Termen "DNA-helix" har en komplex historia och natur. Med det menas som regel modellen introducerad av James Watson. DNA-dubbelhelixen hålls samman med nukleotider som bildar ett par. I B-DNA, den vanligaste spiralstrukturen som finns i naturen, är dubbelhelixen högerhänt med 10-10,5 baspar per varv. Den dubbla helixstrukturen hos DNA innehåller ett större spår och ett mindre spår. I B-DNA är huvudspåret bredare än det mindre spåret. Med tanke på skillnaden i bredd mellan de större och mindre skårorna, gör många proteiner som binder till B-DNA det genom den bredare större skåran.
Upptäcktshistorik
Den strukturella modellen av DNA-dubbelhelixen publicerades först i Nature av James Watson och Francis Crick 1953 (X, Y, Z-koordinater 1954) baserat på en kritisk röntgendiffraktionsbild av DNA märkt Foto 51, från Rosalind Franklins verk från 1952, följt av en tydligare bild av henne tagenRaymond Gosling, Maurice Wilkins, Alexander Stokes och Herbert Wilson. Den preliminära modellen var tresträngat DNA.
Insikten att den öppna strukturen är en dubbel helix förklarar mekanismen genom vilken två DNA-strängar förenas till en helix, genom vilken genetisk information lagras och kopieras i levande organismer. Denna upptäckt anses vara en av de viktigaste vetenskapliga insikterna under 1900-talet. Crick, Wilkins och Watson fick vardera en tredjedel av 1962 års Nobelpris i fysiologi eller medicin för sina bidrag till upptäckten. Franklin, vars banbrytande röntgendiffraktionsdata användes för att formulera DNA-helixen, dog 1958 och var därför inte kvalificerad för en nobelprisnominering.
Värde för hybridisering
Hybridisering är processen att koppla samman baspar som binder till en dubbelhelix. Smältning är den process genom vilken interaktioner mellan dubbla helixsträngar avbryts och separerar två rader av nukleinsyror. Dessa bindningar är svaga, lätt att separera av mild värme, enzymer eller mekanisk kraft. Smältning sker övervägande vid vissa punkter i nukleinsyran. Regioner av DNA-spiralen märkta T och A smälter lättare än regionerna C och G. Vissa basstadier (par) är också känsliga för DNA-smältning, såsom TA och TG. Dessa mekaniska egenskaper speglas av sekvenser som TATA i början av många gener för att hjälpa RNA-polymeras att smälta DNA:t för transkription.
Värme
Processseparationsträngar genom ytlig uppvärmning, som används i polymeraskedjereaktionen (PCR), är enkel, förutsatt att molekylerna är ungefär 10 000 baspar (10 kilobaspar eller 10 kbp). Sammanflätningen av DNA-strängar gör det svårt att separera långa segment. Cellen undviker detta problem genom att låta sina DNA-smältande enzymer (helikaser) arbeta samtidigt med topoisomeraser, som kemiskt kan klyva fosfatryggraden i en av strängarna så att den kan vända den andra. Helikaser lindar upp strängarna för att underlätta passagen av sekvensavläsande enzymer såsom DNA-polymeras. DNA-dubbelhelixen bildas av dessa strängars bindningar.
Spiralgeometri
Den geometriska komponenten i DNA-strukturen kan karakteriseras av 6 koordinater: skift, glida, höja, luta, vrida och vrida. Dessa värden bestämmer exakt platsen och orienteringen i rymden för varje par av DNA-strängar. I regioner av DNA eller RNA där den normala strukturen är störd kan en förändring av dessa värden användas för att beskriva en sådan störning.
Höjning och vändning bestäms av formen på spiralen. Andra koordinater, tvärtom, kan vara lika med noll.
Observera att "skev" ofta används på olika sätt i den vetenskapliga litteraturen, och hänvisar till avvikelsen för den första axeln av intersträngbasen från att vara vinkelrät mot spiralens axel. Detta motsvarar att glida mellan DNA-dubbelhelixens bassekvens, och i geometriska koordinater kallas det korrekt"tilt".
