Dvostruki heliks

Hibridizacija je proces vezivanja komplementarnog baznog para kako bi se formirala dvostruka spirala. Razlaganje je proces kojim se prekidaju interakcije između lanaca dvostruke spirale, razdvajajući dva lanca nukleinske kiseline. Ove veze su slabe, lahko se odvajaju blagim zagrijavanjem, enzimima ili mehaničkom silom. Topljenje se dešava prvenstveno na određenim tačkama nukleinske kiseline.^[5] Timinom i adeninom (T–A)bogate regije se lakše tope od C i G bogatih regija. Neki osnovni koraci (parovi) su također podložni topljenju DNK, kao što su T A i T G.^[6] Ove mehaničke karakteristike odražavaju se upotrebom sekvenci kao što je TATA na početku mnogih gena da pomognu RNK-polimerazi u topljenju DNK za transkripciju.

Odvajanje lanaca blagim zagrijavanjem, kao što se koristi u lančanoj reakciji polimeraze (PCR), je jednostavno, pod uvjetom da molekule imaju manje od oko 10.000 parova baza (10 kilobaznih parova, ili 10 kbp). Preplitanje lanaca DNK otežava odvajanje dugih segmenata.|^[7] Ćelija izbjegava ovaj problem dopuštajući svojim enzimima za topljenje DNK (helikazama) da rade istovremeno sa topoizomerazama, koje mogu kemijski cijepati fosfatnu kičmu jednog od lanaca, tako da se može okretati oko ostalih.^[8] Helikaze odmotavaju niti da bi olakšale napredovanje enzima koji čitaju sekvence kao što je DNK-polimeraza.^[9]

Geometrija baze ili koraka baznog para može se okarakterizirati sa šest koordinata: pomak, klizanje, uspon, nagib, kotrljanje i uvijanje. Ove vrijednosti precizno definiraju lokaciju i orijentaciju u prostoru svake baze ili baznog para u molekuli nukleinske kiseline u odnosu na prethodnika duž ose spirale. Zajedno, oni karakteriziraju spiralnu strukturu molekula. U regijama DNK ili RNK gdje je poremećena normalna struktura, promjena ovih vrijednosti može se koristiti za opisivanje takvog poremećaja.

Za svaki bazni par, razmatran u odnosu na njegovog prethodnika, postoje sljedeće geometrije baznih para koje treba razmotriti:^[10][11][12]

• Smicanje
• Rastezanje
• Poteturanje
• Kopča
• Propeler: rotacija jedne baze u odnosu na drugu u istom paru baza.
• Otvaranje
• Pomjeranje: pomicanje duž ose u ravni para baza okomito na prvu, usmjereno od malog prema glavnom žljebu.
• Klizanje: pomicanje duž ose u ravni para baza usmjereno od jedne niti do druge.
• Uspon : pomicanje duž ose spirale.
• Tilt: rotacija oko ose pomaka.
• Rol: rotacija oko ose klizanja.
• Tvist: rotacija oko ose uspona.
• x-pomak
• y-pomak
• Sklanjanje
• Vrh
• Nagib : visina po potpunom okretu spirale.

Uspon i uvijanje određuju pokretljivost i nagib spirale. Druge koordinate, nasuprot tome, mogu biti nula. Klizanje (slajd) i pomak su obično mali u B-DNK, ali su značajni u A- i Z-DNK. Rol i nagib čine uzastopne parove osnova manje paralelnim i obično su mali.

Treba Imati na umu da se "nagib" često različito koristio u naučnoj literaturi, odnoseći se na odstupanje prve osi para baza među lancima od okomitosti na os heliksa. Ovo odgovara klizanju između niza parova baza, a u koordinatama baziranim na spirali pravilno se naziva "nagib".

Vjeruje se da se u prirodi nalaze najmanje tri konformacije DNK, A-DNK, B-DNK, i Z-DNK. Vjeruje se da u ćelijama prevladava oblik B koji su opisali James Watson i Francis Crick.^[13] Širok je 23,7 Å i proteže se 34 Å na 10 bp sekvence. Dvostruka spirala napravi jedan potpuni okret oko svoje ose na svakih 10,4–10,5 parova baza u rastvoru. Ova učestalost uvijanja (nazvana spiralni "pitch") u velikoj mjeri ovisi o silama slaganja koje svaka baza djeluje na svoje susjede u lancu. apsolutna konfiguracija baza određuje smjer spiralne krive za datu konformaciju.

