Die term "DNA-heliks" het 'n komplekse geskiedenis en aard. Daarmee word as 'n reël die model bedoel wat deur James Watson bekendgestel is. Die DNA-dubbelheliks word saamgehou met nukleotiede wat 'n paar vorm. In B-DNA, die mees algemene heliese struktuur wat in die natuur voorkom, is die dubbelheliks regshandig met 10-10,5 basispare per beurt. Die dubbelheliksstruktuur van DNS bevat 'n hoofgroef en 'n klein groef. In B-DNA is die groot groef wyer as die klein groef. Gegewe die verskil in breedte tussen die hoof- en kleingroewe, doen baie proteïene wat aan B-DNA bind dit deur die breër hoofgroef.
Ontdekkinggeskiedenis
Die strukturele model van die DNA-dubbelheliks is vir die eerste keer in Nature gepubliseer deur James Watson en Francis Crick in 1953 (X, Y, Z-koördinate in 1954) gebaseer op 'n kritieke x-straaldiffraksiebeeld van DNA gemerk Foto 51, uit Rosalind Franklin se werk van 1952, gevolg deur 'n duideliker beeld van haar geneemRaymond Gosling, Maurice Wilkins, Alexander Stokes en Herbert Wilson. Die voorlopige model was driestring-DNS.
Die besef dat die oop struktuur 'n dubbele heliks is, verduidelik die meganisme waardeur twee stringe DNA in 'n heliks aansluit, waardeur genetiese inligting in lewende organismes gestoor en gekopieer word. Hierdie ontdekking word beskou as een van die belangrikste wetenskaplike insigte van die twintigste eeu. Crick, Wilkins en Watson het elk een derde van die 1962 Nobelprys in Fisiologie of Geneeskunde ontvang vir hul bydraes tot die ontdekking. Franklin, wie se deurbraak X-straaldiffraksiedata gebruik is om die DNA-heliks te formuleer, is in 1958 dood en was dus nie in aanmerking vir 'n Nobelprys-nominasie nie.
Waarde vir verbastering
Verbastering is die proses om basispare te verbind wat bind om 'n dubbele heliks te vorm. Smelting is die proses waardeur interaksies tussen dubbelheliksstringe ontwrig word, wat twee lyne nukleïensure skei. Hierdie bindings is swak, maklik geskei deur ligte hitte, ensieme of meganiese krag. Smelt vind hoofsaaklik op sekere punte in die nukleïensuur plaas. Streke van die DNA-heliks gemerk T en A smelt makliker as streke C en G. Sommige basisstadia (pare) is ook vatbaar vir DNS-smelting, soos TA en TG. Hierdie meganiese eienskappe word weerspieël deur volgordes soos TATA aan die begin van baie gene om RNA-polimerase te help om die DNA vir transkripsie te smelt.
Verhitting
Prosesskeidingstringe deur vlak verhitting, soos gebruik in die polimerase-kettingreaksie (PCR), is eenvoudig, mits die molekules ongeveer 10 000 basispare (10 kilobasispare of 10 kbp) is. Die vervlegting van DNS-stringe maak dit moeilik om lang segmente te skei. Die sel vermy hierdie probleem deur sy DNS-smeltende ensieme (helikase) toe te laat om gelyktydig met topoisomerases te werk, wat die fosfaatruggraat van een van die stringe chemies kan klief sodat dit om die ander kan draai. Helikases wikkel die stringe af om die deurgang van volgorde-lees ensieme soos DNA-polimerase te vergemaklik. Die DNS-dubbelheliks word gevorm deur die bindings van hierdie stringe.
Spiraalgeometrie
Die geometriese komponent van die DNS-struktuur kan gekenmerk word deur 6 koördinate: skuif, gly, styg, kantel, draai en draai. Hierdie waardes bepaal presies die ligging en oriëntasie in die ruimte van elke paar DNA-stringe. In streke van DNA of RNA waar die normale struktuur versteur word, kan 'n verandering in hierdie waardes gebruik word om so 'n ontwrigting te beskryf.
Styg en draai word bepaal deur die vorm van die spiraal. Ander koördinate, inteendeel, kan gelyk aan nul wees.
Let daarop dat "skeef" dikwels op verskeie maniere in die wetenskaplike literatuur gebruik word, met verwysing na die afwyking van die eerste as van die interstrandbasis van loodreg op die as van die heliks. Dit stem ooreen met gly tussen die basisvolgorde van die DNS-dubbelheliks, en in meetkundige koördinate word dit korrek genoem"kantel".
