اصطلاح "مارپیچ DNA" تاریخ و ماهیت پیچیده ای دارد. منظور از آن، به عنوان یک قاعده، مدل معرفی شده توسط جیمز واتسون است. مارپیچ دوگانه DNA همراه با نوکلئوتیدهایی که یک جفت را تشکیل می دهند، نگه داشته می شود. در B-DNA، رایج ترین ساختار مارپیچ موجود در طبیعت، مارپیچ دوتایی راست دست با 10-10.5 جفت باز در هر چرخش است. ساختار مارپیچ دوگانه DNA شامل یک شیار اصلی و یک شیار کوچک است. در B-DNA، شیار اصلی گسترده تر از شیار مینور است. با توجه به تفاوت عرض بین شیارهای اصلی و فرعی، بسیاری از پروتئین هایی که به B-DNA متصل می شوند این کار را از طریق شیار اصلی گسترده تر انجام می دهند.
تاریخچه کشف
مدل ساختاری مارپیچ دوگانه DNA برای اولین بار توسط جیمز واتسون و فرانسیس کریک در سال 1953 در Nature منتشر شد (مختصات X، Y، Z در سال 1954) بر اساس یک تصویر پراش پرتو ایکس بحرانی از DNA با برچسب عکس 51. ، از کار روزالیند فرانکلین در سال 1952 و به دنبال آن تصویر واضح تری از او گرفته شده استریموند گاسلینگ، موریس ویلکینز، الکساندر استوکس و هربرت ویلسون. مدل اولیه DNA سه رشته ای بود.
درک اینکه ساختار باز یک مارپیچ دوگانه است مکانیسمی را توضیح می دهد که توسط آن دو رشته DNA به یک مارپیچ می پیوندند، که توسط آن اطلاعات ژنتیکی در موجودات زنده ذخیره و کپی می شود. این کشف یکی از مهم ترین بینش های علمی قرن بیستم به شمار می رود. کریک، ویلکینز و واتسون هر کدام یک سوم از جایزه نوبل فیزیولوژی یا پزشکی سال 1962 را به دلیل مشارکت خود در این کشف دریافت کردند. فرانکلین، که از داده های پراش پرتو ایکس برای فرموله کردن مارپیچ DNA استفاده شد، در سال 1958 درگذشت و به همین دلیل واجد شرایط نامزدی جایزه نوبل نبود.
ارزش هیبریداسیون
هیبریداسیون فرآیند اتصال جفت های پایه است که به هم متصل می شوند و یک مارپیچ دوتایی را تشکیل می دهند. ذوب فرآیندی است که در آن فعل و انفعالات بین رشته های مارپیچ دوگانه مختل می شود و دو خط اسید نوکلئیک از هم جدا می شوند. این پیوندها ضعیف هستند و به راحتی توسط حرارت ملایم، آنزیم ها یا نیروی مکانیکی جدا می شوند. ذوب عمدتاً در نقاط خاصی در اسید نوکلئیک رخ می دهد. مناطقی از مارپیچ DNA با برچسب T و A راحت تر از مناطق C و G ذوب می شوند. برخی از مراحل پایه (جفت) نیز مستعد ذوب DNA هستند، مانند TA و TG. این ویژگی‌های مکانیکی با توالی‌هایی مانند TATA در ابتدای بسیاری از ژن‌ها منعکس می‌شوند تا به RNA پلیمراز در ذوب DNA برای رونویسی کمک کنند.
گرمایش
فرایند جداسازیرشته ها با حرارت دادن کم عمق، همانطور که در واکنش زنجیره ای پلیمراز (PCR) استفاده می شود، ساده است، مشروط بر اینکه مولکول ها تقریباً 10000 جفت باز (10 جفت کیلوباز یا 10 کیلوبیت بر ثانیه) باشند. درهم تنیدگی رشته های DNA جداسازی بخش های بلند را دشوار می کند. سلول با اجازه دادن به آنزیم های ذوب DNA خود (هلیکازها) که به طور همزمان با توپوایزومرازها کار کنند، از این مشکل جلوگیری می کند، که می تواند به طور شیمیایی ستون فقرات فسفات یکی از رشته ها را بشکند تا بتواند به دور رشته دیگر بچرخد. هلیکازها رشته ها را باز می کنند تا عبور آنزیم های توالی خوان مانند DNA پلیمراز را تسهیل کنند. مارپیچ دوگانه DNA از پیوندهای این رشته ها تشکیل می شود.