A-DNK i Z-DNK značajno se razlikuju po svojoj geometriji i dimenzijama od B-DNK, iako i dalje formiraju spiralne strukture. Dugo se smatralo da se A oblik javlja samo u dehidriranim uzorcima DNK u laboratoriji, kao što su oni koji se koriste u kristalografskim eksperimentima, iu hibridnim uparivanjama DNK i RNK lanaca, ali dehidracija DNK se dešava in vivo, i za sada je poznato da A-DNK ima biološke funkcije. Segmenti DNK koje ćelije imaju metilirane za potrebe regulacije mogu imati Z geometriju, u kojoj se lanci okreću oko spiralne ose suprotno od A-DNK i B-DNK. Postoje i dokazi da kompleksi protein-DNK formiraju Z-DNK strukture.

Moguće su i druge konformacije: A-DNK, B-DNK, C-DNK, E-DNK,^[14] L-DNK (enantiomerni oblik D-DNK),^[15] P-DNK,^[16] Do sada su opisani S-DNK, Z-DNK itd.^[17] U stvari, samo slova F, Q, U, V i Y su od 17. 02. 2011. do sada dostupna za opisivanje bilo koje nove strukture DNK koja se može pojaviti u budućnosti.^[18][19] Međutim, većina ovih oblika stvorena je sintetski i nisu opažena u prirodnim biološkim sistemima. Postoje i trostrukolančani DNK oblici i četverostruki oblici kao što su G-kvadrupleks i i-motiv.

Žljebovi

Dvostruki spiralni lanci formiraju okosnicu DNK. Još jedna dvostruka spirala može se pronaći praćenjem razmaka ili žljebova između niti. Ove praznine su u blizini baznih parova i mogu pružiti mjesto vezanja.^[23] As the strands are not directly opposite each other, the grooves are unequally sized. One groove, the major groove, is 22 Å wide and the other, the minor groove, is 12 Å wide.^[24] Uskost manjeg žlijeba znači da su rubovi baza lakše dostupni u glavnom žlijebu. Kao rezultat toga, proteini poput transkripcijskih faktora koji se mogu vezati za specifične sekvence u dvolančanoj DNK obično ostvaruju kontakte sa stranama baza koje su izložene u glavnom žlijebu.^[4] Ova situacija varira u neuobičajenim konformacijama DNK unutar ćelije (vidi dolje), ali glavni i manji žljebovi su uvijek imenovani tako da odražavaju razlike u veličini koje bi se mogle vidjeti ako se DNK vrati u običan B-oblik.^[25]

Nedvostruki heliksni oblici

Alternativni ne-helikksni modeli su nakratko razmatrani kasnih 1970-ih kao potencijalno rješenje problema u replikaciji DNK u plazmidu i hromatinu . Međutim, modeli su stavljeni po strani u korist modela dvostruke spirale zbog naknadnog eksperimentalnog napretka kao što je rendgenska kristalografija DNK dupleksa i kasnije čestica nukleosomskog jezgra, te otkrića topoizomeraza. Također, nedvostruki spiralni modeli još nisu prihvaćeni od strane glavnine naučne zajednice.^[26][27]

DNK je relativno krut polimer, tipski modeliran kao crvoliki lanac. Ima tri značajna stepena slobode; savijanje, uvijanje i kompresija, od kojih svaki uzrokuje određena ograničenja onoga što je moguće s DNK unutar ćelije. Krutost pri uvijanju i torziji je važna za cirkularizaciju DNK i orijentaciju proteina vezanih za DNK jednog u odnosu na drugi, a aksijalna krutost savijanja važna je za omotavanje DNK i cirkularizaciju i interakcije proteina. Kompresija-ekstenzija je relativno nevažna u odsustvu visoke napetosti.

