Termenul „helix ADN” are o istorie și o natură complexe. Prin el, de regulă, se înțelege modelul introdus de James Watson. Helixul dublu ADN este ținut împreună cu nucleotide care formează o pereche. În ADN-ul B, cea mai comună structură elicoidală găsită în natură, dublu helix este dreptaci cu 10-10,5 perechi de baze pe tură. Structura cu dublu helix a ADN-ului conține un șanț major și un șanț minor. În ADN-ul B, șanțul major este mai larg decât șanțul minor. Având în vedere diferența de lățime dintre șanțurile majore și cele minore, multe proteine care se leagă de ADN-ul B fac acest lucru prin șanțul major mai larg.
Istoricul descoperirilor
Modelul structural al dublei helix ADN a fost publicat pentru prima dată în Nature de James Watson și Francis Crick în 1953 (coordonatele X, Y, Z în 1954) pe baza unei imagini critice de difracție de raze X a ADN-ului etichetat cu Foto 51, din lucrarea lui Rosalind Franklin din 1952, urmată de o imagine mai clară a ei făcutăRaymond Gosling, Maurice Wilkins, Alexander Stokes și Herbert Wilson. Modelul preliminar a fost ADN cu trei catene.
Conștientizarea faptului că structura deschisă este un dublu helix explică mecanismul prin care două catene de ADN se unesc într-o helix, prin care informația genetică este stocată și copiată în organismele vii. Această descoperire este considerată una dintre cele mai importante descoperiri științifice ale secolului al XX-lea. Crick, Wilkins și Watson au primit fiecare o treime din Premiul Nobel pentru Fiziologie sau Medicină din 1962 pentru contribuțiile lor la descoperire. Franklin, ale cărui date inovatoare de difracție de raze X au fost folosite pentru a formula helixul ADN, a murit în 1958 și, prin urmare, nu a fost eligibil pentru o nominalizare la Premiul Nobel.
Valoare pentru hibridizare
Hibridizarea este procesul de conectare a perechilor de baze care se leagă pentru a forma o dublă helix. Topirea este procesul prin care interacțiunile dintre catenele cu dublu helix sunt întrerupte, separând două linii de acizi nucleici. Aceste legături sunt slabe, ușor separate prin căldură ușoară, enzime sau forță mecanică. Topirea are loc predominant în anumite puncte ale acidului nucleic. Regiunile helixului ADN marcate T și A se topesc mai ușor decât regiunile C și G. Unele stadii de bază (perechi) sunt, de asemenea, susceptibile la topirea ADN-ului, cum ar fi TA și TG. Aceste trăsături mecanice sunt oglindite de secvențe precum TATA la începutul multor gene pentru a ajuta ARN polimeraza să topească ADN-ul pentru transcripție.
Încălzire
Separarea proceselorcatenele prin încălzire superficială, așa cum se utilizează în reacția în lanț a polimerazei (PCR), este simplă, cu condiția ca moleculele să aibă aproximativ 10.000 de perechi de baze (10 perechi de kilobaze sau 10 kbp). Împătrunderea catenelor de ADN face dificilă separarea segmentelor lungi. Celula evită această problemă permițând enzimelor sale de topire a ADN-ului (helicaze) să lucreze simultan cu topoizomerazele, care pot scinda chimic coloana vertebrală de fosfat a uneia dintre catene, astfel încât să se poată întoarce în jurul celeil alte. Helicazele desfășoară firele pentru a facilita trecerea enzimelor de citire a secvenței, cum ar fi ADN polimeraza. Helixul dublu ADN este format din legăturile acestor catene.
Geometrie spirală
Componenta geometrică a structurii ADN-ului poate fi caracterizată prin 6 coordonate: deplasare, alunecare, ridicare, înclinare, răsucire și întoarcere. Aceste valori determină cu precizie locația și orientarea în spațiu a fiecărei perechi de fire de ADN. În regiunile ADN-ului sau ARN-ului în care structura normală este perturbată, o modificare a acestor valori poate fi utilizată pentru a descrie o astfel de perturbare.
Ridicarea și întoarcerea sunt determinate de forma spiralei. Alte coordonate, dimpotrivă, pot fi egale cu zero.
Rețineți că „skew” este adesea folosit în diferite moduri în literatura științifică, referindu-se la abaterea primei axe a bazei intercatenare de la a fi perpendiculară pe axa helixului. Aceasta corespunde alunecării între secvența de bază a dublei helix ADN, iar în coordonate geometrice se numește corect„înclinare”.
