Sąvoka „DNR spiralė“turi sudėtingą istoriją ir prigimtį. Paprastai tai reiškia Jameso Watsono pristatytą modelį. DNR dviguba spiralė laikoma kartu su nukleotidais, kurie sudaro porą. B-DNR, labiausiai paplitusioje gamtoje randamoje spiralinėje struktūroje, dviguba spiralė yra dešiniarankė su 10–10,5 bazių porų per apsisukimą. Dvigubos spiralės struktūroje yra pagrindinis griovelis ir nedidelis griovelis. B-DNR pagrindinis griovelis yra platesnis nei mažasis griovelis. Atsižvelgiant į skirtumą tarp pagrindinių ir mažesnių griovelių pločio, daugelis b altymų, kurie jungiasi su B-DNR, tai daro per platesnį pagrindinį griovelį.
Atradimų istorija
DNR dvigubos spiralės struktūrinį modelį 1953 m. leidinyje Nature pirmą kartą paskelbė Jamesas Watsonas ir Francisas Crickas (X, Y, Z koordinatės 1954 m.), pagrįstą kritiniu rentgeno spindulių difrakcijos vaizdu DNR, pažymėta 51 nuotrauka., iš Rosalind Franklin 1952 m. kūrinio, po kurio pateikiamas aiškesnis jos vaizdasRaymondas Goslingas, Maurice'as Wilkinsas, Alexanderis Stokesas ir Herbertas Wilsonas. Preliminarus modelis buvo trijų grandžių DNR.
Suvokimas, kad atvira struktūra yra dviguba spiralė, paaiškina mechanizmą, kuriuo dvi DNR grandinės susijungia į spiralę, kuria genetinė informacija saugoma ir kopijuojama gyvuose organizmuose. Šis atradimas laikomas vienu svarbiausių XX amžiaus mokslo įžvalgų. Crickas, Wilkinsas ir Watsonas už indėlį į atradimą gavo po trečdalį 1962 m. Nobelio fiziologijos ar medicinos premijos. Franklinas, kurio proveržio rentgeno spindulių difrakcijos duomenys buvo panaudoti DNR spiralei suformuluoti, mirė 1958 m. ir todėl negalėjo būti nominuotas Nobelio premijai.
Hibridizacijos vertė
Hibridizacija yra bazinių porų, kurios jungiasi, sudarydamos dvigubą spiralę, sujungimo procesas. Lydymasis yra procesas, kurio metu sutrinka sąveika tarp dvigubos spiralės grandinių, atskiriant dvi nukleorūgščių linijas. Šie ryšiai yra silpni, lengvai atskiriami nuo silpnos šilumos, fermentų ar mechaninės jėgos. Lydymasis daugiausia vyksta tam tikruose nukleorūgšties taškuose. DNR spiralės sritys, pažymėtos T ir A, yra lengviau ištirpsta nei sritys C ir G. Kai kurios bazinės stadijos (poros) taip pat yra jautrios DNR tirpimui, pavyzdžiui, TA ir TG. Šiuos mechaninius požymius atspindi sekos, pvz., TATA daugelio genų pradžioje, kad RNR polimerazė išlydytų DNR transkripcijai.
Šildymas
Procesų atskyrimassruogų apdorojimas negiliai kaitinant, kaip naudojamas polimerazės grandininėje reakcijoje (PGR), yra paprastas, jei molekulės yra maždaug 10 000 bazinių porų (10 kilobazių porų arba 10 kbp). DNR grandinių susipynimas apsunkina ilgų segmentų atskyrimą. Ląstelė išvengia šios problemos, leisdama savo DNR tirpinamiesiems fermentams (helikazėms) veikti vienu metu su topoizomerazėmis, kurios gali chemiškai suskaidyti vienos iš sruogų fosfatinį pagrindą, kad jis galėtų apsisukti. Helikazės išvynioja sruogas, kad palengvintų seką nuskaitančių fermentų, tokių kaip DNR polimerazė, perėjimą. DNR dviguba spiralė susidaro iš šių grandinių ryšių.
