"ДНК спиралы" термининин татаал тарыхы жана табияты бар. Бул, эреже катары, Джеймс Уотсон тарабынан киргизилген моделди билдирет. ДНКнын кош спиралы жупту түзгөн нуклеотиддер менен бирге кармалат. В-ДНКда табиятта кездешүүчү эң кеңири таралган спираль структурасында кош спирал оң-тараптуу, ар бир кезегинде 10-10,5 база жуптары бар. ДНКнын кош спиралдуу структурасында чоң оюк жана кичине оюк бар. В-ДНКда чоң оюк экинчи оюкка караганда кененирээк. Негизги жана кичине оюктардын туурасынын айырмасын эске алганда, B-ДНК менен байланышкан көптөгөн протеиндер муну кененирээк негизги оюк аркылуу жасашат.
Ачылуулар таржымалы
ДНКнын кош спиралынын структуралык модели биринчи жолу Nature журналында 1953-жылы Джеймс Уотсон жана Фрэнсис Крик тарабынан жарыяланган (1954-жылы X, Y, Z координаттары) ДНКнын рентгендик дифракциялык критикалык сүрөтүнүн негизинде сүрөт 51 деп белгиленген., Розалинд Франклиндин 1952-жылдагы эмгегинен, андан кийин анын тартылган айкыныраак сүрөтүРаймонд Гослинг, Морис Уилкинс, Александр Стокс жана Герберт Уилсон. Алдын ала модель үч тилкелүү ДНК болгон.
Ачык түзүлүштүн кош спирал экенин түшүнүү ДНКнын эки тилкесинин спиралга кошулуу механизмин түшүндүрөт, ал аркылуу генетикалык маалымат тирүү организмдерде сакталат жана копияланат. Бул ачылыш 20-кылымдын эң маанилүү илимий көз караштарынын бири болуп эсептелет. Крик, Уилкинс жана Уотсон ачылышка кошкон салымы үчүн 1962-жылы физиология же медицина боюнча Нобель сыйлыгынын үчтөн бирин алышкан. Рентген нурларынын дифракциясынын ачылыш маалыматтары ДНК спиралын түзүү үчүн колдонулган Франклин 1958-жылы каза болгон жана ошондуктан Нобель сыйлыгына талапкер болгон эмес.
Гибриддештирүүнүн мааниси
Гибриддештирүү - бул кош спиралды пайда кылуу үчүн туташкан базалык жуптарды бириктирүү процесси. Эрүү - бул нуклеиндик кислоталардын эки линиясын бөлүп турган кош спираль тилкелеринин ортосундагы өз ара аракеттенүү процесси. Бул байланыштар алсыз, жумшак жылуулук, ферменттер же механикалык күч менен оңой бөлүнөт. Эрүү нуклеиндик кислотанын белгилүү чекиттеринде басымдуу түрдө болот. Т жана А деп белгиленген ДНК спиралынын аймактары C жана G аймактарына караганда оңой эрийт. Кээ бир базалык стадиялар (жуптар) TA жана TG сыяктуу ДНКнын эрүүсүнө да кабылышат. Бул механикалык белгилер транскрипция үчүн РНК полимеразага ДНКны эритүүгө жардам берүү үчүн көптөгөн гендердин башында TATA сыяктуу ырааттуулук менен чагылдырылат.
Жытуу
Процессти бөлүүПолимераздык чынжыр реакциясында (ПТР) колдонулгандай, тайыз ысытуу аркылуу жиптерди түзүү жөнөкөй, эгерде молекулалар болжол менен 10 000 база жуп (10 килобаза жуп же 10 кбит) болгондо. ДНК тилкелеринин бири-бирине чырмалышып кетиши узун сегменттерди ажыратууну кыйындатат. Клетка ДНКны эритүү ферменттеринин (геликазалардын) топоизомеразалар менен бир убакта иштешине шарт түзүп, бул көйгөйдөн качат, бул жиптердин биринин фосфат омурткасын химиялык жол менен кесип, экинчисин айланта алат. ДНК полимераза сыяктуу ырааттуулукту окуган ферменттердин өтүшүн жеңилдетүү үчүн спиралдардын жиптерин ачышат. ДНКнын кош спиралы бул тилкелердин байланыштарынан түзүлөт.
