Izraz "vijačnica DNK" ima zapleteno zgodovino in naravo. Praviloma je mišljen model, ki ga je predstavil James Watson. Dvojna vijačnica DNK se drži skupaj z nukleotidi, ki tvorijo par. V B-DNK, najpogostejši spiralni strukturi, ki jo najdemo v naravi, je dvojna vijačnica desna z 10-10,5 baznih parov na zavoj. Struktura dvojne vijačnice DNK vsebuje glavni in manjši utor. Pri B-DNK je glavni utor širši od manjšega. Glede na razliko v širini med glavnimi in manjšimi žlebovi se številni proteini, ki se vežejo na B-DNK, naredijo skozi širši glavni žleb.
zgodovina odkritij
Strukturni model dvojne vijačnice DNK sta prvič objavila James Watson in Francis Crick v Nature leta 1953 (X, Y, Z koordinate leta 1954) na podlagi kritične rentgenske difrakcijske slike DNK z oznako Fotografija 51, iz dela Rosalind Franklin iz leta 1952, ki ji sledi jasnejša slika njenega posnetkaRaymond Gosling, Maurice Wilkins, Alexander Stokes in Herbert Wilson. Preliminarni model je bila triverižna DNK.
Spoznanje, da je odprta struktura dvojna vijačnica, pojasnjuje mehanizem, s katerim se dve verigi DNK združita v vijačnico, s katero se genetske informacije shranjujejo in kopirajo v živih organizmih. To odkritje velja za enega najpomembnejših znanstvenih spoznanj dvajsetega stoletja. Crick, Wilkins in Watson so za svoj prispevek k odkritju prejeli po eno tretjino Nobelove nagrade za fiziologijo ali medicino iz leta 1962. Franklin, katerega prebojni podatki rentgenske difrakcije so bili uporabljeni za oblikovanje vijačnice DNK, je umrl leta 1958 in zato ni bil upravičen do nominacije za Nobelovo nagrado.
Vrednost za hibridizacijo
Hibridizacija je proces povezovanja baznih parov, ki se vežejo v dvojno vijačnico. Taljenje je proces, pri katerem se prekinejo interakcije med verigami dvojne vijačnice, ki ločuje dve vrsti nukleinskih kislin. Te vezi so šibke, zlahka se ločijo z blago toploto, encimi ali mehansko silo. Taljenje poteka pretežno na določenih točkah nukleinske kisline. Regije vijačnice DNK, označene s T in A, se lažje stopijo kot regije C in G. Nekatere bazne stopnje (pari) so prav tako dovzetne za taljenje DNK, kot sta TA in TG. Te mehanske lastnosti se odražajo v sekvencah, kot je TATA na začetku številnih genov, ki pomagajo RNA polimerazi stopiti DNK za transkripcijo.
Ogrevanje
Ločitev postopkapramenov s plitkim segrevanjem, kot se uporablja v verižni reakciji s polimerazo (PCR), je preprosto, pod pogojem, da so molekule približno 10.000 baznih parov (10 kilobaznih parov ali 10 kbp). Prepletanje verig DNK otežuje ločevanje dolgih segmentov. Celica se tej težavi izogne tako, da svojim encimom za taljenje DNK (helikaze) omogoči, da delujejo sočasno s topoizomerazami, ki lahko kemično cepijo fosfatno hrbtenico ene od verig, tako da se lahko obrne okoli druge. Helikaze odvijejo verige, da olajšajo prehod encimov, ki berejo zaporedje, kot je DNA polimeraza. Dvojna vijačnica DNK je sestavljena iz vezi teh verig.
Spiralna geometrija
Geometrijsko komponento strukture DNK lahko označimo s 6 koordinatami: premik, drsenje, dvig, nagib, zasuk in obračanje. Te vrednosti natančno določajo lokacijo in orientacijo v prostoru vsakega para verig DNK. V regijah DNK ali RNA, kjer je normalna struktura motena, se lahko za opis takšne motnje uporabi sprememba teh vrednosti.
Vzpon in zavoj sta določena z obliko spirale. Druge koordinate, nasprotno, so lahko enake nič.
Upoštevajte, da se "poševnost" pogosto uporablja na različne načine v znanstveni literaturi, pri čemer se nanaša na odstopanje prve osi medpražne osnove od pravokotne na os vijačnice. To ustreza drsenju med osnovnim zaporedjem dvojne vijačnice DNK in se v geometrijskih koordinatah pravilno imenuje"nagib".
