Il termine "elica del DNA" ha una storia e una natura complesse. Con esso, di regola, si intende il modello introdotto da James Watson. La doppia elica del DNA è tenuta insieme da nucleotidi che formano una coppia. Nel B-DNA, la struttura elicoidale più comune che si trova in natura, la doppia elica è destrorsa con 10-10,5 paia di basi per giro. La struttura a doppia elica del DNA contiene un solco maggiore e un solco minore. In B-DNA, il solco maggiore è più largo del solco minore. Data la differenza di larghezza tra i solchi maggiori e minori, molte proteine che si legano al B-DNA lo fanno attraverso il solco maggiore più ampio.
Cronologia delle scoperte
Il modello strutturale della doppia elica del DNA è stato pubblicato per la prima volta su Nature da James Watson e Francis Crick nel 1953 (coordinate X, Y, Z nel 1954) basato su un'immagine critica di diffrazione dei raggi X del DNA etichettata Foto 51, dal lavoro di Rosalind Franklin del 1952, seguito da un'immagine più chiara della sua presaRaymond Gosling, Maurice Wilkins, Alexander Stokes e Herbert Wilson. Il modello preliminare era il DNA a tre filamenti.
La realizzazione che la struttura aperta è una doppia elica spiega il meccanismo mediante il quale due filamenti di DNA si uniscono in un'elica, mediante il quale le informazioni genetiche vengono immagazzinate e copiate negli organismi viventi. Questa scoperta è considerata una delle più importanti intuizioni scientifiche del XX secolo. Crick, Wilkins e Watson ricevettero ciascuno un terzo del Premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina nel 1962 per il loro contributo alla scoperta. Franklin, i cui rivoluzionari dati sulla diffrazione dei raggi X furono usati per formulare l'elica del DNA, morì nel 1958 e quindi non era idoneo per una nomination al Premio Nobel.
Valore per l'ibridazione
L'ibridazione è il processo di connessione di coppie di basi che si legano per formare una doppia elica. La fusione è il processo mediante il quale le interazioni tra i filamenti a doppia elica vengono interrotte, separando due linee di acidi nucleici. Questi legami sono deboli, facilmente separabili da calore mite, enzimi o forza meccanica. La fusione avviene prevalentemente in determinati punti dell'acido nucleico. Le regioni dell'elica del DNA etichettate con T e A si fondono più facilmente rispetto alle regioni C e G. Alcuni stadi di base (coppie) sono anche suscettibili alla fusione del DNA, come TA e TG. Questi tratti meccanici sono rispecchiati da sequenze come TATA all'inizio di molti geni per aiutare l'RNA polimerasi a fondere il DNA per la trascrizione.
Riscaldamento
Separazione dei processifilamenti mediante riscaldamento superficiale, come utilizzato nella reazione a catena della polimerasi (PCR), è semplice, a condizione che le molecole siano circa 10.000 coppie di basi (10 coppie di kilobase o 10 kbp). L'intreccio dei filamenti di DNA rende difficile separare i segmenti lunghi. La cellula evita questo problema consentendo ai suoi enzimi di fusione del DNA (elicasi) di lavorare simultaneamente con le topoisomerasi, che possono scindere chimicamente la spina dorsale di fosfato di uno dei filamenti in modo che possa girare intorno all' altro. Le elicasi svolgono i filamenti per facilitare il passaggio degli enzimi di lettura della sequenza come la DNA polimerasi. La doppia elica del DNA è formata dai legami di questi filamenti.
Geometria a spirale
La componente geometrica della struttura del DNA può essere caratterizzata da 6 coordinate: shift, slide, rise, tilt, twist and turn. Questi valori determinano con precisione la posizione e l'orientamento nello spazio di ciascuna coppia di filamenti di DNA. Nelle regioni del DNA o dell'RNA in cui la struttura normale è interrotta, un cambiamento di questi valori può essere utilizzato per descrivere tale interruzione.
Alzarsi e girare sono determinati dalla forma della spirale. Altre coordinate, invece, possono essere uguali a zero.
Si noti che "skew" è spesso usato in vari modi nella letteratura scientifica, riferendosi alla deviazione del primo asse della base dell'interstrand dall'essere perpendicolare all'asse dell'elica. Ciò corrisponde allo scorrimento tra la sequenza di base della doppia elica del DNA, e in coordinate geometriche è chiamato correttamente"inclinazione".
