"DNK spiral" atamasi murakkab tarix va tabiatga ega. Bunda, qoida tariqasida, Jeyms Uotson tomonidan kiritilgan model nazarda tutiladi. DNK qo'sh spiral juftlik hosil qiluvchi nukleotidlar bilan birga saqlanadi. Tabiatda eng ko'p uchraydigan spiral struktura bo'lgan B-DNKda qo'sh spiral o'ng qo'lda bo'lib, har bir burilishda 10-10,5 ta asosiy juftlikdan iborat. DNKning qo'sh spiral tuzilishi katta va kichik trubadan iborat. B-DNKda katta truba kichik trubadan kengroqdir. Katta va kichik yivlar orasidagi kenglikdagi farqni hisobga olsak, B-DNK bilan bog'langan ko'plab oqsillar buni kengroq asosiy truba orqali amalga oshiradi.
Kashfiyot tarixi
DNK qoʻsh spiralining strukturaviy modeli birinchi marta 1953-yilda Jeyms Uotson va Frensis Krik tomonidan Nature jurnalida nashr etilgan (1954-yilda X, Y, Z koordinatalari) 51-rasmdagi DNKning rentgen nurlanishining tanqidiy tasviri asosida., Rozalind Franklinning 1952 yilgi ishidan, undan keyin uning aniqroq tasviri olinganRaymond Gosling, Moris Uilkins, Aleksandr Stokes va Gerbert Uilson. Dastlabki model uch zanjirli DNK edi.
Ochiq strukturaning qoʻsh spiral ekanligini anglash DNKning ikkita zanjiri spiralga qoʻshilish mexanizmini tushuntiradi, bu orqali tirik organizmlarda genetik maʼlumotlar saqlanadi va koʻchiriladi. Ushbu kashfiyot XX asrning eng muhim ilmiy tushunchalaridan biri hisoblanadi. Krik, Uilkins va Uotson kashfiyotga qo'shgan hissalari uchun 1962 yilda fiziologiya yoki tibbiyot bo'yicha Nobel mukofotining uchdan bir qismini olishgan. DNK spiralini shakllantirish uchun rentgen nurlari diffraktsiyasining kashfiyot ma'lumotlaridan foydalanilgan Franklin 1958 yilda vafot etdi va shuning uchun Nobel mukofotiga nomzod bo'lish huquqiga ega emas edi.
Gibridlanish qiymati
Gibridlanish - bu qoʻsh spiral hosil qilish uchun bogʻlangan tayanch juftlarni birlashtirish jarayoni. Erish - bu ikki qatorli nuklein kislotalarni ajratib, qo'sh spiral iplar orasidagi o'zaro ta'sirlarning buzilishi jarayonidir. Bu aloqalar zaif, engil issiqlik, fermentlar yoki mexanik kuch bilan osongina ajralib turadi. Erish asosan nuklein kislotaning ma'lum nuqtalarida sodir bo'ladi. DNK spiralining T va A bilan belgilangan hududlari C va G mintaqalariga qaraganda osonroq eriydi. Ayrim asosiy bosqichlar (juftlar) TA va TG kabi DNK erishiga ham sezgir. Ushbu mexanik xususiyatlar transkripsiya uchun RNK polimeraza DNKni eritishiga yordam berish uchun ko'plab genlarning boshida TATA kabi ketma-ketliklar bilan aks ettiriladi.
Isitish
Jarayonlarni ajratishMolekulalar taxminan 10 000 ta asos jufti (10 kilobaza jufti yoki 10 kbp) bo'lishi sharti bilan polimeraza zanjiri reaktsiyasida (PCR) qo'llaniladigan sayoz isitish orqali iplarni ajratish oddiy. DNK zanjirlarining o'zaro bog'lanishi uzun segmentlarni ajratishni qiyinlashtiradi. Hujayra o'zining DNK erituvchi fermentlari (helikazlar)ning topoizomerazlar bilan bir vaqtda ishlashiga imkon berish orqali bu muammodan qochadi, bu iplardan birining fosfat suyagini kimyoviy yo'l bilan kesib, ikkinchisiga aylanishi mumkin. Helikazlar DNK polimeraza kabi ketma-ketlikni o'qiydigan fermentlarning o'tishini osonlashtirish uchun iplarni bo'shatadi. DNK qo'sh spiral bu zanjirlarning bog'lanishidan hosil bo'ladi.
