Thuật ngữ "chuỗi xoắn DNA" có một lịch sử và bản chất phức tạp. Theo quy luật, nó có nghĩa là mô hình được giới thiệu bởi James Watson. Chuỗi xoắn kép DNA được tổ chức cùng với các nucleotide tạo thành một cặp. Trong B-DNA, cấu trúc xoắn phổ biến nhất được tìm thấy trong tự nhiên, chuỗi xoắn kép nằm bên phải với 10-10,5 cặp bazơ mỗi lượt. Cấu trúc chuỗi xoắn kép của DNA chứa một rãnh chính và một rãnh phụ. Trong B-DNA, rãnh chính rộng hơn rãnh phụ. Do sự khác biệt về chiều rộng giữa rãnh chính và rãnh phụ, nhiều protein liên kết với B-DNA làm như vậy thông qua rãnh chính rộng hơn.
Lịch sử khám phá
Mô hình cấu trúc của chuỗi xoắn kép DNA được James Watson và Francis Crick công bố lần đầu tiên trên tạp chí Nature vào năm 1953 (tọa độ X, Y, Z năm 1954) dựa trên hình ảnh nhiễu xạ tia X tới hạn của DNA có nhãn Ảnh 51, từ tác phẩm năm 1952 của Rosalind Franklin, tiếp theo là hình ảnh rõ ràng hơn về cô ấy được chụpRaymond Gosling, Maurice Wilkins, Alexander Stokes và Herbert Wilson. Mô hình ban đầu là DNA ba sợi.
Việc nhận ra rằng cấu trúc mở là một chuỗi xoắn kép giải thích cơ chế mà hai sợi DNA liên kết thành một chuỗi xoắn, qua đó thông tin di truyền được lưu trữ và sao chép trong các cơ thể sống. Khám phá này được coi là một trong những hiểu biết khoa học quan trọng nhất của thế kỷ XX. Crick, Wilkins và Watson mỗi người đã nhận được một phần ba giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học năm 1962 cho những đóng góp của họ trong việc phát hiện ra. Franklin, người có dữ liệu nhiễu xạ tia X đột phá được sử dụng để hình thành chuỗi xoắn DNA, đã chết vào năm 1958 và do đó không đủ điều kiện để được đề cử giải Nobel.
Giá trị cho sự lai tạo
Lai hoá là quá trình kết nối các cặp bazơ liên kết với nhau để tạo thành một chuỗi xoắn kép. Sự nóng chảy là quá trình tương tác giữa các sợi xoắn kép bị gián đoạn, phân tách hai dòng axit nucleic. Các liên kết này yếu, dễ bị tách ra bởi nhiệt nhẹ, enzym hoặc lực cơ học. Sự nóng chảy chủ yếu xảy ra ở những điểm nhất định trong axit nucleic. Các vùng của chuỗi xoắn DNA được đánh dấu T và A dễ bị tan chảy hơn vùng C và G. Một số giai đoạn cơ sở (cặp) cũng dễ bị tan chảy DNA, chẳng hạn như TA và TG. Những đặc điểm cơ học này được nhân bản bởi các trình tự như TATA ở đầu của nhiều gen để giúp RNA polymerase làm tan chảy DNA để phiên mã.
Sưởi ấm
Quy trình táchsợi bằng cách nung nóng nông, như được sử dụng trong phản ứng chuỗi polymerase (PCR), rất đơn giản, miễn là các phân tử có khoảng 10.000 cặp bazơ (10 cặp kilobase hoặc 10 kbp). Sự đan xen của các sợi DNA gây khó khăn cho việc phân tách các đoạn dài. Tế bào tránh được vấn đề này bằng cách cho phép các enzym làm tan chảy DNA (helicase) của nó hoạt động đồng thời với topoisomerase, có thể phân cắt hóa học xương sống photphat của một trong các sợi để nó có thể quay quanh sợi kia. Các Helicase mở rộng các sợi để tạo điều kiện thuận lợi cho việc di chuyển các enzym đọc trình tự như DNA polymerase. Chuỗi xoắn kép DNA được hình thành bởi liên kết của các sợi này.
