De term 'DNA-helix' heeft een complexe geschiedenis en aard. Hiermee wordt in de regel het model bedoeld dat door James Watson is geïntroduceerd. De dubbele DNA-helix wordt bij elkaar gehouden met nucleotiden die een paar vormen. In B-DNA, de meest voorkomende helixstructuur die in de natuur wordt gevonden, is de dubbele helix rechtshandig met 10-10,5 basenparen per beurt. De dubbele helixstructuur van DNA bevat een grote groef en een kleine groef. In B-DNA is de grote groef breder dan de kleine groef. Gezien het verschil in breedte tussen de grote en kleine groeven, doen veel eiwitten die binden aan B-DNA dat via de bredere grote groef.
Ontdekkingsgeschiedenis
Het structurele model van de dubbele DNA-helix werd voor het eerst gepubliceerd in Nature door James Watson en Francis Crick in 1953 (X, Y, Z-coördinaten in 1954) op basis van een kritisch röntgendiffractiebeeld van DNA met het label Photo 51, uit het werk van Rosalind Franklin uit 1952, gevolgd door een duidelijker beeld van haar genomenRaymond Gosling, Maurice Wilkins, Alexander Stokes en Herbert Wilson. Het voorlopige model was driestrengs DNA.
Het besef dat de open structuur een dubbele helix is, verklaart het mechanisme waarmee twee strengen DNA samenkomen in een helix, waardoor genetische informatie wordt opgeslagen en gekopieerd in levende organismen. Deze ontdekking wordt beschouwd als een van de belangrijkste wetenschappelijke inzichten van de twintigste eeuw. Crick, Wilkins en Watson ontvingen elk een derde van de Nobelprijs voor de Fysiologie of Geneeskunde 1962 voor hun bijdragen aan de ontdekking. Franklin, wiens baanbrekende röntgendiffractiegegevens werden gebruikt om de DNA-helix te formuleren, stierf in 1958 en kwam daarom niet in aanmerking voor een Nobelprijs-nominatie.
Waarde voor hybridisatie
Hybridisatie is het proces van het verbinden van basenparen die binden om een dubbele helix te vormen. Smelten is het proces waarbij interacties tussen dubbele helixstrengen worden verstoord, waardoor twee lijnen van nucleïnezuren worden gescheiden. Deze bindingen zijn zwak, gemakkelijk te scheiden door milde hitte, enzymen of mechanische kracht. Smelten vindt voornamelijk plaats op bepaalde punten in het nucleïnezuur. Regio's van de DNA-helix met het label T en A smelten gemakkelijker dan regio's C en G. Sommige basenstadia (paren) zijn ook vatbaar voor DNA-smelting, zoals TA en TG. Deze mechanische eigenschappen worden weerspiegeld door sequenties zoals TATA aan het begin van veel genen om RNA-polymerase te helpen het DNA te smelten voor transcriptie.
Verwarming
Processcheidingstrengen door ondiepe verwarming, zoals gebruikt in de polymerasekettingreactie (PCR), is eenvoudig, op voorwaarde dat de moleculen ongeveer 10.000 basenparen (10 kilobaseparen of 10 kbp) zijn. De verstrengeling van DNA-strengen maakt het moeilijk om lange segmenten te scheiden. De cel vermijdt dit probleem door zijn DNA-smeltende enzymen (helicasen) gelijktijdig te laten werken met topo-isomerases, die de fosfaatruggengraat van een van de strengen chemisch kunnen splitsen, zodat deze om de andere kan draaien. Helicases wikkelen de strengen af om de doorgang van sequentie-lezende enzymen zoals DNA-polymerase te vergemakkelijken. De dubbele DNA-helix wordt gevormd door de bindingen van deze strengen.
Spiraalgeometrie
De geometrische component van de DNA-structuur kan worden gekenmerkt door 6 coördinaten: verschuiven, glijden, stijgen, kantelen, draaien en draaien. Deze waarden bepalen nauwkeurig de locatie en oriëntatie in de ruimte van elk paar DNA-strengen. In gebieden van DNA of RNA waar de normale structuur is verstoord, kan een verandering in deze waarden worden gebruikt om een dergelijke verstoring te beschrijven.
Opstaan en draaien worden bepaald door de vorm van de spiraal. Andere coördinaten kunnen daarentegen gelijk zijn aan nul.
Merk op dat "scheefstand" vaak op verschillende manieren wordt gebruikt in de wetenschappelijke literatuur, verwijzend naar de afwijking van de eerste as van de interstrengbasis van loodrecht op de as van de helix. Dit komt overeen met schuiven tussen de basenvolgorde van de dubbele DNA-helix, en in geometrische coördinaten wordt het correct genoemd"kantelen".
