Terminam "DNS spirāle" ir sarežģīta vēsture un raksturs. Ar to, kā likums, tiek domāts Džeimsa Vatsona ieviestais modelis. DNS dubultspirāle tiek turēta kopā ar nukleotīdiem, kas veido pāri. B-DNS, kas ir visizplatītākā dabā sastopamā spirālveida struktūra, dubultā spirāle ir labā roka ar 10-10,5 bāzes pāriem vienā apgriezienā. DNS dubultās spirāles struktūra satur lielu rievu un nelielu rievu. B-DNS galvenā rieva ir platāka par mazo rievu. Ņemot vērā atšķirību platumā starp galvenajām un mazajām rievām, daudzi proteīni, kas saistās ar B-DNS, to dara caur plašāku galveno rievu.
Atklājumu vēsture
DNS dubultās spirāles strukturālo modeli izdevumā Nature pirmo reizi publicēja Džeimss Vatsons un Frensiss Kriks 1953. gadā (X, Y, Z koordinātas 1954. gadā), pamatojoties uz DNS kritisko rentgenstaru difrakcijas attēlu ar 51. fotoattēlu., no Rozalindas Franklinas 1952. gada darba, kam seko skaidrāks viņas uzņemtais attēlsRaimonds Goslings, Moriss Vilkinss, Aleksandrs Stokss un Herberts Vilsons. Sākotnējais modelis bija trīs pavedienu DNS.
Apzināšanās, ka atvērtā struktūra ir dubultspirāle, izskaidro mehānismu, ar kuru divas DNS virknes savienojas spirālē, ar kuras palīdzību ģenētiskā informācija tiek glabāta un kopēta dzīvos organismos. Šis atklājums tiek uzskatīts par vienu no svarīgākajiem divdesmitā gadsimta zinātnes atziņām. Kriks, Vilkinss un Vatsons katrs saņēma vienu trešdaļu no 1962. gada Nobela prēmijas fizioloģijā vai medicīnā par ieguldījumu atklājumā. Franklins, kura atklājošie rentgenstaru difrakcijas dati tika izmantoti DNS spirāles formulēšanai, nomira 1958. gadā un tāpēc nebija tiesīgs pretendēt uz Nobela prēmijas nomināciju.
Hidridizācijas vērtība
Hibridizācija ir bāzu pāru savienošanas process, kas savienojas, veidojot dubultspirāli. Kušana ir process, kurā tiek pārtraukta mijiedarbība starp dubultspirāles pavedieniem, atdalot divas nukleīnskābju līnijas. Šīs saites ir vājas, viegli atdalāmas ar vieglu karstumu, fermentiem vai mehānisku spēku. Kušana notiek galvenokārt noteiktos nukleīnskābes punktos. DNS spirāles reģioni, kas apzīmēti ar T un A, ir vieglāk izkusuši nekā reģioni C un G. Daži bāzes posmi (pāri) ir arī jutīgi pret DNS kušanu, piemēram, TA un TG. Šīs mehāniskās īpašības atspoguļo tādas sekvences kā TATA daudzu gēnu sākumā, lai palīdzētu RNS polimerāzei izkausēt DNS transkripcijai.
Apkure
Procesu atdalīšanašķipsnas ar seklu karsēšanu, ko izmanto polimerāzes ķēdes reakcijā (PCR), ir vienkārša, ja molekulas ir aptuveni 10 000 bāzes pāru (10 kilobāžu pāri vai 10 kbp). DNS virkņu savstarpēja saviešanās apgrūtina garu segmentu atdalīšanu. Šūna izvairās no šīs problēmas, ļaujot tās DNS kausēšanas enzīmiem (helikāzēm) darboties vienlaikus ar topoizomerāzēm, kas var ķīmiski sašķelt vienas no pavedieniem fosfāta mugurkaulu, lai tā varētu apgriezties ap otru. Helikāzes atritina pavedienus, lai atvieglotu sekvences nolasīšanas enzīmu, piemēram, DNS polimerāzes, pāreju. DNS dubulto spirāli veido šo virkņu saites.
