«ДНҚ спиралі» терминінің күрделі тарихы мен табиғаты бар. Бұл, әдетте, Джеймс Уотсон енгізген модельді білдіреді. ДНҚ қос спиралі жұп құрайтын нуклеотидтермен бірге ұсталады. Табиғатта кездесетін ең көп тараған спиральдық құрылым В-ДНҚ-да қос спираль бір айналымда 10-10,5 негіз жұбы бар оң жақ. ДНҚ-ның қос спиральдық құрылымында үлкен ойық және кіші ойық бар. В-ДНҚ-да үлкен ойық кіші ойыққа қарағанда кеңірек. Негізгі және кіші ойықтар арасындағы ендегі айырмашылықты ескере отырып, В-ДНҚ-мен байланысатын көптеген ақуыздар мұны кеңірек негізгі ойық арқылы жасайды.
Табу тарихы
ДНҚ қос спиральының құрылымдық моделін алғаш рет 1953 жылы Джеймс Уотсон және Фрэнсис Крик «Nature» журналында жариялады (X, Y, Z координаттары 1954 ж.) 51-фото таңбаланған ДНҚ-ның сыни рентгендік дифракциялық кескініне негізделген., Розалинд Франклиннің 1952 жылғы жұмысынан, одан кейін оның түсірілген анық суретіРэймонд Гослинг, Морис Уилкинс, Александр Стокс және Герберт Уилсон. Алдын ала үлгі үш тізбекті ДНҚ болды.
Ашық құрылымның қос спираль екенін түсіну ДНҚ-ның екі тізбегінің спиральға қосылу механизмін түсіндіреді, сол арқылы генетикалық ақпарат тірі ағзаларда сақталады және көшіріледі. Бұл жаңалық ХХ ғасырдағы ең маңызды ғылыми түсініктердің бірі болып саналады. Крик, Вилкинс және Уотсон ашылымға қосқан үлестері үшін 1962 жылғы физиология немесе медицина саласындағы Нобель сыйлығының үштен бірін алды. Рентгендік дифракция деректері ДНҚ спиральын құрастыру үшін пайдаланылған Франклин 1958 жылы қайтыс болды, сондықтан Нобель сыйлығына үміткер бола алмады.
Гибридтеу мәні
Гибридтеу – қос спираль түзу үшін байланысатын негізгі жұптарды қосу процесі. Балқу - қос спиральді жіптердің өзара әрекеттесуінің бұзылып, нуклеин қышқылдарының екі сызығын ажырататын процесс. Бұл байланыстар әлсіз, жұмсақ жылумен, ферменттермен немесе механикалық күшпен оңай бөлінеді. Балқу негізінен нуклеин қышқылының белгілі бір нүктелерінде жүреді. Т және А деп белгіленген ДНҚ спиралының аймақтары C және G аймақтарына қарағанда оңай балқиды. Кейбір негізгі сатылар (жұптар) TA және TG сияқты ДНҚ балқуына да сезімтал. Бұл механикалық белгілер транскрипция үшін РНҚ-полимеразаға ДНҚ-ны балқытуға көмектесу үшін көптеген гендердің басында TATA сияқты тізбектермен бейнеленеді.
Жылу
Процесс бөлуМолекулалар шамамен 10 000 негіз жұбы (10 килобаза жұбы немесе 10 кбит/с) болған жағдайда, полимеразды тізбекті реакцияда (ПТР) қолданылғандай, таяз қыздыру арқылы жіптерді алу оңай. ДНҚ жіптерінің бір-бірімен тоғысуы ұзын сегменттерді бөлуді қиындатады. Жасуша ДНҚ-ның балқу ферменттерінің (геликазалардың) топоизомеразалармен бір мезгілде жұмыс істеуіне мүмкіндік беру арқылы бұл мәселені болдырмайды, бұл жіптердің бірінің фосфатты діңгегінің екінші жағына айналуы үшін химиялық жолмен ыдыратуы мүмкін. ДНҚ полимераза сияқты тізбекті оқитын ферменттердің өтуін жеңілдету үшін спиральдар жіптерді босатады. ДНҚ қос спиралі осы жіптердің байланыстарынан түзіледі.