Meetkundige verskille in spirale
Daar word vermoed dat minstens drie DNA-konformasies natuurlik voorkom: A-DNA, B-DNA en Z-DNA. Vorm B, soos beskryf deur James Watson en Francis Crick, word vermoedelik oorheersend in selle. Dit is 23,7 Å breed en verleng 34 Å met 10 bp. rye. Die DNS-dubbelheliks word gevorm deur die bindings van twee lyne ribonukleïensuur, wat elke 10,4-10,5 basispare in oplossing een volledige omwenteling om sy as maak. Hierdie draaifrekwensie (genoem die heliese toonhoogte) hang grootliks af van die stapelkragte wat elke basis op sy bure in die ketting uitoefen. Die absolute konfigurasie van die basisse bepaal die rigting van die heliese kurwe vir 'n gegewe konformasie.
Verskille en funksies
A-DNA en Z-DNA verskil aansienlik in hul geometrie en grootte in vergelyking met B-DNA, hoewel hulle steeds spiraalvormige strukture vorm. Daar is lankal gedink dat die A-vorm slegs in gedehidreerde DNA-monsters voorkom in die laboratorium wat in kristallografiese eksperimente en in hibriede DNA-RNA-stringparings gebruik word, maar DNA-dehidrasie vind wel in vivo plaas, en A-DNA het nou biologiese funksies wat aan ons bekend is.. DNA-segmente waarvan die selle gemetileer is vir regulatoriese doeleindes, kan 'n Z-geometrie aanneem waarin die stringe om die heliese as roteer in die teenoorgestelde wyse as A-DNA en B-DNA. Daar is ook bewyse van proteïen-DNS-komplekse wat Z-DNS-strukture vorm. Die lengte van die DNA-heliks verander op geen manier na gelang vantik.
Probleme met name
Trouens, net die letters F, Q, U, V en Y is nou beskikbaar om die verskillende tipes DNS wat in die toekoms ontdek kan word te noem. Die meeste van hierdie vorms is egter sinteties geskep en het nie in natuurlike biologiese sisteme waargeneem nie. Daar is ook driestrengige (3 stringe DNA) en vierpoolvorms, soos die G-kwadrupleks.
Verbinding van drade
DNA-dubbelheliks word gevorm deur die bindings van heliese stringe. Aangesien die drade nie direk oorkant mekaar is nie, is die groewe tussen hulle van ongelyke grootte. Een groef, die hoof een, het 'n breedte van 22 Å, en die ander, 'n klein een, bereik 'n lengte van 12 Å. Die smalheid van die sekondêre groef beteken dat die rande van die basisse meer toeganklik is in die hoofgroef. Gevolglik maak proteïene soos transkripsiefaktore wat aan spesifieke volgordes in die DNA-dubbelheliks kan bind tipies kontak met die kante van die basisse wat oop is in die hoofgroef. Hierdie situasie verander in ongewone DNA-konformasies binne die sel, maar die hoof- en klein groewe word altyd benoem om die verskille in grootte te weerspieël wat gesien sal word as die DNA in sy normale B-vorm teruggedraai word.
Skep 'n model
In die laat 1970's is alternatiewe nie-helikale modelle kortliks oorweeg as 'n potensiële oplossing vir die probleme van DNA-replikasie in plasmiede en chromatien. Hulle is egter laat vaar ten gunste van die dubbelspoelmodel van DNA as gevolg van daaropvolgende eksperimentele vooruitgang soos X-straalkristallografie van DNA-duplekse. Nie-dubbelheliksmodelle word ook nie tans deur die hoofstroom wetenskaplike gemeenskap aanvaar nie.
Enkelstring-nukleïensure (ssDNA) neem nie 'n heliese vorm aan nie en word beskryf deur modelle soos ewekansige spoel of wurmagtige ketting.
DNA is 'n relatief rigiede polimeer, tipies gemodelleer as 'n wurmagtige ketting. Modelstyfheid is belangrik vir DNS-sirkulasie en die oriëntasie van sy geassosieerde proteïene relatief tot mekaar, terwyl histeretiese aksiale styfheid belangrik is vir DNS-omhulsel en proteïensirkulasie en interaksie. Kompressie-verlenging is relatief onbelangrik in die afwesigheid van hoë spanning.
Chemie en genetika
DNA in oplossing neem nie 'n rigiede struktuur aan nie, maar verander voortdurend konformasie as gevolg van termiese vibrasie en botsing met watermolekules, wat dit onmoontlik maak om klassieke styfheidsmaatreëls toe te pas. Daarom word die buigstyfheid van DNA gemeet deur die volhardingslengte, gedefinieer as "die lengte van DNA waaroor die tydgemiddelde oriëntasie van die polimeer koëffisiënt ongekorreleerd raak."