Hình học xoắn ốc
Thành phần hình học của cấu trúc DNA có thể được đặc trưng bởi 6 tọa độ: dịch chuyển, trượt, tăng, nghiêng, xoắn và rẽ. Các giá trị này xác định chính xác vị trí và định hướng trong không gian của từng cặp sợi DNA. Ở những vùng DNA hoặc RNA mà cấu trúc bình thường bị phá vỡ, sự thay đổi trong các giá trị này có thể được sử dụng để mô tả sự gián đoạn đó.
Tăng và rẽ được xác định bởi hình dạng của hình xoắn ốc. Ngược lại, các tọa độ khác có thể bằng 0.
Lưu ý rằng "xiên" thường được sử dụng theo nhiều cách khác nhau trong tài liệu khoa học, đề cập đến độ lệch của trục đầu tiên của cơ sở giữa các vì sao vuông góc với trục của chuỗi xoắn. Điều này tương ứng với việc trượt giữa trình tự cơ sở của chuỗi xoắn kép DNA, và trong tọa độ hình học được gọi một cách chính xác"nghiêng".
Sự khác biệt về hình học trong xoắn ốc
Ít nhất ba cấu trúc DNA được cho là xảy ra tự nhiên: A-DNA, B-DNA và Z-DNA. Dạng B, như được mô tả bởi James Watson và Francis Crick, được cho là chiếm ưu thế trong các tế bào. Nó rộng 23,7 Å và dài 34 Å x 10 bp. trình tự. Chuỗi xoắn kép DNA được hình thành bởi các liên kết của hai dòng axit ribonucleic, cứ mỗi 10,4-10,5 cặp bazơ lại có một vòng quay hoàn toàn quanh trục của nó trong dung dịch. Tần số xoắn này (được gọi là bước xoắn) phụ thuộc phần lớn vào lực xếp chồng mà mỗi đế tác dụng lên các cơ sở lân cận của nó trong chuỗi. Cấu hình tuyệt đối của các cơ sở xác định hướng của đường cong xoắn ốc cho một cấu trúc nhất định.
Sự khác biệt và Chức năng
A-DNA và Z-DNA khác biệt đáng kể về hình dạng và kích thước so với B-DNA, mặc dù chúng vẫn tạo thành cấu trúc xoắn ốc. Từ lâu, người ta vẫn nghĩ rằng dạng A chỉ xảy ra trong các mẫu DNA khử nước trong phòng thí nghiệm được sử dụng trong các thí nghiệm tinh thể học và trong các cặp sợi DNA-RNA lai, nhưng sự mất nước của DNA xảy ra trong cơ thể sống và A-DNA hiện có các chức năng sinh học mà chúng ta đã biết.. Các đoạn DNA mà tế bào của chúng đã được methyl hóa cho các mục đích điều chỉnh có thể có dạng hình học Z trong đó các sợi quay quanh trục xoắn theo cách ngược lại với A-DNA và B-DNA. Cũng có bằng chứng về sự phức hợp protein-DNA hình thành cấu trúc Z-DNA. Chiều dài của chuỗi xoắn DNA không thay đổi theo bất kỳ cách nào tùy thuộc vàoloại.
Vấn đề với tên
Trên thực tế, hiện tại chỉ có các chữ cái F, Q, U, V và Y để đặt tên cho các loại DNA khác nhau có thể được phát hiện trong tương lai. Tuy nhiên, hầu hết các dạng này đều được tạo ra bằng cách tổng hợp và có không được quan sát thấy trong các hệ thống sinh học tự nhiên. Ngoài ra còn có các dạng ba sợi (3 sợi DNA) và dạng tứ cực, chẳng hạn như G-quadruplex.
Kết nối các chủ đề
Chuỗi xoắn kép DNA được hình thành bởi các liên kết của các sợi xoắn. Vì các sợi không đối diện trực tiếp với nhau nên các rãnh giữa chúng có kích thước không đồng đều. Một rãnh, rãnh chính, có chiều rộng 22 Å và rãnh còn lại, rãnh nhỏ, đạt chiều dài 12 Å. Độ hẹp của rãnh phụ có nghĩa là các cạnh của đế dễ tiếp cận hơn trong rãnh chính. Kết quả là, các protein như các yếu tố phiên mã có thể liên kết với các trình tự cụ thể trong chuỗi xoắn kép DNA thường tiếp xúc với các mặt của các base mở trong rãnh chính. Tình trạng này làm thay đổi cấu trúc DNA bất thường bên trong tế bào, nhưng các rãnh chính và rãnh nhỏ luôn được đặt tên để phản ánh sự khác biệt về kích thước có thể thấy nếu DNA được xoắn trở lại hình dạng B bình thường của nó.
