A "DNS-spirál" kifejezésnek összetett története és természete van. Ez alatt általában a James Watson által bemutatott modellt kell érteni. A DNS kettős hélixet olyan nukleotidok tartják össze, amelyek egy párt alkotnak. A B-DNS-ben, a természetben legelterjedtebb spirális szerkezetben a kettős hélix jobbkezes, fordulatonként 10-10,5 bázispárral. A DNS kettős hélix szerkezete egy fő és egy kisebb barázdát tartalmaz. A B-DNS-ben a fő horony szélesebb, mint a mellékhorony. Tekintettel a fő és a kisebb barázdák közötti szélességbeli különbségre, sok fehérje, amely a B-DNS-hez kötődik, a szélesebb fő barázdán keresztül kötődik.
Felfedezési előzmények
A DNS kettős hélix szerkezeti modelljét először a Nature-ben publikálták James Watson és Francis Crick 1953-ban (X, Y, Z koordináták 1954-ben), az 51. fotóval jelölt DNS kritikus röntgendiffrakciós képe alapján., Rosalind Franklin 1952-es munkájából, majd egy tisztább képet róla készítettRaymond Gosling, Maurice Wilkins, Alexander Stokes és Herbert Wilson. Az előzetes modell háromszálú DNS volt.
Az a felismerés, hogy a nyitott szerkezet kettős hélix, megmagyarázza azt a mechanizmust, amellyel a DNS két szála hélixgé kapcsolódik, amely révén a genetikai információ tárolódik és másolódik az élő szervezetekben. Ezt a felfedezést a huszadik század egyik legfontosabb tudományos felismerésének tartják. Crick, Wilkins és Watson az 1962-es fiziológiai és orvosi Nobel-díj egyharmadát kapták a felfedezéshez való hozzájárulásukért. Franklin, akinek áttörést jelentő röntgendiffrakciós adatait a DNS-spirál kialakításához használták fel, 1958-ban h alt meg, ezért nem volt jogosult Nobel-díjra.
Hibridizációs érték
A hibridizáció olyan bázispárok összekapcsolásának folyamata, amelyek kettős hélixet alkotnak. Az olvadás az a folyamat, amelynek során a kettős hélix szálak közötti kölcsönhatások megszakadnak, és két nukleinsavsort választanak el. Ezek a kötések gyengék, enyhe hő, enzimek vagy mechanikai erő hatására könnyen szétválaszthatók. Az olvadás túlnyomórészt a nukleinsav bizonyos pontjain megy végbe. A DNS-hélix T-vel és A-val jelölt régiói könnyebben megolvadnak, mint a C- és G-régiók. Egyes bázisstádiumok (párok) szintén érzékenyek a DNS-olvadásra, például a TA és a TG. Ezeket a mechanikai tulajdonságokat olyan szekvenciák tükrözik, mint például a TATA számos gén elején, hogy segítsenek az RNS-polimeráznak megolvasztani a DNS-t a transzkripcióhoz.
Fűtés
Folyamatok szétválasztásaA polimeráz láncreakcióban (PCR) használt szálak sekély melegítéssel történő kezelése egyszerű, feltéve, hogy a molekulák körülbelül 10 000 bázispárból állnak (10 kilobázispár vagy 10 kbp). A DNS-szálak összefonódása megnehezíti a hosszú szakaszok elkülönítését. A sejt úgy kerüli el ezt a problémát, hogy lehetővé teszi, hogy DNS-olvasztó enzimjei (helikázai) egyidejűleg működjenek a topoizomerázokkal, amelyek kémiai úton elhasíthatják az egyik szál foszfátvázát, így az megfordulhat a másik szálon. A helikázok letekerik a szálakat, hogy megkönnyítsék a szekvenciaolvasó enzimek, például a DNS-polimeráz áthaladását. A DNS kettős hélix ezen szálak kötései révén jön létre.
Spirálgeometria
A DNS szerkezetének geometriai összetevője 6 koordinátával jellemezhető: eltolás, csúsztatás, emelkedés, dőlés, csavarás és elfordulás. Ezek az értékek pontosan meghatározzák az egyes DNS-szálpárok helyét és térbeli orientációját. Azokban a DNS- vagy RNS-régiókban, ahol a normál szerkezet felborul, ezeknek az értékeknek a változása felhasználható az ilyen zavar leírására.
Az emelkedést és a fordulást a spirál alakja határozza meg. Ellenkezőleg, más koordináták egyenlőek lehetnek nullával.
Megjegyzendő, hogy a "ferdítés" kifejezést gyakran használják különféle módokon a tudományos irodalomban, utalva arra, hogy a szálak közötti alap első tengelye eltér attól, hogy merőleges legyen a hélix tengelyére. Ez a DNS kettős hélix bázisszekvenciája közötti csúsztatásnak felel meg, és geometriai koordinátákban helyesen hívják"dönteni".