Hierdie waarde kan akkuraat gemeet word deur 'n atoomkragmikroskoop te gebruik om DNS-molekules van verskillende lengtes direk te beeld. In waterige oplossing is die gemiddelde konstante lengte 46-50 nm of 140-150 basispare (DNA 2 nm), hoewel dit aansienlik kan verskil. Dit maak DNS 'n matige rigiede molekule.
Die duur van die voortsetting van 'n DNS-segment is baie afhanklik van die volgorde daarvan, en dit kan lei tot beduidendeveranderinge. Laasgenoemde is meestal te danke aan stapelenergie en fragmente wat in klein en groot groewe voortplant.
Fisiese eienskappe en kurwes
Die entropiese buigsaamheid van DNA is merkwaardig in ooreenstemming met standaardmodelle van polimeerfisika, soos die Kratky-Porod-model van die kettingwurm. In ooreenstemming met die wurmagtige model is die waarneming dat buigende DNA ook deur Hooke se wet beskryf word by baie klein (subpikononeontoniese) kragte. Vir segmente van DNA wat kleiner is in duur en volharding is die buigkrag egter ongeveer konstant en die gedrag wyk af van voorspellings, in teenstelling met die reeds genoemde wurmagtige modelle.
Hierdie effek lei tot 'n ongewone gemak om klein DNA-molekules te sirkuleer en 'n groter waarskynlikheid om hoogs geboë DNS-streke te vind.
DNA-molekules het dikwels 'n voorkeurrigting vir buiging, dit wil sê anisotropiese buiging. Dit is weer te danke aan die eienskappe van die basisse waaruit die DNA-volgorde bestaan, en dit is hulle wat die twee DNA-stringe in 'n heliks verbind. In sommige gevalle het rye nie die spreekwoordelike kinkels nie.
DNA-dubbelheliksstruktuur
Die voorkeurrigting van DNA-buiging word bepaal deur die stapelstabiliteit van elke basis bo-op die volgende. As onstabiele basisstapelingsstappe altyd aan die een kant van die DNS-heliks is, sal die DNS verkieslik van daardie rigting wegvou. Verbind twee stringe DNA in 'n heliksuitgevoer deur molekules wat van hierdie rigting afhanklik is. Soos die buighoek toeneem, speel hulle die rol van steriese hindernisse, wat die vermoë toon om die reste in verhouding tot mekaar te rol, veral in die klein groef. Afsettings A en T sal verkieslik in klein groewe binne die draaie voorkom. Hierdie effek is veral duidelik in DNA-proteïenbinding wanneer DNA-rigiede buiging geïnduseer word, byvoorbeeld in nukleosoomdeeltjies.
DNA-molekules met uitsonderlike buiging kan buigsaam word. Dit is die eerste keer ontdek in DNA van tripanosomatied kinetoplast. Tipiese rye wat dit veroorsaak, sluit in 4-6 T- en A-streke geskei deur G en C, wat A- en T-residue in 'n klein groeffase aan dieselfde kant van die molekule bevat.
Die interne gebuigde struktuur word geïnduseer deur die "skroefdraai" van die basispare relatief tot mekaar, wat die skepping van ongewone gevorkte waterstofbindings tussen die basisstadia moontlik maak. By hoër temperature word hierdie struktuur gedenatureer en daarom gaan die intrinsieke kromming verlore.
Alle DNA wat anisotropies buig, het gemiddeld 'n langer stukrag en groter aksiale styfheid. Hierdie verhoogde styfheid is nodig om toevallige buiging te voorkom wat sal veroorsaak dat die molekule isotropies optree.
DNA-ring hang af van beide aksiale (buig) styfheid en torsie (rotasie) styfheid van die molekule. Vir 'n DNS-molekule om suksesvol te sirkuleer, moet dit lank genoeg wees om maklik in 'n volle sirkel te buig en die korrekte aantal basisse te hê omdie punte was in die korrekte rotasie om die moontlikheid te verseker om die spirale vas te plak. Die optimale lengte vir sirkulerende DNA is ongeveer 400 basispare (136 nm). Die teenwoordigheid van 'n onewe aantal draaie is 'n beduidende energieversperring vir stroombane, byvoorbeeld, 'n 10.4 x 30=312 paar molekule sal honderde kere vinniger sirkuleer as 'n 10.4 x 30.5 ≈ 317 molekule.
