Izraz "DNK helix" ima složenu povijest i prirodu. Pod njim se, u pravilu, misli na model koji je uveo James Watson. Dvostruka spirala DNK drži se zajedno s nukleotidima koji tvore par. U B-DNA, najčešćoj spiralnoj strukturi pronađenoj u prirodi, dvostruka spirala je desna s 10-10,5 parova baza po zavoju. Dvostruka spiralna struktura DNK sadrži glavni i manji žlijeb. U B-DNA, glavni žlijeb je širi od manjeg utora. S obzirom na razliku u širini između glavnih i sporednih žljebova, mnogi proteini koji se vežu na B-DNA to čine kroz širi glavni žlijeb.
Povijest otkrića
Strukturni model dvostruke spirale DNK prvi su objavljeni u časopisu Nature od strane Jamesa Watsona i Francisa Cricka 1953. godine (X, Y, Z koordinate 1954.) na temelju kritične rendgenske difrakcijske slike DNK s oznakom Fotografija 51, iz djela Rosalind Franklin iz 1952., nakon čega slijedi jasnija njezina slikaRaymond Gosling, Maurice Wilkins, Alexander Stokes i Herbert Wilson. Preliminarni model bio je trolančana DNK.
Shvaćanje da je otvorena struktura dvostruka spirala objašnjava mehanizam kojim se dva lanca DNK spajaju u spiralu, pomoću koje se genetske informacije pohranjuju i kopiraju u živim organizmima. Ovo otkriće se smatra jednim od najvažnijih znanstvenih spoznaja dvadesetog stoljeća. Crick, Wilkins i Watson dobili su po jednu trećinu Nobelove nagrade za fiziologiju i medicinu 1962. za svoj doprinos otkriću. Franklin, čiji su prodorni podaci rendgenske difrakcije korišteni za formuliranje spirale DNK, umro je 1958. i stoga nije mogao biti nominiran za Nobelovu nagradu.
Vrijednost za hibridizaciju
Hibridizacija je proces povezivanja parova baza koji se vežu u dvostruku spiralu. Taljenje je proces kojim se prekidaju interakcije između lanaca dvostruke spirale, razdvajajući dvije linije nukleinskih kiselina. Ove veze su slabe, lako se odvajaju blagom toplinom, enzimima ili mehaničkom silom. Taljenje se događa pretežno u određenim točkama nukleinske kiseline. Regije DNA spirale označene T i A lakše se tope nego regije C i G. Neki bazni stupnjevi (parovi) također su osjetljivi na taljenje DNK, kao što su TA i TG. Ove mehaničke osobine ogledaju se u sekvencama kao što je TATA na početku mnogih gena kako bi pomogla RNA polimerazi da otopi DNK za transkripciju.
Grijanje
Razdvajanje procesaniti plitkim zagrijavanjem, kako se koristi u lančanoj reakciji polimeraze (PCR), jednostavno je, pod uvjetom da molekule imaju približno 10 000 parova baza (10 parova kilobaza ili 10 kbp). Isprepletenost lanaca DNK otežava odvajanje dugih segmenata. Stanica izbjegava ovaj problem dopuštajući svojim enzimima koji otapaju DNK (helikaze) da rade istovremeno s topoizomerazama, koje mogu kemijski rascijepiti fosfatnu okosnicu jedne od niti tako da se ona može okrenuti oko druge. Helikaze odmotavaju niti kako bi olakšale prolaz enzima koji čitaju sekvence kao što je DNA polimeraza. Dvostruka spirala DNK formirana je vezama ovih lanaca.
Spiralna geometrija
Geometrijska komponenta strukture DNK može se okarakterizirati sa 6 koordinata: pomak, klizanje, uspon, nagib, uvijanje i okretanje. Ove vrijednosti precizno određuju mjesto i orijentaciju u prostoru svakog para lanaca DNK. U regijama DNA ili RNA gdje je normalna struktura poremećena, promjena ovih vrijednosti može se koristiti za opisivanje takvog poremećaja.
Uspon i okret su određeni oblikom spirale. Druge koordinate, naprotiv, mogu biti jednake nuli.
Imajte na umu da se "košenje" često koristi na različite načine u znanstvenoj literaturi, a odnosi se na odstupanje prve osi baze međupramena od okomite na os zavojnice. To odgovara klizanju između baznog slijeda dvostruke spirale DNK, a u geometrijskim koordinatama se ispravno naziva"nagib".