هندسه مارپیچی
جزء هندسی ساختار DNA را می توان با 6 مختصات مشخص کرد: تغییر، لغزش، افزایش، شیب، پیچش و چرخش. این مقادیر دقیقاً مکان و جهت گیری در فضای هر جفت رشته DNA را تعیین می کند. در مناطقی از DNA یا RNA که در آن ساختار طبیعی مختل شده است، می توان از تغییر در این مقادیر برای توصیف چنین اختلالی استفاده کرد.
برآمدن و چرخش با شکل مارپیچ تعیین می شود. سایر مختصات، برعکس، می توانند برابر با صفر باشند.
توجه داشته باشید که "کج" اغلب به طرق مختلف در ادبیات علمی استفاده می شود و به انحراف اولین محور پایه بین رشته ای از عمود بر محور مارپیچ اشاره دارد. این مربوط به لغزش بین دنباله پایه مارپیچ دوگانه DNA است و در مختصات هندسی به درستی نامیده می شود."شیب".
تفاوت هندسی در مارپیچ
حداقل سه ترکیب DNA به طور طبیعی رخ می دهد: A-DNA، B-DNA و Z-DNA. تصور می شود که فرم B، همانطور که جیمز واتسون و فرانسیس کریک توصیف کرده اند، در سلول ها غالب است. عرض آن 23.7 Å و طول آن 34 Å در 10 جفت باز است. دنباله ها مارپیچ دوگانه DNA از پیوندهای دو خط اسید ریبونوکلئیک تشکیل می شود که هر 10.4-10.5 جفت باز در محلول یک چرخش کامل حول محور خود ایجاد می کند. این فرکانس پیچش (به نام گام مارپیچ) تا حد زیادی به نیروهای انباشته ای بستگی دارد که هر پایه بر روی همسایگان خود در زنجیره اعمال می کند. پیکربندی مطلق پایه ها جهت منحنی مارپیچ را برای یک ترکیب معین تعیین می کند.
تفاوتها و توابع
A-DNA و Z-DNA از نظر هندسه و اندازه در مقایسه با B-DNA به طور قابل توجهی متفاوت هستند، اگرچه هنوز ساختارهای مارپیچ را تشکیل می دهند. مدت‌ها تصور می‌شد که فرم A فقط در نمونه‌های DNA کم‌آبی در آزمایشگاه مورد استفاده در آزمایش‌های کریستالوگرافی و در جفت‌های رشته‌ای هیبریدی DNA-RNA رخ می‌دهد، اما کم‌آبی DNA در داخل بدن اتفاق می‌افتد، و A-DNA اکنون عملکردهای بیولوژیکی دارد که برای ما شناخته شده است.. بخش‌های DNA که سلول‌های آنها برای اهداف تنظیمی متیله شده‌اند، ممکن است هندسه Z را اتخاذ کنند که در آن رشته‌ها حول محور مارپیچ بر خلاف A-DNA و B-DNA می‌چرخند. همچنین شواهدی از کمپلکس های پروتئین-DNA که ساختارهای Z-DNA را تشکیل می دهند وجود دارد. طول مارپیچ DNA به هیچ وجه بسته به این تغییر نمی کندنوع.
مشکلات با نام
در واقع، اکنون فقط حروف F، Q، U، V و Y برای نامگذاری انواع مختلف DNA که ممکن است در آینده کشف شوند در دسترس هستند. با این حال، اکثر این اشکال به صورت مصنوعی ساخته شده اند و دارای در سیستم های بیولوژیکی طبیعی مشاهده نشده است. همچنین اشکال سه رشته ای (3 رشته DNA) و چهار قطبی مانند G-quadruplex وجود دارد.
اتصال موضوعات
مارپیچ دوگانه DNA از پیوندهای رشته های مارپیچ تشکیل می شود. از آنجایی که نخ ها مستقیماً در مقابل یکدیگر قرار ندارند، شیارهای بین آنها اندازه ناهمواری دارند. یک شیار، شیار اصلی، دارای عرض 22 Å و دیگری، کوچک، به طول 12 Å می رسد. باریک بودن شیار ثانویه به این معنی است که لبه های پایه ها در شیار اصلی بیشتر در دسترس هستند. در نتیجه، پروتئین هایی مانند فاکتورهای رونویسی که می توانند به توالی های خاصی در مارپیچ دوگانه DNA متصل شوند، معمولاً با طرفین بازهایی که در شیار اصلی باز هستند تماس پیدا می کنند. این وضعیت در ترکیب‌های غیرعادی DNA درون سلول تغییر می‌کند، اما شیارهای اصلی و فرعی همیشه به گونه‌ای نامگذاری می‌شوند که تفاوت‌هایی را در اندازه نشان دهند که در صورت چرخاندن DNA به شکل B طبیعی خود مشاهده می‌شود.