Spiral geometriya
DNK strukturasining geometrik komponenti 6 ta koordinata bilan tavsiflanishi mumkin: siljish, siljish, koʻtarilish, egilish, burish va burilish. Ushbu qiymatlar har bir juft DNK zanjirining kosmosdagi joylashuvi va yo'nalishini aniq belgilaydi. DNK yoki RNKning normal tuzilishi buzilgan hududlarda bunday buzilishni tasvirlash uchun ushbu qiymatlardagi o'zgarishlardan foydalanish mumkin.
Koʻtarilish va burilish spiral shakliga qarab belgilanadi. Boshqa koordinatalar, aksincha, nolga teng bo'lishi mumkin.
E'tibor bering, "qiyshiq" ko'pincha ilmiy adabiyotlarda iplararo asosning birinchi o'qining spiral o'qiga perpendikulyar bo'lishidan chetlanishiga ishora qilib, turli xil usullarda qo'llaniladi. Bu DNK qo'sh spiralining asosiy ketma-ketligi o'rtasida siljishga mos keladi va geometrik koordinatalarda to'g'ri deb ataladi."tilt".
Spirallardagi geometrik farqlar
Tabiiy ravishda kamida uchta DNK konformatsiyasi yuzaga keladi deb taxmin qilinadi: A-DNK, B-DNK va Z-DNK. Jeyms Uotson va Frensis Krik ta'riflaganidek, B shakli hujayralarda ustunlik qiladi. Uning kengligi 23,7 Å va 34 Å ni 10 bp ga uzaytiradi. ketma-ketliklar. DNK qo'sh spiral ikki qatorli ribonuklein kislotasining bog'lanishidan hosil bo'lib, eritmada har 10,4-10,5 tayanch juftida o'z o'qi atrofida bitta to'liq aylanishni amalga oshiradi. Bu burilish chastotasi (spiral qadam deb ataladi) ko'p jihatdan har bir tayanch zanjirdagi qo'shnilariga ta'sir qiladigan stacking kuchlariga bog'liq. Asoslarning mutlaq konfiguratsiyasi berilgan konformatsiya uchun spiral egri chiziq yo‘nalishini belgilaydi.
Farqlar va funksiyalar
A-DNK va Z-DNK geometriyasi va hajmi jihatidan B-DNKga nisbatan sezilarli darajada farq qiladi, ammo ular hali ham spiral tuzilmalarni hosil qiladi. A shakli faqat kristallografik tajribalarda va gibrid DNK-RNK zanjirlarini juftlashtirishda ishlatiladigan laboratoriyadagi suvsizlangan DNK namunalarida uchraydi, deb uzoq vaqtdan beri o'ylangan, ammo DNKning suvsizlanishi in vivo jonli ravishda sodir bo'ladi va A-DNK endi bizga ma'lum biologik funktsiyalarga ega.. Hujayralari tartibga solish maqsadida metillangan DNK segmentlari Z geometriyasini qabul qilishi mumkin, bunda iplar A-DNK va B-DNKga teskari tarzda spiral o'q atrofida aylanadi. Z-DNK tuzilmalarini tashkil etuvchi oqsil-DNK komplekslarining dalillari ham mavjud. DNK spiralining uzunligi qarab hech qanday tarzda o'zgarmaydiyozing.
Ismlar bilan bogʻliq muammolar
Aslida, kelajakda kashf etilishi mumkin boʻlgan turli xil DNK turlarini nomlash uchun endi faqat F, Q, U, V va Y harflari mavjud. Biroq, bu shakllarning aksariyati sintetik tarzda yaratilgan va tabiiy biologik tizimlarda kuzatilmagan. Shuningdek, G-quadrupleks kabi uch zanjirli (DNKning 3 ta zanjiri) va to'rt kutupli shakllari mavjud.
