Термин "спирали ДНК" имеет сложную историю и природу. Под ним, как правило, подразумевается модель, введенная Джеймсом Уотсоном. Двойная спираль ДНК удерживается вместе с нуклеотидами, которые образуют пару. В B-ДНК, наиболее распространенной спиральной структуре, найденной в природе, двойная спираль правая с 10-10,5 пар оснований за ход. Двойная спиральная структура ДНК содержит большую канавку и мелкую бороздку. В B-ДНК большая канавка шире, чем малая. Учитывая разницу в ширине основной и малой канавки, многие белки, которые связываются с B-ДНК, делают это через более широкую основную.
История открытия
Структурная модель двойной спирали ДНК была впервые опубликована в журнале Nature Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком в 1953 году (X, Y, Z координаты в 1954 году) на основе критического рентгеновского дифракционного изображения ДНК, помеченного как «Фото 51», из работы Розалинды Франклин 1952 года, за которой следует ее более четкое изображение, сделанное Раймондом Гослингом, Морисом Уилкинсом, Александром Стоуксом и Гербертом Уилсоном. Предварительной моделью была трехцепочечная ДНК.
Осознание того, что открытая структура представляет собой двойную спираль, объясняет механизм соединение двух цепей ДНК в спираль, посредством которого генетическая информация хранится и копируется в живых организмах. Это открытие считается одним из важнейших научных озарений двадцатого века. Крик, Уилкинс и Уотсон получили по одной трети от Нобелевской премии 1962 года по физиологии и медицине за вклад в открытие. Франклин, чьи прорывные данные рентгеновской дифракции были использованы для формулирования спирали ДНК, умер в 1958 году и, следовательно, не имел права быть номинированным на Нобелевскую премию.
Значение для гибридизации
Гибридизация - это процесс соединения пар оснований, связывающих с образованием двойной спирали. Плавление - это процесс, посредством которого нарушаются взаимодействия между цепями двойной спирали, разделяя две линии нуклеиновых кислот. Эти связи слабы, легко разделены мягким нагреванием, ферментами или механической силой. Плавление происходит преимущественно в определенных точках нуклеиновой кислоты. Области спирали ДНК, отмеченные как T и A, легче расплавляются, чем области C и G. Некоторые базовые стадии (пары) также восприимчивы к плавлению ДНК, таким как TA и TG. Эти механические признаки отражаются с помощью таких последовательностей, как TATA в начале многих генов, чтобы помочь РНК-полимеразе в плавлении ДНК для транскрипции.
Нагрев
Процесс разделение стренги путем неглубокого нагрева, который используется в полимеразной цепной реакции (ПЦР), прост, при условии что молекулы имеют примерно 10000 пар оснований (10 килобазных пар или 10 т. п. н.). Переплетение спиралей ДНК затрудняет разделение длинных сегментов. Ячейка избегает этой проблемы, позволяя своим ДНК-плавильным ферментам (геликазам) работать одновременно с топоизомеразами, которые могут химически расщеплять фосфатную основу одной из нитей, чтобы она могла поворачиваться вокруг другой. Геликазы разматывают пряди, чтобы облегчить продвижение ферментов, считывающих последовательность, таких как ДНК-полимераза. Двойная спираль ДНК образуется за счет связей этих прядей.
Геометрия спиралей
Геометрическую составляющую структуры ДНК можно характеризовать 6 координатами: сдвигом, скольжением, подъемом, наклоном, закручиванием и поворотом. Эти значения точно определяют местоположение и ориентацию в пространстве каждой пары спиралей ДНК. В областях ДНК или РНК, где нормальная структура разрушена, изменение этих значений может быть использовано для описания такого нарушения.
Подъем и поворот определяются формой спирали. Другие координаты, напротив, могут быть равны нулю.
Обратите внимание, что «наклон» часто используется в научной литературе по-разному, ссылаясь на отклонение первой оси межцепной базы от перпендикулярности к оси спирали. Это соответствует скольжению между последовательностью оснований двойной спирали ДНК, а в геометрических координатах правильно называется «наклоном».
