Спіралі ДНК: визначення, структура, функції

Термін “спіралі ДНК” має складну історію і природу. Під ним, як правило, мається на увазі модель, запроваджена Джеймсом Уотсоном. Подвійна спіраль ДНК утримується разом з нуклеотидами, які утворюють пару.

В B-ДНК, найбільш поширеною спіральної структурі, знайденої в природі, подвійна спіраль права з 10-10,5 пар основ за хід. Подвійна спіральна структура ДНК містить велику канавку і дрібну борозенку. В B-ДНК велика канавка ширше, ніж мала. З огляду на різницю в ширині основної та малої канавки, багато білків, які зв’язуються з B-ДНК, роблять це через більш широку основну.

Історія відкриття

Структурна модель подвійної спіралі ДНК була вперше опублікована в журналі Nature Джеймсом Уотсоном і Френсісом Криком в 1953 році (X, Y, Z координати в 1954 році) на основі критичного рентгенівського дифракційного зображення ДНК, позначеного як «Фото 51», з роботи Розалінди Франклін 1952 року, за якою слідує її більш чітке зображення, зроблене Раймондом Гослінгом, Морісом Вілкінсом, Олександром Стоуксом і Гербертом Вілсоном. Попередньою моделлю була трехцепочечная ДНК.

Усвідомлення того, що відкрита структура являє собою подвійну спіраль, пояснює механізм з’єднання двох ланцюгів ДНК в спіраль, за допомогою якого генетична інформація зберігається і копіюється в живих організмах. Це відкриття вважається одним з найважливіших наукових осяянь двадцятого століття. Крик, Уілкінс і Уотсон отримали по одній третині від Нобелівської премії 1962 року з фізіології і медицині за внесок у відкриття. Франклін, чиї проривні дані рентгенівської дифракції були використані для формулювання спіралі ДНК, помер в 1958 році і, отже, не мав права бути номінованим на Нобелівську премію.

Значення для гібридизації

Гібридизація – це процес з’єднання пар основ, що пов’язують з утворенням подвійної спіралі. Плавлення – це процес, за допомогою якого порушуються взаємодії між ланцюгами подвійної спіралі, розділяючи дві лінії нуклеїнових кислот. Ці зв’язки слабкі, легко розділені м’яким нагріванням, ферментами або механічною силою. Плавлення відбувається переважно в певних точках нуклеїнової кислоти. Області спіралі ДНК, відмічені як T і A, легше розплавляються, ніж області C і G. Деякі базові стадії (пари) також сприйнятливі до плавлення ДНК, таким як TA і TG. Ці механічні ознаки відображаються за допомогою таких послідовностей, як TATA на початку багатьох генів, щоб допомогти РНК-полімерази в плавленні ДНК для транскрипції.

Процес розділення Стренга шляхом неглибокого нагріву, який використовується в полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР), простий, за умови що молекули мають приблизно 10000 пар основ (10 кілобазних пар або 10 т. П. Н.). Переплетення спіралей ДНК ускладнює поділ довгих сегментів. Осередок уникає цієї проблеми, дозволяючи своїм ДНК-плавильним ферментам (геліказу) працювати одночасно з топоізомеразами, які можуть хімічно розщеплювати фосфатную основу однієї з ниток, щоб вона могла повертатися навколо іншої. Гелікази розмотують пасма, щоб полегшити просування ферментів, що зчитують послідовність, таких як ДНК-полімераза. Подвійна спіраль ДНК утворюється за рахунок зв’язків цих пасом.

Геометрія спіралей

Геометричну складову структури ДНК можна характеризувати 6 координатами: зрушенням, ковзанням, підйомом, нахилом, закручуванням і поворотом. Ці значення точно визначають місце розташування і орієнтацію в просторі кожної пари спіралей ДНК. В областях ДНК або РНК, де нормальна структура зруйнована, зміна цих значень може бути використано для опису такого порушення.

Підйом і поворот визначаються формою спіралі. Інші координати, навпаки, можуть бути рівні нулю.

Зверніть увагу, що «нахил» часто використовується в науковій літературі по-різному, посилаючись на відхилення першої осі межцепних бази від перпендикулярності до осі спіралі. Це відповідає ковзанню між послідовністю підстав подвійної спіралі ДНК, а в геометричних координатах правильно називається «нахилом».