Mavzular ulanishi
DNK qo'sh spiral spiral iplarning bog'lanishidan hosil bo'ladi. Iplar bir-biriga to'g'ridan-to'g'ri qarama-qarshi bo'lmaganligi sababli, ular orasidagi oluklar notekis o'lchamlarga ega. Bir truba, asosiysi, kengligi 22 Å, ikkinchisi, kichiki uzunligi 12 Å ga etadi. Ikkilamchi yivning torligi tagliklarning chekkalari asosiy yivda ko'proq kirishni anglatadi. Natijada, DNK qo'sh spiralidagi ma'lum ketma-ketliklarga bog'lanishi mumkin bo'lgan transkripsiya omillari kabi oqsillar, odatda, asosiy yivda ochiq bo'lgan asoslarning yon tomonlari bilan aloqa qiladi. Bu holat hujayra ichidagi noodatiy DNK konformatsiyasida o'zgaradi, lekin katta va kichik o'yiqlar har doim DNK normal B shakliga qaytarilsa, ko'rinadigan o'lchamdagi farqlarni aks ettirish uchun nomlanadi.
Model yaratish
1970-yillarning oxirida muqobil spiral bo'lmagan modellar plazmidlar va xromatinlarda DNK replikatsiyasi muammolarining potentsial yechimi sifatida qisqacha ko'rib chiqildi. Biroq, rentgen nurlari kabi keyingi eksperimental yutuqlar tufayli ular DNKning qo'sh bo'lakli modeli foydasiga tark etildi. DNK duplekslarining kristallografiyasi. Shuningdek, ikki tomonlama spiralli modellar hozirda asosiy ilmiy hamjamiyat tomonidan qabul qilinmaydi.
Bir zanjirli nuklein kislotalar (ssDNK) spiral shaklga ega emas va ular tasodifiy lasan yoki qurtsimon zanjir kabi modellar bilan tavsiflanadi.
DNK nisbatan qattiq polimer boʻlib, odatda qurtga oʻxshash zanjir sifatida modellashtirilgan. Modelning qattiqligi DNKning sirkulyarizatsiyasi va unga bog'liq bo'lgan oqsillarning bir-biriga nisbatan yo'nalishi uchun muhim, histeretik eksenel qattiqlik esa DNKni o'rash va oqsil aylanishi va o'zaro ta'siri uchun muhimdir. Yuqori kuchlanish bo'lmaganda siqilish cho'zilishi nisbatan ahamiyatsiz.
Kimyo va genetika
Eritmadagi
DNK qattiq tuzilishga ega boʻlmaydi, lekin issiqlik tebranishi va suv molekulalari bilan toʻqnashuvi tufayli doimo konformatsiyasini oʻzgartiradi, bu esa klassik qattiqlik choralarini qoʻllashni imkonsiz qiladi. Shuning uchun DNKning egilish qattiqligi "polimerning vaqt bo'yicha o'rtacha yo'nalishi o'zaro bog'liq bo'lmagan koeffitsientga aylanadigan DNK uzunligi" sifatida tavsiflangan qat'iylik uzunligi bilan o'lchanadi.
Bu qiymatni turli uzunlikdagi DNK molekulalarini toʻgʻridan-toʻgʻri tasvirlash uchun atom-kuch mikroskopi yordamida aniq oʻlchash mumkin. Suvli eritmada o'rtacha doimiy uzunlik 46-50 nm yoki 140-150 tayanch juftini (DNK 2 nm) tashkil qiladi, ammo bu sezilarli darajada farq qilishi mumkin. Bu DNKni oʻrtacha qattiq molekulaga aylantiradi.
DNK segmentining davom etish muddati uning ketma-ketligiga juda bog'liq va bu sezilarli oqibatlarga olib kelishi mumkin.o'zgarishlar. Ikkinchisi, asosan, to'plangan energiya va kichik va katta yivlarga tarqaladigan qismlarga bog'liq.
Jismoniy xususiyatlar va egri chiziqlar
DNKning entropik moslashuvchanligi polimer fizikasining standart modellariga, masalan, zanjir qurtining Kratki-Porod modeliga juda mos keladi. Chuvalchangga o'xshash modelga mos keladigan narsa, DNKning egiluvchanligi juda kichik (subpikoneontonik) kuchlarda ham Guk qonunida tasvirlanganligini kuzatish. Biroq, davomiylik va chidamlilik jihatidan kichikroq DNK segmentlari uchun egilish kuchi taxminan doimiy bo'lib, yuqorida aytib o'tilgan qurtga o'xshash modellardan farqli o'laroq, xatti-harakatlar bashorat qilinganidan chetga chiqadi.
Bu taʼsir kichik DNK molekulalarini aylanada gʻayrioddiy qulaylikka olib keladi va yuqori egri DNK hududlarini topish ehtimolini oshiradi.