Differenze geometriche nelle spirali
Si pensa che almeno tre conformazioni del DNA si presentino naturalmente: A-DNA, B-DNA e Z-DNA. Si ritiene che la forma B, come descritta da James Watson e Francis Crick, sia predominante nelle cellule. È largo 23,7 Å e si allunga di 34 Å di 10 bp. sequenze. La doppia elica del DNA è formata dai legami di due linee di acido ribonucleico, che compiono un giro completo attorno al proprio asse ogni 10,4-10,5 paia di basi in soluzione. Questa frequenza di torsione (chiamata passo elicoidale) dipende in gran parte dalle forze di impilamento che ciascuna base esercita sui suoi vicini nella catena. La configurazione assoluta delle basi determina la direzione della curva elicoidale per una data conformazione.
Differenze e funzioni
A-DNA e Z-DNA sono significativamente diversi nella loro geometria e dimensione rispetto al B-DNA, sebbene formino ancora strutture elicoidali. È stato a lungo pensato che la forma A si verifica solo nei campioni di DNA disidratato in laboratorio utilizzati negli esperimenti cristallografici e negli accoppiamenti di filamenti ibridi DNA-RNA, ma la disidratazione del DNA si verifica in vivo e l'A-DNA ora ha funzioni biologiche a noi note. I segmenti di DNA le cui cellule sono state metilate per scopi regolatori possono adottare una geometria Z in cui i filamenti ruotano attorno all'asse elicoidale in modo opposto all'A-DNA e al B-DNA. Ci sono anche prove di complessi proteina-DNA che formano strutture Z-DNA. La lunghezza dell'elica del DNA non cambia in alcun modo a secondadigita.
Problemi con i nomi
In effetti, ora sono disponibili solo le lettere F, Q, U, V e Y per nominare i diversi tipi di DNA che potrebbero essere scoperti in futuro. Tuttavia, la maggior parte di queste forme sono state create sinteticamente e hanno non è stata osservata nei sistemi biologici naturali. Esistono anche forme a tre filamenti (3 filamenti di DNA) e quadrupoli, come il G-quadruplex.
Collegamento di thread
La doppia elica del DNA è formata dai legami di filamenti elicoidali. Poiché i fili non sono direttamente uno di fronte all' altro, le scanalature tra di loro hanno dimensioni irregolari. Un solco, quello principale, ha una larghezza di 22 Å, e l' altro, piccolo, raggiunge una lunghezza di 12 Å. La ristrettezza della scanalatura secondaria significa che i bordi delle basi sono più accessibili nella scanalatura principale. Di conseguenza, le proteine come i fattori di trascrizione che possono legarsi a sequenze specifiche nella doppia elica del DNA entrano tipicamente in contatto con i lati delle basi che sono aperte nel solco principale. Questa situazione cambia in insolite conformazioni del DNA all'interno della cellula, ma i solchi maggiori e minori sono sempre nominati per riflettere le differenze di dimensioni che si vedrebbero se il DNA fosse ritorto nella sua normale forma B.
Creazione di un modello
Alla fine degli anni '70, modelli alternativi non elicoidali furono brevemente considerati come una potenziale soluzione ai problemi di replicazione del DNA nei plasmidi e nella cromatina. Tuttavia, sono stati abbandonati a favore del modello a doppia bobina del DNA a causa dei successivi progressi sperimentali come i raggi Xcristallografia dei duplex di DNA. Inoltre, i modelli non a doppia elica non sono attualmente accettati dalla comunità scientifica tradizionale.
Gli acidi nucleici a filamento singolo (ssDNA) non hanno una forma elicoidale e sono descritti da modelli come una bobina casuale o una catena simile a un verme.
Il DNA è un polimero relativamente rigido, tipicamente modellato come una catena simile a un verme. La rigidità del modello è importante per la circolarizzazione del DNA e l'orientamento delle sue proteine associate l'una rispetto all' altra, mentre la rigidità assiale isteretica è importante per l'avvolgimento del DNA e la circolazione e l'interazione delle proteine. L'allungamento della compressione è relativamente irrilevante in assenza di alta tensione.
Chimica e genetica
Il DNA in soluzione non assume una struttura rigida, ma cambia costantemente conformazione a causa delle vibrazioni termiche e della collisione con le molecole d'acqua, il che rende impossibile l'applicazione delle misure di rigidità classiche. Pertanto, la rigidità flessionale del DNA è misurata dalla lunghezza di persistenza, definita come "la lunghezza del DNA su cui l'orientamento medio temporale del polimero diventa coefficiente non correlato".