Spiralinė geometrija
DNR struktūros geometrinį komponentą galima apibūdinti 6 koordinatėmis: poslinkis, slydimas, kilimas, pakreipimas, sukimas ir posūkis. Šios vertės tiksliai nustato kiekvienos DNR grandžių poros vietą ir orientaciją erdvėje. DNR arba RNR regionuose, kuriuose sutrikusi normali struktūra, tokiam sutrikimui apibūdinti gali būti naudojamas šių verčių pasikeitimas.
Pakilimą ir posūkį lemia spiralės forma. Kitos koordinatės, atvirkščiai, gali būti lygios nuliui.
Atkreipkite dėmesį, kad mokslinėje literatūroje „kreipimas“dažnai vartojamas įvairiais būdais, kalbant apie pirmosios tarpslankstelinės bazės ašies nuokrypį nuo statmenos spiralės ašiai. Tai atitinka slydimą tarp DNR dvigubos spiralės bazinės sekos, o geometrinėse koordinatėse yra teisingai vadinamas"pakreipti".
Geometriniai spiralių skirtumai
Manoma, kad natūraliai atsiranda mažiausiai trys DNR konformacijos: A-DNR, B-DNR ir Z-DNR. Manoma, kad B forma, kaip apibūdino Jamesas Watsonas ir Francisas Crickas, ląstelėse vyrauja. Jis yra 23,7 Å pločio ir pailgėja 34 Å 10 bp. sekos. DNR dvigubą spiralę sudaro dviejų ribonukleino rūgšties linijų ryšiai, kurie tirpale kas 10,4–10,5 bazių porų apsisuka aplink savo ašį. Šis sukimo dažnis (vadinamas sraigtiniu žingsniu) labai priklauso nuo krovimo jėgų, kurias kiekviena bazė veikia grandinės kaimynams. Absoliuti bazių konfigūracija nustato tam tikros konformacijos sraigtinės kreivės kryptį.
Skirtumai ir funkcijos
A-DNR ir Z-DNR savo geometrija ir dydžiu labai skiriasi, palyginti su B-DNR, nors jos vis tiek sudaro spiralines struktūras. Ilgą laiką buvo manoma, kad A forma atsiranda tik dehidratuotuose DNR mėginiuose laboratorijoje, naudojamuose kristalografiniams eksperimentams, ir hibridinėse DNR-RNR grandinių porose, tačiau DNR dehidratacija vyksta in vivo, o A-DNR dabar turi mums žinomas biologines funkcijas.. DNR segmentai, kurių ląstelės buvo metilintos reguliavimo tikslais, gali turėti Z geometriją, kurioje sruogos sukasi aplink spiralinę ašį priešingai nei A-DNR ir B-DNR. Taip pat yra įrodymų, kad b altymų-DNR kompleksai sudaro Z-DNR struktūras. DNR spiralės ilgis niekaip nesikeičia priklausomai nuotipo.
Problemos dėl pavadinimų
Tiesą sakant, dabar galimos tik raidės F, Q, U, V ir Y, norint pavadinti skirtingus DNR tipus, kurie gali būti atrasti ateityje. Tačiau dauguma šių formų buvo sukurtos sintetiniu būdu ir turi nebuvo pastebėta natūraliose biologinėse sistemose. Taip pat yra trijų grandžių (3 DNR grandinės) ir kvadrupolių formų, tokių kaip G-kvadrupleksas.
