Izraz "DNK helix" ima složenu istoriju i prirodu. Pod njim se, u pravilu, misli na model koji je uveo James Watson. Dvostruka spirala DNK se drži zajedno sa nukleotidima koji čine par. U B-DNK, najčešćoj spiralnoj strukturi pronađenoj u prirodi, dvostruka spirala je desnoruka sa 10-10,5 parova baza po okretu. Dvostruka spiralna struktura DNK sadrži glavni i manji žljeb. U B-DNK, glavni žlijeb je širi od manjeg žlijeba. S obzirom na razliku u širini između glavnih i malih žljebova, mnogi proteini koji se vezuju za B-DNK to čine kroz širi glavni žljeb.
Historija otkrića
Strukturni model dvostruke spirale DNK prvi su objavljeni u Nature od strane Jamesa Watsona i Francisa Cricka 1953. godine (X, Y, Z koordinate 1954.) na osnovu kritične rendgenske difrakcijske slike DNK označene kao Fotografija 51, iz rada Rosalind Franklin iz 1952. godine, praćen jasnijom njenom snimljenom slikomRaymond Gosling, Maurice Wilkins, Alexander Stokes i Herbert Wilson. Preliminarni model je bio trolančani DNK.
Spoznaja da je otvorena struktura dvostruka spirala objašnjava mehanizam kojim se dva lanca DNK spajaju u spiralu, pomoću koje se genetske informacije pohranjuju i kopiraju u živim organizmima. Ovo otkriće se smatra jednim od najvažnijih naučnih uvida dvadesetog veka. Crick, Wilkins i Watson dobili su po jednu trećinu Nobelove nagrade za fiziologiju i medicinu 1962. za svoj doprinos otkriću. Franklin, čiji su prodorni podaci rendgenske difrakcije korišteni za formuliranje spirale DNK, umro je 1958. i stoga nije mogao biti nominovan za Nobelovu nagradu.
Vrijednost za hibridizaciju
Hibridizacija je proces povezivanja baznih parova koji se vezuju da formiraju dvostruku spiralu. Topljenje je proces kojim se prekida interakcija između lanaca dvostruke spirale, razdvajajući dvije linije nukleinskih kiselina. Ove veze su slabe, lako se razdvajaju blagom toplotom, enzimima ili mehaničkom silom. Topljenje se dešava pretežno na određenim tačkama nukleinske kiseline. Regije DNK heliksa označene T i A lakše se tope od regiona C i G. Neki bazni stadijumi (parovi) su takođe podložni topljenju DNK, kao što su TA i TG. Ove mehaničke osobine se ogledaju u sekvencama kao što je TATA na početku mnogih gena kako bi pomogle RNA polimerazi da otopi DNK za transkripciju.
Grijanje
Razdvajanje procesaniti plitkim zagrevanjem, kao što se koristi u lančanoj reakciji polimeraze (PCR), je jednostavno, pod uslovom da molekuli imaju približno 10.000 parova baza (10 kilobaznih parova ili 10 kbp). Preplitanje lanaca DNK otežava odvajanje dugih segmenata. Ćelija izbjegava ovaj problem dopuštajući svojim enzimima za topljenje DNK (helikazama) da rade istovremeno s topoizomerazama, koje mogu kemijski cijepati fosfatnu kičmu jednog od lanaca tako da se može okrenuti oko drugog. Helikaze odmotavaju niti kako bi olakšale prolaz enzima koji čitaju sekvence kao što je DNK polimeraza. Dvostruka spirala DNK formirana je vezama ovih lanaca.
Spiralna geometrija
Geometrijska komponenta DNK strukture može se okarakterizirati sa 6 koordinata: pomak, klizanje, uspon, nagib, uvijanje i okretanje. Ove vrijednosti precizno određuju lokaciju i orijentaciju u prostoru svakog para lanaca DNK. U regijama DNK ili RNK gdje je normalna struktura poremećena, promjena ovih vrijednosti može se koristiti za opisivanje takvog poremećaja.
Uspon i okret su određeni oblikom spirale. Druge koordinate, naprotiv, mogu biti jednake nuli.
Imajte na umu da se "koso" često koristi na različite načine u naučnoj literaturi, upućujući na odstupanje prve ose međupratne baze od okomite na os heliksa. Ovo odgovara klizanju između bazne sekvence dvostruke spirale DNK, a u geometrijskim koordinatama se pravilno naziva"tilt".
