"DNA sarmalı" teriminin karmaşık bir tarihi ve doğası vardır. Bununla, kural olarak, James Watson tarafından tanıtılan model kastedilmektedir. DNA çift sarmalı, bir çift oluşturan nükleotidlerle birlikte tutulur. Doğada bulunan en yaygın sarmal yapı olan B-DNA'da çift sarmal, dönüş başına 10-10.5 baz çifti ile sağ elini kullanır. DNA'nın çift sarmal yapısı, bir büyük oluk ve bir küçük oluk içerir. B-DNA'da majör oluk minör oluktan daha geniştir. Majör ve minör oluklar arasındaki genişlik farkı göz önüne alındığında, B-DNA'ya bağlanan birçok protein bunu daha geniş ana oluk aracılığıyla yapar.
Keşif geçmişi
DNA çift sarmalının yapısal modeli ilk olarak 1953'te James Watson ve Francis Crick tarafından Nature'da yayınlandı (1954'te X, Y, Z koordinatları), Fotoğraf 51 etiketli DNA'nın kritik bir x-ışını kırınım görüntüsüne dayalı olarak, Rosalind Franklin'in 1952 çalışmasından, ardından çekilmiş daha net bir görüntüsündenRaymond Gosling, Maurice Wilkins, Alexander Stokes ve Herbert Wilson. Ön model, üç iplikli DNA idi.
Açık yapının bir çift sarmal olduğunun anlaşılması, iki DNA zincirinin bir sarmal halinde birleşme mekanizmasını açıklar, bu mekanizma sayesinde canlı organizmalarda genetik bilgi depolanır ve kopyalanır. Bu keşif, yirminci yüzyılın en önemli bilimsel anlayışlarından biri olarak kabul edilir. Crick, Wilkins ve Watson'ın her biri, keşfe katkılarından dolayı 1962 Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü'nün üçte birini aldı. DNA sarmalını formüle etmek için çığır açan X-ışını kırınım verileri kullanılan Franklin, 1958'de öldü ve bu nedenle Nobel Ödülü adaylığı için uygun değildi.
Hibridizasyon için değer
Hibridizasyon, bir çift sarmal oluşturmak üzere bağlanan baz çiftlerini birleştirme işlemidir. Erime, çift sarmal dizileri arasındaki etkileşimlerin bozulduğu ve iki sıra nükleik asitin ayrıldığı süreçtir. Bu bağlar zayıftır, hafif ısı, enzimler veya mekanik kuvvetle kolayca ayrılır. Erime, ağırlıklı olarak nükleik asitte belirli noktalarda meydana gelir. DNA sarmalının T ve A etiketli bölgeleri, C ve G bölgelerinden daha kolay erir. Bazı baz aşamalar (çiftler), TA ve TG gibi DNA erimesine de duyarlıdır. Bu mekanik özellikler, RNA polimerazın transkripsiyon için DNA'yı eritmesine yardımcı olmak için birçok genin başlangıcındaki TATA gibi diziler tarafından yansıtılır.
Isıtma
Süreç ayırmapolimeraz zincir reaksiyonunda (PCR) kullanıldığı gibi, sığ ısıtma ile iplikçikler, moleküllerin yaklaşık 10.000 baz çifti (10 kilobaz çifti veya 10 kbp) olması koşuluyla basittir. DNA ipliklerinin iç içe geçmesi, uzun bölümleri ayırmayı zorlaştırır. Hücre, DNA eritme enzimlerinin (helikazlar) topoizomerazlarla aynı anda çalışmasına izin vererek bu sorunu önler; bu topoizomerazlar, ipliklerden birinin fosfat omurgasını kimyasal olarak parçalayarak diğerinin etrafında dönebilir. Helikazlar, DNA polimeraz gibi dizi okuyan enzimlerin geçişini kolaylaştırmak için iplikleri çözer. DNA çift sarmalı bu ipliklerin bağlarından oluşur.