Tạo mô hình
Vào cuối những năm 1970, các mô hình không xoắn thay thế được coi là một giải pháp tiềm năng cho các vấn đề sao chép DNA trong plasmid và chromatin. Tuy nhiên, chúng đã bị loại bỏ để ủng hộ mô hình cuộn kép của DNA do những tiến bộ thử nghiệm sau đó như tia Xtinh thể học của DNA duplexes. Ngoài ra, các mô hình không phải chuỗi xoắn kép hiện không được cộng đồng khoa học chính thống chấp nhận.
Axit nucleic mạch đơn (ssDNA) không có hình dạng xoắn và được mô tả bằng các mô hình như cuộn ngẫu nhiên hoặc chuỗi giống con sâu.
DNA là một polyme tương đối cứng, thường được mô hình hóa như một chuỗi giống như con giun. Độ cứng của mô hình rất quan trọng đối với sự tuần hoàn của DNA và sự định hướng của các protein liên kết của nó so với nhau, trong khi độ cứng của trục hysteretic là quan trọng đối với sự bao bọc DNA và sự lưu thông và tương tác của protein. Độ giãn dài khi nén tương đối không quan trọng khi không có điện áp cao.
Hóa học và di truyền học
DNA trong dung dịch không có cấu trúc cứng nhắc mà liên tục thay đổi hình dạng do dao động nhiệt và va chạm với các phân tử nước, nên không thể áp dụng các biện pháp đo độ cứng cổ điển. Do đó, độ cứng uốn của DNA được đo bằng chiều dài bền vững, được định nghĩa là "chiều dài của DNA mà theo đó định hướng trung bình theo thời gian của polyme trở thành hệ số không tương quan."
Giá trị này có thể được đo chính xác bằng kính hiển vi lực nguyên tử để hình ảnh trực tiếp các phân tử DNA có độ dài khác nhau. Trong dung dịch nước, chiều dài không đổi trung bình là 46-50 nm hoặc 140-150 cặp bazơ (DNA 2 nm), mặc dù điều này có thể thay đổi đáng kể. Điều này làm cho DNA trở thành một phân tử có độ cứng vừa phải.
Thời gian tiếp tục của một đoạn DNA phụ thuộc nhiều vào trình tự của nó, và điều này có thể dẫn đếnnhững thay đổi. Phần sau chủ yếu là do năng lượng xếp chồng lên nhau và các mảnh vỡ lan truyền thành các rãnh nhỏ và rãnh chính.
Tính chất vật lý và đường cong
Tính linh hoạt entropi của DNA rất phù hợp với các mô hình tiêu chuẩn của vật lý polyme, chẳng hạn như mô hình Kratky-Porod của giun xích. Phù hợp với mô hình giống con sâu là nhận xét rằng việc bẻ cong DNA cũng được mô tả bởi định luật Hooke ở các lực rất nhỏ (cận nguyên sinh). Tuy nhiên, đối với các phân đoạn DNA nhỏ hơn về thời gian và độ bền, lực bẻ cong gần như không đổi và hành vi sai lệch so với dự đoán, trái ngược với các mô hình giống sâu đã được đề cập.
Hiệu ứng này dẫn đến việc tuần hoàn các phân tử DNA nhỏ dễ dàng bất thường và xác suất tìm thấy các vùng DNA có độ cong cao cao hơn.
Các phân tử DNA thường có hướng ưu tiên để uốn cong, tức là uốn cong dị hướng. Điều này, một lần nữa, là do đặc tính của các base tạo nên trình tự DNA, và chính chúng kết nối hai sợi DNA thành một chuỗi xoắn. Trong một số trường hợp, các chuỗi không có sự xoắn theo phương ngôn.