ایجاد مدل
در اواخر دهه 1970، مدل های غیرمارپیچ جایگزین به طور خلاصه به عنوان راه حلی بالقوه برای مشکلات تکثیر DNA در پلاسمیدها و کروماتین در نظر گرفته شدند. با این حال، آنها به نفع مدل دو سیم پیچ DNA به دلیل پیشرفت های آزمایشی بعدی مانند اشعه ایکس رها شدند.کریستالوگرافی DNA دوبلکس همچنین، مدل‌های مارپیچ غیر مضاعف در حال حاضر توسط جامعه علمی اصلی پذیرفته نمی‌شوند.
اسیدهای نوکلئیک تک رشته ای (ssDNA) شکل مارپیچ به خود نمی گیرند و با مدل هایی مانند سیم پیچ تصادفی یا زنجیره کرم مانند توصیف می شوند.
DNA یک پلیمر نسبتا سفت و سخت است که معمولاً به عنوان یک زنجیره کرم مانند مدل سازی می شود. سفتی مدل برای دایره‌سازی DNA و جهت‌گیری پروتئین‌های مرتبط آن نسبت به یکدیگر مهم است، در حالی که سختی محوری هیسترتیک برای بسته‌بندی DNA و گردش پروتئین و تعامل مهم است. ازدیاد طول فشار در غیاب ولتاژ بالا نسبتاً بی اهمیت است.
شیمی و ژنتیک
DNA در محلول ساختار سفت و سختی به خود نمی گیرد، اما به دلیل ارتعاش حرارتی و برخورد با مولکول های آب، دائماً تغییر شکل می دهد، که باعث می شود اعمال معیارهای سختی کلاسیک غیرممکن شود. بنابراین، سفتی خمشی DNA با طول ماندگاری اندازه‌گیری می‌شود، که به عنوان "طول DNA که جهت گیری میانگین زمانی پلیمر ضریب همبستگی ندارد" تعریف می‌شود.
این مقدار را می توان با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی برای تصویربرداری مستقیم از مولکول های DNA با طول های مختلف به دقت اندازه گیری کرد. در محلول آبی، میانگین طول ثابت 46-50 نانومتر یا 140-150 جفت باز (DNA 2 نانومتر) است، اگرچه این می تواند به طور قابل توجهی متفاوت باشد. این باعث می شود DNA یک مولکول نسبتاً سفت و سخت باشد.
مدت ادامه یک قطعه DNA به شدت به توالی آن بستگی دارد و این می تواند منجر به موارد قابل توجهی شود.تغییر می کند. این دومی بیشتر به دلیل انباشته شدن انرژی و قطعاتی است که در شیارهای کوچک و بزرگ منتشر می شوند.
خواص و منحنی های فیزیکی
انعطاف پذیری آنتروپیک DNA به طور قابل ملاحظه ای با مدل های استاندارد فیزیک پلیمرها، مانند مدل کراتکی-پورود کرم زنجیره ای سازگار است. مطابق با مدل کرم مانند، مشاهده ای است که خمش DNA نیز توسط قانون هوک در نیروهای بسیار کوچک (subpiconeontonic) توصیف می شود. با این حال، برای بخش‌هایی از DNA که از نظر طول مدت و ماندگاری کوچک‌تر هستند، نیروی خمشی تقریباً ثابت است و رفتار از پیش‌بینی‌ها منحرف می‌شود، برخلاف مدل‌های کرم‌مانند که قبلاً ذکر شد.
این اثر منجر به سهولت غیرمعمول در چرخش مولکولهای DNA کوچک و احتمال بیشتر یافتن مناطق DNA با انحنای بالا می شود.