Спираль геометриясы
ДНҚ құрылымының геометриялық құрамдас бөлігін 6 координатпен сипаттауға болады: ығысу, сырғу, көтерілу, көлбеу, бұрылу және бұрылу. Бұл мәндер ДНҚ жіптерінің әрбір жұбының кеңістіктегі орналасуын және бағытын дәл анықтайды. Қалыпты құрылымы бұзылған ДНҚ немесе РНҚ аймақтарында мұндай бұзылуды сипаттау үшін осы мәндердің өзгеруін пайдалануға болады.
Көтерілу мен бұрылыс спираль пішінімен анықталады. Басқа координаттар, керісінше, нөлге тең болуы мүмкін.
Назар аударыңыз, ғылыми әдебиеттерде «қисайу» жиі әртүрлі тәсілдермен қолданылады, бұл жіп аралық негіздің бірінші осінің спираль осіне перпендикуляр болудан ауытқуына сілтеме жасайды. Бұл ДНҚ қос спиралының негізгі тізбегі арасындағы сырғуға сәйкес келеді және геометриялық координаттарда дұрыс деп аталады."еңкейту".
Спиральдардағы геометриялық айырмашылықтар
ДНҚ-ның кем дегенде үш конформациясы табиғи түрде болады деп есептеледі: A-DNA, B-DNA және Z-DNA. Джеймс Уотсон мен Фрэнсис Крик сипаттаған В формасы жасушаларда басым болады деп есептеледі. Оның ені 23,7 Å және 34 Å 10 бит ұзарады. тізбектер. ДНҚ қос спиралі рибонуклеин қышқылының екі сызығының байланыстарынан түзіледі, олар ерітіндідегі әрбір 10,4-10,5 негіз жұбында өз осінің айналасында бір толық айналым жасайды. Бұл бұралу жиілігі (бұрандалы қадам деп аталады) негізінен әрбір базаның тізбектегі көршілеріне әсер ететін жинақтау күштеріне байланысты. Негіздердің абсолютті конфигурациясы берілген конформация үшін бұрандалы қисық бағытын анықтайды.
Айырмашылықтар мен функциялар
A-DNA және Z-DNA B-DNA-мен салыстырғанда геометриясы мен өлшемдері бойынша айтарлықтай ерекшеленеді, дегенмен олар әлі де спиральды құрылымдарды құрайды. А пішіні кристаллографиялық эксперименттерде және гибридті ДНҚ-РНҚ тізбектерінің жұптасуларында қолданылатын зертханада сусыздандырылған ДНҚ үлгілерінде ғана кездеседі деп бұрыннан ойланып келген, бірақ ДНҚ сусыздануы in vivo жүреді, ал А-ДНҚ қазір бізге белгілі биологиялық функцияларға ие.. Жасушалары реттеу мақсатында метилденген ДНҚ сегменттері Z геометриясын қабылдауы мүмкін, онда жіптер A-ДНҚ және В-ДНҚ-ға қарама-қарсы түрде бұрандалы осьте айналады. Сонымен қатар Z-ДНҚ құрылымдарын құрайтын ақуыз-ДНҚ кешендері туралы деректер бар. ДНҚ спиралының ұзындығы байланысты ешқандай жолмен өзгермейдітеріңіз.
Аттарға қатысты мәселелер
Шын мәнінде, болашақта табылуы мүмкін ДНҚ-ның әртүрлі түрлерін атау үшін қазір тек F, Q, U, V және Y әріптері ғана қол жетімді. Дегенмен бұл пішіндердің көпшілігі синтетикалық жолмен жасалған және табиғи биологиялық жүйелерде байқалмаған. Сондай-ақ G-квадруплексі сияқты үш тізбекті (ДНҚ-ның 3 тізбегі) және төрт полюсті формалары бар.