Dužina postojanosti, aksijalna krutost

Šablon:Glavn

DNK u rastvoru nema tako krutu strukturu, ali stalno mijenjaju konformaciju zbog termičkih vibracija i sudara s molekulama vode, što onemogućuje primjenu klasičnih mjera krutosti. Stoga se krutost DNK na savijanje mjeri dužinom postojanosti, definiranom kao:

Dužina DNK preko koje vremenski prosječna orijentacija polimera postaje nekorelirana faktorom e.

Ova vrijednost može se direktno izmjeriti pomoću mikroskopa atomske sile za direktnu sliku molekula DNK različitih dužina. U vodenom rastvoru, prosečna dužina postojanosti je 46–50 nm ili 140–150 parova baza (prečnik DNK je 2 nm), iako može značajno da varira. To čini DNK umjereno čvrstom molekulom.

Dužina postojanosti dijela DNK donekle ovisi o njegovoj sekvenci, a to može uzrokovati značajne varijacije. Varijacije su uglavnom uzrokovane energijama slaganja baza i ostacima koji se protežu u sporednim i glavnim žlijebovima.

Modeli za savijanje DNK

Na skalama dužine većim od dužina postojanosti, entropijska fleksibilnost DNK je izuzetno konzistentna sa standardnim modelima fizike polimera, kao što je model zvani Kratky-Porodov crvoliki lanac.^[29] U skladu sa modelom crvolikolg lanca je zapažanje da je savijanje DNK takođe opisano Hookeovim zakonom pri vrlo malim (podpikonjutskim) silama. Za segmente DNK manje od dužine postojanosti, sila savijanja je približno konstantna i ponašanje odstupa od predviđanja crvolikog lanca.

Ovaj efekt rezultira neobičnom lahkoćom cirkularizacije malih DNK molekula i većom vjerovatnoćom pronalaženja visoko savijenih dijelova DNK.^[30]

Preferencija savijanja

Molekule DNK često imaju preferirani smjer savijanja, tj. anizotropno savijanje. Ovo je, opet, zbog svojstava baza koje čine sekvencu DNK – nasumična sekvenca neće imati željeni smjer savijanja, tj. izotropno savijanje.

Preferirani smjer savijanja DNK određen je stabilnošću slaganja svake baze na drugu. Ako se nestabilni koraci slaganja baza uvijek nalaze na jednoj strani spirale DNK, onda će se DNK preferencijalno savijati od tog smjera. Kako se ugao savijanja povećava, onda sterne prepreke i sposobnost kotrljanja ostataka u odnosu na druge također imaju ulogu, posebno u manjem žlijebu. Ostaci A i T će se prvenstveno naći u manjim žlijebovima na unutrašnjoj strani krivina. Ovaj efekt je posebno vidljiv u vezivanju DNK-proteini, gdje je indukovano čvrsto savijanje DNK, kao što je nukleosomna čestica. Vidite izobličenja osnovnog koraka iznad.

Molekule DNK sa izuzetnom preferencijom savijanja mogu postati suštinski savijene. Ovo je prvi put uočeno u kinetoplastnoh DNK roda Trypanosoma. Tipske sekvence koje ovo uzrokuju sadrže dionice od 4-6 "T" i "A" ostataka odvojenih "G" i "C" bogatim dijelovima koji drže A i T ostatke u fazi s molom žljeb na jednoj strani molekula. Naprimjer:

Prema unutra savijena struktura indukovana je 'propelerskim uvijanjem' parova baza u odnosu jednog na drugi, što omogućava neobične razdvojene vodikove veze između osnovnih stepenica. Na višim temperaturama ova struktura je denaturirana i tako se gubi unutrašnji zavoj.

Sva DNK koja se savija anizotropno ima, u prosjeku, veću dužinu postojanosti i veću aksijalnu krutost. Ova povećana krutost je potrebna kako bi se spriječilo nasumično savijanje koje bi učinilo da molekula djeluje izotropno.