Gijų sujungimas
DNR dviguba spiralė susidaro spiralinių gijų jungtimis. Kadangi sriegiai nėra tiesiai vienas prieš kitą, tarp jų esantys grioveliai yra nevienodo dydžio. Vienas griovelis, pagrindinis, yra 22 Å pločio, o kitas, mažas, siekia 12 Å. Antrinio griovelio siaurumas reiškia, kad pagrindų kraštai yra geriau pasiekiami pagrindiniame griovelyje. Dėl to b altymai, tokie kaip transkripcijos faktoriai, galintys prisijungti prie specifinių DNR dvigubos spiralės sekų, paprastai liečiasi su pagrindiniame griovelyje atvirais pagrindų šonais. Ši situacija keičia neįprastas DNR konformacijas ląstelėje, tačiau pagrindiniai ir smulkūs grioveliai visada pavadinami taip, kad atspindėtų dydžio skirtumus, kurie būtų pastebėti, jei DNR būtų susukta atgal į įprastą B formą.
Modelio kūrimas
Aštuntojo dešimtmečio pabaigoje alternatyvūs nespiraliniai modeliai buvo trumpai apsvarstyti kaip galimas DNR replikacijos plazmidėse ir chromatinuose problemų sprendimas. Tačiau dėl vėlesnių eksperimentinių pažangų, tokių kaip rentgeno spinduliai, jų buvo atsisakyta ir pasirinktas dvigubos DNR ritės modelis. DNR dupleksų kristalografija. Be to, šiuo metu pagrindinė mokslo bendruomenė nepriima nedvigubos spiralės modelių.
Viengrandės nukleorūgštys (ssDNR) neįgauna spiralės formos ir yra apibūdinamos tokiais modeliais kaip atsitiktinė ritė arba į slieką panaši grandinė.
DNR yra gana standus polimeras, paprastai modeliuojamas kaip į kirminą panaši grandinė. Modelio standumas yra svarbus DNR cirkuliacijai ir su juo susijusių b altymų orientacijai vienas kito atžvilgiu, o histerinis ašinis standumas yra svarbus DNR įvyniojimui ir b altymų cirkuliacijai bei sąveikai. Suspaudimas ir pailgėjimas yra santykinai nesvarbus, jei nėra aukštos įtampos.
Chemija ir genetika
DNR tirpale neįgyja standžios struktūros, bet nuolat keičia konformaciją dėl šiluminės vibracijos ir susidūrimo su vandens molekulėmis, todėl neįmanoma taikyti klasikinių standumo priemonių. Todėl DNR lenkimo standumas matuojamas patvarumo ilgiu, kuris apibrėžiamas kaip „DNR ilgis, per kurį polimero orientacijos vidurkis tampa koeficientu nekoreliuojamas“.
Šią vertę galima tiksliai išmatuoti naudojant atominės jėgos mikroskopą, kad būtų galima tiesiogiai atvaizduoti įvairaus ilgio DNR molekules. Vandeniniame tirpale vidutinis pastovus ilgis yra 46-50 nm arba 140-150 bazinių porų (DNR 2 nm), nors tai gali labai skirtis. Dėl to DNR yra vidutiniškai standi molekulė.
DNR segmento tęsimosi trukmė labai priklauso nuo jo sekos, ir tai gali sukelti reikšmingųpokyčius. Pastarieji dažniausiai atsiranda dėl energijos ir fragmentų, kurie sklinda į mažus ir didelius griovelius.
Fizikinės savybės ir kreivės
Entropinis DNR lankstumas nepaprastai atitinka standartinius polimerų fizikos modelius, tokius kaip Kratky-Porod grandininio kirmėlio modelis. Į kirminą panašus modelis atitinka pastebėjimą, kad DNR lenkimą taip pat apibūdina Huko dėsnis esant labai mažoms (subpikoneontoninėms) jėgoms. Tačiau DNR segmentų, kurių trukmė ir patvarumas yra mažesnis, lenkimo jėga yra maždaug pastovi, o elgesys nukrypsta nuo prognozių, priešingai nei jau minėti į kirminą panašūs modeliai.
Šis efektas lemia neįprastą lengvą mažų DNR molekulių cirkuliavimą ir didesnę tikimybę rasti labai išlenktas DNR sritis.