Жіптерді қосу
ДНҚ қос спиралі спиральді жіптердің байланыстарынан түзіледі. Жіптер бір-біріне тікелей қарама-қарсы болмағандықтан, олардың арасындағы ойықтар біркелкі емес. Бір ойықтың, ең бастысы, ені 22 Å, ал екіншісі, кішкентай, ұзындығы 12 Å жетеді. Қосалқы ойықтың тарлығы негіздердің шеттері негізгі ойықта неғұрлым қолжетімді екенін білдіреді. Нәтижесінде, ДНҚ қос спиральындағы белгілі бір реттілікпен байланыса алатын транскрипция факторлары сияқты ақуыздар әдетте негізгі ойықта ашық негіздердің бүйірлерімен жанасады. Бұл жағдай жасушадағы әдеттен тыс ДНҚ конформацияларында өзгереді, бірақ ДНҚ қалыпты B пішініне бұрылғанда көрінетін өлшемдердегі айырмашылықтарды көрсету үшін әрқашан негізгі және кіші ойықтар аталады.
Үлгі жасау
1970 жылдардың соңында альтернативті спиральді емес модельдер плазмидалар мен хроматиндегі ДНҚ репликациясының мәселелерінің ықтимал шешімі ретінде қысқаша қарастырылды. Алайда, олар рентгендік сияқты кейінгі эксперименттік жетістіктерге байланысты ДНҚ-ның қос катушкалы моделінің пайдасына бас тартылды. ДНҚ дуплекстерінің кристаллографиясы. Сондай-ақ қос спиральді емес үлгілерді қазіргі уақытта негізгі ғылыми қауымдастық қабылдамайды.
Бір тізбекті нуклеин қышқылдары (ssDNA) бұрандалы пішінді алмайды және кездейсоқ катушкалар немесе құрт тәрізді тізбек сияқты үлгілермен сипатталады.
ДНҚ – әдетте құрт тәрізді тізбек ретінде үлгіленген салыстырмалы түрде қатты полимер. Модельдің қаттылығы ДНҚ-ның айналуы және онымен байланысты белоктардың бір-біріне қатысты бағытталуы үшін маңызды, ал гистеретикалық осьтік қаттылық ДНҚ-ны орау және ақуыз айналымы мен өзара әрекеттесу үшін маңызды. Жоғары кернеу болмаған кезде қысу-ұзарту салыстырмалы түрде маңызды емес.
Химия және генетика
Ерітіндідегі ДНҚ қатты құрылымды қабылдамайды, бірақ термиялық тербеліс пен су молекулаларымен соқтығысуы салдарынан конформациясын үнемі өзгертеді, бұл классикалық қаттылық шараларын қолдануды мүмкін емес етеді. Сондықтан ДНҚ-ның иілу қаттылығы тұрақтылық ұзындығымен өлшенеді, ол "полимердің орташа уақыт бойынша бағдарлануы коэффициентсіз болатын ДНҚ ұзындығы" ретінде анықталады.
Бұл мәнді әртүрлі ұзындықтағы ДНҚ молекулаларын тікелей кескіндеу үшін атомдық күшті микроскоптың көмегімен дәл өлшеуге болады. Су ерітіндісінде орташа тұрақты ұзындық 46-50 нм немесе 140-150 негіз жұбы (ДНҚ 2 нм), бірақ бұл айтарлықтай өзгеруі мүмкін. Бұл ДНҚ-ны орташа қатты молекулаға айналдырады.
ДНҚ сегментінің жалғасуының ұзақтығы оның тізбегіне өте тәуелді және бұл елеулі өзгерістерге әкелуі мүмкінөзгерістер. Соңғысы негізінен жинақталған энергия мен кіші және негізгі ойықтарға таралатын фрагменттерге байланысты.
Физикалық қасиеттер мен қисықтар
ДНҚ-ның энтропиялық икемділігі полимерлер физикасының стандартты үлгілеріне, мысалы, тізбекті құрттың Кратки-Пород үлгісіне өте сәйкес келеді. Құрт тәрізді модельге сәйкес, ДНҚ-ның иілу де Гук заңымен өте аз (субпикононтоникалық) күштерде сипатталатынын байқау болып табылады. Дегенмен, ұзақтығы мен тұрақтылығы жағынан кішірек ДНҚ сегменттері үшін иілу күші шамамен тұрақты болады және жоғарыда аталған құрт тәрізді үлгілерден айырмашылығы, мінез-құлық болжамдардан ауытқиды.
Бұл әсер кішігірім ДНҚ молекулаларының айналуын әдеттен тыс жеңілдетеді және жоғары қисық ДНҚ аймақтарын табу ықтималдығын арттырады.