Cấu trúc chuỗi xoắn kép DNA
Hướng ưu tiên của việc bẻ cong DNA được xác định bởi sự ổn định xếp chồng của mỗi cơ sở trên đầu cơ sở tiếp theo. Nếu các bước xếp bazơ không ổn định luôn nằm ở một phía của chuỗi xoắn DNA, thì DNA sẽ ưu tiên gấp lại khỏi hướng đó. Kết nối hai sợi DNA thành một chuỗi xoắnđược thực hiện bởi các phân tử phụ thuộc vào hướng này. Khi góc uốn tăng lên, chúng đóng vai trò cản trở thép, cho thấy khả năng cuộn các phần dư liên quan đến nhau, đặc biệt là trong rãnh nhỏ. Các khoản tiền gửi A và T tốt hơn sẽ xảy ra ở các rãnh nhỏ trong các khúc cua. Hiệu ứng này đặc biệt rõ ràng trong liên kết DNA-protein khi gây ra sự uốn cong cứng cáp của DNA, ví dụ như trong các hạt nucleosome.
Phân tử DNA có khả năng uốn cong đặc biệt có thể trở nên uốn cong. Điều này lần đầu tiên được phát hiện trong DNA từ trypanosomatid kinetoplast. Các trình tự điển hình gây ra điều này bao gồm 4-6 đoạn T và A được phân tách bởi G và C, chứa các gốc A và T trong một pha rãnh nhỏ trên cùng một phía của phân tử.
Cấu trúc bị uốn cong bên trong được tạo ra bởi sự "vặn vít" của các cặp cơ sở so với nhau, điều này cho phép tạo ra các liên kết hydro phân nhánh bất thường giữa các giai đoạn cơ sở. Ở nhiệt độ cao hơn, cấu trúc này bị biến tính và do đó độ cong bên trong bị mất.
Tất cả DNA uốn cong bất đẳng hướng trung bình có lực đẩy dài hơn và độ cứng trục lớn hơn. Sự gia tăng độ cứng này là cần thiết để ngăn ngừa sự uốn cong ngẫu nhiên có thể khiến phân tử hoạt động đẳng hướng.
Sự tạo vòng DNA phụ thuộc vào cả độ cứng dọc trục (uốn) và độ cứng xoắn (quay) của phân tử. Để một phân tử DNA lưu thông thành công, nó phải đủ dài để dễ uốn cong thành một vòng tròn đầy đủ và có số lượng bazơ chính xác đểcác đầu đã xoay đúng chiều để đảm bảo khả năng dán các đường xoắn ốc. Chiều dài tối ưu cho DNA tuần hoàn là khoảng 400 cặp bazơ (136 nm). Sự hiện diện của một số vòng quay lẻ là một rào cản năng lượng đáng kể đối với mạch, ví dụ: phân tử có cặp 10,4 x 30=312 sẽ luân chuyển nhanh hơn hàng trăm lần so với phân tử 10,4 x 30,5 ≈ 317.
Độ co giãn
Đoạn DNA dài hơn có tính đàn hồi entropi khi kéo dài. Khi DNA ở trong dung dịch, nó trải qua những thay đổi cấu trúc liên tục do năng lượng có sẵn trong bể dung môi nhiệt. Điều này là do sự dao động nhiệt của phân tử DNA, kết hợp với sự va chạm liên tục với các phân tử nước. Vì lý do entropy, các trạng thái thả lỏng nhỏ gọn hơn dễ tiếp cận hơn về mặt nhiệt so với các trạng thái kéo dài, và do đó các phân tử DNA hầu như có mặt ở khắp mọi nơi trong các mô hình phân tử phức tạp "thoải mái". Vì lý do này, một phân tử DNA sẽ căng ra dưới tác dụng của lực, làm nó thẳng ra. Sử dụng nhíp quang học, hành vi kéo dài entropy của DNA đã được nghiên cứu và phân tích từ quan điểm vật lý polyme, và người ta nhận thấy rằng DNA hoạt động về cơ bản giống như mô hình chuỗi giống giun Kratky-Porod trên các thang năng lượng sẵn có về mặt sinh lý.