Geometrijske razlike u spiralama
Smatra se da se najmanje tri DNK konformacije javljaju prirodno: A-DNK, B-DNK i Z-DNK. Smatra se da oblik B, kako su ga opisali James Watson i Francis Crick, dominira u ćelijama. Široko je 23,7 Å i produžava se 34 Å za 10 bp. sekvence. Dvostruka spirala DNK formirana je vezama dvije linije ribonukleinske kiseline, koje čine jedan potpuni okret oko svoje ose na svakih 10,4-10,5 parova baza u otopini. Ova frekvencija uvijanja (nazvana spiralni korak) u velikoj mjeri zavisi od sila slaganja koje svaka baza vrši na svoje susjede u lancu. Apsolutna konfiguracija baza određuje smjer spiralne krive za datu konformaciju.
Razlike i funkcije
A-DNK i Z-DNK značajno se razlikuju po svojoj geometriji i veličini u poređenju sa B-DNK, iako i dalje formiraju spiralne strukture. Dugo se smatralo da se A oblik javlja samo u dehidriranim uzorcima DNK u laboratoriji korištenim u kristalografskim eksperimentima i u hibridnim uparivanja lanaca DNK-RNA, ali dehidracija DNK se događa in vivo, a A-DNK sada ima biološke funkcije koje su nam poznate.. Segmenti DNK čije su ćelije metilirane u regulatorne svrhe mogu usvojiti Z geometriju u kojoj se lanci rotiraju oko spiralne ose na suprotan način od A-DNK i B-DNK. Postoje i dokazi da kompleksi protein-DNK formiraju Z-DNK strukture. Dužina spirale DNK se ni na koji način ne menja u zavisnosti odtip.
Problemi s imenima
U stvari, sada su dostupna samo slova F, Q, U, V i Y za imenovanje različitih tipova DNK koji bi mogli biti otkriveni u budućnosti. Međutim, većina ovih oblika stvorena je sintetički i imaju nije primećeno u prirodnim biološkim sistemima. Postoje i trolančani (3 lanca DNK) i kvadrupolni oblici, kao što je G-kvadrupleks.
Povezivanje niti
DNK dvostruka spirala formirana je vezama spiralnih lanaca. Budući da niti nisu direktno jedna nasuprot drugoj, žljebovi između njih su nejednake veličine. Jedan žljeb, glavni, ima širinu od 22 Å, a drugi, mali, doseže dužinu od 12 Å. Uskost sekundarnog žlijeba znači da su rubovi baza lakše dostupni u glavnom žlijebu. Kao rezultat toga, proteini kao što su faktori transkripcije koji se mogu vezati za specifične sekvence u dvostrukoj spirali DNK obično ostvaruju kontakt sa stranama baza koje su otvorene u glavnom žlijebu. Ova situacija se mijenja u neuobičajenim DNK konformacijama unutar ćelije, ali glavni i manji žljebovi se uvijek imenuju tako da odražavaju razlike u veličini koje bi se mogle vidjeti ako se DNK vrati u normalan B oblik.
Kreiranje modela
U kasnim 1970-im, alternativni ne-helikalni modeli su nakratko razmatrani kao potencijalno rješenje za probleme replikacije DNK u plazmidima i hromatinu. Međutim, oni su napušteni u korist modela dvostruke zavojnice DNK zbog naknadnog eksperimentalnog napretka kao što je rendgensko zračenje.kristalografija DNK dupleksa. Također, ne-dvostruki helix modeli trenutno nisu prihvaćeni od strane glavne znanstvene zajednice.
Jednolančane nukleinske kiseline (ssDNA) ne poprimaju spiralni oblik i opisuju ih modeli kao što su nasumični namotaj ili lanac nalik crvu.
DNK je relativno čvrst polimer, tipično modeliran kao lanac nalik crvu. Krutost modela je važna za cirkularizaciju DNK i orijentaciju pridruženih proteina jedan prema drugom, dok je histeretička aksijalna krutost važna za omotavanje DNK i cirkulaciju i interakciju proteina. Kompresijsko izduženje je relativno nevažno u odsustvu visokog napona.
