Der Begriff "DNA-Helix" hat eine komplexe Geschichte und Natur. Damit ist in der Regel das von James Watson eingeführte Modell gemeint. Die DNA-Doppelhelix wird von Nukleotiden zusammengeh alten, die ein Paar bilden. In der B-DNA, der in der Natur am häufigsten vorkommenden helikalen Struktur, ist die Doppelhelix rechtsgängig mit 10-10,5 Basenpaaren pro Windung. Die Doppelhelixstruktur der DNA enthält eine große Furche und eine kleine Furche. Bei B-DNA ist die große Furche breiter als die kleine Furche. Angesichts des Breitenunterschieds zwischen der großen und der kleinen Furche tun viele Proteine, die an B-DNA binden, dies durch die breitere große Furche.
Discovery-Verlauf
Das Strukturmodell der DNA-Doppelhelix wurde erstmals 1953 in Nature von James Watson und Francis Crick veröffentlicht (X-, Y-, Z-Koordinaten 1954), basierend auf einem kritischen Röntgenbeugungsbild der DNA mit der Bezeichnung Foto 51, aus Rosalind Franklins Werk von 1952, gefolgt von einem deutlicheren Bild von ihrRaymond Gosling, Maurice Wilkins, Alexander Stokes und Herbert Wilson. Das vorläufige Modell war dreisträngige DNA.
Die Erkenntnis, dass die offene Struktur eine Doppelhelix ist, erklärt den Mechanismus, durch den sich zwei DNA-Stränge zu einer Helix verbinden, durch die genetische Informationen in lebenden Organismen gespeichert und kopiert werden. Diese Entdeckung gilt als eine der wichtigsten wissenschaftlichen Erkenntnisse des 20. Jahrhunderts. Crick, Wilkins und Watson erhielten 1962 jeweils ein Drittel des Nobelpreises für Physiologie oder Medizin für ihre Beiträge zur Entdeckung. Franklin, dessen bahnbrechende Röntgenbeugungsdaten zur Formulierung der DNA-Helix verwendet wurden, starb 1958 und kam daher für eine Nominierung für den Nobelpreis nicht infrage.
Hybridisierungswert
Hybridisierung ist der Prozess der Verbindung von Basenpaaren, die sich zu einer Doppelhelix verbinden. Schmelzen ist der Prozess, durch den Wechselwirkungen zwischen Doppelhelixsträngen unterbrochen werden, wodurch zwei Linien von Nukleinsäuren getrennt werden. Diese Bindungen sind schwach und lassen sich leicht durch milde Hitze, Enzyme oder mechanische Kraft trennen. Das Schmelzen erfolgt überwiegend an bestimmten Stellen in der Nukleinsäure. Regionen der DNA-Helix, die mit T und A gekennzeichnet sind, werden leichter geschmolzen als Regionen C und G. Einige Basenstufen (Paare) sind auch anfällig für DNA-Schmelzen, wie TA und TG. Diese mechanischen Eigenschaften spiegeln sich in Sequenzen wie TATA am Anfang vieler Gene wider, um der RNA-Polymerase dabei zu helfen, die DNA für die Transkription zu schmelzen.
Heizung
ProzesstrennungStränge durch flaches Erhitzen, wie sie in der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) verwendet werden, ist einfach, vorausgesetzt, die Moleküle sind ungefähr 10.000 Basenpaare (10 Kilobasenpaare oder 10 kbp) groß. Die Verflechtung von DNA-Strängen macht es schwierig, lange Segmente zu trennen. Die Zelle vermeidet dieses Problem, indem sie ihre DNA-schmelzenden Enzyme (Helikasen) gleichzeitig mit Topoisomerasen arbeiten lässt, die das Phosphatrückgrat eines der Stränge chemisch sp alten können, damit es den anderen umkehren kann. Helikasen wickeln die Stränge ab, um den Durchgang von sequenzlesenden Enzymen wie DNA-Polymerase zu erleichtern. Aus den Bindungen dieser Stränge wird die DNA-Doppelhelix gebildet.