مولکولهای DNA اغلب یک جهت ترجیحی برای خمش دارند، یعنی خمش ناهمسانگرد. این باز هم به دلیل ویژگی‌های بازهایی است که توالی‌های DNA را می‌سازند، و آنها هستند که دو رشته DNA را به یک مارپیچ متصل می‌کنند. در برخی موارد، توالی‌ها پیچش ضرب المثلی ندارند.
ساختار مارپیچ دوگانه DNA
جهت ترجیحی خمش DNA با پایداری انباشتگی هر باز در بالای پایه بعدی تعیین می شود. اگر مراحل انباشتن پایه ناپایدار همیشه در یک طرف مارپیچ DNA باشد، DNA ترجیحاً از آن جهت دور می‌شود. اتصال دو رشته DNA به یک مارپیچتوسط مولکول هایی که به این جهت بستگی دارند انجام می شود. با افزایش زاویه خمش، نقش موانع فضایی را بازی می‌کنند و توانایی غلتیدن باقیمانده‌ها را نسبت به یکدیگر، به ویژه در شیار کوچک، نشان می‌دهند. رسوبات A و T ترجیحاً در شیارهای کوچک در داخل خم ها ایجاد می شوند. این اثر به ویژه در اتصال پروتئین به DNA مشهود است، زمانی که خمش سخت DNA القا می شود، برای مثال در ذرات نوکلئوزوم.
مولکول های DNA با خمش استثنایی می توانند خم شوند. این برای اولین بار در DNA از تریپانوسوماتید کینتوپلاست کشف شد. توالی‌های معمولی که باعث این می‌شوند عبارتند از کشش‌های 4-6 T و A که با G و C از هم جدا شده‌اند، که حاوی باقی‌مانده‌های A و T در یک فاز شیار کوچک در همان سمت مولکول هستند.
ساختار خمیده داخلی توسط "پیچ چرخاندن" جفت‌های پایه نسبت به یکدیگر ایجاد می‌شود که امکان ایجاد پیوندهای هیدروژنی دوشاخه‌ای غیرمعمول را بین مراحل پایه ایجاد می‌کند. در دماهای بالاتر، این ساختار دناتوره می شود و بنابراین انحنای ذاتی از بین می رود.
همه DNA هایی که به صورت ناهمسانگرد خم می شوند، به طور متوسط دارای رانش طولانی تر و سفتی محوری بیشتری هستند. این سفتی افزایش یافته برای جلوگیری از خم شدن تصادفی که باعث می شود مولکول به صورت همسانگرد عمل کند، ضروری است.
زنگ DNA هم به سفتی محوری (خمشی) و هم به سفتی پیچشی (چرخشی) مولکول بستگی دارد. برای اینکه یک مولکول DNA بتواند با موفقیت در گردش باشد، باید آنقدر طولانی باشد که به راحتی در یک دایره کامل خم شود و تعداد بازهای صحیح را داشته باشد.برای اطمینان از امکان چسباندن مارپیچ ها، انتها در چرخش صحیح قرار داشتند. طول بهینه برای DNA در گردش حدود 400 جفت باز (136 نانومتر) است. وجود تعداد فرد چرخش مانع انرژی قابل توجهی برای مدارها است، به عنوان مثال، یک مولکول 10.4 x 30=312 جفت صدها بار سریعتر از یک مولکول 10.4 x 30.5 ≈ 317 گردش می کند.
کشسانی
کشش‌های طولانی‌تر DNA هنگام کشیده شدن از نظر آنتروپیک الاستیک هستند. هنگامی که DNA در محلول است، به دلیل انرژی موجود در حمام حلال حرارتی، دستخوش تغییرات ساختاری مداوم می شود. این به دلیل ارتعاشات حرارتی مولکول DNA، همراه با برخورد مداوم با مولکول های آب است. به دلایل آنتروپی، حالت‌های شل و فشرده‌تر از نظر حرارتی در دسترس‌تر از حالت‌های کشیده هستند، و بنابراین مولکولهای DNA تقریباً در مدل‌های مولکولی "آرام" پیچیده در همه جا وجود دارند. به همین دلیل، یک مولکول DNA تحت این نیرو کشیده می شود و آن را صاف می کند. با استفاده از موچین های نوری، رفتار کشش آنتروپی DNA از دیدگاه فیزیک پلیمر مورد مطالعه و تجزیه و تحلیل قرار گرفته است و مشخص شده است که DNA اساساً مانند یک مدل زنجیره کرم مانند کراتکی-پورد در مقیاس های انرژی فیزیولوژیکی در دسترس عمل می کند.
