למונח "סליל DNA" יש היסטוריה וטבע מורכבים. על ידי זה, ככלל, הכוונה למודל שהציג ג'יימס ווטסון. הסליל הכפול של ה-DNA מוחזק יחד עם נוקלאוטידים היוצרים זוג. ב-B-DNA, המבנה הסליל הנפוץ ביותר שנמצא בטבע, הסליל הכפול הוא ימני עם 10-10.5 זוגות בסיסים לכל סיבוב. מבנה הסליל הכפול של ה-DNA מכיל חריץ עיקרי וחריץ מינורי. ב-B-DNA, החריץ הראשי רחב יותר מהחריץ הקטן. בהתחשב בהבדל ברוחב בין החריצים העיקריים לקטנים, חלבונים רבים הנקשרים ל-B-DNA עושים זאת דרך החריץ הראשי הרחב יותר.
היסטוריית גילוי
המודל המבני של הסליל הכפול של DNA פורסם לראשונה ב-Nature על ידי ג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק בשנת 1953 (קואורדינטות X, Y, Z בשנת 1954) בהתבסס על תמונת עקיפה קריטית של קרני רנטגן של DNA שכותרתו תמונה 51, מתוך עבודתה של רוזלינד פרנקלין מ-1952, ואחריה תמונה ברורה יותר שלה שצולמהריימונד גוסלינג, מוריס ווילקינס, אלכסנדר סטוקס והרברט ווילסון. המודל המקדים היה DNA תלת-גדילי.
ההבנה שהמבנה הפתוח הוא סליל כפול מסבירה את המנגנון שבו שני גדילי DNA מתחברים לסליל, שבאמצעותו מידע גנטי מאוחסן ומועתק באורגניזמים חיים. תגלית זו נחשבת לאחת התובנות המדעיות החשובות של המאה העשרים. קריק, ווילקינס ו-ווטסון קיבלו כל אחד שליש מפרס נובל לפיזיולוגיה או רפואה לשנת 1962 על תרומתם לגילוי. פרנקלין, שנתוני עקיפה פורצת הדרך שלו שימשו לניסוח סליל ה-DNA, מת ב-1958 ולכן לא היה זכאי למועמדות לפרס נובל.
ערך להכלאה
היברידיזציה היא תהליך של חיבור בין זוגות בסיסים שנקשרים ליצירת סליל כפול. התכה היא התהליך שבו אינטראקציות בין גדילי סליל כפולים מופרעות, ומפרידות בין שתי שורות של חומצות גרעין. קשרים אלו חלשים, מופרדים בקלות על ידי חום מתון, אנזימים או כוח מכני. ההתכה מתרחשת בעיקר בנקודות מסוימות בחומצת הגרעין. אזורים של סליל ה-DNA המסומנים T ו-A נמסים בקלות רבה יותר מאשר אזורים C ו-G. כמה שלבי בסיס (זוגות) רגישים גם להמסת DNA, כגון TA ו-TG. תכונות מכניות אלו משתקפות על ידי רצפים כמו TATA בתחילתם של גנים רבים כדי לעזור ל-RNA פולימראז להמיס את ה-DNA לצורך שעתוק.
חימום
הפרדת תהליכיםגדילים על ידי חימום רדוד, כפי שמשמש בתגובת שרשרת הפולימראז (PCR), הוא פשוט, בתנאי שהמולקולות הן בקירוב של 10,000 זוגות בסיסים (10 זוגות קילובאזים או 10 קילו-ביט). השזירה של גדילי DNA מקשה על הפרדת מקטעים ארוכים. התא נמנע מבעיה זו בכך שהוא מאפשר לאנזימי המסת ה-DNA שלו (הליקאזות) לעבוד בו-זמנית עם טופואיזומראזים, שיכולים לבקע כימית את עמוד השדרה הפוספטי של אחד הגדילים כך שיוכל להסתובב סביב השני. הליקסות משחררות את הגדילים כדי להקל על המעבר של אנזימים הקוראים רצף כגון DNA פולימראז. הסליל הכפול של ה-DNA נוצר על ידי הקשרים של גדילים אלה.