Geometrijske razlike v spiralah
Vsaj tri konformacije DNK naj bi se pojavljale naravno: A-DNK, B-DNK in Z-DNK. Menijo, da oblika B, kot sta jo opisala James Watson in Francis Crick, prevladuje v celicah. Širok je 23,7 Å in se podaljša za 34 Å za 10 bp. zaporedja. Dvojna vijačnica DNK je tvorjena z vezmi dveh linij ribonukleinske kisline, ki naredita en popoln obrat okoli svoje osi na vsakih 10,4-10,5 baznih parov v raztopini. Ta frekvenca zasuka (imenovana spiralni korak) je v veliki meri odvisna od sil zlaganja, ki jih vsaka baza izvaja na svoje sosede v verigi. Absolutna konfiguracija baz določa smer vijačne krivulje za dano konformacijo.
Razlike in funkcije
A-DNK in Z-DNK se v primerjavi z B-DNK bistveno razlikujeta po svoji geometriji in velikosti, čeprav še vedno tvorita spiralne strukture. Dolgo je veljalo, da se oblika A pojavlja le v dehidriranih vzorcih DNK v laboratoriju, ki se uporablja pri kristalografskih poskusih, in pri hibridnih parih verig DNA-RNA, vendar se dehidracija DNK pojavi in vivo, in A-DNK ima zdaj biološke funkcije, ki so nam znane.. Segmenti DNK, katerih celice so bile metilirane za regulativne namene, lahko sprejmejo geometrijo Z, v kateri se verige vrtijo okoli vijačne osi na nasproten način kot A-DNK in B-DNK. Obstajajo tudi dokazi o kompleksih protein-DNA, ki tvorijo strukture Z-DNA. Dolžina vijačnice DNK se na noben način ne spremeni glede natip.
Težave z imeni
Pravzaprav so zdaj na voljo samo črke F, Q, U, V in Y za poimenovanje različnih vrst DNK, ki bi jih lahko odkrili v prihodnosti. Vendar je bila večina teh oblik ustvarjena sintetično in imajo niso opazili v naravnih bioloških sistemih. Obstajajo tudi triverižne (3 verige DNK) in kvadrupolne oblike, kot je G-kvadrupleks.
Povezava niti
DNA dvojno vijačnico tvorijo vezi spiralnih pramenov. Ker niti niso neposredno nasproti drugemu, so utori med njimi neenakomerni. En utor, glavni, ima širino 22 Å, drugi, majhen, pa doseže dolžino 12 Å. Ozkost sekundarnega utora pomeni, da so robovi podstavkov bolj dostopni v glavnem utoru. Posledično proteini, kot so transkripcijski faktorji, ki se lahko vežejo na specifične sekvence v dvojni vijačnici DNK, običajno vzpostavijo stik s stranicami baz, ki so odprte v glavnem utoru. Ta situacija se spremeni v nenavadnih konformacijah DNK znotraj celice, vendar so glavni in manjši žlebovi vedno poimenovani tako, da odražajo razlike v velikosti, ki bi bile vidne, če bi DNK zasukali nazaj v normalno obliko B.
Ustvarjanje modela
V poznih sedemdesetih letih prejšnjega stoletja so alternativne nevijačne modele na kratko obravnavali kot potencialno rešitev problemov replikacije DNK v plazmidih in kromatinu. Vendar so bili opuščeni v korist modela dvojne tuljave DNK zaradi kasnejših eksperimentalnih napredkov, kot je rentgenkristalografija dupleksov DNK. Poleg tega glavna znanstvena skupnost trenutno ne sprejema modelov brez dvojne vijačnice.
Enoverižne nukleinske kisline (ssDNA) nimajo vijačne oblike in jih opisujejo modeli, kot je naključna tuljava ali črvasta veriga.
DNK je razmeroma tog polimer, običajno modeliran kot veriga, podobna črvu. Togost modela je pomembna za kroženje DNK in orientacijo povezanih beljakovin drug proti drugemu, medtem ko je histeretična aksialna togost pomembna za ovijanje DNK ter cirkulacijo in interakcijo beljakovin. Kompresijski raztezek je relativno nepomemben v odsotnosti visoke napetosti.
kemija in genetika
DNK v raztopini ne prevzame toge strukture, ampak nenehno spreminja konformacijo zaradi toplotnih vibracij in trkov z molekulami vode, kar onemogoča uporabo klasičnih meril togosti. Zato se upogibna togost DNK meri z obstojno dolžino, ki je opredeljena kot "dolžina DNK, nad katero časovno povprečna orientacija polimera postane koeficient nekorelirana."