Geometriska skillnader i spiraler
Minst tre DNA-konformationer tros förekomma naturligt: A-DNA, B-DNA och Z-DNA. Form B, som beskrivs av James Watson och Francis Crick, tros vara dominerande i celler. Den är 23,7 Å bred och förlänger 34 Å med 10 bp. sekvenser. DNA-dubbelhelixen bildas av bindningarna av två linjer av ribonukleinsyra, som gör ett helt varv runt sin axel vart 10,4-10,5 baspar i lösning. Denna vridningsfrekvens (kallad spiraldelning) beror till stor del på staplingskrafterna som varje bas utövar på sina grannar i kedjan. Den absoluta konfigurationen av baserna bestämmer riktningen för den spiralformade kurvan för en given konformation.
Skillnader och funktioner
A-DNA och Z-DNA skiljer sig signifikant i sin geometri och storlek jämfört med B-DNA, även om de fortfarande bildar spiralformade strukturer. Man har länge trott att A-formen endast förekommer i uttorkade DNA-prover i laboratoriet som används i kristallografiska experiment och i hybrid DNA-RNA-strängpar, men DNA-dehydrering sker in vivo, och A-DNA har nu biologiska funktioner kända för oss. DNA-segment vars celler har metylerats för regulatoriska ändamål kan anta en Z-geometri där strängarna roterar runt spiralaxeln på motsatt sätt till A-DNA och B-DNA. Det finns också bevis för protein-DNA-komplex som bildar Z-DNA-strukturer. Längden på DNA-spiralen förändras inte på något sätt beroende påtyp.
Problem med namn
Faktum är att endast bokstäverna F, Q, U, V och Y nu är tillgängliga för att namnge de olika typerna av DNA som kan komma att upptäckas i framtiden. De flesta av dessa former har dock skapats syntetiskt och har inte observerats i naturliga biologiska system. Det finns också tresträngade (3 DNA-strängar) och kvadrupolformer, såsom G-quadruplex.
Anslutning av trådar
DNA-dubbelhelix bildas av bindningarna av spiralformade strängar. Eftersom gängorna inte är direkt mittemot varandra är spåren mellan dem av ojämn storlek. Det ena spåret, det huvudsakliga, har en bredd på 22 Å, och det andra, ett litet, når en längd av 12 Å. Det sekundära spårets smalhet gör att kanterna på baserna är mer åtkomliga i huvudspåret. Som ett resultat kommer proteiner såsom transkriptionsfaktorer som kan binda till specifika sekvenser i DNA-dubbelhelixen typiskt sett i kontakt med sidorna av baserna som är öppna i huvudspåret. Denna situation förändras i ovanliga DNA-konformationer i cellen, men de större och mindre spåren är alltid namngivna för att återspegla skillnaderna i storlek som skulle ses om DNA:t vrids tillbaka till sin normala B-form.
Skapa en modell
I slutet av 1970-talet övervägdes alternativa icke-spiralformade modeller kort som en potentiell lösning på problemen med DNA-replikation i plasmider och kromatin. Men de övergavs till förmån för dubbelspolmodellen av DNA på grund av efterföljande experimentella framsteg som röntgenkristallografi av DNA-duplex. Dessutom accepteras inte modeller med dubbla helix för närvarande av den vanliga forskarvärlden.
Enkelsträngade nukleinsyror (ssDNA) har inte en spiralform och beskrivs av modeller som slumpmässig spole eller maskliknande kedja.
DNA är en relativt stel polymer, vanligtvis modellerad som en maskliknande kedja. Modellstyvhet är viktig för DNA-cirkularisering och orienteringen av dess associerade proteiner i förhållande till varandra, medan hysteretisk axiell styvhet är viktig för DNA-inpackning och proteincirkulation och interaktion. Kompressionsförlängning är relativt oviktigt i frånvaro av högspänning.
Kemi och genetik
DNA i lösning antar inte en stel struktur, utan ändrar ständigt konformation på grund av termisk vibration och kollision med vattenmolekyler, vilket gör det omöjligt att tillämpa klassiska styvhetsmått. Därför mäts DNA:s böjstyvhet genom persistenslängden, definierad som "längden av DNA över vilken den tidsgenomsnittliga orienteringen av polymeren blir okorrelerad."