Геометричні відмінності в спіралях

Вважається, що щонайменше три конформації ДНК зустрічаються в природі: A-ДНК, B-ДНК і Z-ДНК. Вважається, що форма B, описана Джеймсом Уотсоном і Френсісом Криком, переважає в клітинах. Вона має ширину 23,7 Å і подовжує 34 Å на 10 п. О. послідовності. Подвійна спіраль ДНК утворюється за рахунок зв’язків двох ліній рибонуклеїнової кислоти, які роблять один повний оберт навколо своєї осі кожні 10,4-10,5 пар основ в розчині. Ця частота закручування (звана спіральним кроком) багато в чому залежить від сил укладання, які кожна база надає на своїх сусідів в ланцюжку. Абсолютна конфігурація підстав визначає напрямок спіральної кривої для даної конформації.

Відмінності і виконувані функції

A-ДНК і Z-ДНК значно відрізняються за своєю геометрії і розмірами в порівнянні з B-ДНК, хоча вони все ще утворюють спіральні структури. Довгий час вважалося, що форма А зустрічається тільки в дегідратованих зразках ДНК в лабораторії, які використовуються в кристалографічних експериментах, і в гібридних спарювання ланцюгів ДНК і РНК, але дегідратація ДНК дійсно відбувається in vivo, а А-ДНК тепер мають відомі нам біологічні функції. Сегменти ДНК, клітини яких були метиловані для регуляторних цілей, можуть приймати геометрію Z, в якій нитки повертаються навколо спіральної осі протилежним чином до A-ДНК і B-ДНК. Є також свідчення комплексів білків-ДНК, що утворюють структури Z-ДНК. Довжина спіралі ДНК при цьому не змінюється в залежності від типу.

Проблеми з назвами

Фактично для назви різних типів ДНК, які можуть бути відкриті в майбутньому, тепер доступні тільки букви F, Q, U, V і Y. Однак більшість цих форм були створені синтетично і не спостерігалися в природних біологічних системах. Існують також трехцепочечние (3 спіралі ДНК) і квадрупольні форми, такі як G-квадруплекс.

Подвійна спіраль ДНК утворюється за рахунок зв’язків спіральних ниток. Оскільки нитки не перебувають прямо один навпроти одного, канавки між ними мають нерівномірний розмір. Одна канавка, основна, має ширину 22 Å, а інша, мала, досягає довжини 12 Å. Вузькість другорядною канавки означає, що краю підстав доступніші в основний канавці. В результаті білки, такі як фактори транскрипції, які можуть зв’язуватися з конкретними послідовностями в подвійної спіралі ДНК, зазвичай контактують з боками підстав, відкритих в основний канавці. Ця ситуація змінюється в незвичайних конформаціях ДНК всередині клітини, але основні і другорядні борозни завжди називаються так, щоб відображати відмінності в розмірі, які можна було б побачити, якщо ДНК скручується назад в звичайну форму В.

Створення моделі

В кінці 1970-х років в якості потенційного вирішення проблем реплікації ДНК в плазмидах і хроматині були коротко розглянуті альтернативні неспіральние моделі. Однак вони були відкинуті на користь подвійний моделі, яка зображує виток спіралі ДНК, через наступних експериментальних досягнень, таких як рентгенівська кристалографія ДНК-дуплексів. Крім того, не подвійні спіральні моделі в даний час не приймаються основним науковим співтовариством.

Одноцепочечниє нуклеїнові кислоти (ssDNA) не приймають спіральну форму і описуються такими моделями як випадкова котушка або червоподобная ланцюг.

ДНК є відносно жорстким полімером, типово змодельованих як червоподобная ланцюг. Модельна жорсткість важлива для ціркулярізаціі ДНК і орієнтації пов’язаних з нею білків відносно один одного, а гистерезисная осьова жорсткість важлива для обгортання ДНК і циркулювання і взаємодії білків. Стиснення-подовження щодо неважливо при відсутності високої напруги.

Хімія і генетика

ДНК в розчині не приймає жорстку структуру, але постійно змінює конформацію через тепловий вібрації і зіткнення з молекулами води, що унеможливлює застосування класичних заходів жорсткості. Отже, згинальна жорсткість ДНК вимірюється довжиною персистентності, яка визначається як “довжина ДНК, по якій усереднена за часом орієнтація полімеру стає некорельованої за коефіцієнтом”.

