مصطلح "حلزون الحمض النووي" له تاريخ وطبيعة معقدة. به ، كقاعدة عامة ، يعني النموذج الذي قدمه جيمس واتسون. يتم تثبيت الحلزون المزدوج للحمض النووي مع النيوكليوتيدات التي تشكل زوجًا. في B-DNA ، الهيكل الحلزوني الأكثر شيوعًا الموجود في الطبيعة ، يكون اللولب المزدوج يمينًا مع 10-10.5 أزواج قاعدية في كل منعطف. يحتوي التركيب الحلزوني المزدوج للحمض النووي على أخدود رئيسي وأخدود ثانوي. في B-DNA ، يكون الأخدود الرئيسي أوسع من الأخدود الصغير. نظرًا للاختلاف في العرض بين الأخاديد الرئيسية والثانوية ، فإن العديد من البروتينات التي ترتبط بـ B-DNA تفعل ذلك من خلال الأخدود الرئيسي الأوسع.
تاريخ الاكتشاف
تم نشر النموذج الهيكلي للحلزون المزدوج للحمض النووي لأول مرة في Nature بواسطة James Watson و Francis Crick في عام 1953 (إحداثيات X ، Y ، Z في عام 1954) بناءً على صورة حيود الأشعة السينية الحرجة للحمض النووي المسمى الصورة 51 ، من عمل روزاليند فرانكلين عام 1952 ، متبوعًا بصورة أوضح لالتقاطهاريموند جوسلينج وموريس ويلكنز وألكسندر ستوكس وهربرت ويلسون. كان النموذج الأولي عبارة عن DNA ثلاثي الشرائط.
إدراك أن البنية المفتوحة عبارة عن حلزون مزدوج يفسر الآلية التي يتم بواسطتها انضمام خيطين من الحمض النووي إلى اللولب ، والذي يتم من خلاله تخزين المعلومات الجينية ونسخها في الكائنات الحية. يعتبر هذا الاكتشاف من أهم الأفكار العلمية في القرن العشرين. حصل كل من Crick و Wilkins و Watson على ثلث جائزة نوبل لعام 1962 في علم وظائف الأعضاء أو الطب لمساهماتهم في الاكتشاف. فرانكلين ، الذي تم استخدام بيانات حيود الأشعة السينية الخاصة به لتشكيل لولب الحمض النووي ، توفي في عام 1958 وبالتالي لم يكن مؤهلاً للحصول على ترشيح لجائزة نوبل.
قيمة التهجين
التهجين هو عملية توصيل أزواج القاعدة التي ترتبط لتشكيل حلزون مزدوج. الذوبان هو العملية التي يتم من خلالها تعطيل التفاعلات بين خيوط اللولب المزدوج ، مما يؤدي إلى فصل سطرين من الأحماض النووية. هذه الروابط ضعيفة ويمكن فصلها بسهولة عن طريق حرارة معتدلة أو إنزيمات أو قوة ميكانيكية. يحدث الانصهار في الغالب عند نقاط معينة في الحمض النووي. تذوب مناطق حلزون الحمض النووي المسمى T و A بسهولة أكثر من المناطق C و G. كما أن بعض مراحل القاعدة (الأزواج) عرضة أيضًا لانصهار الحمض النووي ، مثل TA و TG. تنعكس هذه الصفات الميكانيكية من خلال متواليات مثل TATA في بداية العديد من الجينات لمساعدة RNA polymerase على إذابة الحمض النووي للنسخ.
تدفئة
فصل العمليةالسلاسل بالتسخين الضحل ، كما هو مستخدم في تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) ، بسيطة ، بشرط أن تكون الجزيئات حوالي 10000 زوج قاعدي (10 أزواج كيلوباز أو 10 كيلو بايت). يجعل تشابك خيوط الحمض النووي من الصعب فصل الأجزاء الطويلة. تتجنب الخلية هذه المشكلة عن طريق السماح لإنزيمات ذوبان الحمض النووي (الهليكازات) بالعمل في وقت واحد مع الإيزوميراز العلوي ، والذي يمكنه تشق العمود الفقري للفوسفات في أحد الخيوط كيميائيًا بحيث يمكنه الدوران حول الآخر. تقوم Helicases بفك الخيوط لتسهيل مرور إنزيمات قراءة التسلسل مثل DNA polymerase. يتكون الحلزون المزدوج للحمض النووي من روابط هذه الخيوط
الهندسة الحلزونية
يمكن تمييز المكون الهندسي لهيكل الحمض النووي بـ 6 إحداثيات: التحول ، والانزلاق ، والارتفاع ، والإمالة ، واللف ، والانعطاف. تحدد هذه القيم بدقة الموقع والاتجاه في مساحة كل زوج من خيوط الحمض النووي. في مناطق الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي حيث يتم تعطيل البنية الطبيعية ، يمكن استخدام تغيير في هذه القيم لوصف مثل هذا الاضطراب.