Detta värde kan mätas exakt med hjälp av ett atomkraftmikroskop för att direkt avbilda DNA-molekyler av olika längder. I vattenlösning är den genomsnittliga konstanta längden 46-50 nm eller 140-150 baspar (DNA 2 nm), även om detta kan variera avsevärt. Detta gör DNA till en måttligt stel molekyl.
Varaktigheten av fortsättningen av ett DNA-segment är starkt beroende av dess sekvens, och detta kan leda till betydandeändringar. De senare beror mestadels på stapling av energi och fragment som fortplantar sig i mindre och större spår.
Fysiska egenskaper och kurvor
DNA:s entropiska flexibilitet överensstämmer anmärkningsvärt med standardmodeller för polymerfysik, såsom Kratky-Porod-modellen av kedjemasken. I överensstämmelse med den maskliknande modellen är observationen att böjande DNA också beskrivs av Hookes lag vid mycket små (subpiconeontoniska) krafter. Men för segment av DNA som är mindre i varaktighet och persistens är böjkraften ungefär konstant och beteendet avviker från förutsägelser, i motsats till de redan nämnda maskliknande modellerna.
Denna effekt resulterar i en ovanlig lätthet att cirkulera små DNA-molekyler och en högre sannolikhet att hitta mycket krökta DNA-regioner.
DNA-molekyler har ofta en föredragen riktning för böjning, dvs anisotrop böjning. Detta beror återigen på egenskaperna hos de baser som utgör DNA-sekvenserna, och det är de som förbinder de två DNA-strängarna till en helix. I vissa fall har sekvenser inte de ökända vändningarna.
DNA dubbel helixstruktur
Den föredragna riktningen för DNA-böjning bestäms av staplingsstabiliteten för varje bas ovanpå nästa. Om instabila basstaplingssteg alltid är på ena sidan av DNA-helixen, kommer DNA:t att vikas bort från den riktningen. Förbinder två DNA-strängar till en helixutförs av molekyler som är beroende av denna riktning. När böjningsvinkeln ökar spelar de rollen som steriska hinder, vilket visar förmågan att rulla resterna i förhållande till varandra, speciellt i det lilla spåret. Avsättningarna A och T kommer företrädesvis att ske i små spår i krökarna. Denna effekt är särskilt tydlig vid DNA-proteinbindning när DNA-styv böjning induceras, till exempel i nukleosompartiklar.
DNA-molekyler med exceptionell böjning kan bli böjiga. Detta upptäcktes först i DNA från trypanosomatid kinetoplast. Typiska sekvenser som orsakar detta inkluderar 4-6 T- och A-sträckor separerade av G och C, som innehåller A- och T-rester i en mindre spårfas på samma sida av molekylen.
Den inre böjda strukturen induceras av "skruvvridningen" av basparen i förhållande till varandra, vilket möjliggör skapandet av ovanliga förgrenade vätebindningar mellan basstegen. Vid högre temperaturer denatureras denna struktur och därför går den inneboende krökningen förlorad.
Allt DNA som böjs anisotropiskt har i genomsnitt en längre dragkraft och större axiell styvhet. Denna ökade styvhet är nödvändig för att förhindra oavsiktlig böjning som skulle få molekylen att agera isotropiskt.
DNA-ringning beror på både axiell (böj-)styvhet och vridstyvhet (rotations-) hos molekylen. För att en DNA-molekyl ska kunna cirkulera framgångsrikt måste den vara tillräckligt lång för att lätt böjas in i en hel cirkel och ha rätt antal baser för attändarna var i rätt rotation för att säkerställa möjligheten att limma spiralerna. Den optimala längden för cirkulerande DNA är cirka 400 baspar (136 nm). Närvaron av ett udda antal varv är en betydande energibarriär för kretsar, till exempel kommer en 10,4 x 30=312 par molekyl att cirkulera hundratals gånger snabbare än en 10,4 x 30,5 ≈ 317 molekyl.