Cirkularizacija

Cirkularizacija DNK ovisi i o aksijalnoj (savijanju) krutosti i torzijskoj (rotacionoj) krutosti molekula. Da bi molekula DNK uspješno cirkularizirala, mora biti dovoljno dugačka da se lahko savija u cijeli krug i mora imati ispravan broj baza tako da su krajevi u ispravnoj rotaciji kako bi se omogućilo spajanje. Optimalna dužina za cirkularizaciju DNK je oko 400 parova baza (136 nm), sa integralnim brojem zavoja DNK heliksa, odnosno višekratnicima od 10,4 para baza. Imati neintegralni broj zavoja predstavlja značajnu energetsku barijeru za cirkularizaciju, naprimjer molekula 10,4 x 30 = 312 baznih parova će cirkulirati stotine puta brže od molekula 10,4 x 30,5 ≈ 317 parova baza.^[31]

Savijanje kratkih cirkularizovanih segmenata DNK je neujednačeno. Umjesto toga, za cirkularizirane segmente DNK manje od dužine postojanosti, savijanje DNK je lokalizirano na 1-2 pregiba koji se formiraju prvenstveno u segmentima bogatim A-T. Ako je prisutan zarez, savijanje će biti lokalizirano na njegovo mjesto.^[30]

Režim elastičnog istezanja

Duži dijelovi DNK su entropijski elastični pod tenzijom. Kada je DNK u rastvoru, ona prolazi kroz kontinuirane strukturne varijacije zbog energije dostupne u termalnom kupatilu rastvarača. To je zbog termičke vibracije molekula u kombinaciji s kontinuiranim sudarima s molekulama vode. Zbog entropijskih razloga, kompaktnija opuštena stanja su termički dostupna od rastegnutih stanja, pa se molekule DNK gotovo univerzalno nalaze u zamršenom opuštenom rasporedu. Iz tog razloga, jedna molekula DNK će se rastegnuti pod silom, ispravljajući je. Koristeći optičku pincetu, proučavano je i analizirano ponašanje DNK pri entropijskom istezanju iz fizike polimera, i otkriveno je da se DNK ponaša uglavnom po modelu Kratky-Porodovog crvolikog lanca pod fiziološki dostupnim energetskim skalama.

Fazni prijelazi pod rastezanjem

Pod dovoljnom napetošću i pozitivnim momentom, smatra se da DNK prolazi kroz fazni prijelaz bazama koje se šire prema van, a fosfati se kreću u sredinu. Ova predložena struktura za prekomjerno rastegnutu DNK nazvana je P-forma DNK, u čast Linusa Paulinga koji ju je prvobitno predstavio kao moguću strukturu DNK.^[16]Dokazi mehaničkog istezanja DNK u odsustvu nametnutog momenta ukazuju na tranziciju ili prelaze koji vode ka daljim strukturama koje se općenito nazivaju „S-oblik DNK“. Ove strukture još uvijek nisu definitivno okarakterisane zbog poteškoća u izvođenju snimanja atomske rezolucije u rastvoru dok su pod primijenjenom silom, iako su napravljene mnoge studije kompjuterske simulacije (npr.^[32][33]).

Predložene strukture S-DNK uključuju one koje čuvaju slaganje parova baza i vodikovu vezu (obogaćene GC), dok oslobađaju ekstenziju naginjanjem, kao i strukture u kojima se odvija djelimično otapanje bazne grupe, dok je asocijacija baza-baza ipak sveukupno očuvan (obogaćen AT).Rosalind Franklin je ta koja je zaista otkrila dvostruku spiralu nukleinske kiseline.

Periodični lom snopa baznog para s prekidom koji se događa jednom na tri bp (dakle jedan od svaka tri bp-bp koraka) predložen je kao regularna struktura koja čuva planarnost osnovnog slaganja i oslobađa odgovarajuću količinu proširenja,^[34] sa terminom "Σ-DNK" uveden kao mnemonički, sa tri desno okrenute tačke znaka sigma, koje služe kao podsjetnik na tri grupisana para baza. Pokazalo se da Σ oblik ima preferenciju sekvence za GNC motive za koje se vjeruje prema GNC hipotezi da su od evolucijske važnosti.^[35]

B-oblik spirale DNK se okreće za 360° na 10,4–10,5 bp u odsustvu torzijskog naprezanja. Ali mnogi molekulski biološki procesi mogu izazvati torzijsko naprezanje. Segment DNK sa viškom ili nedovoljnim spiralnim uvijanjem naziva se pozitivna ili negativna superzavojnica. DNK in vivo je tipski negativno namotana, što olakšava odmotavanje (opružanje) dvostruke spirale potrebne za transkripcijuRNK.