Spirālveida ģeometrija
DNS struktūras ģeometrisko komponentu var raksturot ar 6 koordinātām: nobīde, slīdēšana, kāpums, slīpums, pagriešana un pagriešana. Šīs vērtības precīzi nosaka katra DNS virkņu pāra atrašanās vietu un orientāciju telpā. DNS vai RNS reģionos, kur ir traucēta normālā struktūra, šādu traucējumu raksturošanai var izmantot šo vērtību izmaiņas.
Pacelšanos un pagriešanos nosaka spirāles forma. Citas koordinātas, gluži pretēji, var būt vienādas ar nulli.
Ņemiet vērā, ka "šķībs" zinātniskajā literatūrā bieži tiek lietots dažādos veidos, atsaucoties uz starpvirzienu bāzes pirmās ass novirzi no perpendikulāras spirāles asij. Tas atbilst slīdēšanai starp DNS dubultās spirāles bāzes secību, un ģeometriskās koordinātās tiek pareizi izsauktas"noliekt".
Ģeometriskās atšķirības spirālēs
Tiek uzskatīts, ka dabā notiek vismaz trīs DNS konformācijas: A-DNS, B-DNS un Z-DNS. Tiek uzskatīts, ka B forma, kā aprakstījuši Džeimss Vatsons un Frensiss Kriks, dominē šūnās. Tas ir 23,7 Å plats un pagarina 34 Å par 10 bp. sekvences. DNS dubultspirāli veido divu ribonukleīnskābes līniju saites, kas šķīdumā veic vienu pilnu apgriezienu ap savu asi ik pēc 10,4–10,5 bāzes pāriem. Šī pagrieziena frekvence (saukta par spirālveida piķi) lielā mērā ir atkarīga no sakraušanas spēkiem, ko katra bāze iedarbojas uz tās kaimiņiem ķēdē. Bāžu absolūtā konfigurācija nosaka spirālveida līknes virzienu konkrētai konformācijai.
Atšķirības un funkcijas
A-DNS un Z-DNS būtiski atšķiras pēc to ģeometrijas un izmēra salīdzinājumā ar B-DNS, lai gan tās joprojām veido spirālveida struktūras. Jau sen tika uzskatīts, ka A forma ir sastopama tikai dehidrētos DNS paraugos laboratorijā, ko izmanto kristalogrāfiskos eksperimentos un hibrīda DNS-RNS virkņu pāros, bet DNS dehidratācija notiek in vivo, un tagad A-DNS ir mums zināmas bioloģiskās funkcijas.. DNS segmenti, kuru šūnas ir metilētas regulatīvos nolūkos, var pieņemt Z ģeometriju, kurā pavedieni griežas ap spirālveida asi pretēji A-DNS un B-DNS. Ir arī pierādījumi par proteīna-DNS kompleksiem, kas veido Z-DNS struktūras. DNS spirāles garums nekādā veidā nemainās atkarībā notipa.
Problēmas ar nosaukumiem
Patiesībā tagad ir pieejami tikai burti F, Q, U, V un Y, lai nosauktu dažādus DNS veidus, kas varētu tikt atklāti nākotnē. Tomēr lielākā daļa no šīm formām tika izveidotas sintētiski un tām ir nav novērotas dabiskajās bioloģiskajās sistēmās. Ir arī trīspavedienu (3 DNS pavedieni) un kvadrupola formas, piemēram, G-kvadruplekss.
