseid struktuure. Pikka aega on arvatud, et A-vorm esineb ainult dehüdreeritud DNA proovides laboris, mida kasutatakse kristallograafilistes katsetes ja hübriidsetes DNA-RNA ahelate paarides, kuid DNA dehüdratsioon toimub in vivo ja A-DNA-l on nüüd meile teadaolevad bioloogilised funktsioonid.. DNA segmendid, mille rakud on regulatiivsetel eesmärkidel metüülitud, võivad omada Z-geomeetriat, milles ahelad pöörlevad ümber spiraalse telje vastupidiselt A-DNA-le ja B-DNA-le. Samuti on tõendeid valgu-DNA komplekside kohta, mis moodustavad Z-DNA struktuure. DNA spiraali pikkus ei muutu kuidagi olenev alttüüp.
Probleemid nimedega
Tegelikult on praegu saadaval ainult tähed F, Q, U, V ja Y, et nimetada erinevaid DNA tüüpe, mis võidakse tulevikus avastada. Enamik neist vormidest loodi aga sünteetiliselt ja neil on ei ole täheldatud looduslikes bioloogilistes süsteemides. Samuti on olemas kolmeahelalised (3 DNA ahelat) ja kvadrupoolid, näiteks G-kvadrupleks.
Lõimede ühendamine
DNA kaksikheeliks moodustub spiraalsete ahelate sidemetest. Kuna keermed ei asu vahetult üksteise vastas, on nendevahelised sooned ebaühtlase suurusega. Üks soon, peamine, on 22 Å laiune ja teine, väike, ulatub 12 Å. Sekundaarse soone kitsus tähendab, et aluste servad on põhisoones paremini ligipääsetavad. Selle tulemusena puutuvad valgud, nagu transkriptsioonifaktorid, mis võivad seostuda DNA kaksikheeliksi spetsiifiliste järjestustega, tavaliselt kontakti põhisoones avatud aluste külgedega. See olukord muutub ebatavaliste DNA konformatsioonidega rakus, kuid suuremad ja väiksemad sooned on alati nimetatud, et kajastada suuruse erinevusi, mis ilmneksid siis, kui DNA väänataks tagasi oma normaalsesse B-kuju.
Modeli loomine
1970. aastate lõpus peeti lühiajaliselt alternatiivseid mittespiraalseid mudeleid potentsiaalseks lahenduseks DNA replikatsiooni probleemidele plasmiidides ja kromatiinis. Kuid need loobuti DNA topeltspiraali mudeli kasuks hilisemate eksperimentaalsete edusammude, näiteks röntgenikiirguse tõttu. DNA duplekside kristallograafia. Samuti ei aktsepteerita praegu tavalistes teadusringkondades mitte-topeltheeliksi mudeleid.
Üheahelalised nukleiinhapped (ssDNA) ei võta spiraalset kuju ja neid kirjeldavad sellised mudelid nagu juhuslik mähis või ussilaadne kett.
DNA on suhteliselt jäik polümeer, mida tavaliselt modelleeritakse ussilaadse ahelana. Mudeli jäikus on oluline DNA tsirkularisatsiooni ja sellega seotud valkude orientatsiooni jaoks üksteise suhtes, samas kui hüstereetiline aksiaalne jäikus on oluline DNA mähkimise ning valkude ringluse ja interaktsiooni jaoks. Kõrgepinge puudumisel on surve-pikenemine suhteliselt ebaoluline.
Keemia ja geneetika
DNA lahuses ei võta jäika struktuuri, vaid muudab termilise vibratsiooni ja veemolekulidega kokkupõrke tõttu pidev alt konformatsiooni, mis muudab klassikaliste jäikusmõõtmiste rakendamise võimatuks. Seetõttu mõõdetakse DNA paindejäikust püsivuse pikkusega, mis on määratletud kui "DNA pikkus, mille jooksul polümeeri ajakeskmine orientatsioon muutub koefitsiendiks korrelatsiooniks".
Seda väärtust saab täpselt mõõta aatomjõumikroskoobi abil, et pildistada otse erineva pikkusega DNA molekule. Vesilahuses on keskmine konstantne pikkus 46-50 nm või 140-150 aluspaari (DNA 2 nm), kuigi see võib oluliselt erineda. See muudab DNA mõõduk alt jäigaks molekuliks.