Спиралдык геометрия
ДНК структурасынын геометриялык компоненти 6 координат менен мүнөздөлсө болот: жылышуу, жылуу, көтөрүлүү, эңкейүү, бурулуу жана айлануу. Бул баалуулуктар так ДНК тилкелеринин ар бир жуп мейкиндикте жайгашкан жана багытын аныктайт. Кадимки түзүлүшү бузулган ДНКнын же РНКнын аймактарында, бул маанилердин өзгөрүшү мындай бузулууну сүрөттөө үчүн колдонулушу мүмкүн.
Өтүү жана бурулуш спиралдын формасы менен аныкталат. Башка координаттар, тескерисинче, нөлгө барабар болушу мүмкүн.
Көңүл буруңуз, илимий адабияттарда «кыйгак» көп учурда ар кандай жолдор менен колдонулат, бул жип аралык негиздин биринчи огунун спиралдын огуна перпендикуляр болуудан четтөөсүнө шилтеме кылуу. Бул ДНКнын кош спиралынын базалык ырааттуулугунун ортосундагы тайганга туура келет жана геометриялык координаттарда туура деп аталат."тент".
Спиралдардагы геометриялык айырмалар
Жок дегенде үч ДНК конформациясы табигый түрдө пайда болот деп болжолдонууда: A-ДНК, В-ДНК жана Z-ДНК. Джеймс Уотсон жана Фрэнсис Крик тарабынан сүрөттөлгөн В формасы клеткаларда басымдуулук кылат деп эсептелет. Анын туурасы 23,7 Å жана 34 Å 10 битке узартылат. ырааттуулугу. ДНКнын кош спиралы эритмеде ар бир 10,4-10,5 жуп базалык жуп сайын өз огунун айланасында бир толук айланып турган рибонуклеин кислотасынын эки линиясынын байланыштарынан түзүлөт. Бул бурма жыштыгы (спиралдын кадамы деп аталат) ар бир базанын чынжырдагы кошуналарына тийгизген топтоо күчтөрүнөн көз каранды. Негиздердин абсолюттук конфигурациясы берилген конформация үчүн ийри ийри сызыктын багытын аныктайт.
Айырмалар жана функциялар
А-ДНК жана Z-ДНК B-ДНКга салыштырмалуу геометриясы жана өлчөмү боюнча бир топ айырмаланат, бирок алар дагы эле спираль структураларды түзөт. А формасы кристаллографиялык эксперименттерде жана гибриддик ДНК-РНК тизмектерин жупташтырууда колдонулган лабораториядагы суусузданган ДНК үлгүлөрүндө гана пайда болот деп көптөн бери ойлошкон, бирок ДНКнын дегидратациясы in vivo болот жана А-ДНК азыр бизге белгилүү биологиялык функцияларга ээ.. Клеткалары жөнгө салуу максатында метилдештирилген ДНК сегменттери Z геометриясын кабыл алышы мүмкүн, мында жипчелер A-ДНК жана В-ДНКга карама-каршы спирал огунда айланат. Z-ДНК структураларын түзгөн белок-ДНК комплекстеринин далилдери да бар. ДНК спиралынын узундугу жараша эч кандай өзгөрбөйттериңиз.
Аттар боюнча көйгөйлөр
Чынында, келечекте ачыла турган ДНКнын ар кандай түрлөрүн атоо үчүн азыр F, Q, U, V жана Y тамгалары гана жеткиликтүү. Бирок бул формалардын көбү синтетикалык жол менен жаратылган жана табигый биологиялык системаларда байкалган эмес. Үч саптуу (ДНКнын 3 тилкеси) жана G-quadruplex сыяктуу төрт полюстүү формалары да бар.