Geometriai különbségek a spirálokban
Legalább három DNS-konformációról feltételezik, hogy a természetben előfordul: A-DNS, B-DNS és Z-DNS. James Watson és Francis Crick leírása szerint a B forma dominál a sejtekben. 23,7 Å széles és 34 Å-t 10 bp-al hosszabbítja meg. sorozatok. A DNS kettős hélixet két ribonukleinsavsor kötései alkotják, amelyek oldatban minden 10,4-10,5 bázispáronként egy teljes fordulatot tesznek a tengelye körül. Ez a csavarodási frekvencia (az úgynevezett spirális menetemelkedés) nagymértékben függ attól a halmozási erőtől, amelyet az egyes bázisok a láncban lévő szomszédaikra gyakorolnak. Az alapok abszolút konfigurációja határozza meg a spirális görbe irányát egy adott konformációhoz.
Különbségek és funkciók
A-DNS és Z-DNS geometriájukban és méretükben jelentősen eltér a B-DNS-hez képest, bár még mindig spirális struktúrákat alkotnak. Régóta úgy gondolták, hogy az A forma csak a krisztallográfiai kísérletekben használt laboratóriumi dehidratált DNS-mintákban és hibrid DNS-RNS szálpárosításokban fordul elő, de a DNS-dehidratáció in vivo megtörténik, és az A-DNS-nek ma már ismert biológiai funkciói vannak.. Azok a DNS-szegmensek, amelyek sejtjeit szabályozási célból metilálták, felvehetnek egy Z geometriát, amelyben a szálak az A-DNS-sel és B-DNS-sel ellentétes módon forognak a spirális tengely körül. Bizonyítékok vannak arra is, hogy a fehérje-DNS komplexek Z-DNS-struktúrákat alkotnak. A DNS-spirál hossza semmilyen módon nem változik attól függőentípus.
Problémák a nevekkel
Valójában már csak az F, Q, U, V és Y betűk állnak rendelkezésre a jövőben felfedezhető DNS-típusok megnevezésére. Ezeknek a formáknak a többségét azonban szintetikus úton hozták létre, és természetes biológiai rendszerekben nem figyelték meg. Léteznek háromszálú (3 szál DNS) és kvadrupól formák is, mint például a G-kvadruplex.
Szálak összekapcsolása
A DNS kettős hélix spirális szálak kötései révén jön létre. Mivel a menetek nincsenek közvetlenül egymással szemben, a köztük lévő hornyok egyenetlen méretűek. Az egyik, a fő horony szélessége 22 Å, a másik, egy kicsi, hossza eléri a 12 Å-t. A másodlagos horony keskenysége azt jelenti, hogy az alapok élei jobban hozzáférhetők a fő horonyban. Ennek eredményeként olyan fehérjék, mint például a transzkripciós faktorok, amelyek a DNS kettős hélix specifikus szekvenciáihoz tudnak kötődni, jellemzően érintkeznek a bázisok azon oldalaival, amelyek a fő barázdában nyitottak. Ez a helyzet megváltozik a sejten belüli szokatlan DNS-konformációkban, de a nagyobb és kisebb barázdákat mindig úgy nevezik el, hogy tükrözzék a méretbeli különbségeket, amelyek akkor látszódnának, ha a DNS-t visszacsavarnák normál B-alakjába.
Modell létrehozása
Az 1970-es évek végén az alternatív, nem helikális modelleket rövid ideig a DNS-replikáció plazmidokban és kromatinokban történő replikációs problémáinak lehetséges megoldásaként tekintették. Azonban a későbbi kísérleti előrelépések, például a röntgensugárzás miatt elhagyták a DNS kettős tekercs modelljét. DNS-duplexek krisztallográfiája. Ezenkívül a tudományos közösség jelenleg nem fogadja el a nem kettős hélix modelleket.
Az egyszálú nukleinsavak (ssDNS) nem vesznek fel spirális alakot, és olyan modellekkel írják le őket, mint például véletlenszerű tekercs vagy féregszerű lánc.
A DNS egy viszonylag merev polimer, amelyet általában féregszerű láncként modelleznek. A modell merevsége a DNS cirkularizációja és a hozzá kapcsolódó fehérjék egymáshoz viszonyított orientációja szempontjából fontos, míg a hiszteretikus axiális merevség a DNS burkolásához és a fehérje keringéséhez és interakciójához. A kompressziós nyúlás nagyfeszültség hiányában viszonylag lényegtelen.
Kémia és genetika
Az oldatban lévő DNS nem vesz fel merev szerkezetet, hanem folyamatosan változtatja a konformációt a termikus rezgés és a vízmolekulákkal való ütközés következtében, ami lehetetlenné teszi a klasszikus merevségi mérések alkalmazását. Ezért a DNS hajlítási merevségét a perzisztencia hosszával mérjük, amelyet úgy definiálunk, mint "a DNS hossza, amely alatt a polimer időátlagos orientációja együtthatóvá válik."
