Istilah "heliks DNA" mempunyai sejarah dan sifat yang kompleks. Oleh itu, sebagai peraturan, bermaksud model yang diperkenalkan oleh James Watson. Heliks ganda DNA dipegang bersama-sama dengan nukleotida yang membentuk sepasang. Dalam B-DNA, struktur heliks yang paling biasa ditemui di alam semula jadi, heliks berganda adalah tangan kanan dengan 10-10.5 pasangan asas setiap pusingan. Struktur heliks berganda DNA mengandungi alur utama dan alur kecil. Dalam B-DNA, alur major lebih lebar daripada alur minor. Memandangkan perbezaan lebar antara alur utama dan kecil, banyak protein yang mengikat B-DNA melakukannya melalui alur utama yang lebih luas.
Sejarah penemuan
Model struktur heliks berganda DNA pertama kali diterbitkan dalam Nature oleh James Watson dan Francis Crick pada tahun 1953 (koordinat X, Y, Z pada tahun 1954) berdasarkan imej pembelauan sinar-x kritikal DNA berlabel Foto 51, daripada karya Rosalind Franklin pada 1952, diikuti dengan imej yang lebih jelas tentang dia yang diambilRaymond Gosling, Maurice Wilkins, Alexander Stokes dan Herbert Wilson. Model awal ialah DNA tiga untai.
Kesedaran bahawa struktur terbuka ialah heliks berganda menerangkan mekanisme di mana dua helai DNA bergabung menjadi heliks, di mana maklumat genetik disimpan dan disalin dalam organisma hidup. Penemuan ini dianggap sebagai salah satu pandangan saintifik yang paling penting pada abad kedua puluh. Crick, Wilkins, dan Watson masing-masing menerima satu pertiga daripada Hadiah Nobel dalam Fisiologi atau Perubatan 1962 atas sumbangan mereka kepada penemuan itu. Franklin, yang data pembelauan sinar-X terobosannya digunakan untuk merumuskan heliks DNA, meninggal dunia pada 1958 dan oleh itu tidak layak untuk pencalonan Hadiah Nobel.
Nilai untuk penghibridan
Hibridisasi ialah proses menyambung pasangan asas yang mengikat membentuk heliks berganda. Peleburan ialah proses di mana interaksi antara helai heliks berganda terganggu, memisahkan dua baris asid nukleik. Ikatan ini lemah, mudah dipisahkan oleh haba ringan, enzim, atau daya mekanikal. Peleburan berlaku terutamanya pada titik tertentu dalam asid nukleik. Kawasan heliks DNA berlabel T dan A lebih mudah cair berbanding kawasan C dan G. Beberapa peringkat asas (pasangan) juga terdedah kepada pencairan DNA, seperti TA dan TG. Ciri mekanikal ini dicerminkan oleh jujukan seperti TATA pada permulaan banyak gen untuk membantu RNA polimerase mencairkan DNA untuk transkripsi.
Pemanasan
Proses pemisahanhelai dengan pemanasan cetek, seperti yang digunakan dalam tindak balas rantai polimerase (PCR), adalah mudah, dengan syarat molekulnya adalah lebih kurang 10,000 pasangan bes (10 pasangan kilobase atau 10 kbp). Jalinan helai DNA menyukarkan untuk memisahkan segmen yang panjang. Sel mengelakkan masalah ini dengan membenarkan enzim lebur DNAnya (helikase) bekerja serentak dengan topoisomerase, yang secara kimia boleh membelah tulang belakang fosfat pada salah satu helai supaya ia boleh berputar di sekeliling yang lain. Helikas membuka helai untuk memudahkan laluan enzim membaca urutan seperti polimerase DNA. Heliks berganda DNA terbentuk oleh ikatan helai ini.
Geometri lingkaran
Komponen geometri struktur DNA boleh dicirikan oleh 6 koordinat: anjakan, gelongsor, naik, senget, pusing dan pusing. Nilai-nilai ini dengan tepat menentukan lokasi dan orientasi dalam ruang setiap pasangan helai DNA. Di kawasan DNA atau RNA yang struktur normalnya terganggu, perubahan dalam nilai ini boleh digunakan untuk menggambarkan gangguan sedemikian.
Naik dan pusing ditentukan oleh bentuk lingkaran. Koordinat lain, sebaliknya, boleh sama dengan sifar.
Perhatikan bahawa "skew" sering digunakan dalam pelbagai cara dalam kesusasteraan saintifik, merujuk kepada sisihan paksi pertama tapak antara untaian daripada berserenjang dengan paksi heliks. Ini sepadan dengan gelongsor antara urutan asas heliks berganda DNA, dan dalam koordinat geometri dipanggil dengan betul"condongkan".