Pavedienu savienojums
DNS dubulto spirāli veido spirālveida pavedienu saites. Tā kā pavedieni neatrodas tieši viens pret otru, rievas starp tām ir nevienmērīga izmēra. Vienas rievas, galvenās, platums ir 22 Å, bet otras, mazās, garums sasniedz 12 Å. Sekundārās rievas šaurums nozīmē, ka pamatņu malas ir labāk pieejamas galvenajā rievā. Rezultātā proteīni, piemēram, transkripcijas faktori, kas var saistīties ar specifiskām sekvencēm DNS dubultajā spirālē, parasti saskaras ar pamatņu malām, kas ir atvērtas galvenajā rievā. Šī situācija mainās neparastās DNS konformācijās šūnā, taču lielākās un mazākās rievas vienmēr tiek nosauktas, lai atspoguļotu izmēru atšķirības, kas būtu redzamas, ja DNS tiktu savīta atpakaļ tās parastajā B formā.
Modeļa izveide
70. gadu beigās alternatīvi nespirālveida modeļi tika īsi apsvērti kā potenciāls risinājums DNS replikācijas problēmām plazmīdās un hromatīnā. Tomēr tie tika atmesti par labu DNS dubultās spoles modelim turpmāko eksperimentālo sasniegumu, piemēram, rentgenstaru, dēļ. DNS dupleksu kristalogrāfija. Turklāt nedubultspirāles modeļus pašlaik nepieņem galvenā zinātnes aprinda.
Vienpavedienu nukleīnskābes (ssDNS) nepieņem spirālveida formu, un tās raksturo tādi modeļi kā nejauša spole vai tārpveida ķēde.
DNS ir salīdzinoši stingrs polimērs, kas parasti tiek modelēts kā tārpiem līdzīga ķēde. Modeļa stīvums ir svarīgs DNS cirkularizācijai un ar to saistīto proteīnu orientācijai viens pret otru, savukārt histerētiskā aksiālā stīvums ir svarīga DNS iesaiņošanai un olb altumvielu cirkulācijai un mijiedarbībai. Ja nav augsta sprieguma, saspiešana un pagarinājums ir salīdzinoši mazsvarīgs.
Ķīmija un ģenētika
DNS šķīdumā neieņem stingru struktūru, bet pastāvīgi maina konformāciju termiskās vibrācijas un sadursmes ar ūdens molekulām dēļ, kas padara neiespējamu klasisko stinguma mērījumu piemērošanu. Tāpēc DNS lieces stingrību mēra pēc noturības garuma, kas definēts kā "DNS garums, kurā polimēra vidējā orientācija laika gaitā kļūst par koeficientu nekorelāciju".
Šo vērtību var precīzi izmērīt, izmantojot atomu spēka mikroskopu, lai tieši attēlotu dažāda garuma DNS molekulas. Ūdens šķīdumā vidējais nemainīgais garums ir 46–50 nm vai 140–150 bāzes pāri (DNS 2 nm), lai gan tas var ievērojami atšķirties. Tas padara DNS par vidēji stingru molekulu.
DNS segmenta turpinājuma ilgums ir ļoti atkarīgs no tā secības, un tas var izraisīt ievērojamasizmaiņas. Pēdējie galvenokārt rodas enerģijas un fragmentu dēļ, kas izplatās nelielās un lielākās rievās.
Fizikālās īpašības un līknes
DNS entropiskā elastība ir ļoti saskanīga ar polimēru fizikas standarta modeļiem, piemēram, ķēdes tārpa Kratkija-Poroda modeli. Atbilstoši tārpam līdzīgajam modelim ir novērojums, ka DNS saliekšanu apraksta arī Huka likums pie ļoti maziem (subpikoneontoniskiem) spēkiem. Tomēr DNS segmentiem, kuru ilgums un noturība ir mazāka, lieces spēks ir aptuveni nemainīgs un uzvedība atšķiras no prognozēm, atšķirībā no jau minētajiem tārpiem līdzīgajiem modeļiem.
Šis efekts rada neparasti vieglu mazu DNS molekulu cirkulāciju un lielāku varbūtību atrast ļoti izliektus DNS reģionus.