Ez az érték pontosan mérhető atomerő-mikroszkóp segítségével a különböző hosszúságú DNS-molekulák közvetlen leképezéséhez. Vizes oldatban az átlagos állandó hosszúság 46-50 nm vagy 140-150 bázispár (DNS 2 nm), bár ez jelentősen változhat. Ez a DNS-t közepesen merev molekulává teszi.
Egy DNS-szakasz folytatásának időtartama nagymértékben függ a szekvenciától, és ez jelentősváltoztatások. Ez utóbbiak többnyire a halmozási energiának és a kisebb-nagyobb barázdákba terjedő töredékeknek köszönhetők.
Fizikai tulajdonságok és görbék
A DNS entrópikus rugalmassága figyelemreméltóan összhangban van a polimerfizika standard modelljeivel, például a láncféreg Kratky-Porod modelljével. A féregszerű modellel összhangban van az a megfigyelés, hogy a DNS hajlítását a Hooke-törvény is nagyon kicsi (szubpikoneontonikus) erők esetén írja le. Azonban a DNS rövidebb időtartamú és perzisztenciájú szegmensei esetében a hajlítási erő megközelítőleg állandó, és a viselkedés eltér az előrejelzésektől, ellentétben a már említett féregszerű modellekkel.
Ez a hatás szokatlanul megkönnyíti a kis DNS-molekulák körkörös kialakítását, és nagyobb valószínűséggel talál erősen ívelt DNS-régiókat.
A DNS molekuláknak gyakran van egy előnyben részesített hajlítási iránya, azaz anizotróp hajlítás. Ez ismét a DNS-szekvenciákat alkotó bázisok tulajdonságainak köszönhető, és ezek kapcsolják össze a DNS két szálát egy hélixbe. Egyes esetekben a sorozatok nem rendelkeznek a közmondásos fordulatokkal.
DNS kettős hélix szerkezet
A DNS-hajlítás előnyben részesített irányát az egyes bázisok egymásra halmozási stabilitása határozza meg. Ha az instabil bázishalmozási lépések mindig a DNS-hélix egyik oldalán vannak, akkor a DNS előnyösen elhajlik attól az iránytól. Két DNS-szál összekapcsolása hélixbeettől az iránytól függő molekulák hajtják végre. A hajlítási szög növekedésével sztérikus akadályok szerepét töltik be, megmutatva azt a képességet, hogy a maradványokat egymáshoz képest gördítsék, különösen a kis horonyban. Az A és T lerakódások előnyösen a hajlatokon belüli kis hornyokban keletkeznek. Ez a hatás különösen nyilvánvaló a DNS-fehérje kötődésben, amikor DNS merev hajlítást váltanak ki, például a nukleoszóma részecskékben.
A kivételes hajlítású DNS-molekulák hajlékonyakká válhatnak. Ezt először a tripanosomatid kinetoplaszt DNS-ében fedezték fel. Az ezt okozó tipikus szekvenciák közé tartozik a G-vel és C-vel elválasztott 4-6 T és A szakasz, amelyek A és T maradékokat tartalmaznak egy kisebb barázda fázisban a molekula ugyanazon oldalán.
A belső hajlított szerkezetet az alappárok egymáshoz viszonyított "csavarozása" idézi elő, ami lehetővé teszi szokatlan kétágú hidrogénkötések létrehozását az alapfokozatok között. Magasabb hőmérsékleten ez a szerkezet denaturálódik, és ezért a belső görbület elveszik.
Minden DNS, amely anizotróp módon hajlik, átlagosan hosszabb tolóerővel és nagyobb axiális merevséggel rendelkezik. Erre a megnövekedett merevségre azért van szükség, hogy megakadályozzuk a véletlen elhajlást, amely a molekula izotróp hatását okozná.
A DNS gyűrűzése a molekula axiális (hajlítási) és torziós (rotációs) merevségétől is függ. Ahhoz, hogy egy DNS-molekula sikeresen keringhessen, elég hosszúnak kell lennie ahhoz, hogy könnyen teljes körbe hajoljon, és megfelelő számú bázissal kell rendelkeznie.a végek megfelelő forgásban voltak, hogy biztosítsák a spirálok ragasztásának lehetőségét. A keringő DNS optimális hossza körülbelül 400 bázispár (136 nm). A páratlan számú fordulat jelenléte jelentős energiakorlátot jelent az áramkörökben, például egy 10,4 x 30=312 pár molekula több százszor gyorsabban kering, mint egy 10,4 x 30,5 ≈ 317 molekula.