Spiral geometri
DNA yapısının geometrik bileşeni 6 koordinatla karakterize edilebilir: kaydırma, kayma, yükselme, eğme, bükülme ve dönüş. Bu değerler, her bir DNA zinciri çiftinin uzaydaki yerini ve yönünü kesin olarak belirler. Normal yapının bozulduğu DNA veya RNA bölgelerinde, bu tür bir bozulmayı tanımlamak için bu değerlerde bir değişiklik kullanılabilir.
Yükseliş ve dönüş, spiralin şekline göre belirlenir. Diğer koordinatlar ise tam tersine sıfıra eşit olabilir.
Eğriliğin bilimsel literatürde çeşitli şekillerde kullanıldığına dikkat edin, iplikler arası tabanın birinci ekseninin sarmalın eksenine dik olmaktan sapmasına atıfta bulunur. Bu, DNA çift sarmalının temel dizisi arasında kaymaya karşılık gelir ve geometrik koordinatlarda doğru olarak adlandırılır."eğim".
Spirallerde geometrik farklılıklar
En az üç DNA yapısının doğal olarak meydana geldiği düşünülmektedir: A-DNA, B-DNA ve Z-DNA. James Watson ve Francis Crick tarafından tarif edildiği gibi Form B'nin hücrelerde baskın olduğu düşünülmektedir. 23.7 Å genişliğindedir ve 34 Å 10 bp uzatır. diziler. DNA çift sarmalı, çözeltide her 10.4-10.5 baz çiftinde kendi ekseni etrafında tam bir dönüş yapan iki ribonükleik asit hattının bağlarından oluşur. Bu bükülme frekansı (sarmal adım olarak adlandırılır), büyük ölçüde her bir tabanın zincirdeki komşularına uyguladığı istifleme kuvvetlerine bağlıdır. Bazların mutlak konfigürasyonu, verilen bir konformasyon için sarmal eğrinin yönünü belirler.
Farklar ve İşlevler
A-DNA ve Z-DNA, B-DNA'ya kıyasla geometrileri ve boyutları açısından önemli ölçüde farklıdır, ancak yine de sarmal yapılar oluştururlar. A formunun sadece kristalografik deneylerde kullanılan laboratuvarda ve hibrit DNA-RNA zincir eşleşmelerinde kullanılan dehidrate DNA örneklerinde meydana geldiği uzun zamandır düşünülmekteydi, ancak DNA dehidrasyonu in vivo olarak meydana geliyor ve A-DNA'nın artık bildiğimiz biyolojik fonksiyonları var.. Hücreleri düzenleyici amaçlarla metillenmiş DNA parçaları, zincirlerin A-DNA ve B-DNA'nın tersine sarmal eksen etrafında döndüğü bir Z geometrisini benimseyebilir. Z-DNA yapılarını oluşturan protein-DNA komplekslerinin de kanıtı vardır. DNA sarmalının uzunluğu, bağlı olarak hiçbir şekilde değişmez.yazın.
Adlarla ilgili sorunlar
Aslında, gelecekte keşfedilebilecek farklı DNA türlerini adlandırmak için artık yalnızca F, Q, U, V ve Y harfleri mevcuttur. Ancak, bu formların çoğu sentetik olarak yaratılmıştır ve doğal biyolojik sistemlerde gözlenmemiştir. G-dörtlü gibi üç iplikli (3 iplikli DNA) ve dört kutuplu formlar da vardır.
İplerin bağlantısı
DNA çift sarmalı, sarmal ipliklerin bağlarından oluşur. Dişler birbirinin tam karşısında olmadığı için aralarındaki oluklar eşit olmayan boyuttadır. Ana oluklardan biri 22 Å genişliğe, diğeri ise küçük olan 12 Å uzunluğa ulaşır. İkincil oluğun darlığı, tabanların kenarlarının ana oluk içinde daha erişilebilir olduğu anlamına gelir. Sonuç olarak, DNA çift sarmalındaki spesifik dizilere bağlanabilen transkripsiyon faktörleri gibi proteinler, tipik olarak bazların ana olukta açık olan yanlarıyla temas eder. Bu durum, hücre içindeki olağandışı DNA konformasyonlarında değişir, ancak majör ve minör oluklar her zaman, DNA normal B şekline döndürülürse görülecek olan boyut farklılıklarını yansıtacak şekilde adlandırılır.