Elasticity
Langer stukke DNA is entropies elasties wanneer dit gestrek word. Wanneer DNA in oplossing is, ondergaan dit voortdurende strukturele veranderinge as gevolg van die energie wat in die termiese oplosmiddelbad beskikbaar is. Dit is as gevolg van die termiese vibrasies van die DNA-molekule, gekombineer met konstante botsings met watermolekules. Om entropie redes is meer kompakte ontspanne toestande termies meer toeganklik as uitgerekte toestande, en dus is DNS-molekules byna alomteenwoordig in ingewikkelde "ontspanne" molekulêre modelle. Om hierdie rede sal een DNA-molekule onder die krag strek en dit reguit maak. Deur optiese pincet te gebruik, is die entropiestrekgedrag van DNS vanuit die perspektief van polimeerfisika bestudeer en ontleed, en daar is gevind dat DNS basies soos 'n Kratky-Porod-wurmagtige kettingmodel op fisiologies beskikbare energieskale optree.
Met voldoende spanning en positiewe wringkrag word vermoed dat die DNA 'n fase-oorgang ondergaan, met die ruggraat wat uitwaarts beweeg en die fosfate wat inmiddel. Hierdie voorgestelde struktuur vir oorgestrekte DNS is P-vorm DNS genoem na Linus Pauling, wat dit oorspronklik as 'n moontlike DNS-struktuur voorgestel het.
Bewyse vir meganiese strek van DNA in die afwesigheid van opgelegde wringkrag dui op 'n oorgang of oorgange wat lei tot verdere strukture wat algemeen na verwys word as S-vorms. Hierdie strukture is nog nie definitief gekarakteriseer nie as gevolg van die moeilikheid om resolusiebeelding van 'n atoomresonator in oplossing uit te voer met krag toegepas, hoewel baie rekenaarsimulasiestudies gemaak is. Voorgestelde S-DNA-strukture sluit dié in wat die basispaarvou en waterstofbinding (verryk in GC) behou.
Sigmoid-model
Periodiese breuk van die basispaarstapel met 'n breuk is voorgestel as 'n gereelde struktuur wat die reëlmaat van die basisstapel behou en 'n gepaste hoeveelheid uitbreiding vrystel, met die term "Σ-DNA" wat bekendgestel word as 'n mnemoniek waarin die drie regterkantse kolletjies van die "Sigma"-simbool 'n herinnering dien aan drie gegroepeerde basispare. Daar is getoon dat die vorm Σ 'n volgordevoorkeur vir GNC-motiewe het, wat die GNC_h-hipotese glo evolusionêre betekenis het.
Smelting, verhitting en afwikkeling van die spiraal
Vorm B van die DNA-heliks draai 360° vir 10.4-10.5 bp. in die afwesigheid van torsievervorming. Maar baie molekulêre biologiese prosesse kan torsiestres veroorsaak. 'n Segment van DNS met 'n oormaat ofonderspoel word onderskeidelik in beide positiewe en negatiewe kontekste genoem. DNA in vivo is gewoonlik negatief opgerol (d.w.s. het krulle wat in die teenoorgestelde rigting gedraai is), wat die afwikkeling (smelting) van die dubbelheliks vergemaklik, wat broodnodig is vir RNA-transkripsie.
Binne die sel is die meeste DNS topologies beperk. DNS word gewoonlik gevind in geslote lusse (soos plasmiede in prokariote) wat topologies geslote of baie lang molekules is waarvan die diffusiekoëffisiënte effektief topologies geslote streke produseer. Lineêre stukke DNA word ook algemeen met proteïene of fisiese strukture (soos membrane) geassosieer om geslote topologiese lusse te vorm.
Enige verandering in die T-parameter in 'n geslote topologiese gebied moet gebalanseer word deur 'n verandering in die W-parameter, en omgekeerd. Dit lei tot 'n hoër heliksstruktuur van DNA-molekules. 'n Gewone DNA-molekule met wortel 0 sal sirkelvormig wees in sy klassifikasie. As die draai van hierdie molekule daarna verhoog of verminder word deur superkonformasie, sal die wortels dienooreenkomstig verander word, wat veroorsaak dat die molekule plektnemiese of toroïdale superheliese wikkeling ondergaan.
Wanneer die punte van 'n gedeelte van die DNS-dubbelheliks verbind word sodat dit 'n sirkel vorm, is die stringe topologies gebind. Dit beteken dat individuele drade nie geskei kan word van enige proses wat nie met 'n draadbreuk geassosieer word nie.(bv. verhitting). Die taak om die topologies gekoppelde stringe van DNS los te maak, val op ensieme wat topoisomerases genoem word.