Geometrijske razlike u spiralama
Smatra se da se najmanje tri DNK konformacije javljaju prirodno: A-DNA, B-DNA i Z-DNA. Smatra se da oblik B, kako su ga opisali James Watson i Francis Crick, prevladava u stanicama. Široka je 23,7 Å i produljuje se 34 Å za 10 bp. sekvence. Dvostruka spirala DNK formirana je vezama dviju linija ribonukleinske kiseline, koje čine jedan potpuni okret oko svoje osi na svakih 10,4-10,5 parova baza u otopini. Ova frekvencija uvijanja (nazvana spiralni korak) uvelike ovisi o silama slaganja koje svaka baza djeluje na svoje susjede u lancu. Apsolutna konfiguracija baza određuje smjer spiralne krivulje za danu konformaciju.
Razlike i funkcije
A-DNA i Z-DNA značajno se razlikuju po svojoj geometriji i veličini u usporedbi s B-DNK, iako još uvijek tvore spiralne strukture. Dugo se smatralo da se A oblik pojavljuje samo u dehidriranim uzorcima DNA u laboratoriju korištenom u kristalografskim eksperimentima i u hibridnim parovima DNA-RNA lanaca, ali dehidracija DNK se događa in vivo, a A-DNK sada ima biološke funkcije koje su nam poznate.. Segmenti DNA čije su stanice metilirane u regulatorne svrhe mogu usvojiti Z geometriju u kojoj se niti rotiraju oko zavojne osi na suprotan način od A-DNA i B-DNA. Također postoje dokazi o kompleksima protein-DNA koji tvore Z-DNA strukture. Duljina spirale DNA se ni na koji način ne mijenja ovisno otip.
Problemi s imenima
Zapravo, sada su dostupna samo slova F, Q, U, V i Y za imenovanje različitih tipova DNK koji bi mogli biti otkriveni u budućnosti. Međutim, većina ovih oblika stvorena je sintetički i imaju nije primijećeno u prirodnim biološkim sustavima. Postoje i trolančani (3 lanca DNK) i kvadrupolni oblici, kao što je G-kvadrupleks.
Povezivanje niti
DNA dvostruka spirala formirana je vezama spiralnih niti. Budući da niti nisu izravno jedna nasuprot drugoj, žljebovi između njih su nejednake veličine. Jedan žlijeb, glavni, ima širinu od 22 Å, a drugi, mali, doseže duljinu od 12 Å. Uskost sekundarnog utora znači da su rubovi baza dostupniji u glavnom utoru. Kao rezultat toga, proteini kao što su faktori transkripcije koji se mogu vezati na specifične sekvence u dvostrukoj spirali DNA obično uspostavljaju kontakt sa stranama baza koje su otvorene u glavnom žlijebu. Ova se situacija mijenja u neuobičajenim DNK konformacijama unutar stanice, ali glavni i manji žljebovi uvijek se imenuju tako da odražavaju razlike u veličini koje bi se mogle vidjeti kada bi se DNK vratila u svoj normalni B oblik.
Izrada modela
Kasnih 1970-ih, alternativni ne-helikalni modeli su nakratko razmatrani kao potencijalno rješenje problema replikacije DNK u plazmidima i kromatinu. Međutim, oni su napušteni u korist modela dvostruke zavojnice DNK zbog naknadnog eksperimentalnog napretka kao što je X-zrakakristalografija DNA dupleksa. Također, mainstream znanstvena zajednica trenutno ne prihvaća modele s nedvostrukim helixom.
Jednolančane nukleinske kiseline (ssDNA) ne poprimaju spiralni oblik i opisane su modelima kao što su nasumični zavojnica ili lanac nalik crvu.
DNA je relativno čvrst polimer, obično modeliran kao lanac nalik crvu. Krutost modela važna je za cirkularizaciju DNA i orijentaciju pridruženih proteina jedan prema drugome, dok je histerezna aksijalna krutost važna za omotavanje DNA i cirkulaciju i interakciju proteina. Kompresijsko istezanje je relativno nevažno u nedostatku visokog napona.