Questo valore può essere misurato con precisione utilizzando un microscopio a forza atomica per visualizzare direttamente molecole di DNA di varie lunghezze. In soluzione acquosa, la lunghezza media costante è 46-50 nm o 140-150 paia di basi (DNA 2 nm), sebbene questa possa variare considerevolmente. Questo rende il DNA una molecola moderatamente rigida.
La durata della continuazione di un segmento di DNA dipende fortemente dalla sua sequenza e questo può portare ai cambiamenti. Questi ultimi sono principalmente dovuti all'accumulo di energia e frammenti che si propagano in solchi minori e maggiori.
Proprietà fisiche e curve
La flessibilità entropica del DNA è notevolmente coerente con i modelli standard della fisica dei polimeri, come il modello Kratky-Porod del verme della catena. Coerente con il modello simile a un verme è l'osservazione che la flessione del DNA è anche descritta dalla legge di Hooke a forze molto piccole (subpiconeontoniche). Tuttavia, per segmenti di DNA più piccoli per durata e persistenza, la forza di flessione è approssimativamente costante e il comportamento devia dalle previsioni, in contrasto con i già citati modelli simili a vermi.
Questo effetto si traduce in un'insolita facilità nella circolarizzazione di piccole molecole di DNA e una maggiore probabilità di trovare regioni di DNA altamente curve.
Le molecole di DNA spesso hanno una direzione preferita per la curvatura, cioè la curvatura anisotropa. Questo, ancora una volta, è dovuto alle proprietà delle basi che compongono le sequenze di DNA, e sono loro che collegano i due filamenti di DNA in un'elica. In alcuni casi, le sequenze non hanno i proverbiali colpi di scena.
Struttura del DNA a doppia elica
La direzione preferita di flessione del DNA è determinata dalla stabilità di impilamento di ciascuna base sopra la successiva. Se i passaggi di impilamento delle basi instabili sono sempre su un lato dell'elica del DNA, il DNA si piegherà preferenzialmente lontano da quella direzione. Collegamento di due filamenti di DNA in un'elicasvolto da molecole che dipendono da questa direzione. All'aumentare dell'angolo di curvatura, svolgono il ruolo di impedimenti sterici, mostrando la capacità di rotolare i residui l'uno rispetto all' altro, soprattutto nel piccolo solco. I depositi A e T si verificheranno preferibilmente in piccole scanalature all'interno delle curve. Questo effetto è particolarmente evidente nel legame DNA-proteina quando viene indotta la flessione rigida del DNA, ad esempio nelle particelle di nucleosomi.
Le molecole di DNA con una flessione eccezionale possono diventare deformabili. Questo è stato scoperto per la prima volta nel DNA del cinetoplasto tripanosomatide. Le sequenze tipiche che causano ciò includono 4-6 tratti T e A separati da G e C, che contengono residui A e T in una fase di solco minore sullo stesso lato della molecola.
La struttura interna piegata è indotta dalla "rotazione a vite" delle coppie di basi l'una rispetto all' altra, il che consente la creazione di insoliti legami a idrogeno biforcati tra gli stadi di base. A temperature più elevate, questa struttura si denatura e quindi si perde la curvatura intrinseca.
Tutto il DNA che si piega anisotropicamente ha, in media, una spinta più lunga e una maggiore rigidità assiale. Questa maggiore rigidità è necessaria per prevenire la flessione accidentale che farebbe agire la molecola in modo isotropico.
Il ringing del DNA dipende sia dalla rigidità assiale (flessionale) che dalla rigidità torsionale (rotazionale) della molecola. Affinché una molecola di DNA possa circolare con successo, deve essere abbastanza lunga da piegarsi facilmente in un cerchio completo e avere il numero corretto di basi perle estremità erano nella corretta rotazione in modo da garantire la possibilità di incollare le spirali. La lunghezza ottimale per la circolazione del DNA è di circa 400 paia di basi (136 nm). La presenza di un numero dispari di giri è una barriera energetica significativa ai circuiti, ad esempio, una molecola di 10,4 x 30=312 coppie circolerà centinaia di volte più velocemente di una molecola di 10,4 x 30,5 ≈ 317.