גיאומטריה ספירלית
ניתן לאפיין את הרכיב הגיאומטרי של מבנה ה-DNA ב-6 קואורדינטות: תזוזה, החלקה, עלייה, הטיה, פיתול וסיבוב. ערכים אלה קובעים במדויק את המיקום והכיוון במרחב של כל זוג גדילי DNA. באזורים של DNA או RNA שבהם המבנה התקין מופרע, ניתן להשתמש בשינוי בערכים אלה כדי לתאר שיבוש כזה.
העלייה והסיבוב נקבעים לפי צורת הספירלה. קואורדינטות אחרות, להיפך, יכולות להיות שוות לאפס.
שימו לב ש"הטייה" משמשת לעתים קרובות בדרכים שונות בספרות המדעית, בהתייחסו לסטייה של הציר הראשון של בסיס הבין-גדילי ממאונך לציר הסליל. זה מתאים לגלישה בין רצף הבסיס של הסליל הכפול של DNA, ובקואורדינטות גיאומטריות נקרא נכון"הטיה".
הבדלים גיאומטריים בספירלות
לפחות שלוש קונפורמציות DNA מתרחשות באופן טבעי: A-DNA, B-DNA ו-Z-DNA. טופס B, כפי שתואר על ידי ג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק, נחשב לשולט בתאים. רוחבו 23.7 Å ומתארכת ב-34 Å ב-10 bp. רצפים. הסליל הכפול של ה-DNA נוצר על ידי קשרים של שתי שורות של חומצה ריבונוקלאית, שעושים סיבוב אחד שלמה סביב צירו כל 10.4-10.5 זוגות בסיסים בתמיסה. תדר הפיתול הזה (הנקרא גובה הסליל) תלוי במידה רבה בכוחות הערימה שכל בסיס מפעיל על שכניו בשרשרת. התצורה המוחלטת של הבסיסים קובעת את כיוון העקומה הסלילית עבור קונפורמציה נתונה.
הבדלים ופונקציות
A-DNA ו-Z-DNA שונים באופן משמעותי בגיאומטריה ובגודל שלהם בהשוואה ל-B-DNA, למרות שהם עדיין יוצרים מבנים סלילניים. זה זמן רב חשבו שצורת A מתרחשת רק בדגימות DNA מיובשות במעבדה המשמשת בניסויים גבישיים ובהצמדות גדילי DNA-RNA היברידיים, אבל התייבשות DNA מתרחשת in vivo, ול-A-DNA יש כעת פונקציות ביולוגיות המוכרות לנו. מקטעי DNA שהתאים שלהם עברו מתילציה למטרות רגולטוריות עשויים לאמץ גיאומטריה Z שבה הגדילים מסתובבים סביב הציר הסליל בצורה הפוכה ל-A-DNA ו-B-DNA. ישנן גם עדויות לקומפלקסים של חלבון-DNA היוצרים מבני Z-DNA. אורך סליל ה-DNA אינו משתנה בשום צורה בהתאםסוג.
בעיות עם שמות
למעשה, רק האותיות F, Q, U, V ו-Y זמינות כעת כדי למנות את סוגי ה-DNA השונים שעשויים להתגלות בעתיד. עם זאת, רוב הצורות הללו נוצרו באופן סינטטי ויש להם לא נצפה במערכות ביולוגיות טבעיות. ישנן גם צורות תלת-גדיליות (3 גדילים של DNA) וצורות מרובע, כגון G-quadruplex.
חיבור של שרשורים
סליל כפול של DNA נוצר על ידי קשרים של גדילים סלילניים. מכיוון שהחוטים אינם ממש מול זה, החריצים ביניהם הם בגודל לא אחיד. לחריץ אחד, הראשי, רוחב של 22 Å, והשני, קטן, מגיע לאורך של 12 Å. צרותו של החריץ המשני גורמת לכך ששולי הבסיסים נגישים יותר בחריץ הראשי. כתוצאה מכך, חלבונים כגון גורמי שעתוק שיכולים להיקשר לרצפים ספציפיים בסליל הכפול של ה-DNA יוצרים בדרך כלל מגע עם הצדדים של הבסיסים הפתוחים בחריץ הראשי. מצב זה משתנה בקונפורמציות DNA חריגות בתוך התא, אך החריצים הגדולים והקטנים נקראים תמיד כדי לשקף את ההבדלים בגודל שיראו אם ה-DNA היה מעוות בחזרה לצורת B הרגילה שלו.