Unutar ćelije, većina DNK je topološki ograničena. DNK se obično nalazi u zatvorenim petljama (kao što su plazmid i u prokariotima) koje su topološki zatvorene, ili kao vrlo duge molekule čiji koeficijenti difuzije proizvode efektivno topološki zatvorene domene. Linearni dijelovi DNK su također obično vezani za proteine ili fizičke strukture (kao što su membrane), kako bi formirali zatvorene topološke petlje.

Francis Crick je bio jedan od prvih koji je predložio važnost povezivanja brojeva kada se razmatraju DNK superspirale. U radu objavljenom 1976. godine, Crick je ocrtao problem na sljedeći način:

U razmatranju superzavojnica formiranih od zatvorenih dvolančanih molekula DNK, potrebni su određeni matematički koncepti, kao što su broj povezivanja i zavoja. Objašnjeno je značenje ovih za zatvorenu traku, kao i značenje broja uvijanja zatvorene krive. Dati su neki jednostavni primjeri, od kojih neki mogu biti relevantni za strukturu hromatina.^[36]

Analiza topologije DNK koristi tri vrijednosti:

• L = broj povezivanja – koliko puta se jedan lanac DNK omota oko drugog. To je cijeli broj za zatvorenu petlju i konstanta za zatvoreni topološki domen.
• T = uvoj – ukupan broj zavoja u dvolančanoj spirali DNK. Ovo će obično težiti da se približi broju zavoja koje topološki otvorena dvolančana spirala DNK oslobađa u rastvoru: broj baza/10,5, pod pretpostavkom da nema interkalacija agenasa (npr. etidij-bromid) ili drugi elementi koji modifikuju krutost DNK.
• W = grčenje – broj zavoja dvolančane spirale DNK oko superheliksne ose
• L = T + W i ΔL = ΔT + ΔW

Svaka promjena T u zatvorenom topološkom domenu mora biti uravnotežena promjenom W, i obrnuto. Ovo rezultira strukturom višeg reda DNK. Cirkularna DNK molekula sa vijugom od 0 će biti kružna. Ako se uvijanje ove molekule naknadno poveća ili smanji supernamotavanjem, tada će se uvijanje na odgovarajući način izmijeniti, čineći molekulu podvrgnutom plektonemskom ili toroidnom superheliksnom namotavanju.

Kada se krajevi komada dvolančane spiralne DNK spoje tako da formira krug, lanci su topološki čvorovi. To znači da se pojedinačne niti ne mogu odvojiti bilo kojim procesom koji ne uključuje lomljenje niti (kao što je zagrijavanje). Zadatak raskidanja topološki povezanih lanaca DNK pripada enzimima koji se nazivaju topoizomerazae. Ovi enzimi su posvećeni raspletu kružne DNK cijepanjem jednog ili oba lanca tako da drugi dvolančani ili jednolančani segment može proći. Ovo raskidanje čvorova potrebno je za replikaciju kružne DNK i različite tipove rekombinacija u linearnoj DNK koji imaju slična topološka ograničenja.

Paradoks broja vezanja

Dugi niz godina, porijeklo rezidualnog supernamot vanja u eukariotskim genomima ostalo je nejasno. Ovu topološku zagonetku neki su nazvali „paradoksom broja povezivanja".^[37] Međutim, kada su eksperimentalno utvrđene strukture nukleosoma prikazale pretjerano uvrnuti lijevi omotač DNK oko histonskog oktamera,^[38][39] ovaj se paradoks u naučnoj zajednici smatralo riješenim.

• Poređenje softvera za simulaciju nukleinske kiseline
• DNK-nanotehnologija
• G-kvadrupleks
• Molekularni modeli DNK
• Molekularna struktura nukleinskih kiselina
• Baza podataka koja nije B
• Trolančana DNK