Жиптердин туташуусу
ДНКнын кош спиралы спиралдык жиптердин байланыштарынан түзүлөт. Жиптер бири-бирине түздөн-түз карама-каршы болбогондуктан, алардын ортосундагы оюктар бирдей эмес өлчөмдө болот. Бир оюктун, негизгиси, туурасы 22 Å, ал эми экинчиси, кичинекей, узундугу 12 Å жетет. Экинчилик оюктун тардыгы негиздердин четтери негизги оюкта көбүрөөк жеткиликтүү экендигин билдирет. Натыйжада, ДНКнын кош спиралындагы белгилүү ырааттуулук менен байланыша ала турган транскрипция факторлору сыяктуу белоктор, адатта, негизги оюкчада ачылган базалардын капталдары менен байланышта болушат. Бул жагдай клетканын ичиндеги адаттан тыш ДНК конформациясында өзгөрөт, бирок ДНК кадимки В формасына бурулганда көрүнүүчү өлчөмдөгү айырмачылыктарды чагылдыруу үчүн ар дайым чоң жана кичине оюктар аталат.
Модель түзүү
1970-жылдардын аягында альтернативалуу спиралдык эмес моделдер плазмидалардагы жана хроматиндеги ДНКнын репликациясынын көйгөйлөрүн чечүүнүн потенциалдуу ыкмасы катары кыскача каралган. Бирок, алар рентген нурлары сыяктуу кийинки эксперименталдык жетишкендиктерден улам ДНКнын кош катушкалуу моделинин пайдасына баш тартышкан. ДНК дуплекстеринин кристаллографиясы. Ошондой эле, кош спиралдан тышкары моделдер учурда негизги илимий коомчулук тарабынан кабыл алынбайт.
Бир тилкелүү нуклеиндик кислоталар (ssDNA) спиралдуу формага ээ эмес жана туш келди катушка же курт сымал чынжыр сыяктуу моделдер менен сүрөттөлөт.
ДНК адатта курт сымал чынжыр катары моделделген салыштырмалуу катуу полимер. Моделдин катуулугу ДНКнын айлануусу жана аны менен байланышкан протеиндердин бири-бирине карата багыты үчүн маанилүү, ал эми гистеретикалык октук катуулугу ДНКнын оролгону жана белоктун айлануусу жана өз ара аракеттенүүсү үчүн маанилүү. Жогорку чыңалуу жок учурда кысуу-узартуу салыштырмалуу маанилүү эмес.
Химия жана генетика
Эритмедеги ДНК катуу түзүлүшкө ээ болбойт, бирок жылуулук термелүүсүнөн жана суу молекулалары менен кагылышуусунан улам дайыма конформациясын өзгөртөт, бул классикалык катуулуктун чараларын колдонууга мүмкүн болбой калат. Демек, ДНКнын ийилүүчү катуулугу туруктуулук узундугу менен өлчөнөт, ал "полимердин орточо убакыт боюнча багыты корреляциясыз коэффицентке айланган ДНКнын узундугу" катары аныкталат.
Бул маани ар кандай узундуктагы ДНК молекулаларын түз сүрөттөө үчүн атомдук күч микроскоптун жардамы менен так өлчөнө алат. Суу эритмесинде орточо туруктуу узундук 46-50 нм же 140-150 жуп (ДНК 2 нм), бирок бул бир топ өзгөрүшү мүмкүн. Бул ДНКны орточо катуу молекула кылат.
ДНК сегментинин уланышынын узактыгы анын ырааттуулугуна абдан көз каранды жана бул олуттууөзгөрүүлөр. Акыркысы көбүнчө энергиянын топтолушуна жана майда жана чоң оюктарга тараган фрагменттерге байланыштуу.
Физикалык касиеттер жана ийри сызыктар
ДНКнын энтропикалык ийкемдүүлүгү чынжыр куртунун Кратки-Пород модели сыяктуу полимер физикасынын стандарттык моделдерине абдан шайкеш келет. Курт сымал моделге ылайык, ийилүүчү ДНК да Гук мыйзамында өтө кичинекей (субпиконеонтоникалык) күчтөр менен сүрөттөлөт. Бирок, ДНКнын узактыгы жана туруктуулугу боюнча азыраак сегменттер үчүн ийилүүчү күч болжол менен туруктуу жана жүрүм-туруму мурда айтылган курт сымал моделдерден айырмаланып, болжолдонуудан четтейт.
Бул эффект кичинекей ДНК молекулаларын тегерете айлантууда адаттан тыш жеңилдикке алып келет жана жогорку ийилген ДНК аймактарын табуу ыктымалдуулугу жогору.