Kemija i genetika
DNA u otopini ne poprima krutu strukturu, ali stalno mijenja konformaciju zbog toplinskih vibracija i sudara s molekulama vode, što onemogućuje primjenu klasičnih mjera krutosti. Stoga se krutost DNK na savijanje mjeri duljinom postojanosti, definiranom kao "duljina DNK preko koje vremenski prosječna orijentacija polimera postaje koeficijent nekorelirana."
Ova se vrijednost može točno izmjeriti pomoću mikroskopa atomske sile za izravnu sliku molekula DNK različitih duljina. U vodenoj otopini, prosječna konstantna duljina je 46-50 nm ili 140-150 parova baza (DNA 2 nm), iako to može značajno varirati. To čini DNK umjereno krutom molekulom.
Trajanje nastavka segmenta DNK uvelike ovisi o njegovom slijedu, a to može dovesti do značajnihpromjene. Potonji su uglavnom posljedica slaganja energije i fragmenata koji se šire u manje i veće brazde.
Fizička svojstva i krivulje
Entropijska fleksibilnost DNK izvanredno je u skladu sa standardnim modelima fizike polimera, kao što je Kratky-Porod model lančanog crva. U skladu s crvolikim modelom je opažanje da je savijanje DNK također opisano Hookeovim zakonom pri vrlo malim (subpikoneontonskim) silama. Međutim, za segmente DNK manjeg trajanja i postojanosti, sila savijanja je približno konstantna i ponašanje odstupa od predviđanja, za razliku od već spomenutih modela sličnih crvu.
Ovaj učinak rezultira neobičnom lakoćom cirkularizacije malih DNK molekula i većom vjerojatnošću pronalaženja visoko zakrivljenih DNK regija.
Molekule DNA često imaju preferirani smjer savijanja, tj. anizotropno savijanje. To je, opet, zbog svojstava baza koje čine DNK sekvence, a upravo one povezuju dva lanca DNK u spiralu. U nekim slučajevima, sekvence nemaju poslovične obrate.
struktura dvostruke spirale DNK
Preferirani smjer savijanja DNK određen je stabilnošću slaganja svake baze na vrhu sljedeće. Ako su nestabilni koraci slaganja baza uvijek na jednoj strani spirale DNK, tada će se DNK preferirano savijati iz tog smjera. Povezivanje dva lanca DNK u spiraluprovode molekule koje ovise o ovom smjeru. Kako se kut savijanja povećava, oni igraju ulogu steričkih prepreka, pokazujući sposobnost kotrljanja ostataka jedan u odnosu na drugi, posebno u malom žlijebu. Naslage A i T po mogućnosti će se pojaviti u malim žljebovima unutar zavoja. Taj je učinak osobito očit u vezivanju DNA-proteina kada se inducira kruto savijanje DNK, na primjer u česticama nukleosoma.
Molekule DNK s izuzetnim savijanjem mogu postati savitljive. To je prvi put otkriveno u DNK iz tripanosomatidnog kinetoplasta. Tipične sekvence koje to uzrokuju uključuju 4-6 T i A dionica odvojenih G i C, koje sadrže A i T ostatke u fazi manjeg utora na istoj strani molekule.
Unutarnja savijena struktura inducirana je "okretanjem vijaka" parova baza jedan u odnosu na drugi, što omogućuje stvaranje neobičnih bifurkiranih vodikovih veza između osnovnih stupnjeva. Na višim temperaturama ova struktura je denaturirana i stoga se gubi unutarnja zakrivljenost.
Sva DNK koja se anizotropno savija ima, u prosjeku, duži potisak i veću aksijalnu krutost. Ova povećana krutost neophodna je kako bi se spriječilo slučajno savijanje koje bi uzrokovalo izotropno djelovanje molekule.
DNK prstenje ovisi i o aksijalnoj (fleksijskoj) krutosti i o torzijskoj (rotacijskoj) krutosti molekule. Da bi molekula DNK uspješno cirkulirala, mora biti dovoljno duga da se lako savija u puni krug i imati točan broj baza zakrajevi su bili u pravilnom zakretanju kako bi se osigurala mogućnost lijepljenja spirala. Optimalna duljina za cirkulirajuću DNK je oko 400 parova baza (136 nm). Prisutnost neparnog broja zavoja značajna je energetska barijera za strujne krugove, na primjer, molekula 10,4 x 30=312 parova će kružiti stotine puta brže od molekule 10,4 x 30,5 ≈ 317.