יצירת מודל
בסוף שנות ה-70, מודלים אלטרנטיביים שאינם סליליים נחשבו לזמן קצר כפתרון פוטנציאלי לבעיות של שכפול DNA בפלסמידים וכרומטין. עם זאת, הם ננטשו לטובת מודל הסליל הכפול של ה-DNA עקב התקדמות ניסויית מאוחרת יותר כמו רנטגןקריסטלוגרפיה של דופלקסים של DNA. כמו כן, מודלים שאינם סליל כפול אינם מקובלים כיום על ידי הקהילה המדעית המרכזית.
חומצות גרעין חד-גדיליות (ssDNA) אינן לובשות צורה סליל ומתוארות על ידי מודלים כגון סליל אקראי או שרשרת דמוית תולעת.
DNA הוא פולימר קשיח יחסית, שמעוצב בדרך כלל כשרשרת דמוית תולעת. קשיחות המודל חשובה למעגליות ה-DNA ולכיוון החלבונים הקשורים אליו זה ביחס לזה, בעוד שקשיחות צירית היסטרית חשובה לעטיפת DNA ולזרימת חלבונים ואינטראקציה. התארכות דחיסה אינה חשובה יחסית בהיעדר מתח גבוה.
כימיה וגנטיקה
DNA בתמיסה אינו מקבל מבנה קשיח, אלא משנה כל הזמן קונפורמציה עקב רטט תרמי והתנגשות עם מולקולות מים, מה שלא מאפשר ליישם מדדי קשיחות קלאסיים. לכן, קשיחות הכיפוף של ה-DNA נמדדת על ידי אורך ההתמדה, המוגדר כ"אורך ה-DNA שבו האוריינטציה הממוצעת של הפולימר הופכת ללא קורלציה של מקדם."
ניתן למדוד את הערך הזה במדויק באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי כדי לצלם ישירות מולקולות DNA באורכים שונים. בתמיסה מימית, האורך הקבוע הממוצע הוא 46-50 ננומטר או 140-150 זוגות בסיסים (DNA 2 ננומטר), אם כי זה יכול להשתנות במידה ניכרת. זה הופך את ה-DNA למולקולה קשיחה במידה.
משך המשכו של קטע DNA תלוי מאוד ברצף שלו, וזה יכול להוביל למשמעותיתשינויים. האחרונים נובעים בעיקר מהערמת אנרגיה ושברים שמתפשטים לחריצים קטנים וגדולים.
מאפיינים פיזיים ועיקולים
הגמישות האנטרופית של ה-DNA עולה בקנה אחד עם מודלים סטנדרטיים של פיזיקת פולימרים, כמו מודל Kratky-Porod של תולעת השרשרת. בהתאם למודל דמוי התולעת היא התצפית שכיפוף DNA מתואר גם על ידי חוק הוק בכוחות קטנים מאוד (תת-פיקוניונטוניים). עם זאת, עבור מקטעי DNA קטנים יותר במשך ובהתמדה, כוח הכיפוף הוא כמעט קבוע וההתנהגות חורגת מהתחזיות, בניגוד למודלים דמויי תולעת שהוזכרו כבר.
השפעה זו גורמת לקלות יוצאת דופן בהפיכת מולקולות DNA קטנות במעגל ובסבירות גבוהה יותר למצוא אזורי DNA מעוקלים מאוד.
למולקולות DNA יש לרוב כיוון מועדף לכיפוף, כלומר כיפוף אנזוטרופי. זה, שוב, נובע מהמאפיינים של הבסיסים המרכיבים את רצפי ה-DNA, והם המחברים את שני גדילי ה-DNA לסליל. במקרים מסוימים, לרצפים אין את הטוויסטים הפתגמיים.