Це значення може бути точно виміряна за допомогою атомного силового мікроскопа для безпосереднього зображення молекул ДНК різної довжини. У водному розчині середня постійна довжина становить 46-50 нм або 140-150 пар основ (діаметр ДНК 2 нм), хоча вона може значно відрізнятися. Це робить ДНК помірно жорсткої молекулою.

Тривалість продовження ділянки ДНК сильно залежить від її послідовності, і це може привести до значних змін. Останні в більшості своїй обумовлені енергією штабелювання і фрагментами, які поширюються на мінорні і великі канавки.

Фізичні властивості і вигини

Ентропійна гнучкість ДНК дивно узгоджується зі стандартними моделями полімерної фізики, такими як модель ланцюгового хробака типу Короткі-Порода. Відповідно до моделі, подібної черв’якам, є спостереження, що згинають ДНК також описується законом Гука при дуже малих (субпіконеонтонних) силах. Однак для сегментів ДНК, менших за тривалістю і персистентності, изгибная сила приблизно постійна, а поведінка відхиляється від прогнозів, на відміну від уже згаданих червоподібний моделей.

Цей ефект призводить до незвичайної легкості в ціркулярізаціі невеликих молекул ДНК і більш високу ймовірність знаходження сильно вигнутих ділянок ДНК.

Молекули ДНК часто мають переважне напрямок для вигину, тобто анізотропний вигин. Це, знову ж таки, пов’язано з властивостями основ, які становлять послідовності ДНК, а поєднання двох ланцюгів ДНК в спіраль здійснюють саме вони. У деяких випадках послідовності не мають горезвісних вигинів.

Структура подвійної спіралі ДНК

Бажаний напрямок вигину ДНК визначається стабільністю укладання кожного підстави поверх наступного. Якщо на одному боці спіралі ДНК завжди знаходяться нестійкі етапи штабелирования основи, то ДНК переважно буде відгинатися від цього напрямку. З’єднання двох ланцюгів ДНК в спіраль здійснюють молекули, що залежать від цього напрямку. У міру збільшення кута вигину вони грають роль стеричних перешкод, проявляючи здатність прокатувати залишки по відношенню один до одного, особливо в малій канавці. Відкладення A і T будуть переважно зустрічатися в невеликих канавках всередині вигинів. Цей ефект особливо проявляється в зв’язуванні ДНК-білка, коли активується жорсткий вигин ДНК, наприклад, в нуклеосомної частинках.

Молекули ДНК з винятковим вигином можуть стати изгибающимися. Це було вперше виявлено в ДНК трипаносоматиди кінетопласт. Типові послідовності, які викликають це, містять відрізки 4-6 T і A, розділені за принципом G і C, які містять залишки A і T в фазі з малої канавкою на одному боці молекули.

Внутрішня вигнута структура індукується «прокруткою гвинта» пар основ один щодо одного, що дозволяє створювати незвичайні біфурцірованние водневі зв’язку між базовими ступенями. При більш високих температурах ця структура денатурованого, і тому власний вигин втрачається.

Вся ДНК, яка згинається анізотропно, має, в середньому, більш тривалий упор і велику осьову жорсткість. Ця підвищена жорсткість необхідна для запобігання випадкового вигину, який змусить молекулу діяти ізотропно.

Кільцювання ДНК залежить як від осьової (згинальної) жорсткості, так і від крутильній (обертальної) жорсткості молекули. Щоб молекула ДНК успішно циркулювала, вона повинна бути досить довгою, щоб легко згинатися в повне коло і мати правильну кількість підстав, щоб кінці перебували в правильному обертанні, щоб забезпечити можливість склеювання спіралей. Оптимальна довжина для циркулювання ДНК становить близько 400 пар основ (136 нм). Наявність непарного числа поворотів являє собою значний енергетичний бар’єр для кругооборотов, наприклад, молекула пари 10,4 х 30 = 312 буде циркулювати в сотні разів швидше, ніж 10,4 х 30,5 ≈ 317-молекули.