با کشش کافی و گشتاور مثبت، تصور می شود DNA تحت یک انتقال فاز قرار می گیرد، با حرکت ستون فقرات به سمت بیرون و فسفات ها به داخل.وسط این ساختار پیشنهادی برای DNA بیش از حد کشیده شده، پس از لینوس پاولینگ، که در ابتدا آن را به عنوان یک ساختار DNA ممکن تصور می کرد، DNA فرم P نامگذاری شد.
شواهد کشش مکانیکی DNA در غیاب گشتاور تحمیلی به یک انتقال یا انتقال منجر به ساختارهای بیشتر که معمولاً به آن شکل S گفته می شود اشاره دارد. این ساختارها به دلیل دشواری انجام تصویربرداری وضوح یک تشدید کننده اتمی در محلول با نیروی اعمال شده هنوز به طور قطعی مشخص نشده اند، اگرچه مطالعات شبیه سازی کامپیوتری زیادی انجام شده است. ساختارهای S-DNA پیشنهادی شامل آنهایی است که جفت پایه و پیوند هیدروژنی (غنی شده در GC) را حفظ می کنند.
مدل سیگموئید
شکستگی دوره ای پشته جفت پایه با شکست به عنوان یک ساختار منظم پیشنهاد شده است که نظم پشته پایه را حفظ می کند و مقدار مناسبی از انبساط را آزاد می کند و اصطلاح "Σ-DNA" معرفی شده است. به عنوان یادگاری که در آن سه نقطه سمت راست نماد "سیگما" یادآور سه جفت پایه خوشه‌ای هستند. شکل Σ نشان داده شده است که ترجیح دنباله ای برای نقوش GNC دارد، که فرضیه GNC_h معتقد است که اهمیت تکاملی دارد.
ذوب، گرم کردن و باز کردن مارپیچ
فرم B از مارپیچ DNA 360 درجه برای 10.4-10.5 جفت باز می پیچد. در غیاب تغییر شکل پیچشی. اما بسیاری از فرآیندهای بیولوژیکی مولکولی می توانند استرس پیچشی را القا کنند. بخشی از DNA با مقدار اضافی یازیرپیچ در هر دو زمینه مثبت و منفی به ترتیب ذکر شده است. DNA in vivo معمولاً دارای پیچ‌خوردگی منفی است (یعنی دارای فرهایی است که در جهت مخالف پیچ خورده‌اند)، که باز شدن (ذوب) مارپیچ دوگانه را تسهیل می‌کند، که به شدت برای رونویسی RNA مورد نیاز است.
در داخل سلول، بیشتر DNA از نظر توپولوژیکی محدود است. DNA معمولاً در حلقه‌های بسته (مانند پلاسمیدها در پروکاریوت‌ها) یافت می‌شود که مولکولهای توپولوژیکی بسته یا بسیار طولانی هستند که ضرایب انتشار آنها به طور موثر مناطق بسته توپولوژیکی را ایجاد می‌کنند. کشش‌های خطی DNA معمولاً با پروتئین‌ها یا ساختارهای فیزیکی (مانند غشاء) برای تشکیل حلقه‌های توپولوژیکی بسته مرتبط هستند.
هر گونه تغییر در پارامتر T در یک منطقه توپولوژیکی بسته باید با تغییر در پارامتر W متعادل شود و بالعکس. این منجر به ساختار مارپیچ بالاتر مولکول های DNA می شود. یک مولکول DNA معمولی با ریشه 0 در طبقه بندی خود دایره ای خواهد بود. اگر پیچ و تاب این مولکول متعاقباً با ابر انطباق کم یا زیاد شود، ریشه‌ها بر این اساس تغییر می‌کنند و باعث می‌شود که مولکول دچار پیچ‌خوردگی ابرمارپیچ پلکتنونمیک یا حلقوی شود.
هنگامی که انتهای یک بخش از مارپیچ دوگانه DNA به هم متصل می شوند تا دایره ای تشکیل دهند، رشته ها از نظر توپولوژیکی گره خورده اند. این بدان معنی است که رشته های منفرد را نمی توان از هر فرآیندی که با یک شکست نخ مرتبط نیست جدا کرد.(به عنوان مثال گرمایش). وظیفه باز کردن رشته‌های مرتبط با توپولوژیک DNA بر عهده آنزیم‌هایی به نام توپوایزومراز است.
