Udtrykket "DNA helix" har en kompleks historie og natur. Med det menes som regel modellen introduceret af James Watson. DNA-dobbelthelixen holdes sammen med nukleotider, der danner et par. I B-DNA, den mest almindelige spiralformede struktur, der findes i naturen, er den dobbelte helix højrehåndet med 10-10,5 basepar pr. Den dobbelte helixstruktur af DNA indeholder en større rille og en mindre rille. I B-DNA er den store rille bredere end den lille rille. På grund af forskellen i bredde mellem de større og mindre riller, gør mange proteiner, der binder til B-DNA, det gennem den bredere større rille.
Opdagelseshistorik
Den strukturelle model af DNA-dobbelthelixen blev først offentliggjort i Nature af James Watson og Francis Crick i 1953 (X, Y, Z-koordinater i 1954) baseret på et kritisk røntgendiffraktionsbillede af DNA mærket Foto 51, fra Rosalind Franklins værk fra 1952, efterfulgt af et klarere billede af hende tagetRaymond Gosling, Maurice Wilkins, Alexander Stokes og Herbert Wilson. Den foreløbige model var trestrenget DNA.
Erkendelsen af, at den åbne struktur er en dobbelt helix, forklarer mekanismen, hvorved to DNA-strenge forbindes til en helix, hvorved genetisk information lagres og kopieres i levende organismer. Denne opdagelse betragtes som en af de vigtigste videnskabelige indsigter i det tyvende århundrede. Crick, Wilkins og Watson modtog hver en tredjedel af 1962 Nobelprisen i fysiologi eller medicin for deres bidrag til opdagelsen. Franklin, hvis banebrydende røntgendiffraktionsdata blev brugt til at formulere DNA-helixen, døde i 1958 og var derfor ikke berettiget til en nobelprisnominering.
Værdi for hybridisering
Hybridisering er processen med at forbinde basepar, der binder til en dobbelt helix. Smeltning er den proces, hvorved interaktioner mellem dobbelthelixstrenge afbrydes og adskiller to linjer af nukleinsyrer. Disse bindinger er svage, let adskilles af mild varme, enzymer eller mekanisk kraft. Smeltning sker overvejende på visse punkter i nukleinsyren. Regioner af DNA-helixen mærket T og A smeltes lettere end regionerne C og G. Nogle basestadier (par) er også modtagelige for DNA-smeltning, såsom TA og TG. Disse mekaniske egenskaber spejles af sekvenser såsom TATA i begyndelsen af mange gener for at hjælpe RNA-polymerase med at smelte DNA'et til transkription.
Opvarmning
Procesadskillelsestrenge ved overfladisk opvarmning, som anvendt i polymerasekædereaktionen (PCR), er enkel, forudsat at molekylerne er ca. 10.000 basepar (10 kilobasepar eller 10 kbp). Sammenfletningen af DNA-strenge gør det vanskeligt at adskille lange segmenter. Cellen undgår dette problem ved at lade sine DNA-smeltende enzymer (helikaser) arbejde samtidigt med topoisomeraser, som kemisk kan sp alte fosfatrygraden i den ene af strengene, så den kan vende om den anden. Helicaser afvikler strengene for at lette passagen af sekvenslæsende enzymer såsom DNA-polymerase. DNA-dobbelthelixen dannes af bindingerne af disse strenge.
Spiralgeometri
Den geometriske komponent af DNA-strukturen kan karakteriseres ved 6 koordinater: skift, glid, stigning, vip, drej og drej. Disse værdier bestemmer nøjagtigt placeringen og orienteringen i rummet af hvert par DNA-strenge. I områder af DNA eller RNA, hvor den normale struktur er forstyrret, kan en ændring i disse værdier bruges til at beskrive en sådan forstyrrelse.
Hign og drejning bestemmes af formen på spiralen. Andre koordinater kan tværtimod være lig med nul.
Bemærk, at "skæv" ofte bruges på forskellige måder i den videnskabelige litteratur, og refererer til afvigelsen af den første akse af interstreng-basen fra at være vinkelret på helixens akse. Dette svarer til at glide mellem basesekvensen af DNA-dobbelthelixen, og i geometriske koordinater kaldes korrekt"tilt".