Spiralgeometrie
Die geometrische Komponente der DNA-Struktur kann durch 6 Koordinaten charakterisiert werden: verschieben, gleiten, steigen, kippen, drehen und drehen. Diese Werte bestimmen genau die Position und Orientierung im Raum jedes Paares von DNA-Strängen. In Regionen von DNA oder RNA, in denen die normale Struktur gestört ist, kann eine Änderung dieser Werte verwendet werden, um eine solche Störung zu beschreiben.
Steigung und Drehung werden durch die Form der Spirale bestimmt. Andere Koordinaten können dagegen gleich Null sein.
Beachten Sie, dass "schief" in der wissenschaftlichen Literatur oft auf verschiedene Weise verwendet wird und sich auf die Abweichung der ersten Achse der Basis zwischen den Strängen bezieht, die nicht senkrecht zur Achse der Helix steht. Dies entspricht dem Gleiten zwischen den Basensequenzen der DNA-Doppelhelix und wird korrekt in geometrischen Koordinaten bezeichnet"neigen".
Geometrische Unterschiede in Spiralen
Es wird angenommen, dass mindestens drei DNA-Konformationen natürlich vorkommen: A-DNA, B-DNA und Z-DNA. Es wird angenommen, dass Form B, wie von James Watson und Francis Crick beschrieben, in Zellen vorherrscht. Es ist 23,7 Å breit und verlängert sich 34 Å um 10 bp. Sequenzen. Die DNA-Doppelhelix wird durch die Bindungen zweier Ribonukleinsäurelinien gebildet, die in Lösung alle 10,4-10,5 Basenpaare eine vollständige Umdrehung um ihre Achse machen. Diese Verdrillungsfrequenz (Helixganghöhe genannt) hängt weitgehend von den Stapelkräften ab, die jede Basis auf ihre Nachbarn in der Kette ausübt. Die absolute Konfiguration der Basen bestimmt die Richtung der helikalen Kurve für eine gegebene Konformation.
Unterschiede und Funktionen
A-DNA und Z-DNA unterscheiden sich in ihrer Geometrie und Größe signifikant von B-DNA, obwohl sie immer noch helikale Strukturen bilden. Es wurde lange angenommen, dass die A-Form nur in dehydrierten DNA-Proben im Labor auftritt, die in kristallographischen Experimenten und in hybriden DNA-RNA-Strangpaarungen verwendet werden, aber DNA-Dehydratisierung tritt in vivo auf, und A-DNA hat jetzt uns bekannte biologische Funktionen. DNA-Abschnitte, deren Zellen zu regulatorischen Zwecken methyliert wurden, können eine Z-Geometrie annehmen, bei der die Stränge entgegengesetzt zu A-DNA und B-DNA um die helikale Achse rotieren. Es gibt auch Hinweise darauf, dass Protein-DNA-Komplexe Z-DNA-Strukturen bilden. Die Länge der DNA-Helix ändert sich in keiner Weise je nachTyp.
Probleme mit Namen
Tatsächlich stehen heute nur die Buchstaben F, Q, U, V und Y zur Verfügung, um die verschiedenen DNA-Typen zu benennen, die in Zukunft entdeckt werden könnten. Die meisten dieser Formen wurden jedoch synthetisch hergestellt und wurden wurde in natürlichen biologischen Systemen nicht beobachtet. Es gibt auch dreisträngige (3 DNA-Stränge) und Quadrupolformen, wie den G-Quadruplex.
Verbindung von Threads
DNA-Doppelhelix wird durch die Bindungen von helikalen Strängen gebildet. Da sich die Gewinde nicht direkt gegenüberliegen, sind die Rillen zwischen ihnen ungleich groß. Eine Rille, die Hauptrille, hat eine Breite von 22 Å, und die andere, eine kleine, erreicht eine Länge von 12 Å. Die Enge der Nebenrille bedeutet, dass die Kanten der Basen in der Hauptrille besser zugänglich sind. Proteine wie Transkriptionsfaktoren, die an bestimmte Sequenzen in der DNA-Doppelhelix binden können, treten daher typischerweise mit den Seiten der Basen in Kontakt, die in der Hauptfurche offen sind. Diese Situation ändert sich bei ungewöhnlichen DNA-Konformationen innerhalb der Zelle, aber die großen und kleinen Rillen werden immer so benannt, dass sie die Größenunterschiede widerspiegeln, die zu sehen wären, wenn die DNA wieder in ihre normale B-Form verdreht würde.