מבנה סליל כפול של DNA
הכיוון המועדף של כיפוף DNA נקבע על ידי יציבות הערימה של כל בסיס על גבי הבסיס הבא. אם שלבי ערימת בסיס לא יציבים נמצאים תמיד בצד אחד של סליל ה-DNA, אז ה-DNA יתקפל בצורה מועדפת מהכיוון הזה. חיבור שני גדילי DNA לסלילמבוצע על ידי מולקולות התלויות בכיוון זה. ככל שזווית הכיפוף גדלה, הם ממלאים את התפקיד של מכשולים סטריים, המראים את היכולת לגלגל את השאריות זה ביחס לזה, במיוחד בחריץ הקטן. משקעים A ו-T רצוי להתרחש בחריצים קטנים בתוך העיקולים. השפעה זו ניכרת במיוחד בקישור DNA-חלבון כאשר נגרמת כיפוף נוקשה של DNA, למשל בחלקיקי נוקלאוזום.
מולקולות DNA עם כיפוף יוצא דופן יכולות להפוך לכופפות. זה התגלה לראשונה ב-DNA מ-Trypanosomatid kinetoplast. רצפים אופייניים הגורמים לכך כוללים 4-6 מתיחות T ו-A המופרדות על ידי G ו-C, המכילות שאריות A ו-T בשלב חריץ מינורי באותו צד של המולקולה.
המבנה הכפוף הפנימי מושרה על ידי "סיבוב בורג" של זוגות הבסיסים זה ביחס לזה, מה שמאפשר יצירת קשרי מימן מפוצלים יוצאי דופן בין שלבי הבסיס. בטמפרטורות גבוהות יותר, מבנה זה מפוגג ולכן העקמומיות הפנימית אובדת.
לכל ה-DNA שמתכופף בצורה אנזוטרופית יש, בממוצע, דחף ארוך יותר וקשיחות צירית גדולה יותר. קשיחות מוגברת זו נחוצה כדי למנוע כיפוף מקרי שיגרום למולקולה לפעול בצורה איזוטרית.
צלצול DNA תלוי הן בקשיחות צירית (כפיפה) והן בקשיחות פיתול (סיבובית) של המולקולה. כדי שמולקולת DNA תסתובב בהצלחה, היא חייבת להיות ארוכה מספיק כדי להתכופף בקלות למעגל שלם ובעלת מספר הבסיסים הנכון.הקצוות היו בסיבוב הנכון על מנת להבטיח אפשרות של הדבקת הספירלות. האורך האופטימלי ל-DNA במחזור הוא כ-400 זוגות בסיסים (136 ננומטר). הנוכחות של מספר אי זוגי של סיבובים מהווה מחסום אנרגיה משמעותי למעגלים, לדוגמה, מולקולה של 10.4 x 30=312 זוגות תסתובב מהר יותר מאות פעמים ממולקולה של 10.4 x 30.5 ≈ 317.
Elasticity
מתיחות ארוכות יותר של DNA הן אלסטיות אנטרופיות כאשר הן נמתחות. כאשר DNA נמצא בתמיסה, הוא עובר שינויים מבניים מתמשכים עקב האנרגיה הזמינה באמבט הממס התרמי. זה נובע מהתנודות התרמיות של מולקולת ה-DNA, בשילוב עם התנגשויות קבועות עם מולקולות מים. מסיבות אנטרופיה, מצבים רגועים קומפקטיים יותר נגישים מבחינה תרמית יותר ממצבים מתוחים, ולכן מולקולות DNA נמצאות כמעט בכל מקום במודלים מולקולריים "רגועים" מורכבים. מסיבה זו, מולקולת DNA אחת תימתח תחת הכוח, ותיישר אותו. באמצעות פינצטה אופטית, התנהגות מתיחת האנטרופיה של DNA נחקרה ונותחה מנקודת המבט של הפיזיקה הפולימרית, ונמצא ש-DNA מתנהג בעצם כמו מודל שרשרת דמוי תולעת Kratky-Porod על סולמות אנרגיה זמינות פיזיולוגית.