Diferențe geometrice în spirale
Se crede că cel puțin trei conformații ADN apar în mod natural: A-DNA, B-ADN și Z-ADN. Forma B, așa cum este descrisă de James Watson și Francis Crick, este considerată a fi predominantă în celule. Are 23,7 Å lățime și se prelungește cu 34 Å cu 10 bp. secvente. Helixul dublu ADN este format din legăturile a două linii de acid ribonucleic, care fac o rotație completă în jurul axei sale la fiecare 10,4-10,5 perechi de baze în soluție. Această frecvență de răsucire (numită pas elicoidal) depinde în mare măsură de forțele de stivuire pe care fiecare bază le exercită asupra vecinilor săi din lanț. Configurația absolută a bazelor determină direcția curbei elicoidale pentru o conformație dată.
Diferențe și funcții
A-DNA și Z-DNA sunt semnificativ diferite ca geometrie și dimensiune, comparativ cu B-ADN, deși formează încă structuri elicoidale. S-a crezut multă vreme că forma A apare numai în probele de ADN deshidratate în laborator utilizate în experimentele cristalografice și în perechi hibride ADN-ARN, dar deshidratarea ADN-ului are loc in vivo, iar A-DNA are acum funcții biologice cunoscute nouă.. Segmentele de ADN ale căror celule au fost metilate în scopuri de reglementare pot adopta o geometrie Z în care firele se rotesc în jurul axei elicoidale în mod opus ADN-ului A și ADN-ului B. Există, de asemenea, dovezi ale complexelor proteină-ADN care formează structuri Z-ADN. Lungimea helixului ADN nu se modifică în niciun fel în funcție detip.
Probleme cu numele
De fapt, doar literele F, Q, U, V și Y sunt acum disponibile pentru a denumi diferitele tipuri de ADN care pot fi descoperite în viitor. Cu toate acestea, majoritatea acestor forme au fost create sintetic și au nu a fost observată în sistemele biologice naturale. Există, de asemenea, forme cu trei catene (3 catene de ADN) și patrupol, cum ar fi G-quadruplex.
Conexiunea firelor
ADN dublu helix este format din legăturile catenelor elicoidale. Deoarece firele nu sunt direct opuse unul altuia, canelurile dintre ele sunt de dimensiuni neuniforme. Un canal, cel principal, are o lățime de 22 Å, iar celăl alt, unul mic, ajunge la o lungime de 12 Å. Îngustimea canelurii secundare înseamnă că marginile bazelor sunt mai accesibile în canelura principală. Ca rezultat, proteinele, cum ar fi factorii de transcripție, care se pot lega la secvențe specifice din dubla helix ADN-ului, fac de obicei contact cu părțile laterale ale bazelor care sunt deschise în canalul principal. Această situație se modifică în conformațiile neobișnuite ale ADN-ului în interiorul celulei, dar șanțurile majore și minore sunt întotdeauna denumite pentru a reflecta diferențele de dimensiune care ar fi observate dacă ADN-ul ar fi răsucit înapoi în forma sa normală B.
Crearea unui model
La sfârșitul anilor 1970, modelele alternative non-helicoidale au fost considerate pe scurt ca o soluție potențială la problemele replicării ADN-ului în plasmide și cromatină. Cu toate acestea, acestea au fost abandonate în favoarea modelului dublu bobină al ADN-ului datorită progreselor experimentale ulterioare, cum ar fi raze X.cristalografia duplexurilor de ADN. De asemenea, modelele fără dublă helix nu sunt acceptate în prezent de comunitatea științifică principală.
Acizii nucleici monocatenar (ssDNA) nu iau o formă elicoidală și sunt descriși de modele precum bobină aleatorie sau lanț asemănător viermilor.
ADN este un polimer relativ rigid, modelat de obicei ca un lanț asemănător viermilor. Rigiditatea modelului este importantă pentru circularizarea ADN-ului și orientarea proteinelor asociate una față de ceal altă, în timp ce rigiditatea axială histeretică este importantă pentru împachetarea ADN-ului și circulația și interacțiunea proteinelor. Compresia-alungirea este relativ neimportantă în absența tensiunii în alte.
Chimie și genetică
ADN-ul în soluție nu capătă o structură rigidă, ci își schimbă constant conformația din cauza vibrației termice și a ciocnirii cu moleculele de apă, ceea ce face imposibilă aplicarea măsurilor clasice de rigiditate. Prin urmare, rigiditatea la încovoiere a ADN-ului este măsurată prin lungimea persistenței, definită ca „lungimea ADN-ului peste care orientarea medie în timp a polimerului devine coeficient necorelat.”