Perbezaan geometri dalam lingkaran
Sekurang-kurangnya tiga konformasi DNA dianggap berlaku secara semula jadi: A-DNA, B-DNA dan Z-DNA. Borang B, seperti yang diterangkan oleh James Watson dan Francis Crick, dianggap dominan dalam sel. Ia adalah 23.7 Å lebar dan memanjangkan 34 Å sebanyak 10 bp. urutan. Heliks berganda DNA dibentuk oleh ikatan dua baris asid ribonukleik, yang membuat satu revolusi lengkap di sekeliling paksinya setiap 10.4-10.5 pasangan bes dalam larutan. Kekerapan pusingan ini (dipanggil padang heliks) bergantung sebahagian besarnya pada daya susun setiap tapak yang dikenakan pada jirannya dalam rantai. Konfigurasi mutlak tapak menentukan arah lengkung heliks untuk konformasi tertentu.
Perbezaan dan Fungsi
A-DNA dan Z-DNA berbeza dengan ketara dalam geometri dan saiznya berbanding B-DNA, walaupun ia masih membentuk struktur heliks. Telah lama difikirkan bahawa bentuk A berlaku hanya dalam sampel DNA dehidrasi di makmal yang digunakan dalam eksperimen kristalografi dan dalam pasangan untaian DNA-RNA hibrid, tetapi dehidrasi DNA berlaku dalam vivo, dan A-DNA kini mempunyai fungsi biologi yang kita ketahui.. Segmen DNA yang selnya telah dimetilasi untuk tujuan pengawalseliaan boleh menggunakan geometri Z di mana helai berputar pada paksi heliks dengan cara yang bertentangan dengan A-DNA dan B-DNA. Terdapat juga bukti kompleks protein-DNA membentuk struktur Z-DNA. Panjang heliks DNA tidak berubah dalam apa jua cara bergantung kepadataip.
Masalah dengan nama
Malah, hanya huruf F, Q, U, V dan Y kini tersedia untuk menamakan pelbagai jenis DNA yang mungkin ditemui pada masa hadapan. Walau bagaimanapun, kebanyakan bentuk ini dicipta secara sintetik dan mempunyai tidak diperhatikan dalam sistem biologi semula jadi. Terdapat juga bentuk tiga untai (3 untai DNA) dan empat kali ganda, seperti G-quadruplex.
Sambungan utas
DNA heliks berganda dibentuk oleh ikatan helai heliks. Oleh kerana benang tidak bertentangan secara langsung, alur di antara mereka adalah saiz yang tidak sekata. Satu alur, yang utama, mempunyai lebar 22 Å, dan yang lain, yang kecil, mencapai panjang 12 Å. Kesempitan alur sekunder bermakna bahawa tepi tapak lebih mudah diakses di alur utama. Akibatnya, protein seperti faktor transkripsi yang boleh mengikat urutan tertentu dalam heliks berganda DNA lazimnya bersentuhan dengan sisi tapak yang terbuka di alur utama. Keadaan ini berubah dalam konformasi DNA yang luar biasa dalam sel, tetapi alur utama dan kecil sentiasa dinamakan untuk mencerminkan perbezaan saiz yang akan dilihat jika DNA dipintal kembali ke bentuk B biasa.
Membuat model
Pada akhir 1970-an, model bukan heliks alternatif telah dipertimbangkan secara ringkas sebagai penyelesaian yang berpotensi kepada masalah replikasi DNA dalam plasmid dan kromatin. Walau bagaimanapun, mereka telah ditinggalkan memihak kepada model gegelung berganda DNA disebabkan oleh kemajuan percubaan berikutnya seperti sinar-X.kristalografi dupleks DNA. Selain itu, model bukan heliks berganda tidak diterima oleh komuniti saintifik arus perdana pada masa ini.
Asid nukleik terkandas tunggal (ssDNA) tidak berbentuk heliks dan diterangkan oleh model seperti gegelung rawak atau rantai seperti cacing.
DNA ialah polimer yang agak tegar, biasanya dimodelkan sebagai rantai seperti cacing. Kekakuan model adalah penting untuk pengedaran DNA dan orientasi protein berkaitannya secara relatif antara satu sama lain, manakala kekakuan paksi histeretik adalah penting untuk pembungkusan DNA dan peredaran dan interaksi protein. Pemanjangan-mampatan agak tidak penting sekiranya tiada voltan tinggi.
Kimia dan genetik
DNA dalam larutan tidak mengambil struktur tegar, tetapi sentiasa mengubah bentuk akibat getaran haba dan perlanggaran dengan molekul air, yang menjadikannya mustahil untuk menggunakan ukuran kekakuan klasik. Oleh itu, kekakuan lentur DNA diukur dengan panjang kegigihan, ditakrifkan sebagai "panjang DNA yang mana orientasi purata masa polimer menjadi pekali tidak berkorelasi."