DNR molekulės dažnai turi pageidaujamą lenkimo kryptį, t. y. anizotropinį lenkimą. Tai vėlgi yra dėl bazių, sudarančių DNR sekas, savybių ir būtent jos sujungia dvi DNR grandines į spiralę. Kai kuriais atvejais sekos neturi patarlių posūkių.
DNR dvigubos spiralės struktūra
Pageidautina DNR lenkimo kryptis nustatoma pagal kiekvienos bazės ant kitos sudėjimo stabilumą. Jei nestabilios bazės sukrovimo žingsniai visada yra vienoje DNR spiralės pusėje, DNR pirmiausia nusilenks iš tos krypties. Dviejų DNR grandžių sujungimas į spiralęatlieka nuo šios krypties priklausančios molekulės. Didėjant lenkimo kampui, jie atlieka steriškų kliūčių vaidmenį, rodydami galimybę suvynioti likučius vienas kito atžvilgiu, ypač mažame griovelyje. Geriausia, kad nuosėdos A ir T susidarytų mažuose grioveliuose vingiuose. Šis poveikis ypač akivaizdus jungiantis prie DNR ir b altymų, kai sukeliamas DNR standus lenkimas, pavyzdžiui, nukleosomų dalelėse.
DNR molekulės, pasižyminčios išskirtiniu lenkimu, gali tapti lanksčios. Tai pirmą kartą buvo atrasta DNR iš tripanosomatido kinetoplasto. Įprastos tai sukeliančios sekos apima 4–6 T ir A ruožus, atskirtus G ir C, kuriuose yra A ir T liekanų nedidelėje griovelio fazėje toje pačioje molekulės pusėje.
Vidinė išlenkta struktūra yra sukelta bazinių porų „sukimosi“viena kitos atžvilgiu, o tai leidžia sukurti neįprastus dvišakius vandenilinius ryšius tarp bazinių etapų. Aukštesnėje temperatūroje ši struktūra denatūruojama, todėl prarandamas vidinis kreivumas.
Visa DNR, kuri lenkiasi anizotropiškai, vidutiniškai turi ilgesnę trauką ir didesnį ašinį standumą. Šis padidėjęs standumas būtinas, kad būtų išvengta atsitiktinio lenkimo, dėl kurio molekulė veiktų izotropiškai.
DNR žiedavimas priklauso nuo molekulės ašinio (lenkimo) ir sukimo (sukimosi) standumo. Kad DNR molekulė galėtų sėkmingai cirkuliuoti, ji turi būti pakankamai ilga, kad lengvai susilenktų į pilną ratą, ir turėti reikiamą bazių skaičių.galai buvo tinkamai pasisukę, kad būtų užtikrinta galimybė klijuoti spirales. Optimalus cirkuliuojančios DNR ilgis yra apie 400 bazinių porų (136 nm). Nelyginis apsisukimų skaičius yra reikšmingas energijos barjeras grandinėms, pavyzdžiui, 10,4 x 30=312 porų molekulė cirkuliuos šimtus kartų greičiau nei 10,4 x 30,5 ≈ 317 molekulė.
Elastingumas
Ilgesni DNR ruožai ištempti yra entropiškai elastingi. Kai DNR yra tirpale, ji patiria nuolatinius struktūrinius pokyčius dėl terminio tirpiklio vonioje esančios energijos. Taip yra dėl DNR molekulės šiluminių virpesių, kartu su nuolatiniais susidūrimais su vandens molekulėmis. Dėl entropijos priežasčių kompaktiškesnės atsipalaidavusios būsenos yra termiškai labiau prieinamos nei ištemptos, todėl sudėtinguose „atsipalaidavusiuose“molekuliniuose modeliuose DNR molekulės yra beveik visur. Dėl šios priežasties viena DNR molekulė išsitemps veikiant jėgai, ją ištiesindama. Naudojant optinius pincetus, DNR entropijos tempimo elgsena buvo ištirta ir išanalizuota polimerų fizikos požiūriu ir buvo nustatyta, kad DNR iš esmės elgiasi kaip Kratky-Porod kirminą primenantis grandinės modelis fiziologiškai prieinamose energijos skalėse.
