Termi "spiralja e ADN-së" ka një histori dhe natyrë komplekse. Me të, si rregull, nënkuptohet modeli i prezantuar nga James Watson. Spiralja e dyfishtë e ADN-së mbahet së bashku me nukleotidet që formojnë një çift. Në B-ADN, struktura spirale më e zakonshme që gjendet në natyrë, spiralen e dyfishtë është me dorën e djathtë me 10-10,5 çifte bazash për rrotullim. Struktura spirale e dyfishtë e ADN-së përmban një brazdë të madhe dhe një brazdë të vogël. Në B-ADN, brazda kryesore është më e gjerë se brazda e vogël. Duke pasur parasysh ndryshimin në gjerësi midis brazdave kryesore dhe të vogla, shumë proteina që lidhen me B-ADN-në e bëjnë këtë përmes brazdës kryesore më të gjerë.
Historia e zbulimit
Modeli strukturor i spirales së dyfishtë të ADN-së u botua për herë të parë në Nature nga James Watson dhe Francis Crick në 1953 (koordinatat X, Y, Z në 1954) bazuar në një imazh kritik të difraksionit me rreze x të ADN-së të etiketuar Foto 51, nga vepra e Rosalind Franklin e vitit 1952, e ndjekur nga një imazh më i qartë i sajRaymond Gosling, Maurice Wilkins, Alexander Stokes dhe Herbert Wilson. Modeli paraprak ishte ADN me tre fije.
Kuptimi se struktura e hapur është një spirale e dyfishtë shpjegon mekanizmin me të cilin dy fije ADN bashkohen në një spirale, me anë të së cilës informacioni gjenetik ruhet dhe kopjohet në organizmat e gjallë. Ky zbulim konsiderohet si një nga njohuritë më të rëndësishme shkencore të shekullit të njëzetë. Crick, Wilkins dhe Watson morën secili një të tretën e Çmimit Nobel të 1962 në Fiziologji ose Mjekësi për kontributin e tyre në zbulim. Franklin, zbulimi i të dhënave të difraksionit të rrezeve X të të cilit u përdorën për të formuluar spiralen e ADN-së, vdiq në vitin 1958 dhe për këtë arsye ishte i papërshtatshëm për një nominim për çmimin Nobel.
Vlera për hibridizimin
Hibridizimi është procesi i lidhjes së çifteve të bazave që lidhen për të formuar një spirale të dyfishtë. Shkrirja është procesi me të cilin ndërveprimet midis fijeve të spirales së dyfishtë ndërpriten, duke ndarë dy linja acidesh nukleike. Këto lidhje janë të dobëta, lehtësisht të ndara nga nxehtësia e lehtë, enzimat ose forca mekanike. Shkrirja ndodh kryesisht në pika të caktuara të acidit nukleik. Rajonet e spirales së ADN-së të etiketuara T dhe A shkrihen më lehtë se rajonet C dhe G. Disa faza bazë (çifte) janë gjithashtu të ndjeshme ndaj shkrirjes së ADN-së, si TA dhe TG. Këto tipare mekanike pasqyrohen nga sekuenca të tilla si TATA në fillim të shumë gjeneve për të ndihmuar ARN polimerazën të shkrijë ADN-në për transkriptim.
Ngrohje
Procesi i ndarjesfillesat me ngrohje të cekët, siç përdoret në reaksionin zinxhir të polimerazës (PCR), është i thjeshtë, me kusht që molekulat të jenë afërsisht 10,000 çifte bazash (10 çifte kilobase ose 10 kbp). Gërshetimi i vargjeve të ADN-së e bën të vështirë ndarjen e segmenteve të gjata. Qeliza e shmang këtë problem duke lejuar enzimat e saj të shkrirjes së ADN-së (helikazat) të punojnë njëkohësisht me topoizomerazat, të cilat mund të çajnë kimikisht shtyllën kurrizore të fosfatit të njërës prej fijeve në mënyrë që të mund të rrotullohet rreth tjetrës. Helikazat zbërthejnë fijet për të lehtësuar kalimin e enzimave të leximit të sekuencës, siç është ADN polimeraza. Spiralja e dyfishtë e ADN-së formohet nga lidhjet e këtyre vargjeve.