Elastičnost
Duži dijelovi DNK su entropski elastični kada se rastežu. Kada je DNK u otopini, ona prolazi kroz kontinuirane strukturne promjene zbog energije dostupne u termalnoj kupelji otapala. To je zbog toplinskih vibracija molekule DNK, u kombinaciji s stalnim sudarima s molekulama vode. Zbog entropijskih razloga, kompaktnija opuštena stanja toplinski su pristupačnija od rastegnutih stanja, pa su molekule DNK gotovo sveprisutne u zamršenim "opuštenim" molekularnim modelima. Iz tog razloga, jedna molekula DNK će se rastegnuti pod silom, ispravljajući je. Koristeći optičku pincetu, proučavano je i analizirano ponašanje entropijskog rastezanja DNK iz perspektive polimerne fizike, te je otkriveno da se DNK ponaša u osnovi poput modela lanca nalik Kratky-Porod crvu na fiziološki dostupnim energetskim ljestvicama.
Uz dovoljnu napetost i pozitivan moment, smatra se da DNK prolazi kroz fazni prijelaz, pri čemu se okosnice kreću prema van, a fosfati usredina. Ova predložena struktura za prekomjerno rastegnutu DNK nazvana je P-oblik DNK po Linusu Paulingu, koji ju je izvorno zamislio kao moguću strukturu DNK.
Dokaz za mehaničko rastezanje DNK u odsutnosti nametnutog momenta ukazuje na prijelaz ili prijelaze koji vode do daljnjih struktura koje se obično nazivaju S-oblici. Ove strukture još nisu definitivno okarakterizirane zbog poteškoća u izvođenju razlučivosti atomskog rezonatora u otopini s primijenjenom silom, iako su napravljene mnoge računalne simulacijske studije. Predložene strukture S-DNA uključuju one koje zadržavaju nabor baznog para i vodikovu vezu (obogaćenu GC).
Sigmoidni model
Periodični lom snopa baznog para s prekidom predložen je kao pravilna struktura koja zadržava pravilnost osnovnog snopa i oslobađa odgovarajuću količinu ekspanzije, uz uvođenje izraza "Σ-DNA" kao mnemonika u kojem tri desne točke simbola "Sigma" služe kao podsjetnik na tri skupljena para baza. Pokazalo se da oblik Σ ima preferenciju slijeda za GNC motive, za koje GNC_h-hipoteza vjeruje da ima evolucijski značaj.
Otapanje, zagrijavanje i odmotavanje spirale
Oblik B spirale DNK okreće se za 360° za 10,4-10,5 bp. u nedostatku torzijske deformacije. Ali mnogi molekularni biološki procesi mogu izazvati torzijsko naprezanje. Segment DNK s viškom iliundercoiling se spominje u pozitivnom i negativnom kontekstu. DNK in vivo obično je negativno namotana (tj. ima kovrče koje su uvijene u suprotnom smjeru), što olakšava odmotavanje (otapanje) dvostruke spirale, koja je prijeko potrebna za transkripciju RNA.
Unutar stanice većina DNK je topološki ograničena. DNA se obično nalazi u zatvorenim petljama (kao što su plazmidi u prokariotima) koje su topološki zatvorene ili vrlo dugačke molekule čiji koeficijenti difuzije učinkovito proizvode topološki zatvorena područja. Linearni dijelovi DNK također su obično povezani s proteinima ili fizičkim strukturama (kao što su membrane) kako bi formirale zatvorene topološke petlje.
Svaka promjena parametra T u zatvorenoj topološkoj regiji mora biti uravnotežena promjenom parametra W i obrnuto. To rezultira višom spiralnom strukturom molekula DNA. Obična molekula DNK s korijenom 0 bila bi kružna u svojoj klasifikaciji. Ako se uvijanje ove molekule naknadno poveća ili smanji superkonformiranjem, tada će korijeni biti promijenjeni u skladu s tim, uzrokujući da se molekula podvrgne plektnonemijskom ili toroidnom superheličkom namotu.
Kada su krajevi dijela DNK dvostruke spirale povezani tako da tvori krug, lanci su topološki vezani. To znači da se pojedinačne niti ne mogu odvojiti od bilo kojeg procesa koji nije povezan s prekidom niti.(npr. grijanje). Zadatak odvezivanja topološki povezanih lanaca DNK pada na enzime zvane topoizomeraze.