Modell erstellen
In den späten 1970er Jahren wurden alternative nichthelikale Modelle kurzzeitig als mögliche Lösung für die Probleme der DNA-Replikation in Plasmiden und Chromatin betrachtet. Sie wurden jedoch aufgrund späterer experimenteller Fortschritte wie Röntgenstrahlen zugunsten des Doppelspulenmodells der DNA aufgegebenKristallographie von DNA-Duplexen. Außerdem werden Nicht-Doppelhelix-Modelle derzeit von der Mainstream-Wissenschaftsgemeinschaft nicht akzeptiert.
Einzelsträngige Nukleinsäuren (ssDNA) nehmen keine helikale Form an und werden durch Modelle wie Random Coil oder worm-like chain beschrieben.
DNA ist ein relativ starres Polymer, das typischerweise als wurmartige Kette modelliert wird. Die Modellsteifigkeit ist wichtig für die DNA-Zirkularisierung und die Orientierung ihrer assoziierten Proteine relativ zueinander, während die hysteretische axiale Steifigkeit für die DNA-Verpackung und die Proteinzirkulation und -interaktion wichtig ist. Druck-Dehnung ist ohne Hochspannung relativ unwichtig.
Chemie und Genetik
DNA in Lösung nimmt keine starre Struktur an, sondern ändert ständig ihre Konformation aufgrund von thermischer Vibration und Kollision mit Wassermolekülen, was es unmöglich macht, klassische Steifigkeitsmaße anzuwenden. Daher wird die Biegesteifigkeit von DNA anhand der Persistenzlänge gemessen, die definiert ist als „die Länge der DNA, über die die zeitlich gemittelte Orientierung des Polymers zu einem unkorrelierten Koeffizienten wird.“
Dieser Wert kann mit einem Rasterkraftmikroskop genau gemessen werden, um DNA-Moleküle unterschiedlicher Länge direkt abzubilden. In wässriger Lösung beträgt die durchschnittliche konstante Länge 46–50 nm oder 140–150 Basenpaare (DNA 2 nm), obwohl dies erheblich variieren kann. Dies macht DNA zu einem mäßig starren Molekül.
Die Dauer der Fortsetzung eines DNA-Segments hängt stark von seiner Sequenz ab, was zu erheblichen Folgen führen kannÄnderungen. Letztere sind hauptsächlich auf Stapelenergie und Fragmente zurückzuführen, die sich in kleine und große Rillen ausbreiten.
Physikalische Eigenschaften und Kurven
Die entropische Flexibilität der DNA ist bemerkenswert konsistent mit Standardmodellen der Polymerphysik, wie dem Kratky-Porod-Modell des Kettenwurms. Übereinstimmend mit dem wurmähnlichen Modell ist die Beobachtung, dass das Biegen der DNA auch bei sehr kleinen (subpiconeontonischen) Kräften durch das Hookesche Gesetz beschrieben wird. Für DNA-Segmente mit geringerer Dauer und Persistenz ist die Biegekraft jedoch ungefähr konstant und das Verh alten weicht von den Vorhersagen ab, im Gegensatz zu den bereits erwähnten wurmähnlichen Modellen.
Dieser Effekt führt zu einer ungewöhnlich leichten Zirkularisierung kleiner DNA-Moleküle und einer höheren Wahrscheinlichkeit, stark gekrümmte DNA-Regionen zu finden.
DNA-Moleküle haben oft eine bevorzugte Biegerichtung, d. h. anisotrope Biegung. Dies ist wiederum auf die Eigenschaften der Basen zurückzuführen, aus denen die DNA-Sequenzen bestehen, und sie verbinden die beiden DNA-Stränge zu einer Helix. In manchen Fällen haben Sequenzen nicht die sprichwörtlichen Wendungen.