يتم تحديد الارتفاع والانعطاف من خلال شكل اللولب. الإحداثيات الأخرى ، على العكس من ذلك ، يمكن أن تكون مساوية للصفر.
لاحظ أن "الانحراف" غالبًا ما يستخدم بطرق مختلفة في الأدبيات العلمية ، مشيرًا إلى انحراف المحور الأول للقاعدة البينية عن كونه عموديًا على محور اللولب. هذا يتوافق مع الانزلاق بين التسلسل الأساسي للحلزون المزدوج للحمض النووي ، وفي الإحداثيات الهندسية يسمى بشكل صحيح"إمالة".
الاختلافات الهندسية في اللوالب
يُعتقد أن ثلاثة على الأقل من مطابقة الحمض النووي تحدث بشكل طبيعي: A-DNA و B-DNA و Z-DNA. يُعتقد أن النموذج B ، كما وصفه جيمس واتسون وفرانسيس كريك ، هو السائد في الخلايا. يبلغ عرضها 23.7 ويطولها 34 بمقدار 10 نقاط أساس. تسلسل. يتكون الحلزون المزدوج للحمض النووي من روابط سطرين من الحمض النووي الريبي ، مما يجعل دورة واحدة كاملة حول محوره كل 10.4-10.5 أزواج قاعدية في المحلول. يعتمد تردد الالتواء هذا (يسمى الملعب الحلزوني) إلى حد كبير على قوى التراص التي تمارسها كل قاعدة على جيرانها في السلسلة. يحدد التكوين المطلق للقواعد اتجاه المنحنى الحلزوني لتشكل معين.
الاختلافات والوظائف
تختلف A-DNA و Z-DNA اختلافًا كبيرًا في هندستها وحجمها مقارنة بـ B-DNA ، على الرغم من أنها لا تزال تشكل هياكل حلزونية. ساد الاعتقاد منذ فترة طويلة أن الشكل A يحدث فقط في عينات الحمض النووي المجففة في المختبر المستخدم في التجارب البلورية وفي أزواج خيوط DNA-RNA الهجينة ، لكن جفاف الحمض النووي يحدث في الجسم الحي ، ولدى A-DNA الآن وظائف بيولوجية معروفة لنا. قد تتبنى أجزاء الحمض النووي التي تمت ميثلة خلاياها لأغراض تنظيمية هندسة Z حيث تدور الخيوط حول المحور الحلزوني بطريقة معاكسة لـ A-DNA و B-DNA. هناك أيضًا دليل على أن مجمعات البروتين والحمض النووي تشكل هياكل Z-DNA. لا يتغير طول حلزون الحمض النووي بأي شكل من الأشكالاكتب.
مشاكل مع الأسماء
في الواقع ، لا تتوفر الآن سوى الأحرف F و Q و U و V و Y لتسمية الأنواع المختلفة من الحمض النووي التي قد يتم اكتشافها في المستقبل. ومع ذلك ، تم إنشاء معظم هذه الأشكال صناعياً ولديها لم يتم ملاحظته في النظم البيولوجية الطبيعية. هناك أيضًا ثلاث خيوط (3 سلاسل من الحمض النووي) ورباعية الأضلاع ، مثل G-quadruplex.
اتصال الخيوط
يتكون الحلزون المزدوج للحمض النووي من روابط خيوط حلزونية. نظرًا لأن الخيوط لا تتقابل مباشرة مع بعضها البعض ، فإن الأخاديد بينهما ذات حجم غير متساوٍ. أحد الأخدود ، الأخدود الرئيسي ، يبلغ عرضه 22 ، والآخر صغير ، ويبلغ طوله 12. يعني ضيق الأخدود الثانوي أن حواف القواعد يمكن الوصول إليها بشكل أكبر في الأخدود الرئيسي. نتيجة لذلك ، فإن البروتينات مثل عوامل النسخ التي يمكن أن ترتبط بتسلسلات معينة في الحلزون المزدوج للحمض النووي تقوم عادة بالاتصال بجوانب القواعد المفتوحة في الأخدود الرئيسي. يتغير هذا الموقف في تطابق غير عادي للحمض النووي داخل الخلية ، ولكن دائمًا ما يتم تسمية الأخاديد الرئيسية والثانوية لتعكس الاختلافات في الحجم التي يمكن رؤيتها إذا تم التواء الحمض النووي مرة أخرى إلى شكله الطبيعي ب.