Geometrische verschillen in spiralen
Er wordt gedacht dat ten minste drie DNA-conformaties van nature voorkomen: A-DNA, B-DNA en Z-DNA. Vorm B, zoals beschreven door James Watson en Francis Crick, wordt verondersteld overheersend te zijn in cellen. Het is 23,7 breed en verlengt 34 Å bij 10 bp. opeenvolgingen. De dubbele DNA-helix wordt gevormd door de bindingen van twee lijnen ribonucleïnezuur, die elke 10,4-10,5 basenparen in oplossing een volledige omwenteling rond zijn as maken. Deze draaifrequentie (de helixsteek genoemd) hangt grotendeels af van de stapelkrachten die elke basis uitoefent op zijn buren in de ketting. De absolute configuratie van de basen bepa alt de richting van de spiraalvormige curve voor een gegeven conformatie.
Verschillen en functies
A-DNA en Z-DNA verschillen aanzienlijk in hun geometrie en grootte in vergelijking met B-DNA, hoewel ze nog steeds spiraalvormige structuren vormen. Er is lang gedacht dat de A-vorm alleen voorkomt in gedehydrateerde DNA-monsters in het laboratorium dat wordt gebruikt in kristallografische experimenten en in hybride DNA-RNA-strengparen, maar DNA-dehydratatie vindt in vivo plaats en A-DNA heeft nu biologische functies die ons bekend zijn. DNA-segmenten waarvan de cellen voor regulerende doeleinden zijn gemethyleerd, kunnen een Z-geometrie aannemen waarin de strengen op de tegenovergestelde manier om de spiraalvormige as roteren als A-DNA en B-DNA. Er zijn ook aanwijzingen dat eiwit-DNA-complexen Z-DNA-structuren vormen. De lengte van de DNA-helix verandert op geen enkele manier, afhankelijk van:typ.
Problemen met namen
In feite zijn nu alleen de letters F, Q, U, V en Y beschikbaar om de verschillende soorten DNA te benoemen die in de toekomst kunnen worden ontdekt. De meeste van deze vormen zijn echter synthetisch gemaakt en hebben niet waargenomen in natuurlijke biologische systemen. Er zijn ook driestrengige (3 strengen DNA) en quadrupoolvormen, zoals de G-quadruplex.
Verbinding van draden
DNA dubbele helix wordt gevormd door de bindingen van spiraalvormige strengen. Omdat de draden niet recht tegenover elkaar liggen, zijn de groeven ertussen ongelijk van grootte. Eén groef, de hoofdgroef, heeft een breedte van 22 en de andere, een kleine, bereikt een lengte van 12. De smalheid van de secundaire groef betekent dat de randen van de bases beter toegankelijk zijn in de hoofdgroef. Dientengevolge maken eiwitten zoals transcriptiefactoren die kunnen binden aan specifieke sequenties in de dubbele DNA-helix, typisch contact met de zijkanten van de basen die open zijn in de hoofdgroef. Deze situatie verandert in ongebruikelijke DNA-conformaties in de cel, maar de grote en kleine groeven worden altijd genoemd om de verschillen in grootte weer te geven die zouden worden gezien als het DNA terug in zijn normale B-vorm zou worden gedraaid.
Een model maken
Aan het eind van de jaren zeventig werden alternatieve niet-helix-modellen kort beschouwd als een mogelijke oplossing voor de problemen van DNA-replicatie in plasmiden en chromatine. Ze werden echter verlaten ten gunste van het dubbele spoelmodel van DNA vanwege latere experimentele vorderingen zoals röntgenstralingkristallografie van DNA-duplexen. Ook worden niet-dubbele helix-modellen momenteel niet geaccepteerd door de reguliere wetenschappelijke gemeenschap.
Enkelstrengige nucleïnezuren (ssDNA) nemen geen spiraalvorm aan en worden beschreven door modellen zoals random coil of wormachtige ketting.
DNA is een relatief rigide polymeer, meestal gemodelleerd als een wormachtige ketting. Modelstijfheid is belangrijk voor DNA-circularisatie en de oriëntatie van de bijbehorende eiwitten ten opzichte van elkaar, terwijl hysteretische axiale stijfheid belangrijk is voor DNA-verpakking en eiwitcirculatie en interactie. Compressie-rek is relatief onbelangrijk bij afwezigheid van hoogspanning.
Chemie en genetica
DNA in oplossing neemt geen starre structuur aan, maar verandert voortdurend van conformatie als gevolg van thermische trillingen en botsingen met watermoleculen, waardoor het onmogelijk is om klassieke stijfheidsmaatregelen toe te passen. Daarom wordt de buigstijfheid van DNA gemeten door de persistentielengte, gedefinieerd als "de lengte van het DNA waarover de tijdgemiddelde oriëntatie van het polymeer coëfficiënt ongecorreleerd raakt."