Gjeometria spirale
Përbërësi gjeometrik i strukturës së ADN-së mund të karakterizohet nga 6 koordinata: zhvendosje, rrëshqitje, ngritje, anim, përdredhje dhe kthesë. Këto vlera përcaktojnë me saktësi vendndodhjen dhe orientimin në hapësirë të çdo çifti të vargjeve të ADN-së. Në rajonet e ADN-së ose ARN-së ku struktura normale është e ndërprerë, një ndryshim në këto vlera mund të përdoret për të përshkruar një përçarje të tillë.
Ngritja dhe kthesa përcaktohen nga forma e spirales. Koordinatat e tjera, përkundrazi, mund të jenë të barabarta me zero.
Vini re se "skew" përdoret shpesh në mënyra të ndryshme në literaturën shkencore, duke iu referuar devijimit të boshtit të parë të bazës ndërvargësh nga të qenit pingul me boshtin e spirales. Kjo korrespondon me rrëshqitjen midis sekuencës bazë të spirales së dyfishtë të ADN-së, dhe në koordinatat gjeometrike quhet saktë"anim".
Dallimet gjeometrike në spirale
Të paktën tre konformacione të ADN-së mendohet se ndodhin natyrshëm: A-DNA, B-DNA dhe Z-DNA. Forma B, siç përshkruhet nga James Watson dhe Francis Crick, mendohet të jetë mbizotëruese në qeliza. Është 23,7 Å i gjerë dhe zgjat 34 Å me 10 bp. sekuencat. Spiralja e dyfishtë e ADN-së formohet nga lidhjet e dy linjave të acidit ribonukleik, të cilat bëjnë një rrotullim të plotë rreth boshtit të saj çdo 10,4-10,5 çifte bazash në tretësirë. Kjo frekuencë rrotullimi (e quajtur hapi spirale) varet kryesisht nga forcat e grumbullimit që çdo bazë ushtron te fqinjët e saj në zinxhir. Konfigurimi absolut i bazave përcakton drejtimin e lakores spirale për një konformacion të caktuar.
Dallimet dhe funksionet
A-ADN dhe Z-DNA janë dukshëm të ndryshme në gjeometrinë dhe madhësinë e tyre në krahasim me B-ADN-në, megjithëse ato ende formojnë struktura spirale. Prej kohësh është menduar se forma A shfaqet vetëm në mostrat e dehidratuara të ADN-së në laborator të përdorura në eksperimentet kristalografike dhe në çiftimet hibride të vargjeve ADN-ARN, por dehidratimi i ADN-së ndodh in vivo, dhe A-ADN tani ka funksione biologjike të njohura për ne.. Segmentet e ADN-së qelizat e të cilave janë metiluar për qëllime rregullative mund të adoptojnë një gjeometri Z në të cilën fillesat rrotullohen rreth boshtit spirale në mënyrë të kundërt me A-ADN dhe B-ADNA. Ekzistojnë gjithashtu dëshmi të komplekseve protein-ADN që formojnë struktura Z-ADN. Gjatësia e spirales së ADN-së nuk ndryshon në asnjë mënyrë në varësi tëlloji.
Probleme me emrat
Në fakt, vetëm shkronjat F, Q, U, V dhe Y janë tani të disponueshme për të emërtuar llojet e ndryshme të ADN-së që mund të zbulohen në të ardhmen. Megjithatë, shumica e këtyre formave janë krijuar në mënyrë sintetike dhe kanë nuk është vërejtur në sistemet biologjike natyrore. Ekzistojnë gjithashtu forma me tre fije (3 vargje të ADN-së) dhe forma katërpolëshe, siç është G-quadruplex.
Lidhja e fijeve
Hliksi i dyfishtë i ADN-së formohet nga lidhjet e fijeve spirale. Meqenëse fijet nuk janë drejtpërdrejt përballë njëra-tjetrës, brazda midis tyre janë me madhësi të pabarabartë. Një brazdë, ajo kryesore, ka një gjerësi prej 22 Å, dhe tjetra, e vogël, arrin një gjatësi prej 12 Å. Ngushtësia e brazdës dytësore do të thotë që skajet e bazave janë më të aksesueshme në brazdë kryesore. Si rezultat, proteinat si faktorët e transkriptimit që mund të lidhen me sekuenca specifike në spiralen e dyfishtë të ADN-së zakonisht kontaktojnë me anët e bazave që janë të hapura në brazdë kryesore. Kjo situatë ndryshon në konformacionet e pazakonta të ADN-së brenda qelizës, por brazda të mëdha dhe të vogla emërtohen gjithmonë për të pasqyruar ndryshimet në madhësi që do të shiheshin nëse ADN-ja kthehej përsëri në formën e saj normale B.