Với độ căng vừa đủ và mô-men xoắn dương, DNA được cho là trải qua quá trình chuyển pha, với các xương sống di chuyển ra ngoài và các phốt phát di chuyển vàoở giữa. Cấu trúc được đề xuất cho DNA được kéo dài quá mức này được đặt tên là DNA dạng P theo tên của Linus Pauling, người ban đầu hình dung nó như một cấu trúc DNA khả thi.
Bằng chứng cho sự kéo dài cơ học của DNA trong trường hợp không có mô men xoắn áp đặt cho sự chuyển tiếp hoặc chuyển tiếp dẫn đến các cấu trúc khác thường được gọi là hình chữ S. Những cấu trúc này vẫn chưa được đặc trưng rõ ràng do khó thực hiện hình ảnh độ phân giải của một bộ cộng hưởng nguyên tử trong dung dịch có lực tác dụng, mặc dù nhiều nghiên cứu mô phỏng trên máy tính đã được thực hiện. Các cấu trúc S-DNA được đề xuất bao gồm những cấu trúc giữ lại nếp gấp của cặp bazơ và liên kết hydro (được làm giàu trong GC).
Mô hình Sigmoid
Sự đứt gãy định kỳ của ngăn xếp cặp bazơ với sự đứt gãy đã được đề xuất như một cấu trúc đều đặn giúp giữ lại tính đều đặn của ngăn xếp bazơ và giải phóng một lượng mở rộng thích hợp, với thuật ngữ "Σ-DNA" đã được giới thiệu như một phép ghi nhớ trong đó ba dấu chấm bên phải của biểu tượng "Sigma" dùng để nhắc nhở về ba cặp cơ sở được phân nhóm. Dạng Σ đã được chứng minh là có ưu tiên trình tự cho các mô típ GNC, mà giả thuyết GNC_h tin rằng có ý nghĩa tiến hóa.
Làm nóng chảy, làm nóng và cuộn xoắn ốc
Dạng B của chuỗi xoắn DNA xoắn 360 ° trong 10,4-10,5 bp. trong trường hợp không có biến dạng xoắn. Nhưng nhiều quá trình sinh học phân tử có thể gây ra ứng suất xoắn. Một đoạn DNA có dư thừa hoặcchui được đề cập trong cả bối cảnh tích cực và tiêu cực, tương ứng. DNA in vivo thường được cuộn lại theo chiều âm (nghĩa là có các cuộn xoắn được xoắn theo hướng ngược lại), điều này tạo điều kiện cho việc tháo xoắn (làm tan chảy) chuỗi xoắn kép, rất cần thiết cho quá trình phiên mã RNA.
Bên trong tế bào, hầu hết DNA bị giới hạn về mặt cấu trúc học. DNA thường được tìm thấy trong các vòng khép kín (chẳng hạn như plasmid ở sinh vật nhân sơ) là các phân tử đóng topo hoặc rất dài mà hệ số khuếch tán của chúng tạo ra các vùng đóng topo hiệu quả. Các đoạn DNA kéo dài tuyến tính cũng thường được liên kết với protein hoặc cấu trúc vật lý (chẳng hạn như màng) để tạo thành các vòng cấu trúc liên kết khép kín.
Mọi thay đổi của tham số T trong một vùng tôpô đóng phải được cân bằng với sự thay đổi trong tham số W và ngược lại. Điều này dẫn đến cấu trúc xoắn cao hơn của phân tử DNA. Một phân tử DNA bình thường có gốc 0 sẽ có dạng tròn trong phân loại của nó. Nếu độ xoắn của phân tử này sau đó được tăng hoặc giảm bằng cách siêu điều chỉnh, thì các gốc sẽ bị thay đổi tương ứng, khiến phân tử trải qua cuộn dây siêu vòng điện hoặc hình xuyến.
Khi các đầu của một đoạn của chuỗi xoắn kép DNA được kết nối với nhau để nó tạo thành một vòng tròn, các sợi được gắn với nhau về mặt cấu trúc liên kết. Điều này có nghĩa là không thể tách từng luồng riêng lẻ khỏi bất kỳ quy trình nào không liên quan đến ngắt luồng.(ví dụ: sưởi ấm). Nhiệm vụ tháo gỡ các sợi DNA được liên kết cấu trúc liên kết thuộc về các enzym được gọi là topoisomerase.