Geometriske forskelle i spiraler
Mindst tre DNA-konformationer menes at forekomme naturligt: A-DNA, B-DNA og Z-DNA. Form B, som beskrevet af James Watson og Francis Crick, menes at være fremherskende i celler. Den er 23,7 Å bred og forlænger 34 Å med 10 bp. sekvenser. DNA-dobbelthelixen er dannet af bindingerne af to linier af ribonukleinsyre, som laver en hel omdrejning omkring sin akse for hver 10,4-10,5 basepar i opløsning. Denne snoningsfrekvens (kaldet den spiralformede pitch) afhænger i høj grad af de stablekræfter, som hver base udøver på sine naboer i kæden. Den absolutte konfiguration af baserne bestemmer retningen af den spiralformede kurve for en given konformation.
Forskelle og funktioner
A-DNA og Z-DNA er væsentligt forskellige i deres geometri og størrelse sammenlignet med B-DNA, selvom de stadig danner spiralformede strukturer. Det har længe været antaget, at A-formen kun forekommer i dehydrerede DNA-prøver i laboratoriet, der bruges i krystallografiske eksperimenter og i hybrid DNA-RNA-strengparring, men DNA-dehydrering forekommer in vivo, og A-DNA har nu biologiske funktioner, vi kender til.. DNA-segmenter, hvis celler er blevet methyleret til regulatoriske formål, kan antage en Z-geometri, hvor strengene roterer om den skruelinjeformede akse på den modsatte måde af A-DNA og B-DNA. Der er også tegn på protein-DNA-komplekser, der danner Z-DNA-strukturer. Længden af DNA-spiralen ændres ikke på nogen måde afhængigt aftype.
Problemer med navne
Faktisk er det kun bogstaverne F, Q, U, V og Y, der nu er tilgængelige for at navngive de forskellige typer DNA, der kan blive opdaget i fremtiden. De fleste af disse former blev imidlertid skabt syntetisk og har ikke blevet observeret i naturlige biologiske systemer. Der er også trestrengede (3 strenge DNA) og kvadrupolformer, såsom G-quadruplex.
Forbindelse af tråde
DNA-dobbelt helix dannes af bindinger af spiralformede tråde. Da gevindene ikke er direkte modsat hinanden, er rillerne mellem dem af ujævn størrelse. Den ene rille, den vigtigste, har en bredde på 22 Å, og den anden, en lille, når en længde på 12 Å. Smalheden af den sekundære rille betyder, at kanterne på baserne er mere tilgængelige i hovedrillen. Som et resultat kommer proteiner såsom transkriptionsfaktorer, der kan binde til specifikke sekvenser i DNA-dobbelthelixen, typisk i kontakt med siderne af baserne, der er åbne i hovedrillen. Denne situation ændrer sig i usædvanlige DNA-konformationer i cellen, men de større og mindre riller er altid navngivet for at afspejle de forskelle i størrelse, der ville blive set, hvis DNA'et blev snoet tilbage til sin normale B-form.
Oprettelse af en model
I slutningen af 1970'erne blev alternative ikke-spiralformede modeller kort betragtet som en potentiel løsning på problemerne med DNA-replikation i plasmider og kromatin. Imidlertid blev de forladt til fordel for den dobbelte spolemodel af DNA på grund af efterfølgende eksperimentelle fremskridt såsom røntgenkrystallografi af DNA-duplekser. Desuden er ikke-dobbelt helix-modeller i øjeblikket ikke accepteret af det almindelige videnskabelige samfund.
Enkeltstrengede nukleinsyrer (ssDNA) antager ikke en spiralform og er beskrevet af modeller som f.eks. tilfældig spole eller ormlignende kæde.
DNA er en relativt stiv polymer, typisk modelleret som en ormelignende kæde. Modelstivhed er vigtig for DNA-cirkularisering og orienteringen af dets associerede proteiner i forhold til hinanden, mens hysteretisk aksial stivhed er vigtig for DNA-indpakning og proteincirkulation og interaktion. Kompressionsforlængelse er relativt ligegyldig i fravær af højspænding.
Kemi og genetik
DNA i opløsning antager ikke en stiv struktur, men ændrer konstant konformation på grund af termisk vibration og kollision med vandmolekyler, hvilket gør det umuligt at anvende klassiske stivhedsmål. Derfor er bøjningsstivheden af DNA målt ved persistenslængden, defineret som "længden af DNA, over hvilken den tidsgennemsnitlige orientering af polymeren bliver koefficientukorreleret."