Krijimi i një modeli
Në fund të viteve 1970, modelet alternative jo-spiralike u konsideruan shkurtimisht si një zgjidhje e mundshme për problemet e replikimit të ADN-së në plazmide dhe kromatinë. Megjithatë, ato u braktisën në favor të modelit të dyfishtë të ADN-së për shkak të përparimeve të mëvonshme eksperimentale si rrezet Xkristalografia e duplekseve të ADN-së. Gjithashtu, modelet e spirales jo të dyfishtë aktualisht nuk pranohen nga komuniteti shkencor i zakonshëm.
Acidet nukleike me një fije floku (ssDNA) nuk marrin një formë spirale dhe përshkruhen nga modele të tilla si spiralja e rastësishme ose zinxhiri në formë krimbi.
ADN është një polimer relativisht i ngurtë, i modeluar në mënyrë tipike si një zinxhir i ngjashëm me krimbat. Ngurtësia e modelit është e rëndësishme për qarkullimin e ADN-së dhe orientimin e proteinave të lidhura me njëra-tjetrën, ndërsa ngurtësia aksiale histeretike është e rëndësishme për mbështjelljen e ADN-së dhe qarkullimin dhe ndërveprimin e proteinave. Zgjatimi i ngjeshjes është relativisht i parëndësishëm në mungesë të tensionit të lartë.
Kimi dhe gjenetikë
ADN në tretësirë nuk merr një strukturë të ngurtë, por ndryshon vazhdimisht konformacionin për shkak të dridhjeve termike dhe përplasjes me molekulat e ujit, gjë që e bën të pamundur zbatimin e masave klasike të ngurtësisë. Prandaj, ngurtësia përkulëse e ADN-së matet me gjatësinë e qëndrueshmërisë, e përcaktuar si "gjatësia e ADN-së gjatë së cilës orientimi mesatar në kohë i polimerit bëhet koeficient i pakorreluar."
Kjo vlerë mund të matet me saktësi duke përdorur një mikroskop të forcës atomike për të imazhuar drejtpërdrejt molekulat e ADN-së me gjatësi të ndryshme. Në tretësirën ujore, gjatësia mesatare konstante është 46-50 nm ose 140-150 çifte bazash (ADN 2 nm), megjithëse kjo mund të ndryshojë në mënyrë të konsiderueshme. Kjo e bën ADN-në një molekulë mesatarisht të ngurtë.
Kohëzgjatja e vazhdimit të një segmenti të ADN-së varet shumë nga sekuenca e tij, dhe kjo mund të çojë nëndryshimet. Këto të fundit janë kryesisht për shkak të grumbullimit të energjisë dhe fragmenteve që përhapen në brazda të vogla dhe të mëdha.
Vetitë fizike dhe kthesat
Fleksibiliteti entropik i ADN-së është jashtëzakonisht në përputhje me modelet standarde të fizikës së polimerit, siç është modeli Kratky-Porod i krimbit të zinxhirit. Në përputhje me modelin si krimba është vëzhgimi se përkulja e ADN-së përshkruhet gjithashtu nga ligji i Hukut me forca shumë të vogla (nënpikoneontonike). Megjithatë, për segmentet e ADN-së më të vogla në kohëzgjatje dhe qëndrueshmëri, forca e përkuljes është afërsisht konstante dhe sjellja devijon nga parashikimet, në kontrast me modelet e përmendura tashmë të ngjashme me krimbat.
Ky efekt rezulton në një lehtësi të pazakontë në qarkullimin e molekulave të vogla të ADN-së dhe një probabilitet më të lartë për të gjetur rajone shumë të lakuara të ADN-së.
Molekulat e ADN-së shpesh kanë një drejtim të preferuar për përkulje, pra përkulje anizotropike. Kjo, përsëri, është për shkak të vetive të bazave që përbëjnë sekuencat e ADN-së, dhe janë ato që lidhin dy vargjet e ADN-së në një spirale. Në disa raste, sekuencat nuk kanë kthesa proverbiale.
