Pojem „šroubovice DNA“má složitou historii a povahu. Tím je zpravidla myšlen model představený Jamesem Watsonem. Dvojitá šroubovice DNA je držena pohromadě s nukleotidy, které tvoří pár. V B-DNA, nejběžnější spirálové struktuře nalezené v přírodě, je dvojitá šroubovice pravotočivá s 10-10,5 páry bází na otáčku. Dvoušroubovicová struktura DNA obsahuje hlavní drážku a vedlejší drážku. U B-DNA je hlavní drážka širší než vedlejší drážka. Vzhledem k rozdílu v šířce mezi hlavními a vedlejšími drážkami se mnoho proteinů, které se vážou na B-DNA, děje prostřednictvím širší hlavní drážky.
Historie objevů
Strukturní model dvojité šroubovice DNA byl poprvé publikován v Nature Jamesem Watsonem a Francisem Crickem v roce 1953 (souřadnice X, Y, Z v roce 1954) na základě kritického rentgenového difrakčního snímku DNA označeného Fotografie 51, z práce Rosalind Franklinové z roku 1952, následovaný jasnějším obrazem jejího pořízeníRaymond Gosling, Maurice Wilkins, Alexander Stokes a Herbert Wilson. Předběžným modelem byla třívláknová DNA.
Uvědomění si, že otevřená struktura je dvojitá šroubovice, vysvětluje mechanismus, kterým se dvě vlákna DNA spojují do šroubovice, pomocí níž se ukládají a kopírují genetické informace v živých organismech. Tento objev je považován za jeden z nejdůležitějších vědeckých poznatků dvacátého století. Crick, Wilkins a Watson obdrželi každý po jedné třetině Nobelovy ceny za fyziologii a medicínu z roku 1962 za svůj příspěvek k objevu. Franklin, jehož průlomová data rentgenové difrakce byla použita k vytvoření šroubovice DNA, zemřel v roce 1958, a proto nebyl způsobilý pro nominaci na Nobelovu cenu.
Hodnota pro hybridizaci
Hybridizace je proces spojování párů bází, které se spojí a vytvoří dvojitou šroubovici. Tání je proces, při kterém jsou narušeny interakce mezi řetězci dvojité šroubovice, čímž se oddělují dvě řady nukleových kyselin. Tyto vazby jsou slabé, snadno se oddělují mírným teplem, enzymy nebo mechanickou silou. K tání dochází převážně v určitých bodech nukleové kyseliny. Oblasti šroubovice DNA označené T a A se taví snadněji než oblasti C a G. Některé základní stupně (páry) jsou také náchylné k tání DNA, jako je TA a TG. Tyto mechanické vlastnosti se odrážejí v sekvencích, jako je TATA na začátku mnoha genů, které pomáhají RNA polymeráze roztavit DNA pro transkripci.
Vytápění
Oddělení procesuřetězců mělkým ohřevem, jak se používá při polymerázové řetězové reakci (PCR), je jednoduché, za předpokladu, že molekuly mají přibližně 10 000 párů bází (10 párů bází nebo 10 kbp). Propletení řetězců DNA znesnadňuje oddělení dlouhých segmentů. Buňka se tomuto problému vyhýbá tím, že umožňuje, aby její enzymy tání DNA (helikázy) pracovaly současně s topoizomerázami, které dokážou chemicky štěpit fosfátovou kostru jednoho z vláken, takže se může otočit kolem druhého. Helikázy rozvíjejí vlákna, aby usnadnily průchod enzymů pro čtení sekvence, jako je DNA polymeráza. Dvojitá šroubovice DNA je tvořena vazbami těchto vláken.
Spirální geometrie
Geometrická složka struktury DNA může být charakterizována 6 souřadnicemi: posun, posunutí, vzestup, naklonění, otočení a otočení. Tyto hodnoty přesně určují umístění a orientaci v prostoru každého páru řetězců DNA. V oblastech DNA nebo RNA, kde je narušena normální struktura, lze k popisu takového narušení použít změnu těchto hodnot.
Vzestup a otočení jsou určeny tvarem spirály. Jiné souřadnice se naopak mohou rovnat nule.
Všimněte si, že "zešikmení" se ve vědecké literatuře často používá různými způsoby a odkazuje na odchylku první osy mezivláknové základny od kolmé k ose šroubovice. To odpovídá klouzání mezi základní sekvencí dvoušroubovice DNA a v geometrických souřadnicích je správně nazýváno"naklonit".
