Спіралі ДНК: основні поняття, структура, виконувані функції і генетика

Опубликованно 22.02.2019 08:10

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 спіральній 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. Враховуючи різницю в ширині основної і малої канавки, багато білки, 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 Кріком 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 слід її більш чітке зображення, зроблене Раймондом Гослінгом, Морісом Уїлкинсом, Олександром Стоукс і Гербертом Вілсоном. Попередньою моделлю була трехцепочечная ДНК.

Усвідомлення того, що відкрита структура являє собою подвійну спіраль, що 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 по 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 підстав, 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, позначені T і A, легше розплавляються, ніж в 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-полимеразе в плавленні ДНК, транскрипції. Нагрів

Процес розділення стренги шляхом неглибокого нагріву, який використовується в полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР), простий, при умови що молекули мають приблизно 10000 пар основ (10 килобазных пар або 10 т. п. н.). Переплетіння спіралей ДНК утруднює поділ довгих сегментів. Осередок уникає цієї проблеми, дозволяючи своїм ДНК-плавильним ферментів (геликазам) працювати одночасно з топоизомеразами, які можуть хімічно розщеплювати фосфатну основу однієї з ниток, щоб вона могла повертатися навколо іншої. Геликазы розмотують пасма, щоб полегшити просування ферментів, зчитувальних 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 використане для опису такого порушення.

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

Зверніть увагу, що «нахил» часто використовується в науковій літературі по-різному, посилаючись на відхилення першої осі межцепной бази від перпендикулярності 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 Кріком, переважає в клітинах. Вона має ширину 23,7 ? і подовжує 34 ? на 10 п. о. послідовності. Подвійна спіраль ДНК утворюється за рахунок зв\'язків двох ліній рибонуклеїнової кислоти, які роблять один повний оборот 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 геометрією і розмірами в порівнянні з B-ДНК, хоча вони все ще утворюють спіральні структури. Довгий час вважалося, що форма А зустрічається тільки у дегідратованих зразках ДНК в лабораторії, що використовуються в кристалографічних експериментах, і в гібридних спарюванні 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 метилированы для регуляторних цілей, можуть приймати геометрію Z, у якої нитки повертаються навколо спіральної осі протилежним чином до A-ДНК і B-ДНК. Є також свідоцтва 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 лише літери F, Q, U, V і Y. Однак більшість цих форм були створені синтетично і не спостерігалися в природних біологічних системах. Існують також трехцепочечные (3 спіралі ДНК) і квадрупольные форми, такі як G-квадруплекс. З\'єднання ниток

Подвійна спіраль ДНК утворюється за рахунок зв\'язків спіральних ниток. Оскільки нитки не знаходяться прямо навпроти один одного, канавки між ними мають нерівномірний розмір. Одна канавка, основна, має ширину 22 ?, а інша, мала, досягає довжини 12 ?. Вузькість другорядної канавки означає, що краї підстав більш доступні в основний канавці. В результаті білки, такі як фактори транскрипції, які можуть зв\'язуватися з конкретними послідовностями в подвійній 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 у звичайну форму Ст. Створення моделі

В кінці 1970-х років в якості потенційного вирішення проблем реплікації ДНК у плазмідах та хроматині були коротко розглянуті альтернативні неспиральные моделі. Проте вони були відкинуті на користь подвійний моделі, що зображає виток спіралі ДНК, з-за наступних експериментальних досягнень, таких як рентгенівська кристалографія ДНК-дуплексів. Крім того, не подвійні спіральні моделі у даний час не приймаються основним науковим співтовариством.

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

ДНК є відносно жорстким полімером, типово змодельованим як червоподобная ланцюг. Модельна жорсткість важлива для циркуляризації ДНК і орієнтації пов\'язаних з нею білків відносно один одного, а гістерезисна 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 з-за теплової вібрації і зіткнення з молекулами води, що робить неможливим застосування класичних заходів жорсткості. Отже, изгибная жорсткість ДНК вимірюється довжиною персистентності, яка визначається як "довжина ДНК, з якої усереднена за часом орієнтація полімеру стає некоррелированной за коефіцієнтом".

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

Тривалість продовження ділянки ДНК сильно залежить від її послідовності, і це може призвести до значних змін. Останні здебільшого зумовлені енергією штабелювання і фрагментами, які поширюються на мінорні й великі канавки. Фізичні властивості і вигини

Энтропийная гнучкість ДНК дивно узгоджується зі стандартними моделями полімерної фізики, такими як модель ланцюгового хробака типу Лаконічні-Порода. У відповідності з моделлю, подібною черв\'якам, є спостереження, що изгибающая ДНК також описується законом Гука при дуже малих (субпиконеонтонных) силах. Однак для сегментів ДНК, менших за тривалістю і персистентності, изгибная сила приблизно постійна, а поведінка відхиляється від прогнозів, на відміну від вже згаданих червеобразных моделей.