ДНК молекулалары көбүнчө ийилүүчү багытка ээ, б.а. анизотроптук ийилиш. Бул дагы ДНК тизмектерин түзгөн базалардын касиеттеринен келип чыгат жана алар ДНКнын эки тилкесин спиралга бириктирет. Кээ бир учурларда ырааттуулукта ылакап бурмалоолор болбойт.
ДНКнын кош спираль түзүлүшү
ДНКнын ийилүүсүнүн артыкчылыктуу багыты ар бир базанын кийинкисинин үстүнө тизилген туруктуулугу менен аныкталат. Эгерде туруксуз базанын стакациялык кадамдары дайыма ДНК спиралынын бир тарабында болсо, анда ДНК бул багыттан бүктөлүп кетет. ДНКнын эки тилкесин спиралга туташтырууБул багытта көз каранды болгон молекулалар тарабынан ишке ашырылат. Ийилген бурч өскөн сайын, алар стерикалык тоскоолдуктардын ролун ойноп, бири-бирине карата калдыктарды, айрыкча, кичинекей оюкчага жылдыруу мүмкүнчүлүгүн көрсөтөт. Депозиттер A жана T артыкчылыктары ийилген ичиндеги кичинекей оюктарда пайда болот. Бул таасир өзгөчө ДНК-белоктун байланышында, мисалы, нуклеосома бөлүкчөлөрүндө ДНКнын катуу ийилиши индукцияланганда айкын көрүнүп турат.
Өзгөчө ийилген ДНК молекулалары ийилип калышы мүмкүн. Бул биринчи жолу трипаносоматид кинетопласттын ДНКсында табылган. Буга себеп болгон типтүү ырааттуулуктарга G жана C менен бөлүнгөн 4-6 Т жана А узундугу кирет, алар молекуланын бир тарабындагы кичине оюк фазасында А жана Т калдыктарын камтыйт.
Ички ийилген структура базалык жуптардын бири-бирине салыштырмалуу "буроо менен айлануусу" менен шартталган, бул базалык баскычтардын ортосунда адаттан тыш экиге бөлүнгөн суутек байланыштарын түзүүгө мүмкүндүк берет. Жогорку температурада бул структура денатурат болуп, ички ийрилик жоголот.
Анизотроптук түрдө ийилген бардык ДНКлар орто эсеп менен узунураак тартылууга жана чоңураак октук катуулугуна ээ. Бул жогорулатылган катуулык молекуланын изотроптук аракетине алып келе турган кокустан ийилип калбаш үчүн зарыл.
ДНКнын шыңгырашы молекуланын октук (бүгүлүү) катуулугуна да, буралма (айлануу) катуулугуна да көз каранды. ДНК молекуласы ийгиликтүү айлануусу үчүн, ал толук тегерекке оңой ийиле тургандай узун жана туура сандагы негиздер болушу керек.спиральдарды жабыштыруу мүмкүнчүлүгүн камсыз кылуу максатында учтары туура айланууда болгон. Айланадагы ДНКнын оптималдуу узундугу болжол менен 400 негизги жуп (136 нм). Так сандагы бурулуштардын болушу чынжырлар үчүн олуттуу энергетикалык тоскоолдук болуп саналат, мисалы, 10,4 x 30=312 жуп молекула 10,4 x 30,5 ≈ 317 молекулага караганда жүздөгөн эсе ылдамыраак айланат.
Ийкемдүүлүк
ДНКнын узунураактары созулганда энтропикалык ийкемдүү болот. ДНК эритмеде болгондо, жылуулук эриткичтин ваннасында болгон энергиянын эсебинен үзгүлтүксүз структуралык өзгөрүүлөргө дуушар болот. Бул ДНК молекуласынын жылуулук термелүүсүнө, суу молекулалары менен туруктуу кагылышууларына байланыштуу. Энтропиянын себептеринен улам, сунулган абалга караганда компакттуу жайбаракат абалдар термикалык жактан кыйла жеткиликтүү, ошондуктан ДНК молекулалары татаал "эс алдырган" молекулалык моделдерде дээрлик бардык жерде кездешет. Ушул себептен бир ДНК молекуласы күчтүн астында аны түздөйт. Оптикалык кычкачтарды колдонуу менен ДНКнын энтропия созулган жүрүм-туруму полимердик физиканын көз карашы менен изилденип, анализденди жана ДНК физиологиялык жактан жеткиликтүү энергетикалык масштабда негизинен Кратки-Пород курт сымал чынжыр моделиндей жүрөрү аныкталды.