DNK molekulalari ko'pincha egilish uchun afzal yo'nalishga ega, ya'ni anizotropik egilish. Bu, yana, DNK ketma-ketliklarini tashkil etuvchi asoslarning xossalari bilan bog'liq va aynan ular DNKning ikki ipini spiralga bog'laydi. Ayrim hollarda ketma-ketliklarda maqol burilishlari mavjud emas.
DNKning qoʻsh spiral tuzilishi
DNK egilishining afzal koʻrilgan yoʻnalishi har bir asosning keyingisining ustiga qoʻyish barqarorligi bilan belgilanadi. Agar beqaror tayanch stacking bosqichlari har doim DNK spiralining bir tomonida bo'lsa, u holda DNK afzallik bilan bu yo'nalishdan uzoqlashadi. Ikki DNK zanjirini spiralga ulashbu yo'nalishga bog'liq bo'lgan molekulalar tomonidan amalga oshiriladi. Bükme burchagi oshgani sayin, ular sterik to'siqlar rolini o'ynaydi, ayniqsa, kichik yivda bir-biriga nisbatan qoldiqlarni siljitish qobiliyatini ko'rsatadi. A va T cho'kindilari burmalar ichidagi kichik oluklarda paydo bo'ladi. Bu ta'sir, ayniqsa, DNKning qattiq egilishi, masalan, nukleosoma zarralarida, DNK-oqsilning bog'lanishida yaqqol namoyon bo'ladi.
DNK molekulalari a'lo darajada egiluvchan bo'lib qolishi mumkin. Bu birinchi marta DNKda tripanosomatid kinetoplastdan topilgan. Bunga sabab boʻlgan odatiy ketma-ketliklar orasida molekulaning bir tomonida kichik yiv fazasida A va T qoldiqlarini oʻz ichiga olgan G va C bilan ajratilgan 4-6 T va A choʻzilishi kiradi.
Ichki egilgan struktura taglik juftlarining bir-biriga nisbatan "vida-burilish" natijasida yuzaga keladi, bu esa asosiy bosqichlar o'rtasida noodatiy bifurkatsiyalangan vodorod aloqalarini yaratishga imkon beradi. Yuqori haroratlarda bu struktura denatüratsiyalanadi va shuning uchun ichki egrilik yo'qoladi.
Anizotropik egilgan barcha DNKlar oʻrtacha uzunroq surish va kattaroq eksenel qattiqlikka ega. Bu kuchaygan qattiqlik molekulaning izotrop taʼsiriga olib keladigan tasodifiy egilishning oldini olish uchun zarur.
DNK qo'ng'irog'i molekulaning eksenel (egiluvchan) qat'iyligiga va burilish (aylanish) qattiqligiga bog'liq. DNK molekulasi muvaffaqiyatli aylanishi uchun u to'liq aylanaga osongina egilib qoladigan darajada uzun bo'lishi va asoslar soni to'g'ri bo'lishi kerak.spirallarni yopishtirish imkoniyatini ta'minlash uchun uchlari to'g'ri aylanishda edi. Aylanma DNK uchun optimal uzunlik taxminan 400 ta asosiy juft (136 nm) dir. Toq sonli aylanishlarning mavjudligi zanjirlar uchun muhim energiya to'sig'idir, masalan, 10,4 x 30=312 juft molekula 10,4 x 30,5 ≈ 317 molekuladan yuzlab marta tezroq aylanadi.
Elastiklik
DNKning uzunroq choʻzilgan qismlari choʻzilganida entropik elastik boʻladi. DNK eritmada bo'lsa, termal erituvchi vannada mavjud bo'lgan energiya hisobiga u uzluksiz strukturaviy o'zgarishlarga uchraydi. Bu DNK molekulasining issiqlik tebranishlari, suv molekulalari bilan doimiy to'qnashuvlar bilan bog'liq. Entropiya sabablariga ko'ra, cho'zilgan holatlarga qaraganda ixchamroq bo'shashgan holatlar termal jihatdan qulayroqdir va shuning uchun DNK molekulalari murakkab "bo'shashgan" molekulyar modellarda deyarli hamma joyda mavjud. Shu sababli, bitta DNK molekulasi kuch ostida cho'zilib, uni to'g'rilaydi. Optik cımbızlar yordamida DNKning entropiyani cho'zish harakati polimer fizikasi nuqtai nazaridan o'rganildi va tahlil qilindi va DNK fiziologik mavjud energiya shkalalarida asosan Kratki-Porod qurti kabi zanjir modeli kabi harakat qilishi aniqlandi.