Denne værdi kan måles nøjagtigt ved hjælp af et atomkraftmikroskop til direkte at afbilde DNA-molekyler af forskellig længde. I vandig opløsning er den gennemsnitlige konstante længde 46-50 nm eller 140-150 basepar (DNA 2 nm), selvom dette kan variere betydeligt. Dette gør DNA til et moderat stift molekyle.
Varigheden af fortsættelsen af et DNA-segment er meget afhængig af dets sekvens, og dette kan føre til signifikantændringer. Sidstnævnte skyldes for det meste stabling af energi og fragmenter, der forplanter sig til mindre og større riller.
Fysiske egenskaber og kurver
DNA's entropiske fleksibilitet er bemærkelsesværdigt i overensstemmelse med standardmodeller for polymerfysik, såsom Kratky-Porod-modellen af kædeormen. I overensstemmelse med den ormlignende model er observationen, at bøjning af DNA også er beskrevet af Hookes lov ved meget små (subpiconeontoniske) kræfter. Men for segmenter af DNA, der er mindre i varighed og persistens, er bøjningskraften tilnærmelsesvis konstant, og adfærden afviger fra forudsigelser, i modsætning til de allerede nævnte ormelignende modeller.
Denne effekt resulterer i en usædvanlig lethed ved cirkularisering af små DNA-molekyler og en højere sandsynlighed for at finde stærkt buede DNA-områder.
DNA-molekyler har ofte en foretrukken retning for bøjning, dvs. anisotrop bøjning. Dette skyldes igen egenskaberne af de baser, der udgør DNA-sekvenserne, og det er dem, der forbinder de to DNA-strenge til en helix. I nogle tilfælde har sekvenser ikke de ordsprogede drejninger.
DNA dobbelt helixstruktur
Den foretrukne retning for DNA-bøjning bestemmes af stablingsstabiliteten af hver base oven på den næste. Hvis ustabile basestablingstrin altid er på den ene side af DNA-helixen, vil DNA'et fortrinsvis folde væk fra den retning. Forbinder to DNA-strenge til en helixudføres af molekyler, der afhænger af denne retning. Efterhånden som bøjningsvinklen øges, spiller de rollen som steriske hindringer, der viser evnen til at rulle resterne i forhold til hinanden, især i den lille rille. Aflejringer A og T vil fortrinsvis forekomme i små riller i bøjningerne. Denne effekt er især tydelig ved DNA-proteinbinding, når DNA-stiv bøjning induceres, for eksempel i nukleosompartikler.
DNA-molekyler med enestående bøjning kan blive bøjede. Dette blev først opdaget i DNA fra trypanosomatid kinetoplast. Typiske sekvenser, der forårsager dette, omfatter 4-6 T- og A-strækninger adskilt af G og C, som indeholder A- og T-rester i en mindre rillefase på samme side af molekylet.
Den indre bøjede struktur induceres af "skruedrejningen" af baseparrene i forhold til hinanden, hvilket tillader dannelsen af usædvanlige todelte hydrogenbindinger mellem basisstadierne. Ved højere temperaturer denatureres denne struktur, og derfor går den iboende krumning tabt.
Alt DNA, der bøjes anisotropisk, har i gennemsnit et længere tryk og større aksial stivhed. Denne øgede stivhed er nødvendig for at forhindre utilsigtet bøjning, der ville få molekylet til at virke isotropisk.
DNA-ringning afhænger af både aksial (bøje)stivhed og vridningsstivhed (rotations-) af molekylet. For at et DNA-molekyle kan cirkulere med succes, skal det være langt nok til let at bøje sig ind i en hel cirkel og have det korrekte antal baser tilenderne var i den rigtige rotation for at sikre muligheden for at lime spiralerne. Den optimale længde for cirkulerende DNA er omkring 400 basepar (136 nm). Tilstedeværelsen af et ulige antal vindinger er en væsentlig energibarriere for kredsløb, for eksempel vil et 10,4 x 30=312 par molekyle cirkulere hundredvis af gange hurtigere end et 10,4 x 30,5 ≈ 317 molekyle.