Цей ефект призводить до незвичайної легкості в циркуляризації невеликих молекул ДНК і більш високої ймовірності знаходження сильно вигнутих ділянок ДНК.

Молекули ДНК часто мають переважний напрямок вигину, тобто анізотропний вигин. Це, знову ж таки, пов\'язано з властивостями основ, які складають послідовності ДНК, а з\'єднання двох ланцюгів ДНК в спіраль здійснюють саме вони. У деяких випадках послідовності не мають горезвісних вигинів.

Структура подвійної спіралі ДНК

Переважний напрямок вигину ДНК визначається стабільністю укладання кожного підстави поверх наступного. Якщо на одній стороні спіралі ДНК завжди знаходяться нестійкі етапи штабелювання основи, то ДНК переважно буде відгинають від цього напрямку. З\'єднання двох ланцюгів ДНК в спіраль здійснюють молекули, які залежать від цього напрямку. У міру збільшення кута вигину вони грають роль стеріческіх 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\'язування ДНК-білка, коли індукується жорсткий вигин ДНК, наприклад, в нуклеосомных частинках.

Молекули ДНК з винятковим вигином можуть стати згинаються. Це було вперше виявлено в ДНК трипаносоматида кинетопласта. Типові послідовності, які викликають це, містять відрізки 4-6 T і A, розділені за принципом G і C, які містять залишки A і T у фазі з малої канавкою на одній стороні молекули.

Внутрішня вигнута структура індукується «прокруткою гвинта» пар підстав щодо один одного, що дозволяє створювати незвичайні бифурцированные водневі зв\'язки між базовими ступенями. При більш високих температурах ця структура денатурирована, і тому власний вигин втрачається.

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

Кільцювання ДНК залежить як від осьової (згинальної) жорсткості, так і від крутильной (обертальної) жорсткості молекули. Щоб молекула ДНК успішно циркулювала, вона повинна бути досить довгою, щоб легко згинатися в повний круг і мати правильне 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 кругообігів, наприклад, молекула пар 10,4 х 30 = 312 буде циркулювати в сотні разів швидше, ніж 10,4 х 30,5 ? 317-молекули.

Еластичність

Більш довгі ділянки ДНК энтропически 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 розтягуватись під дією сили, виправляючи її. Використовуючи оптичні пінцети, энтропийное розтягуюче поведінка ДНК вивчалася та аналізувалася з погляду фізики полімерів, і було виявлено, що ДНК веде себе в основному як червеподобная ланцюгова модель Лаконічні-Порода в фізіологічно доступних енергетичних масштабах.

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

Докази механічного розтягування ДНК у відсутність накладеного крутного моменту вказують на перехід або переходи, що ведуть до подальших структурам, які зазвичай називаються S-формами. Ці структури ще не були остаточно охарактеризовано із-за складності виконання зображень з роздільною здатністю атомного резонатора в розчині при додатку сили, хоча багато комп\'ютерні симуляционные дослідження були зроблені. Пропоновані структури S-ДНК включають у 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 «?-ДНК» вводиться як мнемоніка, в якій три праві точки символу «Сігми» служать нагадуванням про трьох згрупованих парах підстав. Було показано, що форма ? 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. в відсутність деформації скручування. Але багато молекулярні біологічні процеси можуть викликати крутильних напруга. Сегмент ДНК з надмірним або недостатнім спіральним скручуванням згадується, відповідно, як в позитивному, так і в негативному контексті. ДНК in vivo зазвичай негативно закручено (тобто має завитки, закручені в протилежну сторону), що полегшує розмотування (плавлення) подвійної спіралі, гостро необхідне для транскрипції РНК.

Всередині клітини більшість ДНК топологічно обмежена. ДНК зазвичай знаходиться в замкнутих петлях (таких як плазміди в прокариотах), 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 замкненої топологічної області повинно 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 кручення цієї молекули згодом буде збільшено або зменшено за рахунок суперсогласования, то корені будуть відповідним чином змінені, що призведе до того, що молекула зазнає плектнонемической або тороїдальної суперхелической 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 неразвязывания топологічно пов\'язаних ниток ДНК припадає на ферменти, звані топоизомеразами. Автор: Ольгерд Семенов 8 Листопада, 2018

Категория: Новости