Etarli kuchlanish va musbat moment bilan DNK fazali oʻtishni boshdan kechiradi, bunda umurtqa pogʻonalari tashqariga, fosfatlar esa oʻzaro harakatlanadi.o'rtada. Haddan tashqari cho'zilgan DNK uchun taklif qilingan bu struktura dastlab uni DNK tuzilishi mumkin deb tasavvur qilgan Linus Pauling sharafiga P-forma DNK deb nomlangan.
O'rnatilgan moment bo'lmaganda DNKning mexanik cho'zilishi uchun dalillar, odatda S-shakllari deb ataladigan keyingi tuzilmalarga olib keladigan o'tish yoki o'tish nuqtalarini ko'rsatadi. Ko'pgina kompyuter simulyatsiyasi bo'yicha tadqiqotlar olib borilgan bo'lsa-da, kuch qo'llanilgan eritmada atom rezonatorining aniq tasvirini amalga oshirish qiyinligi sababli ushbu tuzilmalar hali aniq tavsiflanmagan. Tavsiya etilgan S-DNK tuzilmalari qatoriga asosiy juft burma va vodorod aloqasini saqlaydigan tuzilmalar kiradi (GC bilan boyitilgan).
Sigmoid modeli
Asosiy stackning uzilish bilan davriy sinishi bazaviy stackning muntazamligini saqlaydigan va tegishli hajmdagi kengayishni chiqaradigan muntazam tuzilma sifatida taklif qilingan, "S-DNK" atamasi kiritilmoqda. mnemonika sifatida, unda "Sigma" belgisining uchta o'ng tomoni uchta klasterli tayanch juftligini eslatib turadi. S shakli GNC_h-gipotezasi evolyutsion ahamiyatga ega deb hisoblagan GNC motivlari uchun ketma-ketlikni afzal ko'rishi ko'rsatilgan.
Spiralni eritish, isitish va ochish
DNK spiralining B shakli 10,4-10,5 zarba uchun 360° ga buriladi. burilish deformatsiyasining yo'qligida. Ammo ko'pgina molekulyar biologik jarayonlar burilish stressini keltirib chiqarishi mumkin. Ortiqcha yoki ko'p bo'lgan DNK segmentiundercoiling mos ravishda ijobiy va salbiy kontekstlarda tilga olinadi. In vivo DNK odatda manfiy o'ralgan (ya'ni qarama-qarshi yo'nalishda o'ralgan jingalaklarga ega), bu RNK transkripsiyasi uchun juda zarur bo'lgan qo'sh spiralning yechilishini (erishini) osonlashtiradi.
Hujayra ichida aksariyat DNK topologik jihatdan cheklangan. DNK odatda yopiq halqalarda (masalan, prokariotlardagi plazmidlar) topologik jihatdan yopiq yoki juda uzun molekulalarda topiladi, ularning diffuziya koeffitsientlari topologik jihatdan yopiq hududlarni samarali hosil qiladi. DNKning chiziqli cho'zilishlari odatda oqsillar yoki fizik tuzilmalar (masalan, membranalar) bilan bog'lanib, yopiq topologik halqalarni hosil qiladi.
Yopiq topologik mintaqadagi T parametridagi har qanday o'zgarish W parametrining o'zgarishi bilan muvozanatlashtirilishi kerak va aksincha. Bu DNK molekulalarining yuqori spiral tuzilishiga olib keladi. Ildiz 0 bo'lgan oddiy DNK molekulasi tasnifida aylana bo'ladi. Agar bu molekulaning burilishi keyinchalik superkonformatsiya orqali oshirilsa yoki kamaytirilsa, u holda ildizlar mos ravishda o'zgaradi va molekula plektnonemik yoki toroidal o'ta spiral o'rashiga olib keladi.
DNK qo’sh spiral qismining uchlari aylana hosil qiladigan tarzda bog’langanda iplar topologik bog’lanadi. Bu shuni anglatadiki, alohida iplarni ip uzilishi bilan bog'liq bo'lmagan har qanday jarayondan ajratib bo'lmaydi.(masalan, isitish). DNKning topologik bogʻlangan zanjirlarini yechish vazifasi topoizomerazalar deb ataladigan fermentlarga toʻgʻri keladi.