Model oluşturma
70'lerin sonlarında, alternatif sarmal olmayan modeller kısaca, plazmitlerde ve kromatinde DNA replikasyonu sorunlarına potansiyel bir çözüm olarak kabul edildi. Bununla birlikte, X-ışını gibi sonraki deneysel ilerlemeler nedeniyle DNA'nın çift sarmal modeli lehine terk edildiler. DNA duplekslerinin kristalografisi. Ayrıca, çift sarmal olmayan modeller şu anda ana bilim topluluğu tarafından kabul görmemektedir.
Tek sarmallı nükleik asitler (ssDNA) sarmal bir şekil almazlar ve rastgele bobin veya solucan benzeri zincir gibi modellerle tanımlanırlar.
DNA, tipik olarak solucan benzeri bir zincir olarak modellenen nispeten sert bir polimerdir. Model sertliği, DNA daireselleşmesi ve ilişkili proteinlerin birbirine göre oryantasyonu için önemlidir, histeretik eksenel sertlik ise DNA sarma ve protein dolaşımı ve etkileşimi için önemlidir. Sıkıştırma-uzama, yüksek voltajın olmadığı durumlarda nispeten önemsizdir.
Kimya ve genetik
Çözeltideki DNA katı bir yapı almaz, termal titreşim ve su molekülleri ile çarpışma nedeniyle sürekli konformasyon değiştirir, bu da klasik sertlik önlemlerinin uygulanmasını imkansız hale getirir. Bu nedenle, DNA'nın bükülme sertliği, "polimerin zaman ortalamalı yöneliminin katsayı ilişkisiz hale geldiği DNA uzunluğu" olarak tanımlanan kalıcılık uzunluğu ile ölçülür.
Bu değer, çeşitli uzunluklardaki DNA moleküllerini doğrudan görüntülemek için bir atomik kuvvet mikroskobu kullanılarak doğru bir şekilde ölçülebilir. Sulu çözeltide, ortalama sabit uzunluk 46-50 nm veya 140-150 baz çiftidir (DNA 2 nm), ancak bu önemli ölçüde değişebilir. Bu, DNA'yı orta derecede katı bir molekül yapar.
Bir DNA segmentinin devam etme süresi, onun dizisine büyük ölçüde bağlıdır ve bu, önemli sonuçlara yol açabilir.değişir. İkincisi, çoğunlukla, küçük ve büyük oyuklara yayılan enerji ve parçaların istiflenmesinden kaynaklanır.
Fiziksel özellikler ve eğriler
DNA'nın entropik esnekliği, zincir kurdunun Kratky-Porod modeli gibi standart polimer fiziği modelleriyle dikkate değer ölçüde tutarlıdır. Solucan benzeri modelle tutarlı olarak, bükülen DNA'nın çok küçük (subpikoneontonik) kuvvetlerde Hooke yasası tarafından da tanımlandığı gözlemidir. Bununla birlikte, süre ve kalıcılık açısından daha küçük DNA segmentleri için, bükme kuvveti yaklaşık olarak sabittir ve davranış, daha önce bahsedilen solucan benzeri modellerin aksine tahminlerden sapar.
Bu etki, küçük DNA moleküllerinin daireselleştirilmesinde alışılmadık bir kolaylığa ve oldukça eğri DNA bölgeleri bulma olasılığının daha yüksek olmasına neden olur.
DNA molekülleri genellikle bükme için tercih edilen bir yöne, yani anizotropik bükmeye sahiptir. Bu da yine DNA dizilerini oluşturan bazların özelliklerinden kaynaklanmaktadır ve DNA'nın iki dizisini bir sarmal halinde birleştiren onlardır. Bazı durumlarda, dizilerde atasözü bükümleri yoktur.