ДНҚ молекулаларының жиі иілу үшін қолайлы бағыты болады, яғни анизотропты иілу. Бұл тағы да ДНҚ тізбегін құрайтын негіздердің қасиеттеріне байланысты және олар ДНҚ-ның екі тізбегін спиральға қосады. Кейбір жағдайларда тізбектерде мақал-мәтел бұрмалары болмайды.
ДНҚ қос спираль құрылымы
ДНҚ иілуінің қолайлы бағыты әрбір негіздің келесінің үстіне жинақталу тұрақтылығымен анықталады. Тұрақсыз негізді жинақтау қадамдары әрқашан ДНҚ спиралының бір жағында болса, онда ДНҚ бұл бағыттан бүктеледі. ДНҚ-ның екі тізбегін спиральға қосуосы бағытқа тәуелді молекулалар арқылы жүзеге асады. Иілу бұрышы ұлғайған сайын, олар стерикалық кедергілердің рөлін атқарады, қалдықтарды бір-біріне қатысты, әсіресе кішігірім ойықпен айналдыру мүмкіндігін көрсетеді. А және Т шөгінділері иілулер ішіндегі шағын ойықтарда жақсырақ болады. Бұл әсер, әсіресе, ДНҚ-ның қатты иілісі индукцияланған кезде, мысалы, нуклеосома бөлшектерінде, ДНҚ-ақуыздың байланысуында айқын көрінеді.
Ерекше иілісі бар ДНҚ молекулалары майысқан болуы мүмкін. Бұл алғаш рет ДНҚ-да трипаносоматид кинетопластынан табылды. Бұған себеп болатын типтік реттіліктерге молекуланың бір жағындағы шағын ойық фазасында A және T қалдықтары бар G және C арқылы бөлінген 4-6 T және A созылуы жатады.
Ішкі иілген құрылым бір-біріне қатысты негіз жұптарының «бұранда айналуымен» индукцияланады, бұл базалық сатылар арасында әдеттен тыс бифуркацияланған сутектік байланыстарды құруға мүмкіндік береді. Жоғары температурада бұл құрылым денатурацияланады, сондықтан ішкі қисықтық жоғалады.
Анизотропты түрде иілген барлық ДНҚ-да орташа алғанда ұзағырақ итеру және үлкен осьтік қаттылық болады. Бұл күшейтілген қаттылық молекуланың изотропты әсер етуіне себеп болатын кездейсоқ иілуді болдырмау үшін қажет.
ДНҚ қоңырауы молекуланың осьтік (иілу) қаттылығына да, бұралу (айналу) қаттылығына да байланысты. ДНҚ молекуласы табысты айналуы үшін оның толық шеңберге оңай иілу үшін жеткілікті ұзындығы және негіздердің дұрыс саны болуы керек.спиральдарды желімдеу мүмкіндігін қамтамасыз ету үшін ұштары дұрыс айналымда болды. Айналымдағы ДНҚ-ның оңтайлы ұзындығы шамамен 400 негіз жұбы (136 нм). Тақ айналымдардың болуы тізбектер үшін маңызды энергетикалық кедергі болып табылады, мысалы, 10,4 x 30=312 жұп молекула 10,4 x 30,5 ≈ 317 молекуладан жүздеген есе жылдам айналады.
Икемділік
ДНҚ-ның ұзағырақ созылуы созылған кезде энтропикалық серпімді болады. ДНҚ ерітіндіде болған кезде термиялық еріткіш ваннасында бар энергия есебінен үздіксіз құрылымдық өзгерістерге ұшырайды. Бұл су молекулаларымен тұрақты соқтығыстармен біріктірілген ДНҚ молекуласының жылу тербелістеріне байланысты. Энтропиялық себептерге байланысты ықшам босаңсыған күйлер созылған күйлерге қарағанда термиялық тұрғыдан қол жетімді, сондықтан ДНҚ молекулалары күрделі «босаңсыған» молекулалық модельдерде дерлік дерлік кездеседі. Осы себепті бір ДНҚ молекуласы күштің астында созылып, оны түзетеді. Оптикалық пинцет көмегімен ДНҚ-ның энтропия созылу әрекеті зерттелді және полимер физикасы тұрғысынан талданды және ДНҚ физиологиялық қол жетімді энергетикалық масштабта негізінен Кратки-Пород құрт тәрізді тізбек үлгісі сияқты әрекет ететіні анықталды.