Геометрические различия в спиралях
Считается, что по меньшей мере три конформации ДНК встречаются в природе: A-ДНК, B-ДНК и Z-ДНК. Считается, что форма B, описанная Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком, преобладает в клетках. Она имеет ширину 23,7 Å и удлиняет 34 Å на 10 п. о. последовательности. Двойная спираль ДНК образуется за счет связей двух линий рибонуклеиновой кислоты, которые делают один полный оборот вокруг своей оси каждые 10,4-10,5 пар оснований в растворе. Эта частота закручивания (называемая спиральным шагом) во многом зависит от сил укладки, которые каждая база оказывает на своих соседей в цепочке. Абсолютная конфигурация оснований определяет направление спиральной кривой для данной конформации.
Различия и выполняемые функции
A-ДНК и Z-ДНК значительно отличаются по своей геометрии и размерам по сравнению с B-ДНК, хотя они все еще образуют спиральные структуры. Долгое время считалось, что форма А встречается только в дегидратированных образцах ДНК в лаборатории, которые используются в кристаллографических экспериментах, и в гибридных спариваниях цепей ДНК и РНК, но дегидратация ДНК действительно происходит in vivo, а А-ДНК теперь имеют известные нам биологические функции. Сегменты ДНК, клетки которых были метилированы для регуляторных целей, могут принимать геометрию Z, в которой нити поворачиваются вокруг спиральной оси противоположным образом к A-ДНК и B-ДНК. Имеются также свидетельства комплексов белков-ДНК, образующих структуры Z-ДНК. Длина спирали ДНК при этом никак не меняется в зависимости от типа.
Проблемы с названиями
Фактически для названия разных типов ДНК, которые могут быть открыты в будущем, теперь доступны только буквы F, Q, U, V и Y. Однако большинство этих форм были созданы синтетически и не наблюдались в естественных биологических системах. Существуют также трехцепочечные (3 спирали ДНК) и квадрупольные формы, такие как G-квадруплекс.
Соединение нитей
Двойная спираль ДНК образуется за счет связей спиральных нитей. Поскольку нити не находятся прямо друг напротив друга, канавки между ними имеют неравномерный размер. Одна канавка, основная, имеет ширину 22 Å, а другая, малая, достигает длины 12 Å. Узость второстепенной канавки означает, что края оснований более доступны в основной канавке. В результате белки, такие как факторы транскрипции, которые могут связываться с конкретными последовательностями в двойной спирали ДНК, обычно контактируют с боками оснований, открытых в основной канавке. Эта ситуация меняется в необычных конформациях ДНК внутри клетки, но основные и второстепенные борозды всегда называются так, чтобы отражать различия в размере, которые можно было бы увидеть, если ДНК скручивается обратно в обычную форму В.
Создание модели
В конце 1970-х годов в качестве потенциального решения проблем репликации ДНК в плазмидах и хроматине были кратко рассмотрены альтернативные неспиральные модели. Однако они были отвергнуты в пользу двойной модели, изображающей виток спирали ДНК, из-за последующих экспериментальных достижений, таких как рентгеновская кристаллография ДНК-дуплексов. Кроме того, не двойные спиральные модели в настоящее время не принимаются основным научным сообществом.
Одноцепочечные нуклеиновые кислоты (ssDNA) не принимают спиральную форму и описываются такими моделями как случайная катушка или червоподобная цепь.
ДНК является относительно жестким полимером, типично смоделированным как червоподобная цепь. Модельная жесткость важна для циркуляризации ДНК и ориентации связанных с ней белков относительно друг друга, а гистерезисная осевая жесткость важна для обертывания ДНК и циркулирования и взаимодействия белков. Сжатие-удлинение относительно неважно при отсутствии высокого напряжения.
Химия и генетика
ДНК в растворе не принимает жесткую структуру, но постоянно меняет конформацию из-за тепловой вибрации и столкновения с молекулами воды, что делает невозможным применение классических мер жесткости. Следовательно, изгибная жесткость ДНК измеряется длиной персистентности, определяемой как "длина ДНК, по которой усредненная по времени ориентация полимера становится некоррелированной по коэффициенту".
