Pojem „špirála DNA“má zložitú históriu a povahu. Spravidla sa tým myslí model, ktorý predstavil James Watson. Dvojitá špirála DNA je držaná spolu s nukleotidmi, ktoré tvoria pár. V B-DNA, najbežnejšej špirálovej štruktúre vyskytujúcej sa v prírode, je dvojitá špirála pravotočivá s 10-10,5 pármi báz na otáčku. Štruktúra dvojitej špirály DNA obsahuje hlavnú drážku a vedľajšiu drážku. V B-DNA je hlavná drážka širšia ako vedľajšia drážka. Vzhľadom na rozdiel v šírke medzi hlavnými a malými drážkami, mnohé proteíny, ktoré sa viažu na B-DNA, tak robia cez širšiu hlavnú drážku.
História objavov
Štrukturálny model dvojitej špirály DNA bol prvýkrát publikovaný v časopise Nature od Jamesa Watsona a Francisa Cricka v roku 1953 (súradnice X, Y, Z v roku 1954) na základe kritického röntgenového difrakčného obrazu DNA označenej Foto 51, z práce Rosalind Franklinovej z roku 1952, po ktorej nasleduje jej jasnejšia snímkaRaymond Gosling, Maurice Wilkins, Alexander Stokes a Herbert Wilson. Predbežným modelom bola trojvláknová DNA.
Uvedomenie si, že otvorená štruktúra je dvojitá špirála, vysvetľuje mechanizmus, ktorým sa dve vlákna DNA spájajú do špirály, pomocou ktorej sa ukladajú a kopírujú genetické informácie v živých organizmoch. Tento objav je považovaný za jeden z najdôležitejších vedeckých poznatkov dvadsiateho storočia. Crick, Wilkins a Watson dostali za svoj príspevok k objavu po jednej tretine Nobelovej ceny za fyziológiu a medicínu z roku 1962. Franklin, ktorého prelomové údaje o röntgenovej difrakcii sa použili na vytvorenie špirály DNA, zomrel v roku 1958, a preto nemohol byť nominovaný na Nobelovu cenu.
Hodnota pre hybridizáciu
Hybridizácia je proces spájania párov báz, ktoré sa viažu a vytvárajú dvojitú špirálu. Tavenie je proces, pri ktorom sa narušia interakcie medzi vláknami dvojitej špirály, čím sa oddelia dve línie nukleových kyselín. Tieto väzby sú slabé, ľahko sa oddelia miernym teplom, enzýmami alebo mechanickou silou. K topeniu dochádza prevažne v určitých bodoch nukleovej kyseliny. Oblasti špirály DNA označené T a A sa ľahšie roztavia ako oblasti C a G. Niektoré štádiá báz (páry) sú tiež náchylné na topenie DNA, ako napríklad TA a TG. Tieto mechanické vlastnosti odzrkadľujú sekvencie ako TATA na začiatku mnohých génov, ktoré pomáhajú RNA polymeráze roztaviť DNA na transkripciu.
Vykurovanie
Oddelenie procesovreťazcov plytkým zahrievaním, ako sa používa pri polymerázovej reťazovej reakcii (PCR), je jednoduché za predpokladu, že molekuly majú približne 10 000 párov báz (10 kb alebo 10 kbp). Prepletenie reťazcov DNA sťažuje oddelenie dlhých segmentov. Bunka sa tomuto problému vyhne tým, že umožní svojim enzýmom topiacim DNA (helikázam) pracovať súčasne s topoizomerázami, ktoré môžu chemicky štiepiť fosfátový hlavný reťazec jedného z vlákien, takže sa môže otáčať okolo druhého. Helikázy odvíjajú vlákna, aby sa uľahčil prechod enzýmov čítajúcich sekvenciu, ako je DNA polymeráza. Dvojitá špirála DNA je tvorená väzbami týchto vlákien.
Špirálová geometria
Geometrická zložka štruktúry DNA môže byť charakterizovaná 6 súradnicami: posunutie, posunutie, vzostup, naklonenie, otočenie a otočenie. Tieto hodnoty presne určujú umiestnenie a orientáciu v priestore každého páru reťazcov DNA. V oblastiach DNA alebo RNA, kde je narušená normálna štruktúra, možno zmenu týchto hodnôt použiť na opis takéhoto narušenia.
Zdvih a otočenie sú určené tvarom špirály. Ostatné súradnice sa naopak môžu rovnať nule.
Všimnite si, že výraz „zošikmenie“sa vo vedeckej literatúre často používa rôznymi spôsobmi, pričom odkazuje na odchýlku prvej osi medzivláknovej základne od kolmej na os špirály. To zodpovedá kĺzaniu medzi bázovou sekvenciou dvojzávitnice DNA a v geometrických súradniciach je správne nazývané"nakloniť".