Rugalmasság
A DNS hosszabb szakaszai nyújtáskor entrópikusan rugalmasak. Amikor a DNS oldatban van, folyamatos szerkezeti változásokon megy keresztül a termikus oldószerfürdőben rendelkezésre álló energia miatt. Ez a DNS-molekula termikus rezgésének köszönhető, amely a vízmolekulákkal való állandó ütközésekkel párosul. Entrópia okokból a kompaktabb relaxált állapotok termikusan jobban hozzáférhetők, mint a feszített állapotok, így a DNS-molekulák szinte mindenütt jelen vannak a bonyolult „lazított” molekulamodellekben. Emiatt egy DNS-molekula megnyúlik az erő hatására, és kiegyenesíti azt. Optikai csipeszek segítségével a DNS entrópia nyújtási viselkedését a polimerfizika szemszögéből tanulmányozták és elemezték, és azt találták, hogy a DNS alapvetően Kratky-Porod féregszerű láncmodellként viselkedik fiziológiailag elérhető energiaskálákon.
Elegendő feszültség és pozitív forgatónyomaték esetén a DNS fázisátalakuláson megy keresztül, a gerincek kifelé, a foszfátok pedigközépső. Ezt a túlfeszített DNS-re javasolt szerkezetet Linus Pauling után P-forma DNS-nek nevezték el, aki eredetileg egy lehetséges DNS-struktúraként képzelte el.
A DNS mechanikus megnyújtására vonatkozó bizonyítékok erőltetett nyomaték hiányában egy vagy több átmenetre utalnak, amelyek további struktúrákhoz vezetnek, amelyeket általában S-alakzatoknak neveznek. Ezeket a struktúrákat még nem határozták meg véglegesen, mivel nehézkes az atomrezonátor felbontású képalkotása oldatban erőkifejtéssel, bár számos számítógépes szimulációs vizsgálatot végeztek. A javasolt S-DNS-struktúrák közé tartoznak azok, amelyek megtartják a bázispár-redőt és a hidrogénkötést (GC-ben dúsítva).
Sigmoid modell
Az alappáros verem időszakos törését törésekkel olyan szabályos szerkezetként javasolták, amely megőrzi az alapverem szabályosságát és megfelelő mennyiségű tágulást szabadít fel, a "Σ-DNS" kifejezés bevezetésével emlékeztetőként, amelyben a "Sigma" szimbólum jobb oldali három pontja három fürtözött bázispárra emlékeztet. A Σ alakról kimutatták, hogy a GNC motívumokat preferálja, aminek a GNC_h-hipotézis szerint evolúciós jelentősége van.
A spirál olvasztása, felmelegítése és feltekerése
A DNS-hélix B formája 360°-ban elcsavarodik 10,4-10,5 bp-ig. torziós alakváltozás hiányában. De sok molekuláris biológiai folyamat torziós feszültséget indukálhat. A DNS egy szakasza felesleggel illAz undercoiling pozitív és negatív összefüggésben is szerepel. A DNS in vivo általában negatívan tekercselt (azaz ellentétes irányba csavarodó göndörségei vannak), ami megkönnyíti a kettős hélix feltekercselését (olvadását), ami nagyon szükséges az RNS-transzkripcióhoz.
A sejt belsejében a legtöbb DNS topológiailag korlátozott. A DNS általában zárt hurkokban található (például prokarióták plazmidjaiban), amelyek topológiailag zárt vagy nagyon hosszú molekulák, amelyek diffúziós együtthatói hatékonyan topológiailag zárt régiókat hoznak létre. A DNS lineáris szakaszait általában fehérjékkel vagy fizikai struktúrákkal (például membránokkal) is társítják, hogy zárt topológiai hurkokat képezzenek.
A T paraméterben egy zárt topológiai régióban bekövetkezett bármilyen változást ki kell egyensúlyozni a W paraméter változásával, és fordítva. Ez a DNS-molekulák magasabb hélix szerkezetét eredményezi. Egy közönséges DNS-molekula, amelynek gyökér 0, körkörös osztályozású lenne. Ha ennek a molekulának a csavarodását a szuperkonformáció utólag növeli vagy csökkenti, akkor a gyökerek ennek megfelelően módosulnak, aminek következtében a molekula plektnonémiás vagy toroidális szuperhélikus tekercselésen megy keresztül.
Ha a DNS kettős hélix egy szakaszának végei úgy kapcsolódnak egymáshoz, hogy kört alkotnak, a szálak topológiailag össze vannak kötve. Ez azt jelenti, hogy az egyes szálakat nem lehet elválasztani egyetlen olyan folyamattól sem, amely nem kapcsolódik száltöréshez.(pl. fűtés). A topológiailag kapcsolódó DNS-szálak feloldása a topoizomerázoknak nevezett enzimekre hárul.