DNS molekulām bieži ir vēlamais lieces virziens, t.i., anizotropā liece. Tas atkal ir saistīts ar bāzu īpašībām, kas veido DNS sekvences, un tieši tās savieno abas DNS virknes spirālē. Dažos gadījumos sekvencēm nav sakāmvārdu pagriezienu.
DNS dubultspirāles struktūra
Vēlamo DNS lieces virzienu nosaka katras bāzes stabilitāte, kas atrodas virs nākamās. Ja nestabilas bāzes sakraušanas soļi vienmēr atrodas vienā DNS spirāles pusē, tad DNS labāk nolocīsies no šī virziena. Divu DNS virkņu savienošana spirālēveic molekulas, kas ir atkarīgas no šī virziena. Palielinoties lieces leņķim, tie spēlē stērisku šķēršļu lomu, parādot spēju sarullēt atlikumus viens pret otru, īpaši mazajā rievā. Nosēdumi A un T vēlams veidoties mazās rievās līkumos. Šis efekts ir īpaši pamanāms saistībā ar DNS un proteīnu saistīšanos, kad tiek izraisīta DNS stingra liece, piemēram, nukleosomu daļiņās.
DNS molekulas ar izcilu saliekšanos var kļūt locītas. Tas pirmo reizi tika atklāts DNS no tripanosomatīda kinetoplasta. Tipiskas sekvences, kas to izraisa, ietver 4–6 T un A posmus, kas atdalīti ar G un C, kas satur A un T atlikumus nelielā rievas fāzē vienā un tajā pašā molekulas pusē.
Iekšējā saliektā struktūra tiek izraisīta ar pamatu pāru "skrūvju pagriešanos" attiecībā pret otru, kas ļauj izveidot neparastas bifurkētas ūdeņraža saites starp bāzes posmiem. Augstākā temperatūrā šī struktūra tiek denaturēta, un tāpēc tiek zaudēts iekšējais izliekums.
Visai DNS, kas liecas anizotropiski, vidēji ir garāks spēks un lielāka aksiālā stingrība. Šī palielinātā stingrība ir nepieciešama, lai novērstu nejaušu izliekšanos, kas izraisītu molekulas izotropisku darbību.
DNS zvanīšana ir atkarīga gan no molekulas aksiālās (lieces) stingrības, gan vērpes (rotācijas) stingrības. Lai DNS molekula varētu veiksmīgi cirkulēt, tai jābūt pietiekami garai, lai tā viegli saliektos pilnā aplī, un tai ir jābūt pareizam bāzu skaitam.gali bija pareizā rotācijā, lai nodrošinātu spirāļu līmēšanas iespēju. Optimālais cirkulējošās DNS garums ir aptuveni 400 bāzes pāru (136 nm). Nepāra apgriezienu skaita klātbūtne ir būtisks enerģijas šķērslis ķēdēm, piemēram, 10,4 x 30=312 pāru molekula cirkulēs simtiem reižu ātrāk nekā 10,4 x 30,5 ≈ 317 molekula.
Elastība
Ilgāki DNS posmi ir entropiski elastīgi, kad tie tiek izstiepti. Kad DNS ir šķīdumā, tajā notiek nepārtrauktas strukturālas izmaiņas, ko izraisa termiskā šķīdinātāja vannā pieejamā enerģija. Tas ir saistīts ar DNS molekulas termiskajām vibrācijām, kas apvienotas ar pastāvīgām sadursmēm ar ūdens molekulām. Entropijas iemeslu dēļ kompaktāki atslābināti stāvokļi ir termiski vieglāk pieejami nekā izstiepti stāvokļi, un tāpēc DNS molekulas ir gandrīz visuresošas sarežģītos "atslābinātajos" molekulārajos modeļos. Šī iemesla dēļ viena DNS molekula stiepjas zem spēka, iztaisnojot to. Izmantojot optiskās pincetes, DNS entropijas stiepšanās uzvedība ir pētīta un analizēta no polimēru fizikas viedokļa, un ir konstatēts, ka DNS pamatā uzvedas kā Kratkija-Porodas tārpiem līdzīgs ķēdes modelis uz fizioloģiski pieejamām enerģijas skalām.