DNA segmendi jätkumise kestus sõltub suuresti selle järjestusest ja see võib põhjustada olulisimuudatusi. Viimased on enamasti tingitud virnastamisenergiast ja fragmentidest, mis levivad väiksematesse ja suurematesse soontesse.
Füüsikalised omadused ja kõverad
DNA entroopiline paindlikkus on märkimisväärselt kooskõlas polümeerifüüsika standardmudelitega, nagu näiteks ahelussi Kratky-Porodi mudel. Ussilaadse mudeliga on kooskõlas tähelepanek, et DNA painutamist kirjeldab Hooke'i seadus ka väga väikeste (subpikoneontooniliste) jõudude korral. Kuid kestuse ja püsivusega väiksemate DNA segmentide puhul on paindejõud ligikaudu konstantne ja käitumine kaldub ennustustest kõrvale, erinev alt juba mainitud ussilaadsetest mudelitest.
Selle efekti tulemuseks on väikeste DNA molekulide tsirkulaarseks muutmine ebatavaliselt lihtne ja suurem tõenäosus leida väga kõveraid DNA piirkondi.
DNA molekulidel on sageli eelistatud painutamise suund, st anisotroopne painutamine. See on jällegi tingitud DNA järjestusi moodustavate aluste omadustest ja just need ühendavad kaks DNA ahelat heeliksiks. Mõnel juhul ei ole jadadel vanasõnalisi pöördeid.
DNA kaksikheeliksi struktuur
DNA painutamise eelistatud suund määratakse iga aluse virnastamise stabiilsuse järgi järgmise peale. Kui ebastabiilse aluse virnastamise etapid on alati DNA heeliksi ühel küljel, siis DNA voldib eelistatav alt sellest suunast eemale. Kahe DNA ahela ühendamine spiraaliksviivad läbi sellest suunast sõltuvad molekulid. Paindenurga suurenedes mängivad nad steeriliste takistuste rolli, näidates võimet jääke üksteise suhtes rullida, eriti väikeses soones. Sadestused A ja T tekivad eelistatav alt väikestes soontes painde sees. See efekt on eriti ilmne DNA-valgu sidumisel, kui DNA jäik paindumine on esile kutsutud, näiteks nukleosoomiosakestes.
Erandliku paindumisega DNA molekulid võivad muutuda painduvaks. See avastati esmakordselt trüpanosomatiidi kinetoplasti DNA-s. Tüüpilised seda põhjustavad järjestused hõlmavad 4–6 G ja C-ga eraldatud T- ja A-lõiku, mis sisaldavad A- ja T-jääke väikeses soonefaasis molekuli samal küljel.
Sisemine painutatud struktuur on indutseeritud aluspaaride üksteise suhtes "kruviga keerates", mis võimaldab luua ebatavalisi kaheharulisi vesiniksidemeid alusetappide vahel. Kõrgematel temperatuuridel see struktuur denatureerub ja seetõttu kaob sisemine kumerus.
Kogu DNA-l, mis paindub anisotroopselt, on keskmiselt pikem tõukejõud ja suurem aksiaalne jäikus. See suurenenud jäikus on vajalik, et vältida juhuslikku painutamist, mis põhjustaks molekuli isotroopse toimimise.
DNA helisemine sõltub nii molekuli aksiaalsest (painde-) kui ka väände- (rotatsiooni-) jäikusest. DNA molekuli edukaks ringlemiseks peab see olema piisav alt pikk, et painduda kergesti täisringiks ja sellel peab olema õige arv aluseid.otsad olid õiges pöördes, et tagada spiraalide liimimise võimalus. Tsirkuleeriva DNA optimaalne pikkus on umbes 400 aluspaari (136 nm). Paaritu arvu pöörete olemasolu on vooluringidele märkimisväärne energiabarjäär, näiteks 10,4 x 30=312 paariline molekul ringleb sadu kordi kiiremini kui 10,4 x 30,5 ≈ 317 molekul.