Geometrické rozdiely v špirálach
Predpokladá sa, že najmenej tri konformácie DNA sa vyskytujú prirodzene: A-DNA, B-DNA a Z-DNA. Forma B, ako ju opísali James Watson a Francis Crick, sa považuje za prevládajúcu v bunkách. Je široký 23,7 Å a predlžuje sa 34 Å o 10 bp. sekvencie. Dvojzávitnica DNA je tvorená väzbami dvoch línií ribonukleovej kyseliny, ktoré urobia jednu úplnú otáčku okolo svojej osi každých 10,4-10,5 párov báz v roztoku. Táto frekvencia skrúcania (nazývaná stúpanie špirály) závisí vo veľkej miere od síl, ktoré každá základňa vyvíja na svojich susedov v reťazci. Absolútna konfigurácia báz určuje smer špirálovej krivky pre danú konformáciu.
Rozdiely a funkcie
A-DNA a Z-DNA sa výrazne líšia svojou geometriou a veľkosťou v porovnaní s B-DNA, hoci stále tvoria špirálové štruktúry. Dlho sa predpokladalo, že forma A sa vyskytuje iba v dehydrovaných vzorkách DNA v laboratóriu používanom v kryštalografických experimentoch a pri hybridných pároch reťazcov DNA-RNA, ale dehydratácia DNA sa vyskytuje in vivo a A-DNA má teraz biologické funkcie, ktoré sú nám známe.. Segmenty DNA, ktorých bunky boli metylované na regulačné účely, môžu prijať Z geometriu, v ktorej vlákna rotujú okolo špirálovej osi opačným spôsobom ako A-DNA a B-DNA. Existujú tiež dôkazy, že komplexy proteín-DNA tvoria štruktúry Z-DNA. Dĺžka skrutkovice DNA sa nijako nemení v závislosti odtyp.
Problémy s menami
V skutočnosti sú teraz k dispozícii iba písmená F, Q, U, V a Y na pomenovanie rôznych typov DNA, ktoré môžu byť objavené v budúcnosti. Väčšina týchto foriem však bola vytvorená synteticky a má neboli pozorované v prírodných biologických systémoch. Existujú aj trojvláknové (3 vlákna DNA) a kvadrupólové formy, ako je G-kvadruplex.
Spojenie vlákien
Dvojitá špirála DNA je tvorená väzbami špirálových vlákien. Pretože závity nie sú priamo oproti sebe, drážky medzi nimi majú nerovnomernú veľkosť. Jedna drážka, hlavná, má šírku 22 Å a druhá, malá, dosahuje dĺžku 12 Å. Úzkosť vedľajšej drážky znamená, že okraje podstavcov sú lepšie prístupné v hlavnej drážke. Výsledkom je, že proteíny, ako sú transkripčné faktory, ktoré sa môžu viazať na špecifické sekvencie v dvojitej špirále DNA, sa typicky dostanú do kontaktu so stranami báz, ktoré sú otvorené v hlavnej drážke. Táto situácia sa mení v nezvyčajných konformáciách DNA v bunke, ale hlavné a menšie drážky sú vždy pomenované tak, aby odrážali rozdiely vo veľkosti, ktoré by boli viditeľné, keby bola DNA skrútená späť do normálneho tvaru B.
Vytvorenie modelu
Koncom sedemdesiatych rokov sa alternatívne nehelikálne modely krátko zvažovali ako potenciálne riešenie problémov replikácie DNA v plazmidoch a chromatíne. Boli však opustené v prospech modelu dvojitej cievky DNA kvôli následným experimentálnym pokrokom, ako je röntgenkryštalografia duplexov DNA. Bežná vedecká komunita tiež v súčasnosti neakceptuje modely bez dvojitej špirály.
Jednovláknové nukleové kyseliny (ssDNA) nemajú špirálovitý tvar a sú opísané modelmi, ako je náhodná cievka alebo červovitý reťazec.
DNA je relatívne tuhý polymér, typicky modelovaný ako reťazec podobný červíkovi. Tuhosť modelu je dôležitá pre cirkularizáciu DNA a orientáciu jej asociovaných proteínov voči sebe navzájom, zatiaľ čo hysteretická axiálna tuhosť je dôležitá pre obalenie DNA a cirkuláciu a interakciu proteínov. Kompresné predĺženie je pri absencii vysokého napätia relatívne nedôležité.