Жеткілікті шиеленіс пен оң момент кезінде ДНҚ фазалық ауысудан өтеді деп есептеледі, омыртқа сүйектері сыртқа қарай жылжиды және фосфаттарорта. Шамадан тыс созылған ДНҚ үшін ұсынылған бұл құрылым бастапқыда оны ықтимал ДНҚ құрылымы деп ойлаған Линус Полингтің құрметіне Р-формалы ДНҚ деп аталды.
Берілген момент болмаған кезде ДНҚ-ның механикалық созылуының дәлелі әдетте S-пішіндері деп аталатын әрі қарай құрылымдарға әкелетін өтуге немесе өтуге нүкте береді. Көптеген компьютерлік симуляциялық зерттеулер жүргізілгенімен, бұл құрылымдар күш қолданылған ерітіндідегі атомдық резонатордың ажыратымдылық кескінін орындау қиындығына байланысты әлі нақты сипатталған жоқ. Ұсынылған S-ДНҚ құрылымдарына негізгі жұп қатпарын және сутегі байланысын (GC-мен байытылған) сақтайтын құрылымдар кіреді.
Sigmoid үлгісі
Үзіліспен базалық жұп стектің периодты сынуы «Σ-ДНҚ» термині енгізіліп, базалық стектің заңдылығын сақтайтын және кеңеюдің тиісті мөлшерін шығаратын қалыпты құрылым ретінде ұсынылды. мнемоника ретінде, онда «Sigma» таңбасының үш оң жақ нүктесі үш кластерленген негізгі жұптарды еске салады. Σ пішінінің GNC_h-гипотезасының эволюциялық маңызы бар деп есептейтін GNC мотивтері үшін реттілік басымдығы бар екені көрсетілді.
Спиралды балқыту, қыздыру және босату
ДНҚ спиральының B пішіні 10,4-10,5 бит үшін 360° бұрылады. бұралу деформациясы болмаған жағдайда. Бірақ көптеген молекулалық биологиялық процестер бұралу кернеуін тудыруы мүмкін. Артық немесе артық ДНҚ сегментіundercoiling сәйкесінше оң және теріс контекстте айтылады. ДНҚ in vivo әдетте теріс бұралған (яғни, қарама-қарсы бағытта бұралған бұйралары бар), бұл РНҚ транскрипциясы үшін өте қажет қос спиралдың ағылуын (балқуын) жеңілдетеді.
Жасушаның ішінде ДНҚ-ның көпшілігі топологиялық тұрғыдан шектелген. ДНҚ әдетте жабық контурларда (мысалы, прокариоттардағы плазмидалар) кездеседі, олар топологиялық жабық немесе өте ұзын молекулалар, диффузия коэффициенттері топологиялық жабық аймақтарды тиімді жасайды. ДНҚ-ның сызықтық созылулары да әдетте белоктармен немесе физикалық құрылымдармен (мысалы, мембраналар) тұйық топологиялық ілмектер құру үшін байланысты.
Тұйық топологиялық аймақтағы T параметрінің кез келген өзгерісі W параметрінің өзгеруімен теңестірілуі керек және керісінше. Бұл ДНҚ молекулаларының жоғары спиральдық құрылымына әкеледі. Түбірі 0 болатын қарапайым ДНҚ молекуласы классификациясында дөңгелек болады. Егер бұл молекуланың бұралуы кейіннен суперконформинг арқылы ұлғайса немесе азайса, онда түбірлер сәйкесінше өзгертіліп, молекула плектнонемиялық немесе тороидты суперспиральдық орамға ұшырайды.
ДНҚ қос спиралының кесіндісінің ұштары шеңбер құрайтындай жалғанғанда, жіптер топологиялық түрде байланады. Бұл жеке ағындарды ағынның үзілуімен байланысты емес кез келген процестен бөлуге болмайтынын білдіреді.(мысалы, жылыту). ДНҚ-ның топологиялық байланысқан жіптерін шешу міндеті топоизомеразалар деп аталатын ферменттерге жүктеледі.