Geometrické rozdíly ve spirálách
Předpokládá se, že se přirozeně vyskytují nejméně tři konformace DNA: A-DNA, B-DNA a Z-DNA. Forma B, jak ji popsali James Watson a Francis Crick, je považována za převládající v buňkách. Je široký 23,7 Å a prodlužuje se o 34 Å o 10 bp. sekvence. Dvojšroubovice DNA je tvořena vazbami dvou linií ribonukleové kyseliny, které udělají jednu úplnou otáčku kolem své osy každých 10,4-10,5 párů bází v roztoku. Tato frekvence zkroucení (nazývaná stoupání šroubovice) závisí do značné míry na silách, které každá základna vyvíjí na své sousedy v řetězu. Absolutní konfigurace základen určuje směr spirálové křivky pro danou konformaci.
Rozdíly a funkce
A-DNA a Z-DNA se výrazně liší ve své geometrii a velikosti ve srovnání s B-DNA, i když stále tvoří spirálové struktury. Dlouho se mělo za to, že forma A se vyskytuje pouze v dehydratovaných vzorcích DNA v laboratoři používaných v krystalografických experimentech a při hybridních párování řetězců DNA-RNA, ale k dehydrataci DNA dochází in vivo a A-DNA má nyní biologické funkce, které jsou nám známé.. Segmenty DNA, jejichž buňky byly methylovány pro regulační účely, mohou přijmout geometrii Z, ve které vlákna rotují kolem osy šroubovice opačným způsobem než A-DNA a B-DNA. Existují také důkazy o komplexech protein-DNA tvořících struktury Z-DNA. Délka šroubovice DNA se nijak nemění v závislosti natyp.
Problémy se jmény
Pro pojmenování různých typů DNA, které mohou být v budoucnu objeveny, jsou nyní k dispozici pouze písmena F, Q, U, V a Y. Většina těchto forem však byla vytvořena synteticky a mají nebyly pozorovány v přírodních biologických systémech. Existují také třívláknové (3 vlákna DNA) a kvadrupólové formy, jako je G-kvadruplex.
Spojení vláken
Dvoušroubovice DNA je tvořena vazbami spirálových vláken. Protože závity nejsou přímo proti sobě, mají drážky mezi nimi nestejnou velikost. Jedna drážka, hlavní, má šířku 22 Å a druhá, malá, dosahuje délky 12 Å. Úzkost vedlejší drážky znamená, že okraje základen jsou lépe přístupné v hlavní drážce. V důsledku toho se proteiny, jako jsou transkripční faktory, které se mohou vázat na specifické sekvence ve dvoušroubovici DNA, typicky dostanou do kontaktu se stranami bází, které jsou otevřené v hlavní drážce. Tato situace se mění v neobvyklých konformacích DNA v buňce, ale hlavní a vedlejší drážky jsou vždy pojmenovány tak, aby odrážely rozdíly ve velikosti, které by byly vidět, kdyby byla DNA zkroucena zpět do svého normálního tvaru B.
Vytvoření modelu
Koncem sedmdesátých let byly alternativní nehelikální modely krátce zvažovány jako potenciální řešení problémů replikace DNA v plazmidech a chromatinu. Byly však opuštěny ve prospěch modelu dvojité spirály DNA kvůli následným experimentálním pokrokům, jako je rentgenkrystalografie duplexů DNA. Také modely bez dvojité šroubovice nejsou v současné době akceptovány hlavní vědeckou komunitou.
Jednořetězcové nukleové kyseliny (ssDNA) nemají spirálovitý tvar a jsou popsány modely, jako je náhodná spirála nebo červovitý řetězec.
DNA je relativně tuhý polymer, typicky modelovaný jako červovitý řetězec. Tuhost modelu je důležitá pro cirkularizaci DNA a orientaci jejích asociovaných proteinů vůči sobě navzájem, zatímco hysteretická axiální tuhost je důležitá pro obalování DNA a cirkulaci a interakci proteinů. Kompresní prodloužení je při absenci vysokého napětí relativně nedůležité.