To vrednost je mogoče natančno izmeriti z mikroskopom z atomsko silo za neposredno slikanje molekul DNK različnih dolžin. V vodni raztopini je povprečna konstantna dolžina 46-50 nm ali 140-150 baznih parov (DNK 2 nm), čeprav se lahko precej razlikuje. Zaradi tega je DNK zmerno toga molekula.
Trajanje nadaljevanja segmenta DNK je zelo odvisno od njegovega zaporedja, kar lahko privede do znatnihspremembe. Slednje so večinoma posledica zlaganja energije in fragmentov, ki se širijo v manjše in večje utore.
Fizične lastnosti in krivulje
Entropična fleksibilnost DNK je izjemno skladna s standardnimi modeli fizike polimerov, kot je Kratky-Porod model verižnega črva. Skladno z modelom, podobnim črvom, je opažanje, da je upogibanje DNK opisano tudi s Hookeovim zakonom pri zelo majhnih (subpikoneontonskih) silah. Vendar pa je za segmente DNK, ki so manjši po trajanju in obstojnosti, upogibna sila približno konstantna in vedenje odstopa od napovedi, v nasprotju z že omenjenimi črvastimi modeli.
Ta učinek povzroči nenavadno lahkotnost kroženja majhnih molekul DNK in večjo verjetnost, da boste našli zelo ukrivljene regije DNK.
Molekule DNK imajo pogosto prednostno smer za upogibanje, to je anizotropno upogibanje. To je spet posledica lastnosti baz, ki sestavljajo zaporedja DNK, in prav te povezujejo dve verigi DNK v vijačnico. V nekaterih primerih sekvence nimajo pregovornih preobratov.
struktura dvojne vijačnice DNK
Prednostna smer upogibanja DNK je določena s stabilnostjo zlaganja vsake baze na drugo. Če so koraki zlaganja nestabilnih baz vedno na eni strani vijačnice DNK, se bo DNK prednostno zložila stran od te smeri. Povezovanje dveh verig DNK v vijačnicoizvajajo molekule, ki so odvisne od te smeri. Ko se kot upogiba povečuje, igrajo vlogo steričnih ovir, ki kažejo sposobnost valjanja ostankov drug proti drugemu, zlasti v majhnem utoru. Depoziti A in T se bodo prednostno pojavili v majhnih utorih znotraj krivin. Ta učinek je še posebej očiten pri vezavi DNK na beljakovine, ko je inducirano togo upogibanje DNK, na primer v nukleosomskih delcih.
Molekule DNK z izjemnim upogibanjem lahko postanejo upogljive. To je bilo prvič odkrito v DNK iz tripanosomatidnega kinetoplasta. Tipična zaporedja, ki to povzročajo, vključujejo 4-6 odsekov T in A, ločenih z G in C, ki vsebujejo ostanke A in T v fazi manjših žlebov na isti strani molekule.
Notranja upognjena struktura je inducirana z "obračanjem vijakov" baznih parov drug glede na drugega, kar omogoča ustvarjanje nenavadnih razcepljenih vodikovih vezi med osnovnimi stopnjami. Pri višjih temperaturah je ta struktura denaturirana in zato se notranja ukrivljenost izgubi.
Vsa DNK, ki se anizotropno upogiba, ima v povprečju daljši potisk in večjo aksialno togost. Ta povečana togost je potrebna za preprečitev nenamernega upogibanja, ki bi povzročilo, da bi molekula delovala izotropno.
DNK zvonjenje je odvisno tako od aksialne (upogibne) togosti kot od torzijske (rotacijske) togosti molekule. Da lahko molekula DNK uspešno kroži, mora biti dovolj dolga, da se zlahka upogne v cel krog in imeti pravilno število baz zakonci so bili v pravilni rotaciji, da bi zagotovili možnost lepljenja spiral. Optimalna dolžina za krožečo DNK je približno 400 baznih parov (136 nm). Prisotnost lihega števila zavojev je pomembna energijska ovira za vezja, na primer, molekula 10,4 x 30=312 parov bo krožila stokrat hitreje kot molekula 10,4 x 30,5 ≈ 317.