Ar pietiekamu spriedzi un pozitīvu griezes momentu tiek uzskatīts, ka DNS notiek fāzes pāreja, mugurkauliem virzoties uz āru un fosfātiemvidū. Šī ierosinātā struktūra pārlieku izstieptai DNS tika nosaukta par P formas DNS pēc Linusa Polinga, kurš sākotnēji to iztēlojās kā iespējamu DNS struktūru.
Pierādījumi par DNS mehānisku stiepšanu, ja nav uzlikts griezes moments, norāda uz pāreju vai pārejām, kas noved pie turpmākām struktūrām, ko parasti dēvē par S formām. Šīs struktūras vēl nav pilnībā raksturotas, jo ir grūti veikt atomu rezonatora izšķirtspējas attēlveidošanu šķīdumā ar spēku, lai gan ir veikti daudzi datorsimulācijas pētījumi. Ieteicamās S-DNS struktūras ietver tās, kas saglabā bāzes pāra kroku un ūdeņraža saiti (bagātinātas ar GC).
Sigmoid modelis
Periodiska bāzes pāra kaudzes lūzums ar pārtraukumu ir ierosināta kā regulāra struktūra, kas saglabā bāzes skursteņa regularitāti un atbrīvo atbilstošu izplešanās apjomu, ieviešot terminu "Σ-DNS". kā mnemonika, kurā trīs simbola "Sigma" labās puses punkti kalpo kā atgādinājums par trim grupētiem bāzes pāriem. Ir pierādīts, ka forma Σ dod priekšroku GNC motīviem, kam GNC_h hipotēze uzskata, ka tiem ir evolucionāra nozīme.
Spirāles kausēšana, karsēšana un attīšana
DNS spirāles B forma griežas par 360° par 10,4–10,5 bp. ja nav vērpes deformācijas. Bet daudzi molekulāri bioloģiskie procesi var izraisīt vērpes stresu. DNS segments ar lieko vaiundercoiling tiek minēts attiecīgi gan pozitīvā, gan negatīvā kontekstā. DNS in vivo parasti ir negatīvi saritināta (t.i., tai ir cirtas, kas ir savītas pretējā virzienā), kas atvieglo dubultās spirāles attīšanu (kušanu), kas ir ļoti nepieciešama RNS transkripcijai.
Šūnā lielākā daļa DNS ir topoloģiski ierobežota. DNS parasti atrodama slēgtās cilpās (piemēram, plazmīdas prokariotos), kas ir topoloģiski slēgtas vai ļoti garas molekulas, kuru difūzijas koeficienti efektīvi rada topoloģiski slēgtus reģionus. Lineāri DNS posmi parasti tiek saistīti arī ar proteīniem vai fiziskām struktūrām (piemēram, membrānām), veidojot slēgtas topoloģiskās cilpas.
Jebkurām T parametra izmaiņām slēgtā topoloģiskā reģionā ir jābūt līdzsvarotām ar W parametra izmaiņām un otrādi. Tas rada augstāku DNS molekulu spirāles struktūru. Parasta DNS molekula ar sakni 0 savā klasifikācijā būtu apļveida. Ja šīs molekulas vērpums pēc tam tiek palielināts vai samazināts ar superkonformāciju, saknes tiks attiecīgi izmainītas, izraisot molekulas pleknonēmisku vai toroidālu superspirālu tinumu.
Kad DNS dubultās spirāles sadaļas gali ir savienoti tā, lai tā veidotu apli, pavedieni ir topoloģiski saistīti. Tas nozīmē, ka atsevišķus pavedienus nevar atdalīt no neviena procesa, kas nav saistīts ar pavediena pārrāvumu.(piemēram, apkure). Topoloģiski saistīto DNS pavedienu atsaistīšanas uzdevums ir enzīmi, ko sauc par topoizomerāzēm.