Chémia a genetika
DNA v roztoku nenadobudne tuhú štruktúru, ale neustále mení konformáciu v dôsledku tepelných vibrácií a kolízie s molekulami vody, čo znemožňuje aplikovať klasické merania tuhosti. Preto sa ohybová tuhosť DNA meria dĺžkou perzistencie, ktorá je definovaná ako "dĺžka DNA, počas ktorej sa časovo spriemerovaná orientácia polyméru stáva koeficientom nekorelovaným."
Túto hodnotu možno presne zmerať pomocou mikroskopu atómovej sily na priame zobrazenie molekúl DNA rôznych dĺžok. Vo vodnom roztoku je priemerná konštantná dĺžka 46-50 nm alebo 140-150 párov báz (DNA 2 nm), hoci sa môže značne líšiť. Vďaka tomu je DNA stredne tuhá molekula.
Trvanie pokračovania segmentu DNA veľmi závisí od jeho sekvencie, čo môže viesť k významnýmzmeny. Tie sú väčšinou spôsobené ukladaním energie a úlomkov, ktoré sa šíria do menších a väčších drážok.
Fyzikálne vlastnosti a krivky
Entropická flexibilita DNA je pozoruhodne konzistentná so štandardnými modelmi fyziky polymérov, ako je Kratky-Porod model reťazového červa. V súlade s modelom podobným červom je pozorovanie, že ohýbanie DNA je opísané aj Hookovým zákonom pri veľmi malých (subpikonontonických) silách. Avšak pre segmenty DNA s menším trvaním a perzistenciou je ohybová sila približne konštantná a správanie sa odchyľuje od predpovedí, na rozdiel od už spomínaných modelov podobných červom.
Tento efekt má za následok nezvyčajnú ľahkosť cirkularizácie malých molekúl DNA a vyššiu pravdepodobnosť nájdenia vysoko zakrivených oblastí DNA.
Molekuly DNA majú často preferovaný smer ohybu, t. j. anizotropný ohyb. Je to opäť kvôli vlastnostiam báz, ktoré tvoria sekvencie DNA a práve tie spájajú dve vlákna DNA do špirály. V niektorých prípadoch sekvencie nemajú povestné zvraty.
štruktúra dvojitej špirály DNA
Preferovaný smer ohybu DNA je určený stabilitou stohovania každej bázy na druhej. Ak sú kroky nestabilného stohovania báz vždy na jednej strane špirály DNA, potom sa DNA bude prednostne skladať preč z tohto smeru. Spojenie dvoch reťazcov DNA do špirályuskutočňované molekulami, ktoré závisia od tohto smeru. Keď sa uhol ohybu zväčšuje, zohrávajú úlohu stérických prekážok, ktoré ukazujú schopnosť valiť zvyšky vo vzťahu k sebe, najmä v malej drážke. Nánosy A a T sa budú výhodne vyskytovať v malých drážkach v ohyboch. Tento účinok je obzvlášť evidentný pri väzbe DNA-proteín, keď je indukované rigidné ohýbanie DNA, napríklad v časticiach nukleozómov.
Molekuly DNA s výnimočným ohybom sa môžu ohýbať. Prvýkrát to bolo objavené v DNA z trypanozomatidového kinetoplastu. Typické sekvencie, ktoré to spôsobujú, zahŕňajú 4-6 úsekov T a A oddelených G a C, ktoré obsahujú zvyšky A a T vo fáze malej drážky na tej istej strane molekuly.
Vnútorná ohnutá štruktúra je vyvolaná "skrutkovaním" párov báz voči sebe, čo umožňuje vytvorenie nezvyčajných rozvetvených vodíkových väzieb medzi stupňami báz. Pri vyšších teplotách sa táto štruktúra denaturuje a tým sa stráca vnútorné zakrivenie.
Všetka DNA, ktorá sa anizotropne ohýba, má v priemere dlhší ťah a väčšiu axiálnu tuhosť. Táto zvýšená tuhosť je potrebná, aby sa zabránilo náhodnému ohybu, ktorý by spôsobil izotropné pôsobenie molekuly.
Zvonenie DNA závisí od axiálnej (ohybovej) tuhosti aj torznej (rotačnej) tuhosti molekuly. Aby molekula DNA mohla úspešne cirkulovať, musí byť dostatočne dlhá, aby sa dala ľahko ohnúť do celého kruhu, a musí mať správny počet báz.konce boli v správnom natočení, aby bola zabezpečená možnosť lepenia špirálok. Optimálna dĺžka cirkulujúcej DNA je asi 400 párov báz (136 nm). Prítomnosť nepárneho počtu závitov je významnou energetickou bariérou pre obvody, napríklad molekula 10,4 x 30=312 párov bude cirkulovať stokrát rýchlejšie ako molekula 10,4 x 30,5 ≈ 317.