DNA çift sarmal yapısı
Tercih edilen DNA bükülme yönü, her bazın bir sonrakinin üzerine istiflenme kararlılığı ile belirlenir. Kararsız baz istifleme adımları her zaman DNA sarmalının bir tarafındaysa, DNA tercihen bu yönden uzağa katlanır. İki DNA zincirinin bir sarmal halinde bağlanmasıbu yöne bağlı moleküller tarafından gerçekleştirilir. Bükülme açısı arttıkça, özellikle küçük yivde artıkları birbirine göre yuvarlama kabiliyeti göstererek sterik engellerin rolünü oynarlar. A ve T tortuları, tercihen, kıvrımlar içindeki küçük oyuklarda meydana gelecektir. Bu etki, örneğin nükleozom partiküllerinde, DNA sert bükülmesi indüklendiğinde, DNA-protein bağlanmasında özellikle belirgindir.
Olağanüstü bükülmeye sahip DNA molekülleri bükülebilir. Bu, ilk olarak DNA'da tripanosomatid kinetoplasttan keşfedildi. Buna neden olan tipik diziler, molekülün aynı tarafında küçük bir oluk fazında A ve T kalıntıları içeren G ve C ile ayrılmış 4-6 T ve A uzantılarını içerir.
İç bükülmüş yapı, baz çiftlerinin birbirine göre "vida dönüşü" ile indüklenir, bu da baz aşamaları arasında olağandışı çatallı hidrojen bağlarının oluşturulmasına izin verir. Daha yüksek sıcaklıklarda bu yapı denatüre olur ve bu nedenle içsel eğrilik kaybolur.
Anizotropik olarak bükülen tüm DNA'lar ortalama olarak daha uzun bir itme kuvvetine ve daha büyük eksenel sertliğe sahiptir. Bu artan sertlik, molekülün izotropik olarak hareket etmesine neden olacak kazara bükülmeyi önlemek için gereklidir.
DNA çınlaması, molekülün hem eksenel (esneme) sertliğine hem de burulma (dönme) sertliğine bağlıdır. Bir DNA molekülünün başarılı bir şekilde dolaşabilmesi için, kolayca tam bir daire oluşturacak kadar uzun olması ve doğru sayıda baza sahip olması gerekir.spirallerin yapıştırılabilmesini sağlamak için uçlar doğru dönüşteydi. Dolaşımdaki DNA için optimal uzunluk yaklaşık 400 baz çiftidir (136 nm). Tek sayıda dönüşün varlığı, devreler için önemli bir enerji bariyeridir, örneğin 10.4 x 30=312 çift molekül, 10.4 x 30,5 ≈ 317 molekülden yüzlerce kat daha hızlı dolaşacaktır.
Esneklik
DNA'nın daha uzun uzantıları gerildiğinde entropik olarak elastiktir. DNA çözelti içindeyken, termal çözücü banyosunda mevcut olan enerji nedeniyle sürekli yapısal değişikliklere uğrar. Bunun nedeni, su molekülleri ile sürekli çarpışmalarla birleşen DNA molekülünün termal titreşimleridir. Entropi nedenleriyle, daha kompakt gevşek durumlar, gergin durumlardan termal olarak daha erişilebilirdir ve bu nedenle DNA molekülleri, karmaşık "gevşemiş" moleküler modellerde neredeyse her yerde bulunur. Bu nedenle, bir DNA molekülü, kuvvetin altında gerilerek onu düzleştirir. Optik cımbız kullanılarak, DNA'nın entropi uzama davranışı polimer fiziği perspektifinden incelenmiş ve analiz edilmiştir ve DNA'nın temelde fizyolojik olarak mevcut enerji ölçeklerinde bir Kratky-Porod solucan benzeri zincir modeli gibi davrandığı bulunmuştur.