עם מתח מספיק ומומנט חיובי, חושבים שה-DNA עובר מעבר פאזה, כשעמודי השדרה נעים החוצה והפוספטים עוברים פנימה.אֶמצַע. המבנה המוצע הזה ל-DNA מתוח יתר על המידה נקרא DNA בצורת P על שם לינוס פאולינג, שחזה אותו במקור כמבנה DNA אפשרי.
הוכחות למתיחה מכנית של DNA בהיעדר מומנט מומנט מצביע על מעבר או מעברים המובילים למבנים נוספים המכונה בדרך כלל צורות S. מבנים אלה עדיין לא אופיינו באופן סופי עקב הקושי לבצע הדמיה ברזולוציה של מהוד אטומי בתמיסה עם כוח המופעל, אם כי נעשו מחקרים רבים של הדמיית מחשב. מבני S-DNA מוצעים כוללים את אלה השומרים על קפל זוג הבסיסים וקשר המימן (מועשר ב-GC).
דגם Sigmoid
שבר תקופתי של מחסנית זוג הבסיסים עם שבירה הוצע כמבנה רגיל השומר על סדירות מחסנית הבסיס ומשחרר כמות מתאימה של התרחבות, כאשר המונח "Σ-DNA" מוצג כמזכרת שבה שלוש הנקודות הימניות של סמל "סיגמה" משמשות תזכורת לשלושה זוגות בסיסים מקובצים. הוכח שהצורה Σ היא בעלת העדפת רצף עבור מוטיבים של GNC, אשר השערת GNC_h מאמינה שיש להם משמעות אבולוציונית.
המסה, חימום ופירוק הספירלה
טופס B של סליל ה-DNA מתפתל ב-360° עבור 10.4-10.5 bp. בהיעדר עיוות פיתול. אבל תהליכים ביולוגיים מולקולריים רבים יכולים לגרום ללחץ פיתול. קטע של DNA עם עודף אוסליל תחתון מוזכר בהקשרים חיוביים ושליליים, בהתאמה. DNA in vivo בדרך כלל מפותל בצורה שלילית (כלומר, יש לו תלתלים שמתפתלים בכיוון ההפוך), מה שמקל על התפרקות (התכה) של הסליל הכפול, הדרוש מאוד לתעתוק RNA.
בתוך התא, רוב ה-DNA מוגבל מבחינה טופולוגית. DNA נמצא בדרך כלל בלולאות סגורות (כגון פלסמידים בפרוקריוטים) שהן מולקולות סגורות טופולוגית או ארוכות מאוד שמקדמי הדיפוזיה שלהן מייצרים למעשה אזורים סגורים טופולוגית. מתיחות ליניאריות של DNA מקושרות גם לחלבונים או למבנים פיזיקליים (כגון ממברנות) ליצירת לולאות טופולוגיות סגורות.
כל שינוי בפרמטר T באזור טופולוגי סגור חייב להיות מאוזן על ידי שינוי בפרמטר W, ולהיפך. זה מביא למבנה סליל גבוה יותר של מולקולות DNA. מולקולת DNA רגילה עם שורש 0 תהיה מעגלית בסיווג שלה. אם לאחר מכן הפיתול של מולקולה זו גדל או מופחת על ידי התאמה-על, אז השורשים ישתנו בהתאם, ויגרום למולקולה לעבור סלילה על-הליקית פלקטנומית או טורואידלית.
כאשר קצוות קטע מהסליל הכפול של ה-DNA מחוברים כך שהוא יוצר מעגל, הגדילים קשורים טופולוגית. המשמעות היא שלא ניתן להפריד שרשורים בודדים מכל תהליך שאינו משויך להפסקת שרשור.(למשל חימום). המשימה להתיר את גדילי ה-DNA המקושרים טופולוגית נופלת על אנזימים הנקראים טופואיזומראזים.