Это значение может быть точно измерено с помощью атомного силового микроскопа для непосредственного изображения молекул ДНК различной длины. В водном растворе средняя постоянная длина составляет 46-50 нм или 140-150 пар оснований (диаметр ДНК 2 нм), хотя она может значительно различаться. Это делает ДНК умеренно жесткой молекулой.
Длительность продолжения участка ДНК сильно зависит от ее последовательности, и это может привести к значительным изменениям. Последние в большинстве своем обусловлены энергией штабелирования и фрагментами, которые распространяются на минорные и крупные канавки.
Физические свойства и изгибы
Энтропийная гибкость ДНК удивительно согласуется со стандартными моделями полимерной физики, такими как модель цепного червя типа Кратки-Порода. В соответствии с моделью, подобной червям, является наблюдение, что изгибающая ДНК также описывается законом Гука при очень малых (субпиконеонтонных) силах. Однако для сегментов ДНК, меньших по длительности и персистентности, изгибная сила приблизительно постоянна, а поведение отклоняется от прогнозов, в отличие от уже упомянутых червеобразных моделей.
Этот эффект приводит к необычной легкости в циркуляризации небольших молекул ДНК и более высокой вероятности нахождения сильно изогнутых участков ДНК.
Молекулы ДНК часто имеют предпочтительное направление для изгиба, то есть анизотропный изгиб. Это, опять же, связано со свойствами оснований, которые составляют последовательности ДНК, а соединение двух цепей ДНК в спираль осуществляют именно они. В некоторых случаях последовательности не имеют пресловутых изгибов.
Структура двойной спирали ДНК
Предпочтительное направление изгиба ДНК определяется стабильностью укладки каждого основания поверх следующего. Если на одной стороне спирали ДНК всегда находятся неустойчивые этапы штабелирования основы, то ДНК предпочтительно будет отгибаться от этого направления. Соединение двух цепей ДНК в спираль осуществляют молекулы, зависящие от этого направления. По мере увеличения угла изгиба они играют роль стерических препятствий, проявляя способность прокатывать остатки по отношению друг к другу, особенно в малой канавке. Отложения A и T будут предпочтительно встречаться в небольших канавках внутри изгибов. Этот эффект особенно проявляется в связывании ДНК-белка, когда индуцируется жесткий изгиб ДНК, например, в нуклеосомных частицах.
Молекулы ДНК с исключительным изгибом могут стать изгибающимися. Это было впервые обнаружено в ДНК трипаносоматида кинетопласта. Типичные последовательности, которые вызывают это, содержат отрезки 4-6 T и A, разделенные по принципу G и C, которые содержат остатки A и T в фазе с малой канавкой на одной стороне молекулы.
Внутренняя изогнутая структура индуцируется «прокруткой винта» пар оснований друг относительно друга, что позволяет создавать необычные бифурцированные водородные связи между базовыми ступенями. При более высоких температурах эта структура денатурирована, и поэтому собственный изгиб теряется.
Вся ДНК, которая изгибается анизотропно, имеет, в среднем, более длительный упор и большую осевую жесткость. Эта повышенная жесткость необходима для предотвращения случайного изгиба, который заставит молекулу действовать изотропно.
Кольцевание ДНК зависит как от осевой (изгибной) жесткости, так и от крутильной (вращательной) жесткости молекулы. Чтобы молекула ДНК успешно циркулировала, она должна быть достаточно длинной, чтобы легко сгибаться в полный круг и иметь правильное количество оснований, чтобы концы находились в правильном вращении, дабы обеспечить возможность склеивания спиралей. Оптимальная длина для циркулирования ДНК составляет около 400 пар оснований (136 нм). Наличие нечетного числа поворотов представляет собой значительный энергетический барьер для кругооборотов, например, молекула пары 10,4 х 30 = 312 будет циркулировать в сотни раз быстрее, чем 10,4 х 30,5 ≈ 317-молекулы.