Elasticita
Dlhšie úseky DNA sú pri natiahnutí entropicky elastické. Keď je DNA v roztoku, podlieha neustálym štrukturálnym zmenám v dôsledku energie dostupnej v termálnom kúpeli rozpúšťadla. Je to spôsobené tepelnými vibráciami molekuly DNA v kombinácii s neustálymi zrážkami s molekulami vody. Z entropických dôvodov sú kompaktnejšie uvoľnené stavy tepelne dostupnejšie ako natiahnuté stavy, a preto sú molekuly DNA v zložitých „uvoľnených“molekulárnych modeloch takmer všadeprítomné. Z tohto dôvodu sa jedna molekula DNA pod silou natiahne a narovná ju. Pomocou optickej pinzety sa študovalo a analyzovalo správanie DNA pri napínaní entropie z pohľadu fyziky polymérov a zistilo sa, že DNA sa v podstate správa ako reťazový model červa Kratky-Porod na fyziologicky dostupných energetických mierkach.
Pri dostatočnom napätí a pozitívnom krútiacom momente sa predpokladá, že DNA prejde fázovým prechodom, pričom kostry sa pohybujú smerom von a fosfáty sa presúvajú dostredná. Táto navrhovaná štruktúra pre nadmerne natiahnutú DNA bola pomenovaná P-forma DNA po Linusovi Paulingovi, ktorý si ju pôvodne predstavoval ako možnú štruktúru DNA.
Dôkaz mechanického napínania DNA v neprítomnosti bodov vnúteného krútiaceho momentu k prechodu alebo prechodom vedúcim k ďalším štruktúram bežne označovaným ako tvary S. Tieto štruktúry ešte neboli definitívne charakterizované kvôli obtiažnosti vykonávania rezolúcie zobrazovania atómového rezonátora v roztoku s aplikovanou silou, hoci bolo vykonaných veľa počítačových simulačných štúdií. Navrhované štruktúry S-DNA zahŕňajú tie, ktoré si zachovávajú záhyb páru báz a vodíkovú väzbu (obohatenú o GC).
Sigmoidný model
Periodické zlomenie zásobníka základných párov s prerušením bolo navrhnuté ako pravidelná štruktúra, ktorá zachováva pravidelnosť zásobníka základných párov a uvoľňuje primeranú mieru expanzie, pričom sa zaviedol pojem „Σ-DNA“ako mnemotechnická pomôcka, v ktorej tri pravé bodky symbolu „Sigma“slúžia ako pripomienka troch zoskupených párov báz. Ukázalo sa, že forma Σ má sekvenčnú preferenciu pre motívy GNC, o ktorých sa hypotéza GNC_h domnieva, že majú evolučný význam.
Tavenie, zahrievanie a odvíjanie špirály
Forma B skrutkovice DNA sa krúti o 360° na 10,4-10,5 bp. pri absencii torznej deformácie. Ale mnohé molekulárne biologické procesy môžu vyvolať torzné napätie. Segment DNA s nadbytkom resppodcoilovanie sa spomína v pozitívnom aj negatívnom kontexte, resp. DNA in vivo je zvyčajne negatívne stočená (t. j. má kučery, ktoré sú skrútené v opačnom smere), čo uľahčuje odvíjanie (tavenie) dvojitej špirály, ktorá je veľmi potrebná na transkripciu RNA.
Vnútri bunky je väčšina DNA topologicky obmedzená. DNA sa zvyčajne nachádza v uzavretých slučkách (ako sú plazmidy v prokaryotoch), čo sú topologicky uzavreté alebo veľmi dlhé molekuly, ktorých difúzne koeficienty účinne vytvárajú topologicky uzavreté oblasti. Lineárne úseky DNA sú tiež bežne spojené s proteínmi alebo fyzikálnymi štruktúrami (ako sú membrány), aby vytvorili uzavreté topologické slučky.
Akákoľvek zmena parametra T v uzavretej topologickej oblasti musí byť vyvážená zmenou parametra W a naopak. To má za následok vyššiu špirálovitú štruktúru molekúl DNA. Bežná molekula DNA s koreňom 0 by bola vo svojej klasifikácii kruhová. Ak sa skrútenie tejto molekuly následne zvýši alebo zníži superkonformáciou, potom sa korene zodpovedajúcim spôsobom zmenia, čo spôsobí, že molekula podstúpi pleknonemické alebo toroidné superhelické vinutie.
Keď sú konce časti dvojzávitnice DNA spojené tak, že tvorí kruh, vlákna sú topologicky zviazané. To znamená, že jednotlivé vlákna nemožno oddeliť od žiadneho procesu, ktorý nie je spojený s prerušením vlákna.(napr. kúrenie). Úloha rozviazať topologicky prepojené vlákna DNA pripadá na enzýmy nazývané topoizomerázy.