Struktura e spirales së dyfishtë të ADN-së
Drejtimi i preferuar i përkuljes së ADN-së përcaktohet nga qëndrueshmëria e grumbullimit të secilës bazë mbi bazën tjetër. Nëse hapat e paqëndrueshëm të grumbullimit të bazës janë gjithmonë në njërën anë të spirales së ADN-së, atëherë ADN-ja preferohet të paloset nga ai drejtim. Lidhja e dy fijeve të ADN-së në një spiralekryhet nga molekula që varen nga ky drejtim. Me rritjen e këndit të përkuljes, ato luajnë rolin e pengesave sterike, duke treguar aftësinë e rrokullisjes së mbetjeve në raport me njëra-tjetrën, veçanërisht në brazdë të vogël. Depozitat A dhe T preferohet të ndodhin në brazda të vogla brenda kthesave. Ky efekt është veçanërisht i dukshëm në lidhjen e ADN-proteinës kur nxitet përkulja e ngurtë e ADN-së, për shembull në grimcat nukleozome.
Molekulat e ADN-së me përkulje të jashtëzakonshme mund të bëhen të përkulura. Kjo u zbulua për herë të parë në ADN-në nga kinetoplasti tripanosomatid. Sekuencat tipike që e shkaktojnë këtë përfshijnë shtrirje 4-6 T dhe A të ndara nga G dhe C, të cilat përmbajnë mbetje A dhe T në një fazë të vogël brazdë në të njëjtën anë të molekulës.
Struktura e brendshme e përkulur nxitet nga "kthimi me vidë" i çifteve të bazave në lidhje me njëra-tjetrën, gjë që lejon krijimin e lidhjeve hidrogjenore të dyfishta të pazakonta midis fazave bazë. Në temperatura më të larta, kjo strukturë denatyrohet dhe për këtë arsye lakimi i brendshëm humbet.
E gjithë ADN-ja që përkulet në mënyrë anizotropike ka mesatarisht një shtytje më të gjatë dhe ngurtësi boshtore më të madhe. Kjo ngurtësi e shtuar është e nevojshme për të parandaluar përkuljen aksidentale që do të bënte që molekula të vepronte në mënyrë izotropike.
Zilja e ADN-së varet si nga ngurtësia boshtore (përkulëse) ashtu edhe nga ngurtësia rrotulluese (rrotulluese) e molekulës. Që një molekulë e ADN-së të qarkullojë me sukses, ajo duhet të jetë mjaft e gjatë që të përkulet lehtësisht në një rreth të plotë dhe të ketë numrin e duhur të bazave.skajet ishin në rrotullimin e duhur për të siguruar mundësinë e ngjitjes së spirales. Gjatësia optimale për qarkullimin e ADN-së është rreth 400 çifte bazash (136 nm). Prania e një numri tek kthesat është një pengesë e rëndësishme e energjisë për qarqet, për shembull, një molekulë 10,4 x 30=312 çifte do të qarkullojë qindra herë më shpejt se një molekulë 10,4 x 30,5 ≈ 317.
Elasticitet
Zgjatjet më të gjata të ADN-së janë entropikisht elastike kur shtrihen. Kur ADN-ja është në tretësirë, ajo pëson ndryshime të vazhdueshme strukturore për shkak të energjisë së disponueshme në banjën termike të tretësit. Kjo është për shkak të dridhjeve termike të molekulës së ADN-së, të kombinuara me përplasje të vazhdueshme me molekulat e ujit. Për arsye të entropisë, gjendjet e relaksuara më kompakte janë termikisht më të arritshme se gjendjet e shtrirë, dhe kështu molekulat e ADN-së janë pothuajse kudo në modelet molekulare të ndërlikuara "të relaksuar". Për këtë arsye, një molekulë e ADN-së do të shtrihet nën forcën, duke e drejtuar atë. Duke përdorur piskatore optike, sjellja e shtrirjes së entropisë së ADN-së është studiuar dhe analizuar nga këndvështrimi i fizikës së polimerit dhe është gjetur se ADN-ja sillet në thelb si një model zinxhiri i krimbit Kratky-Porod në shkallët e energjisë fiziologjikisht të disponueshme.