إنشاء نموذج
في أواخر السبعينيات ، تم اعتبار النماذج البديلة غير الحلزونية لفترة وجيزة حلاً محتملاً لمشاكل تكرار الحمض النووي في البلازميدات والكروماتين. ومع ذلك ، تم التخلي عنها لصالح نموذج الملف المزدوج للحمض النووي بسبب التطورات التجريبية اللاحقة مثل الأشعة السينيةعلم البلورات لمزدوجات الحمض النووي. أيضًا ، النماذج غير اللولبية المزدوجة غير مقبولة حاليًا من قبل المجتمع العلمي السائد.
الأحماض النووية أحادية السلسلة (ssDNA) لا تأخذ شكلًا حلزونيًا ويتم وصفها بواسطة نماذج مثل الملف العشوائي أو السلسلة الشبيهة بالديدان.
DNA عبارة عن بوليمر جامد نسبيًا ، يتم تصميمه عادةً على شكل سلسلة شبيهة بالديدان. صلابة النموذج مهمة لتعميم الحمض النووي وتوجيه البروتينات المرتبطة به بالنسبة لبعضها البعض ، في حين أن الصلابة المحورية الهستيرية مهمة لتغليف الحمض النووي وتداول البروتين والتفاعل. استطالة الضغط غير مهمة نسبيًا في غياب الجهد العالي.
الكيمياء وعلم الوراثة
لا يتخذ الحمض النووي في المحلول بنية صلبة ، ولكنه يغير التشكل باستمرار بسبب الاهتزاز الحراري والاصطدام بجزيئات الماء ، مما يجعل من المستحيل تطبيق تدابير الصلابة الكلاسيكية. لذلك ، تقاس صلابة الانحناء للحمض النووي من خلال طول الثبات ، الذي يُعرَّف بأنه "طول الحمض النووي الذي يصبح خلاله اتجاه متوسط الوقت للبوليمر غير مرتبط."
يمكن قياس هذه القيمة بدقة باستخدام مجهر القوة الذرية لتصوير جزيئات الحمض النووي ذات الأطوال المختلفة مباشرة. في محلول مائي ، يبلغ متوسط الطول الثابت 46-50 نانومتر أو 140-150 زوجًا قاعديًا (DNA 2 نانومتر) ، على الرغم من أن هذا يمكن أن يختلف بشكل كبير. هذا يجعل الحمض النووي جزيءًا معتدل الصلابة.
تعتمد مدة استمرار مقطع DNA بشكل كبير على تسلسلها ، وهذا يمكن أن يؤدي إلى أهمية كبيرةالتغييرات. يرجع السبب الأخير في الغالب إلى تكديس الطاقة والشظايا التي تنتشر في الأخاديد الصغيرة والكبيرة.
الخصائص الفيزيائية والمنحنيات
تتوافق المرونة الحتمية للحمض النووي بشكل ملحوظ مع النماذج القياسية لفيزياء البوليمر ، مثل نموذج كراتكي-بورود الخاص بالديدان المتسلسلة. بما يتفق مع النموذج الشبيه بالديدان ، هناك ملاحظة مفادها أن ثني الحمض النووي موصوف أيضًا بواسطة قانون هوك عند قوى صغيرة جدًا (subpiconeontonic). ومع ذلك ، بالنسبة لأجزاء من الحمض النووي أصغر من حيث المدة والمثابرة ، تكون قوة الانحناء ثابتة تقريبًا وينحرف السلوك عن التوقعات ، على عكس النماذج الشبيهة بالديدان التي سبق ذكرها.
ينتج عن هذا التأثير سهولة غير عادية في تدوير جزيئات الحمض النووي الصغيرة واحتمال أكبر للعثور على مناطق DNA شديدة الانحناء.