Deze waarde kan nauwkeurig worden gemeten met behulp van een atoomkrachtmicroscoop om DNA-moleculen van verschillende lengtes rechtstreeks in beeld te brengen. In waterige oplossing is de gemiddelde constante lengte 46-50 nm of 140-150 basenparen (DNA 2 nm), hoewel dit aanzienlijk kan variëren. Dit maakt DNA tot een redelijk rigide molecuul.
De duur van de voortzetting van een DNA-segment is sterk afhankelijk van de volgorde, en dit kan leiden tot significanteveranderingen. De laatste zijn meestal te wijten aan het stapelen van energie en fragmenten die zich voortplanten in kleine en grote groeven.
Fysieke eigenschappen en rondingen
De entropische flexibiliteit van DNA is opmerkelijk consistent met standaardmodellen van polymeerfysica, zoals het Kratky-Porod-model van de kettingworm. In overeenstemming met het wormachtige model is de observatie dat het buigen van DNA ook wordt beschreven door de wet van Hooke bij zeer kleine (subpiconeontone) krachten. Voor DNA-segmenten die kleiner zijn in duur en persistentie, is de buigkracht echter ongeveer constant en wijkt het gedrag af van voorspellingen, in tegenstelling tot de reeds genoemde wormachtige modellen.
Dit effect resulteert in een ongewoon gemak bij het circulair maken van kleine DNA-moleculen en een grotere kans op het vinden van sterk gekromde DNA-gebieden.
DNA-moleculen hebben vaak een voorkeursrichting voor buigen, d.w.z. anisotrope buiging. Dit komt opnieuw door de eigenschappen van de basen waaruit de DNA-sequenties bestaan, en zij zijn het die de twee DNA-strengen tot een helix verbinden. In sommige gevallen hebben sequenties niet de spreekwoordelijke wendingen.
DNA dubbele helix structuur
De voorkeursrichting van DNA-buiging wordt bepaald door de stapelstabiliteit van elke base op de volgende. Als onstabiele base-stapelstappen altijd aan één kant van de DNA-helix zijn, dan zal het DNA bij voorkeur uit die richting wegvouwen. Twee strengen DNA verbinden tot een helixuitgevoerd door moleculen die van deze richting afhankelijk zijn. Naarmate de buighoek groter wordt, spelen ze de rol van sterische hindernissen, wat het vermogen toont om de resten ten opzichte van elkaar te rollen, vooral in de kleine groef. Afzettingen A en T zullen bij voorkeur plaatsvinden in kleine groeven in de bochten. Dit effect is vooral duidelijk bij DNA-eiwitbinding wanneer DNA-rigide buiging wordt geïnduceerd, bijvoorbeeld in nucleosoomdeeltjes.
DNA-moleculen met uitzonderlijke buiging kunnen buigzaam worden. Dit werd voor het eerst ontdekt in DNA van trypanosomatid kinetoplast. Typische sequenties die dit veroorzaken zijn onder meer 4-6 T- en A-stukken gescheiden door G en C, die A- en T-residuen bevatten in een kleine groeffase aan dezelfde kant van het molecuul.
De interne gebogen structuur wordt veroorzaakt door het "draaien" van de basenparen ten opzichte van elkaar, waardoor ongebruikelijke vertakte waterstofbruggen tussen de basistrappen kunnen worden gecreëerd. Bij hogere temperaturen wordt deze structuur gedenatureerd en gaat de intrinsieke kromming verloren.
Alle DNA dat anisotroop buigt, heeft gemiddeld een langere stuwkracht en grotere axiale stijfheid. Deze verhoogde stijfheid is nodig om onbedoelde buiging te voorkomen, waardoor het molecuul isotroop zou werken.
DNA-ring hangt af van zowel de axiale (buig)stijfheid als de torsiestijfheid (rotatiestijfheid) van het molecuul. Om een DNA-molecuul met succes te laten circuleren, moet het lang genoeg zijn om gemakkelijk in een volledige cirkel te kunnen buigen en het juiste aantal basen hebben omde uiteinden waren in de juiste rotatie om de mogelijkheid van het verlijmen van de spiralen te verzekeren. De optimale lengte voor circulerend DNA is ongeveer 400 basenparen (136 nm). De aanwezigheid van een oneven aantal windingen is een significante energiebarrière voor circuits, een molecuul van 10,4 x 30=312 paar zal bijvoorbeeld honderden keren sneller circuleren dan een molecuul van 10,4 x 30,5 × 317.