Elasticity
Längre DNA-sträckor är entropiskt elastiska när de sträcks ut. När DNA är i lösning genomgår det kontinuerliga strukturella förändringar på grund av den energi som finns tillgänglig i det termiska lösningsmedelsbadet. Detta beror på DNA-molekylens termiska vibrationer, i kombination med konstanta kollisioner med vattenmolekyler. Av entropiskäl är mer kompakta avslappnade tillstånd termiskt mer tillgängliga än sträckta tillstånd, och så DNA-molekyler är nästan allestädes närvarande i invecklade "avslappnade" molekylära modeller. Av denna anledning kommer en DNA-molekyl att sträcka sig under kraften och räta ut den. Med en optisk pincett har DNA:s entropisträckningsbeteende studerats och analyserats ur polymerfysikens perspektiv, och det har visat sig att DNA i grunden beter sig som en Kratky-Porod maskliknande kedjemodell på fysiologiskt tillgängliga energiskalor.
Med tillräcklig spänning och positivt vridmoment tros DNA:t genomgå en fasövergång, med ryggraden som rör sig utåt och fosfaterna flyttas in imitten. Denna föreslagna struktur för översträckt DNA fick namnet P-form DNA efter Linus Pauling, som ursprungligen föreställde sig det som en möjlig DNA-struktur.
Bevis för mekanisk sträckning av DNA i frånvaro av pålagt vridmoment pekar på en övergång eller övergångar som leder till ytterligare strukturer som vanligtvis kallas S-former. Dessa strukturer har ännu inte definitivt karakteriserats på grund av svårigheten att utföra upplösningsavbildning av en atomresonator i lösning med kraft applicerad, även om många datorsimuleringsstudier har gjorts. Föreslagna S-DNA-strukturer inkluderar de som bibehåller basparvecket och vätebindningen (berikad i GC).
Sigmoid-modell
Periodisk fraktur av basparstacken med ett brott har föreslagits som en vanlig struktur som bibehåller regelbundenhet hos basstacken och frigör en lämplig mängd expansion, med termen "Σ-DNA" som introduceras som ett minnesmärke där de tre högra prickarna på "Sigma"-symbolen tjänar en påminnelse om tre hopade baspar. Formen Σ har visat sig ha en sekvenspreferens för GNC-motiv, vilket GNC_h-hypotesen tror har evolutionär betydelse.
Smälta, värma och avveckla spiralen
Form B av DNA-spiralen vrider sig 360° i 10,4-10,5 bp. i frånvaro av vridningsdeformation. Men många molekylärbiologiska processer kan inducera vridstress. Ett DNA-segment med ett överskott av ellerundercoiling nämns i både positiva respektive negativa sammanhang. DNA in vivo är vanligtvis negativt lindat (d.v.s. har lockar som är vridna i motsatt riktning), vilket underlättar avvecklingen (smältningen) av dubbelspiralen, som är mycket nödvändig för RNA-transkription.
Inuti cellen är det mesta DNA topologiskt begränsat. DNA finns vanligtvis i slutna slingor (såsom plasmider i prokaryoter) som är topologiskt slutna eller mycket långa molekyler vars diffusionskoefficienter effektivt producerar topologiskt slutna regioner. Linjära DNA-sträckor är också ofta associerade med proteiner eller fysiska strukturer (som membran) för att bilda slutna topologiska slingor.
Alla förändringar i T-parametern i en sluten topologisk region måste balanseras av en förändring i W-parametern och vice versa. Detta resulterar i en högre helixstruktur av DNA-molekyler. En vanlig DNA-molekyl med rot 0 skulle vara cirkulär i sin klassificering. Om vridningen av denna molekyl därefter ökas eller minskas genom superkonformering, kommer rötterna att förändras i enlighet därmed, vilket gör att molekylen genomgår plektnemisk eller toroidal superhelisk lindning.
När ändarna av en sektion av DNA-dubbelhelixen är sammankopplade så att den bildar en cirkel, binds strängarna topologiskt. Detta innebär att enskilda trådar inte kan separeras från någon process som inte är associerad med ett trådbrott.(t.ex. uppvärmning). Uppgiften att lossa de topologiskt kopplade DNA-strängarna faller på enzymer som kallas topoisomeraser.