Elastsus
DNA pikemad osad on venitamisel entroopiliselt elastsed. Kui DNA on lahuses, toimub selles pidevas struktuurimuutuses termilises lahustivannis saadaoleva energia tõttu. See on tingitud DNA molekuli termilistest vibratsioonidest koos pidevate kokkupõrgetega veemolekulidega. Entroopia põhjustel on kompaktsemad lõdvestunud olekud termiliselt paremini ligipääsetavad kui venitatud olekud ja seega on DNA molekulid keerulistes "lõdvestunud" molekulaarmudelites peaaegu üldlevinud. Sel põhjusel venib üks DNA molekul jõu mõjul välja, sirgendades seda. Optiliste pintsettide abil on uuritud ja analüüsitud DNA entroopiavenituskäitumist polümeerifüüsika vaatenurgast ning leitud, et DNA käitub füsioloogiliselt kättesaadavatel energiaskaaladel põhimõtteliselt nagu Kratky-Porodi ussilaadne ahelmudel.
Piisava pinge ja positiivse pöördemomendi korral arvatakse, et DNA läbib faasisiirde, kusjuures selgrood liiguvad väljapoole ja fosfaadidkeskel. See ülevenitatud DNA struktuur sai nimeks P-vormi DNA Linus Paulingi järgi, kes nägi seda algselt võimaliku DNA struktuurina.
Tõendid DNA mehaanilise venitamise kohta kehtestatud pöördemomendi puudumisel viitavad üleminekule või üleminekutele, mis viivad täiendavate struktuurideni, mida tavaliselt nimetatakse S-kujudeks. Neid struktuure ei ole veel lõplikult iseloomustatud, kuna on raske teostada aatomresonaatori eraldusvõimega kujutist lahuses jõuga, kuigi on tehtud palju arvutisimulatsiooniuuringuid. Soovitatavad S-DNA struktuurid hõlmavad neid, mis säilitavad aluspaari voldi ja vesiniksideme (rikastatud GC-ga).
Sigmoidmudel
Aluspaari virna perioodilist murdumist koos katkestusega on pakutud korrapärase struktuurina, mis säilitab põhivirna korrapärasuse ja vabastab sobival määral paisumist, kusjuures kasutusele võetakse termin "Σ-DNA" märgusõnana, milles sümboli "Sigma" kolm parempoolset punkti meenutavad kolme rühmitatud aluspaari. On näidatud, et vormil Σ on GNC-motiivide järjestuse eelistus, millel GNC_h-hüpoteesi arvates on evolutsiooniline tähendus.
Spiraali sulatamine, kuumutamine ja lahtikerimine
DNA spiraali vorm B keerdub 360° 10,4–10,5 bp. väändedeformatsiooni puudumisel. Kuid paljud molekulaarbioloogilised protsessid võivad esile kutsuda väändepinget. DNA segment, mille ülejääk võiundercoilingit mainitakse vastav alt nii positiivses kui ka negatiivses kontekstis. DNA in vivo on tavaliselt negatiivselt keerdunud (st sellel on vastassuunas keerdunud lokid), mis hõlbustab RNA transkriptsiooniks hädasti vajaliku kaksikheeliksi lahtikerimist (sulamist).
Raku sees on suurem osa DNA-st topoloogiliselt piiratud. DNA-d leidub tavaliselt suletud ahelates (nagu prokarüootide plasmiidid), mis on topoloogiliselt suletud või väga pikad molekulid, mille difusioonikoefitsiendid toodavad tõhus alt topoloogiliselt suletud piirkondi. DNA lineaarseid osi seostatakse tavaliselt ka valkude või füüsiliste struktuuridega (nt membraanidega), et moodustada suletud topoloogilised ahelad.
Iga muudatus T-parameetris suletud topoloogilises piirkonnas peab olema tasakaalustatud parameetri W muutusega ja vastupidi. Selle tulemuseks on DNA molekulide kõrgem heeliksi struktuur. Tavaline DNA molekul, mille juur on 0, oleks oma klassifikatsioonis ringikujuline. Kui selle molekuli keerdumist hiljem superkonformeerumise tõttu suurendatakse või vähendatakse, muudetakse vastav alt ka juuri, mis põhjustab molekuli plektnoneemilise või toroidse superheeli mähise.
Kui DNA kaksikheeliksi lõigu otsad on ühendatud nii, et see moodustab ringi, on ahelad topoloogiliselt seotud. See tähendab, et üksikuid lõime ei saa eraldada ühestki protsessist, mis ei ole seotud lõime katkemisega.(nt küte). Topoloogiliselt seotud DNA ahelate lahtisidumise ülesanne langeb ensüümidele, mida nimetatakse topoisomeraasideks.