Această valoare poate fi măsurată cu precizie folosind un microscop cu forță atomică pentru a vizualiza direct moleculele de ADN de diferite lungimi. În soluție apoasă, lungimea medie constantă este de 46-50 nm sau 140-150 perechi de baze (ADN 2 nm), deși aceasta poate varia considerabil. Acest lucru face ca ADN-ul să fie o moleculă moderat rigidă.
Durata continuării unui segment ADN este foarte dependentă de secvența acestuia, iar acest lucru poate duce laschimbări. Acestea din urmă se datorează în mare parte energiei de stivuire și fragmentelor care se propagă în caneluri minore și majore.
Proprietăți fizice și curbe
Flexibilitatea entropică a ADN-ului este în mod remarcabil în concordanță cu modelele standard ale fizicii polimerilor, cum ar fi modelul Kratky-Porod al viermelui cu lanț. În concordanță cu modelul asemănător viermilor este observația că îndoirea ADN-ului este descrisă și de legea lui Hooke la forțe foarte mici (subpiconeontonice). Cu toate acestea, pentru segmentele de ADN mai mici ca durată și persistență, forța de îndoire este aproximativ constantă și comportamentul se abate de la predicții, spre deosebire de modelele asemănătoare viermilor deja menționate.
Acest efect are ca rezultat o ușurință neobișnuită în circularizarea moleculelor mici de ADN și o probabilitate mai mare de a găsi regiuni ADN foarte curbate.
Moleculele de ADN au adesea o direcție preferată pentru îndoire, adică îndoirea anizotropă. Acest lucru, din nou, se datorează proprietăților bazelor care alcătuiesc secvențele de ADN și ele sunt cele care conectează cele două catene de ADN într-o spirală. În unele cazuri, secvențele nu au răsturnările proverbiale.
Structură dublă helix ADN
Direcția preferată de îndoire a ADN-ului este determinată de stabilitatea de stivuire a fiecărei baze peste următoarea. Dacă etapele instabile de stivuire a bazelor sunt întotdeauna pe o parte a helixului ADN-ului, atunci ADN-ul se va plia de preferință din acea direcție. Conectarea a două catene de ADN într-o spiralărealizat de molecule care depind de această direcţie. Pe măsură ce unghiul de îndoire crește, ele joacă rolul de obstacole sterice, arătând capacitatea de a rula reziduurile unele în raport cu altele, în special în canelura mică. Depozitele A și T vor apărea, de preferință, în mici caneluri din coturi. Acest efect este evident în special în legarea ADN-proteină atunci când este indusă îndoirea rigidă a ADN-ului, de exemplu în particulele de nucleozomi.
Moleculele de ADN cu îndoire excepțională pot deveni pline. Acest lucru a fost descoperit pentru prima dată în ADN-ul de la kinetoplastul tripanosomatid. Secvențele tipice care provoacă acest lucru includ 4-6 întinderi T și A separate de G și C, care conțin reziduuri A și T într-o fază de canelura minoră pe aceeași parte a moleculei.
Structura îndoită internă este indusă de „întoarcerea cu șuruburi” a perechilor de baze una față de ceal altă, ceea ce permite crearea de legături de hidrogen bifurcate neobișnuite între etapele de bază. La temperaturi mai ridicate, această structură este denaturată și, prin urmare, curbura intrinsecă se pierde.
Tot ADN-ul care se îndoaie anizotrop are, în medie, o tracțiune mai lungă și o rigiditate axială mai mare. Această rigiditate crescută este necesară pentru a preveni îndoirea accidentală care ar determina ca molecula să acționeze izotrop.
Inelul ADN depinde atât de rigiditatea axială (la încovoiere), cât și de rigiditatea de torsiune (rotație) a moleculei. Pentru ca o moleculă de ADN să circule cu succes, trebuie să fie suficient de lungă pentru a se îndoi ușor într-un cerc complet și să aibă numărul corect de baze pentrucapetele erau in rotatie corecta pentru a asigura posibilitatea lipirii spiralelor. Lungimea optimă pentru circulația ADN-ului este de aproximativ 400 de perechi de baze (136 nm). Prezența unui număr impar de spire este o barieră energetică semnificativă pentru circuite, de exemplu, o moleculă de 10,4 x 30=312 perechi va circula de sute de ori mai repede decât o moleculă de 10,4 x 30,5 ≈ 317.