Yeterli gerilim ve pozitif torkla, DNA'nın bir faz geçişinden geçtiği, omurgaların dışa doğru hareket ettiği ve fosfatların içeri doğru hareket ettiği düşünülmektedir.orta. Aşırı gerilmiş DNA için önerilen bu yapı, başlangıçta onu olası bir DNA yapısı olarak tasavvur eden Linus Pauling'den sonra P-form DNA olarak adlandırıldı.
DNA'nın, yaygın olarak S-şekilleri olarak adlandırılan başka yapılara yol açan bir geçişe veya geçişlere dayatılan tork noktalarının yokluğunda mekanik olarak gerilmesine dair kanıt. Bu yapılar, birçok bilgisayar simülasyon çalışması yapılmış olmasına rağmen, çözeltideki bir atomik rezonatörün kuvvet uygulanarak çözünürlük görüntülemesinin yapılmasının zorluğundan dolayı henüz kesin olarak karakterize edilmemiştir. Önerilen S-DNA yapıları, baz çifti katını ve hidrojen bağını (GC ile zenginleştirilmiş) tutanları içerir.
Sigmoid modeli
Baz çifti yığınının bir mola ile periyodik kırılması, temel yığının düzenliliğini koruyan ve uygun miktarda genişleme serbest bırakan düzenli bir yapı olarak önerildi ve "Σ-DNA" terimi tanıtıldı "Sigma" sembolünün sağdaki üç noktasının, kümelenmiş üç baz çiftini hatırlattığı bir anımsatıcı olarak. Σ formunun, GNC_h-hipotezinin evrimsel öneme sahip olduğuna inandığı GNC motifleri için bir dizi tercihine sahip olduğu gösterilmiştir.
Spiralin eritilmesi, ısıtılması ve çözülmesi
DNA sarmalının B Formu 10.4-10.5 bp için 360° bükülür. burulma deformasyonunun yokluğunda. Ancak birçok moleküler biyolojik süreç burulma stresini indükleyebilir. Fazlalığı olan bir DNA parçası veyaundercoiling, sırasıyla hem olumlu hem de olumsuz bağlamlarda bahsedilir. İn vivo DNA genellikle negatif olarak sarılır (yani ters yönde bükülen kıvrımlara sahiptir), bu da RNA transkripsiyonu için şiddetle gerekli olan çift sarmalın çözülmesini (erimesini) kolaylaştırır.
Hücrenin içinde, çoğu DNA topolojik olarak sınırlıdır. DNA genellikle topolojik olarak kapalı veya difüzyon katsayıları etkin bir şekilde topolojik olarak kapalı bölgeler üreten çok uzun moleküller olan kapalı döngülerde (prokaryotlardaki plazmitler gibi) bulunur. DNA'nın doğrusal uzantıları, kapalı topolojik döngüler oluşturmak için yaygın olarak proteinler veya fiziksel yapılarla (zarlar gibi) ilişkilendirilir.
Kapalı bir topolojik bölgedeki T parametresindeki herhangi bir değişiklik, W parametresindeki bir değişiklikle dengelenmelidir ve bunun tersi de geçerlidir. Bu, DNA moleküllerinin daha yüksek bir sarmal yapısı ile sonuçlanır. 0 kökü olan sıradan bir DNA molekülü, sınıflandırmasında dairesel olacaktır. Bu molekülün bükülmesi daha sonra süper-uyum ile arttırılır veya az altılırsa, o zaman kökler buna göre değişecek ve molekülün pleknonemik veya toroidal süperhelik sargıya maruz kalmasına neden olacaktır.
DNA çift sarmalının bir bölümünün uçları bir daire oluşturacak şekilde bağlandığında, iplikler topolojik olarak bağlanır. Bu, tek tek iş parçacıklarının, bir iş parçacığı kopmasıyla ilişkili olmayan herhangi bir işlemden ayrılamayacağı anlamına gelir.(örneğin ısıtma). Topolojik olarak birbirine bağlı DNA zincirlerini çözme görevi, topoizomeraz adı verilen enzimlere düşer.