Elasticiteit
Langere stukken DNA zijn entropisch elastisch wanneer ze worden uitgerekt. Wanneer DNA in oplossing is, ondergaat het continue structurele veranderingen vanwege de beschikbare energie in het thermische oplosmiddelbad. Dit komt door de thermische trillingen van het DNA-molecuul, gecombineerd met constante botsingen met watermoleculen. Om entropieredenen zijn compactere ontspannen toestanden thermisch toegankelijker dan uitgerekte toestanden, en dus zijn DNA-moleculen bijna alomtegenwoordig in ingewikkelde "ontspannen" moleculaire modellen. Om deze reden zal één DNA-molecuul onder de kracht uitrekken, waardoor het recht wordt. Met behulp van een optisch pincet is het entropie-rekgedrag van DNA bestudeerd en geanalyseerd vanuit het perspectief van de polymeerfysica, en er is gevonden dat DNA zich in principe gedraagt als een Kratky-Porod wormachtig kettingmodel op fysiologisch beschikbare energieschalen.
Bij voldoende spanning en positieve torsie wordt aangenomen dat het DNA een faseovergang ondergaat, waarbij de ruggengraat naar buiten beweegt en de fosfaten naar binnen gaanmidden. Deze voorgestelde structuur voor overbelast DNA werd P-vorm DNA genoemd naar Linus Pauling, die het oorspronkelijk voorzag als een mogelijke DNA-structuur.
Bewijs voor mechanisch rekken van DNA bij afwezigheid van opgelegde torsiepunten naar een overgang of overgangen die leiden tot verdere structuren die gewoonlijk S-vormen worden genoemd. Deze structuren zijn nog niet definitief gekarakteriseerd vanwege de moeilijkheid om resolutiebeeldvorming van een atomaire resonator in oplossing uit te voeren met toegepaste kracht, hoewel er veel computersimulatiestudies zijn gedaan. Voorgestelde S-DNA-structuren omvatten die welke de basenpaarvouw en waterstofbinding behouden (verrijkt in GC).
Sigmoid-model
Periodieke breuk van de basenpaarstapel met een breuk is voorgesteld als een regelmatige structuur die de regelmaat van de basisstapel behoudt en een geschikte hoeveelheid expansie afgeeft, waarbij de term "Σ-DNA" wordt geïntroduceerd als geheugensteuntje waarin de drie rechtse stippen van het "Sigma" -symbool een herinnering zijn aan drie geclusterde basenparen. Het is aangetoond dat de vorm een sequentievoorkeur heeft voor GNC-motieven, waarvan de GNC_h-hypothese gelooft dat ze evolutionaire betekenis hebben.
Smelten, verwarmen en afwikkelen van de spiraal
Vorm B van de DNA-helix draait 360° voor 10,4-10,5 bp. bij afwezigheid van torsievervorming. Maar veel moleculair biologische processen kunnen torsiestress veroorzaken. Een segment van DNA met een overmaat ofundercoiling wordt respectievelijk in zowel positieve als negatieve contexten genoemd. DNA in vivo is meestal negatief opgerold (d.w.z. heeft krullen die in de tegenovergestelde richting zijn gedraaid), wat het afwikkelen (smelten) van de dubbele helix vergemakkelijkt, wat hard nodig is voor RNA-transcriptie.
Binnen de cel is het meeste DNA topologisch beperkt. DNA wordt gewoonlijk gevonden in gesloten lussen (zoals plasmiden in prokaryoten) die topologisch gesloten of zeer lange moleculen zijn waarvan de diffusiecoëfficiënten effectief topologisch gesloten gebieden produceren. Lineaire stukken DNA worden ook vaak geassocieerd met eiwitten of fysieke structuren (zoals membranen) om gesloten topologische lussen te vormen.
Elke verandering in de T-parameter in een gesloten topologisch gebied moet worden gecompenseerd door een verandering in de W-parameter, en vice versa. Dit resulteert in een hogere helixstructuur van DNA-moleculen. Een gewoon DNA-molecuul met wortel 0 zou cirkelvormig zijn in zijn classificatie. Als de draaiing van dit molecuul vervolgens wordt vergroot of verkleind door superconforming, dan zullen de wortels dienovereenkomstig worden gewijzigd, waardoor het molecuul een plectnonemische of toroïdale superhelische wikkeling ondergaat.
Wanneer de uiteinden van een sectie van de dubbele DNA-helix zijn verbonden zodat het een cirkel vormt, zijn de strengen topologisch gebonden. Dit betekent dat individuele threads niet kunnen worden gescheiden van een proces dat niet is gekoppeld aan een thread-onderbreking.(bijvoorbeeld verwarming). De taak om de topologisch gekoppelde DNA-strengen los te maken, v alt onder enzymen die topo-isomerases worden genoemd.