Эластичность
Более длинные участки ДНК энтропически эластичны при растяжении. Когда ДНК находится в растворе, она подвергается непрерывным структурным изменениям из-за энергии, доступной в термальной ванне растворителя. Это связано с тепловыми колебаниями молекулы ДНК в сочетании с постоянными столкновениями с молекулами воды. По энтропийным причинам более компактные расслабленные состояния являются термически более доступными, чем растянутые состояния, и поэтому молекулы ДНК почти повсеместно встречаются в запутанных "расслабленных" молекулярных моделях. По этой причине одна молекула ДНК будет растягиваться под действием силы, выправляя ее. Используя оптические пинцеты, энтропийное растягивающее поведение ДНК изучалось и анализировалось с точки зрения физики полимеров, и было обнаружено, что ДНК ведет себя в основном как червеподобная цепная модель Кратки-Порода в физиологически доступных энергетических масштабах.
При достаточном натяжении и положительном крутящем моменте ДНК, как считается, подвергается фазовому переходу, при этом основы расходятся наружу, а фосфаты перемещаются в середину. Эта предложенная структура для перенапряженной ДНК была названа ДНК P-формы в честь Линуса Полинга, который изначально представлял ее как возможную структуру ДНК.
Доказательства механического растяжения ДНК в отсутствие наложенного крутящего момента указывают на переход или переходы, ведущие к дальнейшим структурам, которые обычно называются S-формами. Эти структуры еще не были окончательно охарактеризованы из-за сложности выполнения изображений с разрешением атомного резонатора в растворе при приложении силы, хотя многие компьютерные симуляционные исследования были сделаны. Предлагаемые структуры S-ДНК включают в себя те, которые сохраняют укладку базовой пары и водородную связь (обогащенную GC).
Сигмовидная модель
Периодический перелом стека базовой пары с разрывом был предложен как регулярная структура, которая сохраняет планомерность базового укладки и освобождает соответствующее количество расширения, причем термин «Σ-ДНК» вводится как мнемоника, в которой три правые точки символа «Сигмы» служат напоминанием о трех сгруппированных парах оснований. Было показано, что форма Σ имеет предпочтение последовательности для мотивов GNC, которые, по мнению GNC_h-гипотезы, имеют эволюционное значение.
Плавление, нагревание и разматывание спирали
Форма B спирали ДНК закручивается на 360° на 10,4-10,5 п. о. в отсутствие деформации скручивания. Но многие молекулярные биологические процессы могут вызывать крутильное напряжение. Сегмент ДНК с избыточным или недостаточным спиральным скручиванием упоминается, соответственно, как в положительном, так и в отрицательном контексте. ДНК in vivo обычно отрицательно закручено (т. е. имеет завитки, закрученные в противоположную сторону), что облегчает разматывание (плавление) двойной спирали, остро необходимое для транскрипции РНК.
Внутри клетки большинство ДНК топологически ограничено. ДНК обычно находится в замкнутых петлях (таких как плазмиды в прокариотах), которые являются топологически закрытыми или очень длинными молекулами, коэффициенты диффузии которых эффективно производят топологически замкнутые области. Линейные участки ДНК также обычно связаны с белками или физическими структурами (такими как мембраны) с образованием замкнутых топологических петель.
Любое изменение параметра T в замкнутой топологической области должно быть сбалансировано изменением параметра W, и наоборот. Это приводит к структуре более высокого порядка спирали из молекул ДНК. Обычная молекула ДНК с корнем 0 будет круговой по своей классификации. Если кручение этой молекулы впоследствии будет увеличено или уменьшено за счет суперсогласования, то корни будут соответствующим образом изменены, что приведет к тому, что молекула подвергнется плектнонемической или тороидальной суперхелической намотке.
Когда концы участка двойной спирали ДНК соединяются так, что она образует круг, то нити являются топологически завязанными. Это означает, что отдельные нити не могут быть отделены от любого процесса, который не связан с разрывом нити (например, нагреванием). Задача неразвязывания топологически связанных нитей ДНК приходится на ферменты, называемые топоизомеразами.