Еластичність

Довші ділянки ДНК ентропічних еластичні при розтягуванні. Коли ДНК знаходиться в розчині, вона піддається безперервним структурним змінам через енергії, доступної в термальною ванні розчинника. Це пов’язано з тепловими коливаннями молекули ДНК в поєднанні з постійними сутичками з молекулами води. За ентропійних причин більш компактні розслаблені стану є термічно більш доступними, ніж розтягнуті стану, і тому молекули ДНК майже повсюдно зустрічаються в заплутаних “розслаблених” молекулярних моделях. З цієї причини одна молекула ДНК буде розтягуватися під дією сили, виправляючи її. Використовуючи оптичні пінцети, ентропійне розтяжне поведінку ДНК вивчалося і аналізувалося з точки зору фізики полімерів, і було виявлено, що ДНК поводиться в основному як червоподібні ланцюгова модель Короткі-Порода в фізіологічно доступних енергетичних масштабах.

При достатньому натягу і позитивному моменті ДНК, як вважається, піддається фазового переходу, при цьому основи розходяться назовні, а фосфати переміщаються в середину. Ця запропонована структура для перенапруженому ДНК була названа ДНК P-форми на честь Лінуса Полінга, який спочатку представляв її як можливу структуру ДНК.

Докази механічного розтягування ДНК за відсутності накладеного крутного моменту вказують на перехід або переходи, що ведуть до подальших структурам, які зазвичай називаються S-формами. Ці структури ще не були остаточно охарактеризовані через складність виконання зображень з роздільною здатністю атомного резонатора в розчині при додатку сили, хоча багато комп’ютерних симуляційні дослідження були зроблені. Пропоновані структури S-ДНК включають в себе ті, які зберігають укладання базової пари і водневу зв’язок (збагачену GC).

Сигмовидна модель

Періодичний перелом стека базової пари з розривом був запропонований як регулярна структура, яка зберігає планомірність базового укладання та звільняє відповідну кількість розширення, причому термін «Σ-ДНК» вводиться як мнемоніка, в якій три праві точки символу «Сигма» служать нагадуванням про трьох згрупованих парах підстав. Було показано, що форма Σ має перевагу послідовності для мотивів GNC, які, на думку GNC_h-гіпотези, мають еволюційне значення.

Плавлення, нагрівання і розмотування спіралі

Форма B спіралі ДНК закручується на 360 ° на 10,4-10,5 п. О. за відсутності деформації скручування. Але багато молекулярні біологічні процеси можуть викликати крутильне напруга. Сегмент ДНК з надмірною або недостатньою спіральним скручуванням згадується, відповідно, як в позитивному, так і в негативному контексті. ДНК in vivo зазвичай негативно закручено (т. Е. Має завитки, закручені в протилежну сторону), що полегшує розмотування (плавлення) подвійної спіралі, гостро необхідне для транскрипції РНК.

Усередині клітини більшість ДНК топологічно обмежена. ДНК зазвичай знаходиться в замкнутих петлях (таких як плазміди в прокаріоти), які є топологічно закритими або дуже довгими молекулами, коефіцієнти дифузії яких ефективно виробляють топологічно замкнуті області. Лінійні ділянки ДНК також зазвичай пов’язані з білками або фізичними структурами (такими як мембрани) з утворенням замкнутих топологічних петель.

Будь-яка зміна параметра T в замкнутій топологічної області має бути збалансовано зміною параметра W, і навпаки. Це призводить до структури більш високого порядку спіралі з молекул ДНК. Звичайна молекула ДНК з коренем 0 буде кругової по своїй класифікації. Якщо крутіння цієї молекули згодом буде збільшена або зменшена за рахунок суперсогласованія, то коріння будуть відповідним чином змінені, що призведе до того, що молекула піддасться плектнонеміческой або тороидальной суперхеліческой намотуванні.

Коли кінці ділянки подвійної спіралі ДНК з’єднуються так, що вона утворює коло, то нитки є топологічно зав’язаними. Це означає, що окремі нитки не можуть бути відокремлені від будь-якого процесу, який не пов’язаний з розривом нитки (наприклад, нагріванням). Завдання неразвязиванія топологічно пов’язаних ниток ДНК доводиться на ферменти, звані топоізомеразами.

Посилання на основну публікацію