Elastičnost
Daljši deli DNK so pri raztezanju entropično elastični. Ko je DNK v raztopini, doživlja nenehne strukturne spremembe zaradi energije, ki je na voljo v termalni kopeli s topilom. To je posledica toplotnih vibracij molekule DNK v kombinaciji s stalnimi trki z molekulami vode. Zaradi entropijskih razlogov so bolj kompaktna sproščena stanja termično bolj dostopna kot raztegnjena stanja, zato so molekule DNK skoraj povsod prisotne v zapletenih "sproščenih" molekularnih modelih. Zaradi tega se bo ena molekula DNK pod silo raztegnila in jo izravnala. S pomočjo optične pincete je bilo raztezanje entropije DNK preučeno in analizirano z vidika fizike polimerov in ugotovljeno je bilo, da se DNK obnaša v bistvu kot model verige, podoben Kratky-Porodu, na fiziološko razpoložljivih energetskih lestvicah.
Z zadostno napetostjo in pozitivnim navorom se domneva, da je DNK podvržena faznemu prehodu, pri čemer se hrbtenice premikajo navzven, fosfati pa vsredina. Ta predlagana struktura za pretirano raztegnjeno DNK je bila imenovana P-oblika DNK po Linusu Paulingu, ki si jo je prvotno zamislil kot možno strukturo DNK.
Dokazi za mehansko raztezanje DNK v odsotnosti vsiljenega navora kažejo na prehod ali prehode, ki vodijo do nadaljnjih struktur, ki jih običajno imenujemo S-oblike. Te strukture še niso bile dokončno označene zaradi težav pri izvajanju ločljivosti atomskega resonatorja v raztopini z uporabljeno silo, čeprav je bilo opravljenih veliko študij računalniške simulacije. Predlagane strukture S-DNK vključujejo tiste, ki ohranjajo pregib baznega para in vodikovo vez (obogateno z GC).
sigmoidni model
Periodični zlom sklada osnovnega para s prelomom je bil predlagan kot pravilna struktura, ki ohranja pravilnost osnovnega sklada in sprošča ustrezno količino razširitve, pri čemer je bil uveden izraz "Σ-DNA" kot mnemonika, v kateri tri desne pike simbola "Sigma" služijo kot opomnik na tri združene bazne pare. Pokazalo se je, da ima oblika Σ prednost zaporedja za GNC motive, za katere hipoteza GNC_h verjame, da imajo evolucijski pomen.
Taljenje, segrevanje in odvijanje spirale
Oblika B vijačnice DNK se zavije za 360° za 10,4-10,5 bp. v odsotnosti torzijske deformacije. Toda številni molekularno biološki procesi lahko povzročijo torzijski stres. Segment DNK s presežkom ozundercoiling je omenjen tako v pozitivnem kot v negativnem kontekstu. DNK in vivo je običajno negativno zvita (tj. ima kodre, ki so zasukani v nasprotno smer), kar olajša odvijanje (taljenje) dvojne vijačnice, ki je zelo potrebna za transkripcijo RNA.
Znotraj celice je večina DNK topološko omejena. DNK se običajno nahaja v zaprtih zankah (kot so plazmidi pri prokariotih), ki so topološko zaprte ali zelo dolge molekule, katerih difuzijski koeficienti učinkovito ustvarjajo topološko zaprta področja. Linearni deli DNK so običajno povezani tudi z beljakovinami ali fizičnimi strukturami (kot so membrane), da tvorijo zaprte topološke zanke.
Vsaka sprememba parametra T v zaprti topološki regiji mora biti uravnotežena s spremembo parametra W in obratno. Posledica tega je višja struktura vijačnice molekul DNK. Navadna molekula DNK s korenom 0 bi bila v svoji klasifikaciji krožna. Če se zasuk te molekule naknadno poveča ali zmanjša zaradi superkonformiranja, se bodo korenine ustrezno spremenile, kar bo povzročilo plektnonemično ali toroidalno superhelično navijanje.
Ko so konci odseka dvojne vijačnice DNK povezani tako, da tvori krog, so verige topološko vezane. To pomeni, da posameznih niti ni mogoče ločiti od nobenega procesa, ki ni povezan s prelomom niti.(npr. ogrevanje). Naloga odvezovanja topološko povezanih verig DNK spada na encime, imenovane topoizomeraze.