Hemija i genetika
DNK u rastvoru ne poprima krutu strukturu, već konstantno menja konformaciju usled termičkih vibracija i sudara sa molekulima vode, što onemogućava primenu klasičnih mera krutosti. Stoga se krutost DNK na savijanje mjeri dužinom postojanosti, definiranom kao "dužina DNK preko koje vremenski prosječna orijentacija polimera postaje koeficijent nekorelisan."
Ova vrijednost se može precizno izmjeriti pomoću mikroskopa atomske sile za direktnu sliku molekula DNK različitih dužina. U vodenom rastvoru, prosečna konstantna dužina je 46-50 nm ili 140-150 parova baza (DNK 2 nm), iako to može značajno da varira. Ovo čini DNK umjereno krutim molekulom.
Trajanje nastavka segmenta DNK u velikoj mjeri ovisi o njegovom slijedu, a to može dovesti do značajnihpromjene. Potonje su uglavnom uzrokovane slaganjem energije i fragmenata koji se šire u manje i glavne brazde.
Fizička svojstva i krive
Entropijska fleksibilnost DNK je izuzetno konzistentna sa standardnim modelima fizike polimera, kao što je Kratky-Porod model lančanog crva. U skladu sa crvolikim modelom je zapažanje da je savijanje DNK opisano i Hookeovim zakonom pri vrlo malim (subpikoneontonskim) silama. Međutim, za segmente DNK manjeg trajanja i postojanosti, sila savijanja je približno konstantna i ponašanje odstupa od predviđanja, za razliku od već spomenutih modela sličnih crvu.
Ovaj efekat rezultira neobičnom lakoćom cirkularizacije malih DNK molekula i većom vjerovatnoćom pronalaženja visoko zakrivljenih DNK regiona.
Molekuli DNK često imaju preferirani smjer savijanja, tj. anizotropno savijanje. Ovo je, opet, zbog svojstava baza koje čine sekvence DNK, a upravo one povezuju dva lanca DNK u spiralu. U nekim slučajevima, sekvence nemaju poslovične obrate.
DNA dvostruka spiralna struktura
Preferirani smjer savijanja DNK određen je stabilnošću slaganja svake baze na vrhu sljedeće. Ako su nestabilni koraci slaganja baza uvijek na jednoj strani spirale DNK, onda će se DNK preferencijalno savijati iz tog smjera. Povezivanje dva lanca DNK u spiraluprovode molekule koje ovise o ovom smjeru. Kako se kut savijanja povećava, oni igraju ulogu steričnih prepreka, pokazujući sposobnost kotrljanja ostataka jedan u odnosu na drugi, posebno u malom žlijebu. Naslage A i T će se poželjno pojaviti u malim žljebovima unutar krivina. Ovaj efekat je posebno očigledan u vezivanju DNK-proteina kada je indukovano kruto savijanje DNK, na primer u česticama nukleosoma.
Molekuli DNK sa izuzetnim savijanjem mogu postati savitljivi. Ovo je prvi put otkriveno u DNK iz tripanosomatidnog kinetoplasta. Tipične sekvence koje uzrokuju ovo uključuju 4-6 T i A dionica razdvojenih G i C, koje sadrže A i T ostatke u fazi manjeg žljeba na istoj strani molekula.
Unutrašnja savijena struktura indukovana je "okretanjem vijaka" parova baza u odnosu jedan na drugi, što omogućava stvaranje neobičnih bifurkiranih vodoničnih veza između osnovnih stupnjeva. Na višim temperaturama, ova struktura je denaturirana i zbog toga se gubi unutrašnja zakrivljenost.
Sva DNK koja se savija anizotropno ima, u prosjeku, duži potisak i veću aksijalnu krutost. Ova povećana krutost je neophodna kako bi se spriječilo slučajno savijanje koje bi uzrokovalo da molekul djeluje izotropno.
DNK prstenje zavisi kako od aksijalne (fleksijske) krutosti tako i od torzione (rotacijske) krutosti molekula. Da bi molekul DNK uspješno cirkulirao, mora biti dovoljno dugačak da se lako savija u puni krug i da ima tačan broj baza zakrajevi su bili u pravilnoj rotaciji kako bi se osigurala mogućnost lijepljenja spirala. Optimalna dužina za cirkulišuću DNK je oko 400 parova baza (136 nm). Prisustvo neparnog broja zavoja je značajna energetska barijera za kola, na primjer, molekula 10,4 x 30=312 parova će kružiti stotine puta brže od molekula 10,4 x 30,5 ≈ 317.