غالبًا ما يكون لجزيئات الحمض النووي اتجاه مفضل للانحناء ، أي الانحناء متباين الخواص. هذا ، مرة أخرى ، يرجع إلى خصائص القواعد التي تشكل تسلسل الحمض النووي ، وهي التي تربط شريطين من الحمض النووي في حلزون. في بعض الحالات ، لا تحتوي التسلسلات على التقلبات التي يضرب بها المثل.
هيكل حلزون مزدوج DNA
يتم تحديد الاتجاه المفضل لانحناء الحمض النووي من خلال استقرار التراص لكل قاعدة فوق التي تليها. إذا كانت خطوات التراص الأساسية غير المستقرة دائمًا على جانب واحد من حلزون الحمض النووي ، فإن الحمض النووي سوف ينثني بشكل تفضيلي بعيدًا عن هذا الاتجاه. ربط خيطين من الحمض النووي في حلزونبواسطة الجزيئات التي تعتمد على هذا الاتجاه. مع زيادة زاوية الانحناء ، فإنها تلعب دور العوائق الفراغية ، مما يُظهر القدرة على دحرجة المخلفات فيما يتعلق ببعضها البعض ، خاصة في الأخدود الصغير. يفضل أن تحدث الترسبات A و T في أخاديد صغيرة داخل الانحناءات. يتضح هذا التأثير بشكل خاص في ارتباط بروتين الحمض النووي عند إحداث الانحناء الصلب للحمض النووي ، على سبيل المثال في جزيئات الجسيمات النووية.
يمكن أن تنثني جزيئات الحمض النووي ذات الانحناء الاستثنائي. تم اكتشاف هذا لأول مرة في الحمض النووي من المثقبيات الحركية. تتضمن التسلسلات النموذجية التي تسبب ذلك 4-6 T و A امتدادات مفصولة بـ G و C ، والتي تحتوي على بقايا A و T في طور أخدود ثانوي على نفس الجانب من الجزيء.
الهيكل الداخلي المنحني ناتج عن "الدوران اللولبي" لأزواج القاعدة بالنسبة لبعضها البعض ، مما يسمح بإنشاء روابط هيدروجينية غير عادية بين مراحل القاعدة. في درجات الحرارة المرتفعة ، يتم تغيير طبيعة هذا الهيكل وبالتالي يتم فقد الانحناء الجوهري.
كل الحمض النووي الذي ينحني متباين الخواص لديه ، في المتوسط ، قوة دفع أطول وتصلب محوري أكبر. هذه الصلابة المتزايدة ضرورية لمنع الانحناء العرضي الذي قد يتسبب في عمل الجزيء بشكل متناحي.
رنين الحمض النووي يعتمد على كل من الصلابة المحورية (الانحناء) والصلابة الالتوائية (الدورانية) للجزيء. لكي ينتشر جزيء DNA بنجاح ، يجب أن يكون طويلًا بما يكفي للانحناء بسهولة في دائرة كاملة وله العدد الصحيح من القواعد اللازمةكانت النهايات في الدوران الصحيح من أجل ضمان إمكانية لصق اللوالب. الطول الأمثل لتعميم الحمض النووي هو حوالي 400 زوج قاعدي (136 نانومتر). إن وجود عدد فردي من الدورات هو حاجز طاقة كبير للدوائر ، على سبيل المثال ، 10.4 × 30=312 زوج جزيء سوف يدور أسرع مئات المرات من 10.4 × 30.5 × 317 جزيء.
مرونة
الامتدادات الأطول من الحمض النووي تكون مرنة من الناحية الحتمية عند التمدد. عندما يكون الحمض النووي في محلول ، فإنه يخضع لتغييرات هيكلية مستمرة بسبب الطاقة المتاحة في حمام المذيب الحراري. هذا بسبب الاهتزازات الحرارية لجزيء الحمض النووي ، جنبًا إلى جنب مع الاصطدامات المستمرة مع جزيئات الماء. لأسباب الانتروبيا ، يمكن الوصول إلى حالات الاسترخاء الأكثر تماسكًا من الناحية الحرارية أكثر من الحالات الممتدة ، وبالتالي فإن جزيئات الحمض النووي موجودة في كل مكان تقريبًا في النماذج الجزيئية المعقدة "المسترخية". لهذا السبب ، سوف يتمدد جزيء واحد من الحمض النووي تحت تأثير القوة ، مما يؤدي إلى تقويمه. باستخدام ملاقط بصرية ، تمت دراسة وتحليل الانتروبيا لسلوك تمدد الحمض النووي من منظور فيزياء البوليمر ، ووجد أن الحمض النووي يتصرف بشكل أساسي مثل نموذج سلسلة تشبه دودة كراتكي-بورود على مقاييس الطاقة المتاحة فيزيولوجيًا.