Me tension të mjaftueshëm dhe çift rrotullues pozitiv, ADN-ja mendohet se i nënshtrohet një tranzicioni fazor, me shtyllat kurrizore që lëvizin nga jashtë dhe fosfatet lëvizin nëe mesme. Kjo strukturë e propozuar për ADN-në e tepërt u emërua ADN në formë P sipas Linus Pauling, i cili fillimisht e parashikoi atë si një strukturë të mundshme të ADN-së.
Dëshmia për shtrirjen mekanike të ADN-së në mungesë të çift rrotullues të imponuar tregon për një tranzicion ose tranzicione që çojnë në struktura të mëtejshme që zakonisht quhen forma S. Këto struktura ende nuk janë karakterizuar përfundimisht për shkak të vështirësisë së kryerjes së imazhit me rezolucion të një rezonatori atomik në tretësirë me forcën e aplikuar, megjithëse janë bërë shumë studime simulimi kompjuterik. Strukturat e sugjeruara të S-ADN përfshijnë ato që mbajnë palosjen e çiftit të bazës dhe lidhjen hidrogjenore (të pasuruar me GC).
Model Sigmoid
Fraktura periodike e pirgut të çiftit të bazës me një thyerje është propozuar si një strukturë e rregullt që ruan rregullsinë e pirgut bazë dhe lëshon një sasi të përshtatshme zgjerimi, me termin "Σ-ADN" duke u futur. si një mnemonik në të cilin tre pikat e djathta të simbolit "Sigma" shërbejnë si kujtues i tre çifteve të bazave të grumbulluara. Forma Σ është treguar të ketë një preferencë sekuence për motivet GNC, të cilat hipoteza GNC_h beson se kanë rëndësi evolucionare.
Shkrirja, ngrohja dhe çmbështjellja e spirales
Forma B e spirales së ADN-së rrotullohet 360° për 10,4-10,5 bp. në mungesë të deformimit përdredhës. Por shumë procese biologjike molekulare mund të shkaktojnë stres rrotullues. Një segment i ADN-së me një tepricë osembështjellja përmendet respektivisht si në kontekste pozitive ashtu edhe në ato negative. ADN-ja in vivo zakonisht është e mbështjellë negativisht (d.m.th., ka kaçurrela që janë të përdredhura në drejtim të kundërt), gjë që lehtëson zbërthimin (shkrirjen) e spirales së dyfishtë, e cila është jashtëzakonisht e nevojshme për transkriptimin e ARN-së.
Brenda qelizës, shumica e ADN-së është topologjikisht e kufizuar. ADN-ja zakonisht gjendet në sythe të mbyllura (të tilla si plazmidet në prokariote) të cilat janë molekula topologjikisht të mbyllura ose shumë të gjata, koeficientët e difuzionit të të cilave prodhojnë në mënyrë efektive rajone topologjikisht të mbyllura. Shtrirjet lineare të ADN-së zakonisht shoqërohen gjithashtu me proteina ose struktura fizike (të tilla si membranat) për të formuar sythe topologjike të mbyllura.
Çdo ndryshim në parametrin T në një rajon topologjik të mbyllur duhet të balancohet nga një ndryshim në parametrin W, dhe anasjelltas. Kjo rezulton në një strukturë më të lartë spirale të molekulave të ADN-së. Një molekulë e zakonshme e ADN-së me rrënjë 0 do të ishte rrethore në klasifikimin e saj. Nëse përdredhja e kësaj molekule rritet ose zvogëlohet më pas nga superkonformimi, atëherë rrënjët do të ndryshohen në përputhje me rrethanat, duke bërë që molekula t'i nënshtrohet mbështjelljes superhelike plektnonemike ose toroidale.
Kur skajet e një seksioni të spirales së dyfishtë të ADN-së lidhen në mënyrë që ajo të formojë një rreth, fillesat janë të lidhura topologjikisht. Kjo do të thotë që thread-et individuale nuk mund të ndahen nga çdo proces që nuk shoqërohet me një ndërprerje të fijeve.(p.sh. ngrohje). Detyra e zgjidhjes së fijeve të lidhura topologjikisht të ADN-së i takon enzimave të quajtura topoizomeraza.