Chemie a genetika
DNA v roztoku nenabývá tuhou strukturu, ale neustále mění konformaci v důsledku tepelných vibrací a kolize s molekulami vody, což znemožňuje použití klasických měření tuhosti. Tuhost v ohybu DNA je proto měřena délkou perzistence, definovanou jako "délka DNA, po kterou se časově zprůměrovaná orientace polymeru stane koeficientem nekorelovaným."
Tuto hodnotu lze přesně změřit pomocí mikroskopu atomárních sil k přímému zobrazení molekul DNA různých délek. Ve vodném roztoku je průměrná konstantní délka 46-50 nm nebo 140-150 párů bází (DNA 2 nm), i když se může značně lišit. Díky tomu je DNA středně tuhá molekula.
Trvání pokračování segmentu DNA je vysoce závislé na jeho sekvenci, což může vést k významnýmZměny. Ty jsou většinou způsobeny hromaděním energie a úlomků, které se šíří do menších a větších drážek.
Fyzikální vlastnosti a křivky
Entropická flexibilita DNA je pozoruhodně konzistentní se standardními modely fyziky polymerů, jako je Kratky-Porod model řetězového červa. V souladu s červovitým modelem je pozorování, že ohýbání DNA je také popsáno Hookovým zákonem při velmi malých (subpikonontonických) silách. U segmentů DNA menšího trvání a perzistence je však ohybová síla přibližně konstantní a chování se odchyluje od předpovědí, na rozdíl od již zmíněných modelů podobných červům.
Tento efekt má za následek neobvykle snadnou cirkularizaci malých molekul DNA a vyšší pravděpodobnost nalezení vysoce zakřivených oblastí DNA.
Molekuly DNA mají často preferovaný směr ohýbání, tj. anizotropní ohyb. To je opět způsobeno vlastnostmi bází, které tvoří sekvence DNA, a jsou to právě ony, které spojují dva řetězce DNA do šroubovice. V některých případech sekvence nemají pověstné zvraty.
Struktura dvojité šroubovice DNA
Preferovaný směr ohýbání DNA je určen stabilitou stohování každé báze na další. Pokud jsou kroky nestabilního vrstvení bází vždy na jedné straně šroubovice DNA, pak se DNA přednostně složí z tohoto směru. Spojení dvou řetězců DNA do šrouboviceprováděné molekulami, které jsou závislé na tomto směru. S rostoucím úhlem ohybu hrají roli sterických překážek, které ukazují schopnost odvalovat zbytky ve vztahu k sobě, zejména v malé drážce. Usazeniny A a T se budou přednostně vyskytovat v malých drážkách v ohybech. Tento účinek je zvláště patrný při vazbě DNA-protein, když je indukováno rigidní ohýbání DNA, například v částicích nukleozomů.
Molekuly DNA s výjimečným ohybem se mohou ohýbat. To bylo poprvé objeveno v DNA z trypanosomatid kinetoplastu. Typické sekvence, které to způsobují, zahrnují 4-6 úseků T a A oddělených G a C, které obsahují zbytky A a T ve fázi minor groove na stejné straně molekuly.
Vnitřní ohnutá struktura je způsobena "šroubováním" párů bází vůči sobě navzájem, což umožňuje vytvoření neobvyklých rozvětvených vodíkových vazeb mezi stupni bází. Při vyšších teplotách je tato struktura denaturována a tím dochází ke ztrátě vnitřního zakřivení.
Veškerá DNA, která se anizotropně ohýbá, má v průměru delší tah a větší axiální tuhost. Tato zvýšená tuhost je nezbytná, aby se zabránilo náhodnému ohnutí, které by způsobilo, že molekula bude působit izotropně.
Zvonění DNA závisí jak na axiální (ohybové) tuhosti, tak i na torzní (rotační) tuhosti molekuly. Aby molekula DNA mohla úspěšně cirkulovat, musí být dostatečně dlouhá, aby se dala snadno ohnout do celého kruhu, a musí mít správný počet bází.konce byly ve správné rotaci, aby byla zajištěna možnost slepení spirálek. Optimální délka pro cirkulující DNA je asi 400 párů bází (136 nm). Přítomnost lichého počtu závitů je významnou energetickou bariérou pro obvody, například molekula 10,4 x 30=312 párů bude cirkulovat stokrát rychleji než molekula 10,4 x 30,5 ≈ 317.