Nilai ini boleh diukur dengan tepat menggunakan mikroskop daya atom untuk terus imej molekul DNA pelbagai panjang. Dalam larutan akueus, purata panjang malar ialah 46-50 nm atau 140-150 pasangan asas (DNA 2 nm), walaupun ini boleh berbeza-beza. Ini menjadikan DNA molekul sederhana tegar.
Tempoh penerusan segmen DNA sangat bergantung pada jujukannya, dan ini boleh menyebabkan ketaraperubahan. Yang terakhir ini kebanyakannya disebabkan oleh tenaga susun dan serpihan yang merambat menjadi alur kecil dan besar.
Sifat fizikal dan lengkung
Fleksibiliti entropik DNA sangat konsisten dengan model standard fizik polimer, seperti model Kratky-Porod bagi cacing rantai. Selaras dengan model seperti cacing ialah pemerhatian bahawa lenturan DNA juga diterangkan oleh hukum Hooke pada daya yang sangat kecil (subpiconeontonic). Walau bagaimanapun, untuk segmen DNA yang lebih kecil dalam tempoh dan ketekunan, daya lentur adalah lebih kurang tetap dan tingkah laku menyimpang daripada ramalan, berbeza dengan model seperti cacing yang telah disebutkan.
Kesan ini menghasilkan kemudahan luar biasa dalam mengedarkan molekul DNA kecil dan kebarangkalian yang lebih tinggi untuk mencari kawasan DNA yang sangat melengkung.
Molekul DNA selalunya mempunyai arah pilihan untuk lenturan, iaitu lenturan anisotropik. Ini, sekali lagi, adalah disebabkan oleh sifat asas yang membentuk jujukan DNA, dan ia adalah yang menghubungkan dua helai DNA ke dalam heliks. Dalam sesetengah kes, urutan tidak mempunyai kelainan pepatah.
struktur heliks ganda DNA
Arah lenturan DNA yang diutamakan ditentukan oleh kestabilan susunan setiap tapak di atas tapak seterusnya. Jika langkah susun asas yang tidak stabil sentiasa berada pada satu sisi heliks DNA, maka DNA akan lebih suka berlipat dari arah itu. Menghubungkan dua helai DNA ke dalam heliksdijalankan oleh molekul yang bergantung pada arah ini. Apabila sudut lentur meningkat, mereka memainkan peranan halangan sterik, menunjukkan keupayaan untuk melancarkan sisa-sisa berhubung antara satu sama lain, terutamanya dalam alur kecil. Endapan A dan T sebaiknya berlaku dalam alur kecil di dalam selekoh. Kesan ini amat ketara dalam pengikatan DNA-protein apabila lenturan tegar DNA diaruhkan, contohnya dalam zarah nukleosom.
Molekul DNA dengan lenturan yang luar biasa boleh menjadi lentur. Ini pertama kali ditemui dalam DNA daripada trypanosomatid kinetoplast. Urutan biasa yang menyebabkan ini termasuk regangan 4-6 T dan A yang dipisahkan oleh G dan C, yang mengandungi residu A dan T dalam fasa alur kecil pada sisi molekul yang sama.
Struktur bengkok dalaman disebabkan oleh "putaran skru" pasangan asas secara relatif antara satu sama lain, yang membolehkan penciptaan ikatan hidrogen bercabang luar biasa antara peringkat asas. Pada suhu yang lebih tinggi, struktur ini dinyahatur dan oleh itu kelengkungan intrinsik hilang.
Semua DNA yang membengkok secara anisotropik mempunyai, secara purata, tujahan yang lebih panjang dan kekakuan paksi yang lebih besar. Peningkatan ketegaran ini diperlukan untuk mengelakkan lenturan secara tidak sengaja yang akan menyebabkan molekul bertindak secara isotropik.
Deringan DNA bergantung pada ketegaran paksi (lentur) dan ketegaran kilasan (putaran) molekul. Agar molekul DNA dapat beredar dengan jayanya, ia mestilah cukup panjang untuk mudah dibengkokkan ke dalam bulatan penuh dan mempunyai bilangan bes yang betul untukhujung berada dalam putaran yang betul untuk memastikan kemungkinan melekatkan lingkaran. Panjang optimum untuk DNA beredar ialah kira-kira 400 pasangan asas (136 nm). Kehadiran bilangan lilitan ganjil merupakan penghalang tenaga yang ketara kepada litar, contohnya, molekul 10.4 x 30=312 pasangan akan beredar beratus kali lebih pantas daripada molekul 10.4 x 30.5 ≈ 317.