Manoma, kad esant pakankamam įtempimui ir teigiamam sukimo momentui, DNR vyksta fazinis perėjimas, kai stuburas juda į išorę, o fosfatai patenka įvidurio. Ši pertemptos DNR struktūra buvo pavadinta P formos DNR Linuso Paulingo vardu, kuris iš pradžių ją numatė kaip galimą DNR struktūrą.
Mechaninio DNR tempimo, kai nėra sukimo momento, įrodymai rodo perėjimą arba perėjimus, vedančius į kitas struktūras, paprastai vadinamas S formomis. Šios struktūros dar nebuvo galutinai apibūdintos, nes sunku atlikti atominio rezonatoriaus raiškos vaizdą tirpale naudojant jėgą, nors buvo atlikta daug kompiuterinio modeliavimo tyrimų. Siūlomos S-DNR struktūros apima tas, kurios išlaiko bazinės poros raukšlę ir vandenilio ryšį (praturtintas GC).
Sigmoidinis modelis
Periodinis bazinės poros krūvos lūžis su pertrauka buvo pasiūlytas kaip taisyklinga struktūra, kuri išlaiko bazinio krūvos taisyklingumą ir atpalaiduoja atitinkamą išsiplėtimą, įvedant terminą "Σ-DNR". kaip mnemoniką, kurioje trys dešinės pusės simbolio „Sigma“taškai primena tris sugrupuotas bazių poras. Įrodyta, kad forma Σ turi pirmenybę GNC motyvams, kurie, remiantis GNC_h hipoteze, turi evoliucinę reikšmę.
Spiralės tirpimas, kaitinimas ir išvyniojimas
DNR spiralės B forma sukasi 360° 10,4–10,5 bp. nesant sukimo deformacijos. Tačiau daugelis molekulinių biologinių procesų gali sukelti sukimo įtampą. DNR segmentas su pertekliumi arba„Undercoiling“minimas atitinkamai tiek teigiamame, tiek neigiamame kontekste. DNR in vivo paprastai yra neigiamai susukta (t. y. turi priešinga kryptimi susisukusių garbanų), o tai palengvina dvigubos spiralės išsivyniojimą (tirpimą), kurios labai reikia RNR transkripcijai.
Ląstelės viduje dauguma DNR yra topologiškai ribotos. DNR dažniausiai randama uždarose kilpose (pvz., plazmidėse prokariotuose), kurios yra topologiškai uždaros arba labai ilgos molekulės, kurių difuzijos koeficientai efektyviai sukuria topologiškai uždaras sritis. Linijiniai DNR ruožai taip pat dažnai siejami su b altymais arba fizinėmis struktūromis (pvz., membranomis), kad susidarytų uždaros topologinės kilpos.
Bet koks T parametro pokytis uždaroje topologinėje srityje turi būti subalansuotas pakeitus W parametrą, ir atvirkščiai. Tai lemia aukštesnę DNR molekulių spiralės struktūrą. Įprasta DNR molekulė, kurios šaknis yra 0, pagal savo klasifikaciją būtų apskrita. Jei šios molekulės posūkis vėliau bus padidintas arba sumažintas dėl superkonformacijos, atitinkamai pasikeis ir šaknys, todėl molekulėje bus atlikta pleknoneminė arba toroidinė superspiralinė apvija.
Kai DNR dvigubos spiralės dalies galai sujungiami taip, kad sudarytų apskritimą, sruogos yra topologiškai susietos. Tai reiškia, kad atskiros gijos negali būti atskirtos nuo jokio proceso, nesusijusio su gijos pertraukimu.(pvz., šildymas). Topologiškai susietų DNR grandžių atsiejimo užduotis tenka fermentams, vadinamiems topoizomerazėmis.