Elasticita
Delší úseky DNA jsou při natažení entropicky elastické. Když je DNA v roztoku, prochází neustálými strukturálními změnami v důsledku energie dostupné v termální rozpouštědlové lázni. To je způsobeno tepelnými vibracemi molekuly DNA v kombinaci s neustálými srážkami s molekulami vody. Z entropických důvodů jsou kompaktnější uvolněné stavy tepelně dostupnější než natažené stavy, a tak jsou molekuly DNA ve složitých „uvolněných“molekulárních modelech téměř všudypřítomné. Z tohoto důvodu se jedna molekula DNA natáhne pod silou a narovná ji. Pomocí optických pinzet bylo chování DNA při napínání entropie studováno a analyzováno z pohledu fyziky polymerů a bylo zjištěno, že DNA se chová v podstatě jako model řetězce červa Kratky-Porod na fyziologicky dostupných energetických měřítcích.
S dostatečným napětím a pozitivním kroutícím momentem se předpokládá, že DNA projde fázovým přechodem, přičemž páteře se pohybují směrem ven a fosfáty se pohybují dostřední. Tato navrhovaná struktura pro přetaženou DNA byla pojmenována P-forma DNA podle Linuse Paulinga, který si ji původně představoval jako možnou strukturu DNA.
Důkaz pro mechanické natahování DNA v nepřítomnosti bodů vnuceného krouticího momentu k přechodu nebo přechodům vedoucím k dalším strukturám běžně označovaným jako S-tvary. Tyto struktury dosud nebyly definitivně charakterizovány kvůli obtížnosti provádění rozlišení zobrazení atomového rezonátoru v roztoku s aplikovanou silou, ačkoli bylo provedeno mnoho počítačových simulačních studií. Navrhované struktury S-DNA zahrnují ty, které si zachovávají záhyb páru bází a vodíkovou vazbu (obohacenou o GC).
Sigmoidní model
Periodický zlom zásobníku párů bází s přerušením byl navržen jako pravidelná struktura, která zachovává pravidelnost zásobníku bází a uvolňuje přiměřenou míru expanze, se zavedením termínu „Σ-DNA“jako mnemotechnická pomůcka, ve které tři pravé tečky symbolu „Sigma“připomínají tři seskupené páry bází. Ukázalo se, že forma Σ má sekvenční preferenci pro motivy GNC, o kterých se hypotéza GNC_h domnívá, že mají evoluční význam.
Tavení, zahřívání a odvíjení spirály
Forma B šroubovice DNA se stáčí o 360° na 10,4-10,5 bp. při absenci torzní deformace. Ale mnoho molekulárně biologických procesů může vyvolat torzní napětí. Segment DNA s přebytkem resppodcoilování je zmiňováno v pozitivním i negativním kontextu. DNA in vivo je obvykle negativně stočená (tj. má kadeře, které jsou stočeny v opačném směru), což usnadňuje odvíjení (tavení) dvoušroubovice, která je velmi potřebná pro transkripci RNA.
Uvnitř buňky je většina DNA topologicky omezená. DNA se obvykle nachází v uzavřených smyčkách (jako jsou plazmidy u prokaryot), což jsou topologicky uzavřené nebo velmi dlouhé molekuly, jejichž difúzní koeficienty účinně vytvářejí topologicky uzavřené oblasti. Lineární úseky DNA jsou také běžně spojovány s proteiny nebo fyzickými strukturami (jako jsou membrány) a vytvářejí uzavřené topologické smyčky.
Jakákoli změna parametru T v uzavřené topologické oblasti musí být vyvážena změnou parametru W a naopak. To má za následek vyšší helixovou strukturu molekul DNA. Obyčejná molekula DNA s kořenem 0 by byla ve své klasifikaci kruhová. Pokud se zkroucení této molekuly následně zvýší nebo sníží superkonformací, pak se kořeny odpovídajícím způsobem změní, což způsobí, že molekula podstoupí plektonemické nebo toroidní superhelické vinutí.
Když jsou konce úseku dvoušroubovice DNA spojeny tak, že tvoří kruh, jsou vlákna topologicky svázána. To znamená, že jednotlivá vlákna nelze oddělit od žádného procesu, který není spojen s přerušením vlákna.(např. topení). Úkol rozvázat topologicky propojená vlákna DNA připadá na enzymy zvané topoizomerázy.