Elasticitate
Întinderile mai lungi de ADN sunt elastice entropic atunci când sunt întinse. Când ADN-ul este în soluție, suferă modificări structurale continue datorită energiei disponibile în baia de solvent termic. Acest lucru se datorează vibrațiilor termice ale moleculei de ADN, combinate cu ciocniri constante cu moleculele de apă. Din motive de entropie, stările relaxate mai compacte sunt mai accesibile din punct de vedere termic decât stările întinse, astfel încât moleculele de ADN sunt aproape omniprezente în modelele moleculare complicate „relaxate”. Din acest motiv, o moleculă de ADN se va întinde sub forță, îndreptând-o. Folosind pensete optice, comportamentul de întindere a entropiei a ADN-ului a fost studiat și analizat din perspectiva fizicii polimerilor și s-a constatat că ADN-ul se comportă practic ca un model de lanț asemănător unui vierme Kratky-Porod pe scale de energie disponibile fiziologic..
Cu suficientă tensiune și cuplu pozitiv, se crede că ADN-ul trece printr-o tranziție de fază, cu coloana vertebrală mișcându-se spre exterior, iar fosfații trecând înmijloc. Această structură propusă pentru ADN-ul supraîntins a fost numită ADN cu formă P după Linus Pauling, care inițial a imaginat-o ca o posibilă structură ADN.
Dovezi pentru întinderea mecanică a ADN-ului în absența punctelor de cuplu impuse la o tranziție sau tranziții care conduc la alte structuri denumite în mod obișnuit forme S. Aceste structuri nu au fost încă caracterizate definitiv din cauza dificultății de a efectua imagini de rezoluție a unui rezonator atomic în soluție cu forță aplicată, deși au fost făcute multe studii de simulare pe computer. Structurile S-ADN sugerate includ cele care rețin pliul perechii de baze și legătura de hidrogen (îmbogățite în GC).
Model sigmoid
Fractura periodică a stivei de perechi de baze cu o pauză a fost propusă ca o structură regulată care păstrează regularitatea stivei de bază și eliberează o cantitate adecvată de expansiune, fiind introdus termenul „Σ-ADN”. ca un mnemonic în care cele trei puncte din dreapta ale simbolului „Sigma” servesc la reamintirea a trei perechi de baze grupate. S-a demonstrat că forma Σ are o preferință de secvență pentru motivele GNC, despre care ipoteza GNC_h le consideră că au o semnificație evolutivă.
Topirea, încălzirea și desfășurarea spiralei
Forma B a helixului ADN se răsucește la 360° pentru 10,4-10,5 bp. în absenţa deformării de torsiune. Dar multe procese biologice moleculare pot induce stres de torsiune. Un segment de ADN cu un exces sauundercoiling-ul este menționat atât în contexte pozitive, cât și, respectiv, negative. ADN-ul in vivo este de obicei încolăcit negativ (adică are bucle care sunt răsucite în direcția opusă), ceea ce facilitează desfășurarea (topirea) dublei helix, care este extrem de necesară pentru transcripția ARN.
În interiorul celulei, majoritatea ADN-ului este limitat din punct de vedere topologic. ADN-ul se găsește de obicei în bucle închise (cum ar fi plasmidele din procariote) care sunt molecule închise topologic sau foarte lungi ai căror coeficienți de difuzie produc în mod eficient regiuni închise topologic. Întinderile liniare ale ADN-ului sunt, de asemenea, asociate în mod obișnuit cu proteine sau structuri fizice (cum ar fi membranele) pentru a forma bucle topologice închise.
Orice modificare a parametrului T într-o regiune topologică închisă trebuie echilibrată de o modificare a parametrului W și invers. Acest lucru are ca rezultat o structură helix mai mare a moleculelor de ADN. O moleculă de ADN obișnuită cu rădăcina 0 ar fi circulară în clasificarea sa. Dacă răsucirea acestei molecule este ulterior mărită sau scăzută prin supraconformitate, atunci rădăcinile vor fi modificate în consecință, determinând ca molecula să sufere înfășurare plectononemică sau toroidală superhelic.
Când capetele unei secțiuni ale helixului dublu ADN sunt conectate astfel încât să formeze un cerc, firele sunt legate topologic. Aceasta înseamnă că firele individuale nu pot fi separate de niciun proces care nu este asociat cu o întrerupere a firului.(de exemplu, încălzire). Sarcina de a dezlega catenele de ADN legate topologic revine enzimelor numite topoizomeraze.