DNA-Doppelhelix-Struktur
Die bevorzugte Richtung der DNA-Biegung wird durch die Stapelstabilität jeder Base auf der nächsten bestimmt. Wenn sich instabile Basenstapelschritte immer auf einer Seite der DNA-Helix befinden, f altet sich die DNA vorzugsweise aus dieser Richtung weg. Verbinden zweier DNA-Stränge zu einer Helixvon Molekülen durchgeführt, die von dieser Richtung abhängen. Mit zunehmendem Biegewinkel spielen sie die Rolle sterischer Hinderungen und zeigen die Fähigkeit, die Reste relativ zueinander zu rollen, insbesondere in der kleinen Nut. Ablagerungen A und T treten vorzugsweise in kleinen Rillen innerhalb der Biegungen auf. Dieser Effekt ist besonders deutlich bei der DNA-Protein-Bindung, wenn eine starre DNA-Verbiegung induziert wird, beispielsweise in Nukleosomenpartikeln.
DNA-Moleküle mit außergewöhnlicher Biegung können biegsam werden. Dies wurde zuerst in DNA von Trypanosomatiden-Kinetoplasten entdeckt. Typische Sequenzen, die dies verursachen, umfassen 4–6 T- und A-Abschnitte, die durch G und C getrennt sind, die A- und T-Reste in einer kleinen Furchenphase auf derselben Seite des Moleküls enth alten.
Die innere gebogene Struktur wird durch das "Schraubendrehen" der Basenpaare relativ zueinander induziert, was die Bildung ungewöhnlicher gegabelter Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basenstadien ermöglicht. Bei höheren Temperaturen wird diese Struktur denaturiert und somit geht die Eigenkrümmung verloren.
Alle DNA, die sich anisotrop biegt, hat im Durchschnitt einen längeren Schub und eine größere axiale Steifheit. Diese erhöhte Steifigkeit ist notwendig, um ein versehentliches Biegen zu verhindern, das dazu führen würde, dass das Molekül isotrop wirkt.
DNA-Ringing hängt sowohl von der axialen (Biege-)Steifigkeit als auch von der Torsions- (Rotations-)Steifigkeit des Moleküls ab. Damit ein DNA-Molekül erfolgreich zirkulieren kann, muss es lang genug sein, um sich leicht in einen vollständigen Kreis biegen zu können, und die richtige Anzahl von Basen habenDie Enden waren in der richtigen Drehung, um die Möglichkeit des Klebens der Spiralen zu gewährleisten. Die optimale Länge für zirkulierende DNA beträgt etwa 400 Basenpaare (136 nm). Das Vorhandensein einer ungeraden Anzahl von Windungen ist eine erhebliche Energiebarriere für Sch altkreise. Beispielsweise zirkuliert ein Molekül mit 10,4 x 30=312 Paaren hundertmal schneller als ein Molekül mit 10,4 x 30,5 ≈ 317.
Elastizität
Längere DNA-Abschnitte sind entropisch elastisch, wenn sie gedehnt werden. Wenn sich DNA in Lösung befindet, unterliegt sie aufgrund der im thermischen Lösungsmittelbad verfügbaren Energie kontinuierlichen strukturellen Veränderungen. Dies liegt an den thermischen Schwingungen des DNA-Moleküls, kombiniert mit ständigen Kollisionen mit Wassermolekülen. Aus Gründen der Entropie sind kompaktere entspannte Zustände thermisch besser zugänglich als gestreckte Zustände, und daher sind DNA-Moleküle in komplizierten "entspannten" Molekülmodellen fast allgegenwärtig. Aus diesem Grund dehnt sich ein DNA-Molekül unter der Kraft und richtet es gerade. Unter Verwendung optischer Pinzetten wurde das Entropiedehnungsverh alten von DNA aus der Perspektive der Polymerphysik untersucht und analysiert, und es wurde festgestellt, dass sich DNA auf physiologisch verfügbaren Energieskalen im Grunde wie ein Kratky-Porod-Modell einer wurmartigen Kette verhält.