مع التوتر الكافي وعزم الدوران الإيجابي ، يُعتقد أن الحمض النووي يمر بمرحلة انتقالية ، مع تحرك العمود الفقري للخارج وانتقال الفوسفات إلىوسط. تمت تسمية هذا الهيكل المقترح للحمض النووي الممدود بشكل زائد بالحمض النووي P على اسم Linus Pauling ، الذي تصوره في الأصل كهيكل DNA محتمل.
دليل على التمدد الميكانيكي للحمض النووي في غياب نقاط عزم الدوران المفروضة على الانتقال أو التحولات التي تؤدي إلى المزيد من الهياكل التي يشار إليها عادةً باسم الأشكال S. لم يتم توصيف هذه الهياكل بشكل نهائي حتى الآن بسبب صعوبة أداء التصوير بدقة لمرنان ذري في محلول مع القوة المطبقة ، على الرغم من إجراء العديد من دراسات المحاكاة الحاسوبية. تتضمن هياكل S-DNA المقترحة تلك التي تحافظ على طية زوج القاعدة ورابط الهيدروجين (المخصب في GC).
النموذج السيني
تم اقتراح الكسر الدوري لمكدس زوج القاعدة مع كسر كهيكل منتظم يحافظ على انتظام المكدس الأساسي ويطلق قدرًا مناسبًا من التمدد ، مع تقديم المصطلح "Σ-DNA" باعتباره ذاكريًا حيث تعمل النقاط الثلاث اليمنى لرمز "سيجما" على تذكير بثلاثة أزواج من القواعد العنقودية. لقد ثبت أن النموذج Σ لديه تفضيل تسلسلي لنماذج GNC ، والتي تعتقد فرضية GNC_h أن لها أهمية تطورية.
ذوبان وتسخين وفك اللولب
النموذج B من حلزون DNA يلف 360 درجة لـ 10.4-10.5 نقطة أساس. في حالة عدم وجود تشوه الالتواء. لكن العديد من العمليات البيولوجية الجزيئية يمكن أن تسبب الإجهاد الالتوائي. قطعة من DNA بها فائض أوتم ذكر undercoiling في كل من السياقات الإيجابية والسلبية ، على التوالي. عادةً ما يكون الحمض النووي في الجسم الحي ملفوفًا بشكل سلبي (أي يحتوي على تجعيد الشعر الملتوي في الاتجاه المعاكس) ، مما يسهل فك (ذوبان) الحلزون المزدوج ، وهو أمر ضروري بشدة لنسخ الحمض النووي الريبي.
داخل الخلية ، يكون معظم الحمض النووي محدودًا طوبولوجيًا. يوجد الحمض النووي عادةً في حلقات مغلقة (مثل البلازميدات في بدائيات النوى) وهي جزيئات مغلقة طوبولوجيًا أو جزيئات طويلة جدًا تنتج معاملات انتشارها بفعالية مناطق مغلقة طوبولوجيًا. ترتبط الامتدادات الخطية للحمض النووي بشكل شائع بالبروتينات أو الهياكل الفيزيائية (مثل الأغشية) لتشكيل حلقات طوبولوجية مغلقة.
يجب موازنة أي تغيير في المعلمة T في منطقة طوبولوجية مغلقة من خلال تغيير في معامل W والعكس صحيح. ينتج عن هذا بنية حلزونية أعلى لجزيئات الحمض النووي. سيكون جزيء DNA العادي مع الجذر 0 دائريًا في تصنيفه. إذا تم زيادة أو تقليل تحريف هذا الجزيء لاحقًا عن طريق التوافق الفائق ، فسيتم تغيير الجذور وفقًا لذلك ، مما يتسبب في خضوع الجزيء لفائف فائقة السرعة أو حلقي.
عندما يتم توصيل نهايات قسم من الحلزون المزدوج للحمض النووي بحيث تشكل دائرة ، يتم ربط الخيوط طوبولوجيًا. هذا يعني أنه لا يمكن فصل مؤشرات الترابط الفردية عن أي عملية غير مرتبطة بفاصل مؤشر ترابط.(مثل التدفئة). تقع مهمة فك قيود خيوط الحمض النووي المرتبطة طوبولوجيًا على عاتق إنزيمات تسمى topoisomerases.