Elastičnost
Duži delovi DNK su entropski elastični kada se rastežu. Kada je DNK u rastvoru, ona prolazi kroz kontinuirane strukturne promene zbog energije dostupne u termalnoj kupelji rastvarača. To je zbog termičkih vibracija molekula DNK, u kombinaciji sa stalnim sudarima s molekulima vode. Zbog entropijskih razloga, kompaktnija opuštena stanja su termički pristupačnija od rastegnutih stanja, pa su molekuli DNK gotovo sveprisutni u zamršenim "opuštenim" molekularnim modelima. Iz tog razloga, jedan molekul DNK će se rastegnuti pod silom, ispravljajući ga. Koristeći optičku pincetu, ponašanje entropijskog istezanja DNK je proučavano i analizirano iz perspektive polimerne fizike, i otkriveno je da se DNK ponaša u osnovi poput modela lanca nalik Kratky-Porod crvu na fiziološki dostupnim energetskim skalama.
Uz dovoljnu napetost i pozitivan obrtni moment, smatra se da DNK prolazi kroz faznu tranziciju, pri čemu se okosnice kreću prema van, a fosfati usrednji. Ova predložena struktura za prekomjerno rastegnutu DNK nazvana je P-formom DNK po Linusu Paulingu, koji ju je prvobitno zamislio kao moguću strukturu DNK.
Dokaz za mehaničko rastezanje DNK u odsustvu nametnutog momenta ukazuje na prelaz ili prelaze koji vode ka daljim strukturama koje se obično nazivaju S-oblici. Ove strukture još uvijek nisu definitivno okarakterisane zbog poteškoća u izvođenju rezolucionog snimanja atomskog rezonatora u rastvoru sa primenjenom silom, iako su napravljene mnoge studije kompjuterske simulacije. Predložene strukture S-DNK uključuju one koje zadržavaju nabor baznog para i vodikovu vezu (obogaćenu GC).
Sigmoidni model
Periodični prelom steka baznog para sa prekidom predložen je kao regularna struktura koja zadržava pravilnost osnovnog steka i oslobađa odgovarajuću količinu ekspanzije, uz uvođenje termina "Σ-DNK" kao mnemonika u kojem tri desne tačke simbola "Sigma" služe kao podsjetnik na tri grupirana para baza. Pokazalo se da oblik Σ ima preferenciju sekvence za GNC motive, za koje GNC_h-hipoteza vjeruje da ima evolucijski značaj.
Topljenje, zagrevanje i odmotavanje spirale
Forma B spirale DNK se okreće za 360° za 10,4-10,5 bp. u odsustvu torzijske deformacije. Ali mnogi molekularni biološki procesi mogu izazvati torzijski stres. Segment DNK sa viškom iliundercoiling se spominje iu pozitivnom iu negativnom kontekstu. DNK in vivo je obično negativno namotana (tj. ima kovrče koje su uvijene u suprotnom smjeru), što olakšava odmotavanje (otapanje) dvostrukog heliksa, koji je prijeko potreban za transkripciju RNK.
Unutar ćelije, većina DNK je topološki ograničena. DNK se obično nalazi u zatvorenim petljama (kao što su plazmidi kod prokariota) koji su topološki zatvoreni ili vrlo dugi molekuli čiji koeficijenti difuzije efektivno proizvode topološki zatvorene regije. Linearni delovi DNK se takođe često povezuju sa proteinima ili fizičkim strukturama (kao što su membrane) da formiraju zatvorene topološke petlje.
Svaka promjena u T parametru u zatvorenoj topološkoj regiji mora biti uravnotežena promjenom parametra W, i obrnuto. Ovo rezultira višom spiralnom strukturom molekula DNK. Obična DNK molekula s korijenom 0 bila bi kružna u svojoj klasifikaciji. Ako se uvijanje ovog molekula naknadno poveća ili smanji superkonformacijom, tada će korijeni biti promijenjeni u skladu s tim, uzrokujući da molekul prođe kroz plektnonemično ili toroidalno superheličko namotavanje.
Kada su krajevi dijela DNK dvostruke spirale povezani tako da formira krug, lanci su topološki vezani. To znači da se pojedinačne niti ne mogu odvojiti od bilo kojeg procesa koji nije povezan s prekidom niti.(npr. grijanje). Zadatak odvezivanja topološki povezanih lanaca DNK pada na enzime zvane topoizomeraze.