Elasticity
Længere DNA-strækninger er entropisk elastiske, når de strækkes. Når DNA er i opløsning, gennemgår det kontinuerlige strukturelle ændringer på grund af den tilgængelige energi i det termiske opløsningsmiddelbad. Dette skyldes DNA-molekylets termiske vibrationer, kombineret med konstante kollisioner med vandmolekyler. Af entropiårsager er mere kompakte afslappede tilstande termisk mere tilgængelige end strakte tilstande, og så DNA-molekyler er næsten allestedsnærværende i indviklede "afslappede" molekylære modeller. Af denne grund vil et DNA-molekyle strække sig under kraften og rette det ud. Ved hjælp af en optisk pincet er entropi-strækningsadfærden af DNA blevet undersøgt og analyseret ud fra polymerfysikkens perspektiv, og det har vist sig, at DNA grundlæggende opfører sig som en Kratky-Porod ormelignende kædemodel på fysiologisk tilgængelige energiskalaer.
Med tilstrækkelig spænding og positivt drejningsmoment menes DNA'et at gennemgå en faseovergang, hvor rygraden bevæger sig udad, og fosfaterne bevæger sig ind imidten. Denne foreslåede struktur for overstrakt DNA blev opkaldt P-form DNA efter Linus Pauling, som oprindeligt forestillede sig det som en mulig DNA-struktur.
Bevis for mekanisk strækning af DNA i fravær af pålagt drejningsmoment peger på en overgang eller overgange, der fører til yderligere strukturer, der almindeligvis omtales som S-former. Disse strukturer er endnu ikke endeligt karakteriseret på grund af vanskeligheden ved at udføre opløsningsbilleddannelse af en atomresonator i opløsning med påført kraft, selvom der er lavet mange computersimuleringsundersøgelser. Foreslåede S-DNA-strukturer inkluderer dem, der bevarer baseparfolden og hydrogenbindingen (beriget med GC).
Sigmoid-model
Periodisk fraktur af basepar-stakken med et brud er blevet foreslået som en regulær struktur, der bevarer regelmæssigheden af base-stakken og frigiver en passende mængde ekspansion, hvor udtrykket "Σ-DNA" introduceres som en mnemonik, hvor de tre prikker til højre på "Sigma"-symbolet tjener en påmindelse om tre klyngede basepar. Formen Σ har vist sig at have en sekvenspræference for GNC-motiver, som GNC_h-hypotesen mener har evolutionær betydning.
Smelting, opvarmning og afvikling af spiralen
DNA-helixens form B drejer 360° i 10,4-10,5 bp. i fravær af torsionsdeformation. Men mange molekylærbiologiske processer kan fremkalde vridningsstress. Et segment af DNA med et overskud ellerundercoiling nævnes i henholdsvis positiv og negativ sammenhæng. DNA in vivo er sædvanligvis negativt oprullet (dvs. har krøller, der er snoet i den modsatte retning), hvilket letter afviklingen (smeltningen) af den dobbelte helix, som er hårdt nødvendig til RNA-transskription.
Inde i cellen er det meste DNA topologisk begrænset. DNA findes norm alt i lukkede sløjfer (såsom plasmider i prokaryoter), som er topologisk lukkede eller meget lange molekyler, hvis diffusionskoefficienter effektivt producerer topologisk lukkede områder. Lineære strækninger af DNA er også almindeligvis forbundet med proteiner eller fysiske strukturer (såsom membraner) for at danne lukkede topologiske sløjfer.
Enhver ændring i T-parameteren i et lukket topologisk område skal balanceres af en ændring i W-parameteren og omvendt. Dette resulterer i en højere helixstruktur af DNA-molekyler. Et almindeligt DNA-molekyle med rod 0 ville være cirkulært i sin klassificering. Hvis vridningen af dette molekyle efterfølgende øges eller formindskes ved superkonformering, vil rødderne blive ændret i overensstemmelse hermed, hvilket får molekylet til at gennemgå plektnemisk eller toroidal superhelisk vikling.
Når enderne af en sektion af DNA-dobbelthelixen er forbundet, så den danner en cirkel, er strengene topologisk bundet. Det betyder, at individuelle tråde ikke kan adskilles fra enhver proces, der ikke er forbundet med et trådbrud.(fx opvarmning). Opgaven med at afbinde de topologisk forbundne DNA-strenge tilfalder enzymer kaldet topoisomeraser.