Bei ausreichender Spannung und positivem Drehmoment wird angenommen, dass die DNA einen Phasenübergang durchläuft, bei dem sich das Rückgrat nach außen und die Phosphate nach innen bewegenMitte. Diese vorgeschlagene Struktur für überdehnte DNA wurde nach Linus Pauling, der sie ursprünglich als mögliche DNA-Struktur ansah, P-Form-DNA genannt.
Beweise für mechanisches Strecken der DNA ohne auferlegtes Drehmoment weisen auf einen Übergang oder Übergänge hin, die zu weiteren Strukturen führen, die gemeinhin als S-Formen bezeichnet werden. Diese Strukturen wurden noch nicht endgültig charakterisiert, da es schwierig ist, eine Auflösungsabbildung eines Atomresonators in Lösung mit angelegter Kraft durchzuführen, obwohl viele Computersimulationsstudien durchgeführt wurden. Zu den vorgeschlagenen S-DNA-Strukturen gehören solche, die die Basenpaarf altung und die Wasserstoffbrücke beibeh alten (angereichert mit GC).
Sigmoid-Modell
Periodischer Bruch des Basenpaarstapels mit einem Bruch wurde als regelmäßige Struktur vorgeschlagen, die die Regelmäßigkeit des Basenstapels beibehält und eine angemessene Menge an Expansion freisetzt, wobei der Begriff "Σ-DNA" eingeführt wird als Gedächtnisstütze, bei der die drei rechten Punkte des "Sigma"-Symbols an drei geclusterte Basenpaare erinnern. Es wurde gezeigt, dass die Form Σ eine Sequenzpräferenz für GNC-Motive hat, denen die GNC_h-Hypothese eine evolutionäre Bedeutung zuschreibt.
Schmelzen, Erhitzen und Abwickeln der Spirale
Form B der DNA-Helix dreht sich um 360° für 10,4-10,5 bp. ohne Torsionsverformung. Aber auch viele molekularbiologische Prozesse können Torsionsspannungen induzieren. Ein DNA-Segment mit einem Überschuss an oderUndercoiling wird sowohl im positiven als auch im negativen Kontext erwähnt. DNA in vivo ist normalerweise negativ gewunden (d. h. hat Locken, die in die entgegengesetzte Richtung verdreht sind), was das Abwickeln (Schmelzen) der Doppelhelix erleichtert, was für die RNA-Transkription dringend benötigt wird.
Innerhalb der Zelle ist die meiste DNA topologisch begrenzt. DNA wird normalerweise in geschlossenen Schleifen (wie Plasmiden in Prokaryoten) gefunden, die topologisch geschlossene oder sehr lange Moleküle sind, deren Diffusionskoeffizienten effektiv topologisch geschlossene Regionen erzeugen. Lineare DNA-Abschnitte werden auch häufig mit Proteinen oder physikalischen Strukturen (wie Membranen) in Verbindung gebracht, um geschlossene topologische Schleifen zu bilden.
Jede Änderung des T-Parameters in einem geschlossenen topologischen Bereich muss durch eine Änderung des W-Parameters ausgeglichen werden und umgekehrt. Dies führt zu einer höheren Helixstruktur von DNA-Molekülen. Ein gewöhnliches DNA-Molekül mit Wurzel 0 wäre in seiner Klassifizierung kreisförmig. Wenn die Verdrehung dieses Moleküls anschließend durch Superkonformation erhöht oder verringert wird, werden die Wurzeln entsprechend verändert, was dazu führt, dass das Molekül eine plektnämische oder toroidale superhelische Wicklung durchläuft.
Wenn die Enden eines Abschnitts der DNA-Doppelhelix so verbunden sind, dass sie einen Kreis bilden, sind die Stränge topologisch verbunden. Das bedeutet, dass einzelne Threads nicht von Prozessen getrennt werden können, die nicht mit einem Threadbruch verbunden sind.(zB Heizung). Die Aufgabe, die topologisch verbundenen DNA-Stränge zu lösen, fällt Enzymen zu, die Topoisomerasen genannt werden.