Жетиштүү чыңалуу жана позитивдүү момент менен ДНК фазалык өткөөлгө өтөт деп болжолдонууда, ал эми омурткалары сыртка жылып, фосфаттарорто. Ашыкча чоюлуп кеткен ДНК үчүн сунушталган бул түзүлүш башында аны мүмкүн болгон ДНК түзүмү деп ойлогон Линус Полингдин атынан Р-форма ДНК деп аталды.
Берилген моменттин жоктугунан ДНКнын механикалык чоюлусунун далилдери, адатта S-формасы деп аталган андан аркы структураларга алып баруучу өткөөл же өтүү пункттарын көрсөтөт. Көптөгөн компьютердик симуляциялык изилдөөлөр жасалганына карабастан, бул түзүмдөр күчтүү колдонулган эритмедеги атомдук резонатордун резолюциялуу сүрөтүн аткаруу кыйынчылыгынан улам биротоло мүнөздөлгөн эмес. Сунушталган S-ДНК структураларына базалык жуп бүктөлүшүн жана суутек байланышын (GC менен байытылган) сактаган структуралар кирет.
Sigmoid модели
Үзүлүү менен базалык жуп стектин мезгил-мезгили менен сынышы базалык стектин мыйзамдуулугун сактаган жана «Σ-ДНК» термини киргизилип, тиешелүү көлөмдөгү кеңейүүнү чыгарган регулярдуу структура катары сунушталган. мнемоника катары, анда "Sigma" символунун үч оң чекити үч кластердик базалык жуптарды эскертип турат. Σ формасы GNC_h-гипотезасы эволюциялык мааниге ээ деп эсептеген GNC мотивдеринин ырааттуулугуна ээ экени көрсөтүлгөн.
Спиралды эрүү, ысытуу жана ачуу
ДНК спиралынын В формасы 10,4-10,5 бит үчүн 360° бурулуп. буралма деформациянын жоктугунда. Бирок көптөгөн молекулярдык биологиялык процесстер буралма стрессти жаратышы мүмкүн. Ашыкча же ДНКнын сегментиundercoiling, тиешелүүлүгүнө жараша, оң жана терс контекстте айтылган. ДНК in vivo демейде терс ийрилет (б.а. карама-каршы багытта буралган тармалдары бар), бул РНКнын транскрипциясы үчүн өтө зарыл болгон кош спиралдын эрүүсүнө (эрүүсүнө) көмөктөшөт.
Клетканын ичинде көпчүлүк ДНК топологиялык жактан чектелген. ДНК адатта жабык циклдерде (мисалы, прокариоттордогу плазмидалар) кездешет, алар топологиялык жабык же өтө узун молекулалар, алардын диффузиялык коэффициенттери топологиялык жабык аймактарды эффективдүү пайда кылат. ДНКнын сызыктуу узундугу көбүнчө белоктор же физикалык структуралар (мисалы, мембраналар) менен тыгыз байланышта болуп, жабык топологиялык илмектерди пайда кылат.
Жабык топологиялык аймактагы T параметринин ар кандай өзгөрүүсү W параметринин өзгөрүшү менен тең салмактуу болушу керек жана тескерисинче. Бул ДНК молекулаларынын жогорку спираль структурасын алып келет. 0 тамыры бар кадимки ДНК молекуласы классификациясында тегерек болот. Эгерде бул молекуланын ийри кийинчерээк суперконформинг аркылуу көбөйтүлсө же азайса, анда тамырлар ошого жараша өзгөрүп, молекула плектнонемиялык же тороиддик суперспиралдык ийримге дуушар болот.
ДНКнын кош спиралынын бир кесиминин учтары тегерек түзө тургандай бириктирилгенде, жиптер топологиялык жактан байланат. Бул жеке жиптерди жип үзүлүшү менен байланышпаган ар кандай процесстен ажыратууга болбойт дегенди билдирет.(мисалы, жылытуу). ДНКнын топологиялык жактан байланышкан тилкелерин ажыратуу милдети топоизомеразалар деп аталган ферменттерге жүктөлөт.