Elasticità
Distese più lunghe di DNA sono entropicamente elastiche quando vengono allungate. Quando il DNA è in soluzione, subisce continui cambiamenti strutturali a causa dell'energia disponibile nel bagno di solvente termico. Ciò è dovuto alle vibrazioni termiche della molecola del DNA, combinate con le continue collisioni con le molecole d'acqua. Per ragioni di entropia, gli stati rilassati più compatti sono termicamente più accessibili degli stati allungati, e quindi le molecole di DNA sono quasi onnipresenti negli intricati modelli molecolari "rilassati". Per questo motivo, una molecola di DNA si allungherà sotto la forza, raddrizzandola. Utilizzando pinzette ottiche, il comportamento di allungamento dell'entropia del DNA è stato studiato e analizzato dal punto di vista della fisica dei polimeri, ed è stato scoperto che il DNA si comporta fondamentalmente come un modello di catena simile a un verme Kratky-Porod su scale energetiche fisiologicamente disponibili.
Con una tensione sufficiente e una coppia positiva, si pensa che il DNA subisca una transizione di fase, con le spine dorsali che si spostano verso l'esterno e i fosfati che si spostano versomezzo. Questa struttura proposta per il DNA sovradimensionato è stata chiamata DNA in forma P da Linus Pauling, che originariamente la immaginava come una possibile struttura del DNA.
Evidenza per l'allungamento meccanico del DNA in assenza di punti di coppia imposti a una transizione o transizioni che portano a ulteriori strutture comunemente denominate forme a S. Queste strutture non sono state ancora caratterizzate in modo definitivo a causa della difficoltà di eseguire l'imaging di risoluzione di un risonatore atomico in soluzione con la forza applicata, sebbene siano stati effettuati molti studi di simulazione al computer. Le strutture S-DNA suggerite includono quelle che mantengono la piega della coppia di basi e il legame idrogeno (arricchito in GC).
Modello Sigmoide
La frattura periodica dello stack della coppia di basi con una rottura è stata proposta come una struttura regolare che mantiene la regolarità dello stack di base e rilascia un'adeguata quantità di espansione, con l'introduzione del termine "Σ-DNA" come mnemonico in cui i tre punti a destra del simbolo "Sigma" servono a ricordare tre coppie di basi raggruppate. È stato dimostrato che la forma Σ ha una preferenza di sequenza per i motivi GNC, che l'ipotesi GNC_h ritiene avere un significato evolutivo.
Fusione, riscaldamento e svolgimento della spirale
La forma B dell'elica del DNA ruota di 360° per 10,4-10,5 bp. in assenza di deformazione torsionale. Ma molti processi biologici molecolari possono indurre stress torsionale. Un segmento di DNA con un eccesso ol'undercoiling è menzionato rispettivamente in contesti positivi e negativi. Il DNA in vivo è solitamente avvolto negativamente (cioè ha riccioli che sono attorcigliati nella direzione opposta), il che facilita lo svolgimento (scioglimento) della doppia elica, che è estremamente necessaria per la trascrizione dell'RNA.
All'interno della cellula, la maggior parte del DNA è topologicamente limitato. Il DNA si trova solitamente in anelli chiusi (come i plasmidi nei procarioti) che sono molecole topologicamente chiuse o molto lunghe i cui coefficienti di diffusione producono effettivamente regioni topologicamente chiuse. Tratti lineari di DNA sono anche comunemente associati a proteine o strutture fisiche (come membrane) per formare anelli topologici chiusi.
Qualsiasi modifica del parametro T in una regione topologica chiusa deve essere bilanciata da una modifica del parametro W e viceversa. Ciò si traduce in una struttura ad elica più elevata delle molecole di DNA. Una normale molecola di DNA con radice 0 sarebbe circolare nella sua classificazione. Se la torsione di questa molecola viene successivamente aumentata o diminuita dalla superconformazione, le radici verranno alterate di conseguenza, facendo sì che la molecola subisca un avvolgimento plecnonico o superelico toroidale.
Quando le estremità di una sezione della doppia elica del DNA sono collegate in modo da formare un cerchio, i filamenti sono legati topologicamente. Ciò significa che i singoli thread non possono essere separati da alcun processo che non sia associato a un'interruzione di thread.(es. riscaldamento). Il compito di sciogliere i filamenti di DNA collegati topologicamente spetta agli enzimi chiamati topoisomerasi.