Keanjalan
Regangan DNA yang lebih panjang adalah anjal secara etropik apabila diregang. Apabila DNA berada dalam larutan, ia mengalami perubahan struktur yang berterusan disebabkan oleh tenaga yang terdapat dalam mandian pelarut terma. Ini disebabkan oleh getaran haba molekul DNA, digabungkan dengan perlanggaran berterusan dengan molekul air. Atas sebab entropi, keadaan santai yang lebih padat secara terma lebih mudah diakses daripada keadaan regangan, dan oleh itu molekul DNA hampir ada di mana-mana dalam model molekul "santai" yang rumit. Atas sebab ini, satu molekul DNA akan meregang di bawah daya, meluruskannya. Dengan menggunakan pinset optik, gelagat regangan entropi DNA telah dikaji dan dianalisis dari perspektif fizik polimer, dan didapati bahawa DNA pada dasarnya berkelakuan seperti model rantai seperti cacing Kratky-Porod pada skala tenaga yang tersedia secara fisiologi.
Dengan ketegangan yang mencukupi dan tork positif, DNA dianggap mengalami peralihan fasa, dengan tulang belakang bergerak ke luar dan fosfat bergerak ke dalamtengah. Struktur yang dicadangkan untuk DNA yang terlalu tegang ini dinamakan DNA bentuk P sempena nama Linus Pauling, yang pada asalnya membayangkannya sebagai struktur DNA yang mungkin.
Bukti untuk regangan mekanikal DNA tanpa ketiadaan titik tork yang dikenakan kepada peralihan atau peralihan yang membawa kepada struktur lanjut yang biasanya dirujuk sebagai bentuk-S. Struktur ini belum lagi dicirikan secara muktamad kerana kesukaran melakukan pengimejan resolusi resonator atom dalam larutan dengan daya dikenakan, walaupun banyak kajian simulasi komputer telah dibuat. Struktur S-DNA yang dicadangkan termasuk yang mengekalkan lipatan pasangan asas dan ikatan hidrogen (diperkaya dalam GC).
Model Sigmoid
Patah berkala timbunan pasangan asas dengan pemecahan telah dicadangkan sebagai struktur biasa yang mengekalkan keteraturan timbunan asas dan mengeluarkan jumlah pengembangan yang sesuai, dengan istilah "Σ-DNA" diperkenalkan sebagai mnemonik di mana tiga titik sebelah kanan simbol "Sigma" memberi peringatan kepada tiga pasangan asas berkelompok. Bentuk Σ telah ditunjukkan mempunyai keutamaan urutan untuk motif GNC, yang dipercayai oleh hipotesis GNC_h mempunyai kepentingan evolusi.
Mencairkan, memanaskan dan melonggarkan lingkaran
Bentuk B heliks DNA berpusing 360° untuk 10.4-10.5 bp. jika tiada ubah bentuk kilasan. Tetapi banyak proses biologi molekul boleh menyebabkan tekanan kilasan. Segmen DNA dengan lebihan atauundercoiling disebut dalam konteks positif dan negatif, masing-masing. DNA dalam vivo biasanya bergelung negatif (iaitu, mempunyai keriting yang dipintal ke arah yang bertentangan), yang memudahkan pelepasan (pencairan) heliks berganda, yang sangat diperlukan untuk transkripsi RNA.
Di dalam sel, kebanyakan DNA adalah terhad secara topologi. DNA biasanya ditemui dalam gelung tertutup (seperti plasmid dalam prokariot) yang tertutup secara topologi atau molekul yang sangat panjang yang pekali resapannya menghasilkan kawasan tertutup secara topologi dengan berkesan. Regangan linear DNA juga biasanya dikaitkan dengan protein atau struktur fizikal (seperti membran) untuk membentuk gelung topologi tertutup.
Sebarang perubahan dalam parameter T dalam kawasan topologi tertutup mesti diseimbangkan dengan perubahan dalam parameter W, dan sebaliknya. Ini menghasilkan struktur heliks molekul DNA yang lebih tinggi. Molekul DNA biasa dengan akar 0 akan berbentuk bulat dalam pengelasannya. Jika putaran molekul ini kemudiannya dinaikkan atau dikurangkan dengan superkonformasi, maka akar akan diubah dengan sewajarnya, menyebabkan molekul tersebut mengalami penggulungan superhelik plectnonemic atau toroidal.
Apabila hujung bahagian heliks berganda DNA disambungkan supaya ia membentuk bulatan, helai diikat secara topologi. Ini bermakna bahawa utas individu tidak boleh dipisahkan daripada sebarang proses yang tidak dikaitkan dengan pemutusan benang.(cth. pemanasan). Tugas untuk melepaskan untaian DNA yang dikaitkan secara topologi jatuh kepada enzim yang dipanggil topoisomerase.
