El terme "hèlix d'ADN" té una història i una naturalesa complexes. Amb això, per regla general, s'entén el model introduït per James Watson. La doble hèlix d'ADN es manté juntament amb nucleòtids que formen un parell. A l'ADN B, l'estructura helicoïdal més comuna que es troba a la natura, la doble hèlix és dreta amb 10-10,5 parells de bases per torn. L'estructura de doble hèlix de l'ADN conté un solc major i un solc menor. A l'ADN B, el solc principal és més ample que el solc menor. Donada la diferència d'amplada entre els solcs majors i menors, moltes proteïnes que s'uneixen a l'ADN-B ho fan a través del solc major més ample.
Historial de descobriments
El model estructural de la doble hèlix d'ADN es va publicar per primera vegada a Nature per James Watson i Francis Crick el 1953 (coordenades X, Y, Z el 1954) basat en una imatge crítica de difracció de raigs X de l'ADN etiquetada com a Foto 51, de l'obra de Rosalind Franklin de 1952, seguida d'una imatge més clara d'ella presaRaymond Gosling, Maurice Wilkins, Alexander Stokes i Herbert Wilson. El model preliminar era ADN de tres cadenes.
La constatació que l'estructura oberta és una doble hèlix explica el mecanisme pel qual dues cadenes d'ADN s'uneixen en una hèlix, mitjançant la qual la informació genètica s'emmagatzema i es copia en els organismes vius. Aquest descobriment es considera un dels coneixements científics més importants del segle XX. Crick, Wilkins i Watson van rebre cadascun un terç del Premi Nobel de Fisiologia o Medicina de 1962 per les seves contribucions al descobriment. Franklin, les dades innovadores de la difracció de raigs X es van utilitzar per formular l'hèlix d'ADN, va morir el 1958 i, per tant, no era elegible per a una nominació al Premi Nobel.
Valor per a la hibridació
La hibridació és el procés de connexió de parells de bases que s'uneixen per formar una doble hèlix. La fusió és el procés pel qual s'interrompen les interaccions entre cadenes de doble hèlix, separant dues línies d'àcids nucleics. Aquests enllaços són febles, fàcilment separats per una calor suau, enzims o força mecànica. La fusió es produeix principalment en determinats punts de l'àcid nucleic. Les regions de l'hèlix d'ADN marcades amb T i A es fonen més fàcilment que les regions C i G. Alguns estadis de bases (parells) també són susceptibles a la fusió de l'ADN, com ara TA i TG. Aquests trets mecànics es reflecteixen en seqüències com ara TATA al començament de molts gens per ajudar a l'ARN polimerasa a fondre l'ADN per a la transcripció.
Calefacció
Separació de processoscadenes per escalfament superficial, tal com s'utilitza en la reacció en cadena de la polimerasa (PCR), és senzill, sempre que les molècules siguin aproximadament 10.000 parells de bases (10 parells de quilobases o 10 kbp). L'entrellaçament de cadenes d'ADN dificulta la separació de segments llargs. La cèl·lula evita aquest problema permetent que els seus enzims de fusió d'ADN (helicases) funcionin simultàniament amb topoisomerases, que poden escindir químicament la columna vertebral de fosfat d'una de les cadenes perquè pugui girar al voltant de l' altra. Les helicases desenrotllen les cadenes per facilitar el pas d'enzims de lectura de seqüències com l'ADN polimerasa. La doble hèlix d'ADN està formada pels enllaços d'aquestes cadenes.
Geometria espiral
El component geomètric de l'estructura de l'ADN es pot caracteritzar per 6 coordenades: desplaçament, lliscament, pujada, inclinació, gir i gir. Aquests valors determinen amb precisió la ubicació i l'orientació a l'espai de cada parell de cadenes d'ADN. A les regions d'ADN o ARN on l'estructura normal està alterada, es pot utilitzar un canvi en aquests valors per descriure aquesta interrupció.
Aixecar i girar estan determinats per la forma de l'espiral. Altres coordenades, per contra, poden ser iguals a zero.
Tingueu en compte que "skew" s'utilitza sovint de diverses maneres a la literatura científica, fent referència a la desviació del primer eix de la base entre filaments de ser perpendicular a l'eix de l'hèlix. Això correspon al lliscament entre la seqüència de bases de la doble hèlix d'ADN, i en coordenades geomètriques s'anomena correctament"inclinació".
Diferències geomètriques en espirals
Es creu que almenys tres conformacions d'ADN es produeixen de manera natural: A-DNA, B-DNA i Z-DNA. Es creu que la forma B, tal com la descriuen James Watson i Francis Crick, és predominant a les cèl·lules. Té una amplada de 23,7 Å i s'allarga 34 Å per 10 pb. seqüències. La doble hèlix d'ADN està formada pels enllaços de dues línies d'àcid ribonucleic, que fan una volta completa al voltant del seu eix cada 10,4-10,5 parells de bases en solució. Aquesta freqüència de gir (anomenada pas helicoïdal) depèn en gran mesura de les forces d'apilament que cada base exerceix sobre els seus veïns de la cadena. La configuració absoluta de les bases determina la direcció de la corba helicoïdal per a una conformació determinada.
Diferències i funcions
A-DNA i Z-DNA són significativament diferents en la seva geometria i mida en comparació amb l'ADN-B, tot i que encara formen estructures helicoïdals. Fa temps que s'ha pensat que la forma A només es troba en mostres d'ADN deshidratat al laboratori utilitzades en experiments cristal·logràfics i en aparellaments híbrids de cadenes d'ADN-ARN, però la deshidratació de l'ADN es produeix in vivo, i l'ADN-A ara té funcions biològiques conegudes per nos altres.. Els segments d'ADN les cèl·lules dels quals s'han metilat amb finalitats reguladores poden adoptar una geometria Z en la qual les cadenes giren al voltant de l'eix helicoïdal de manera oposada a l'A-DNA i B-DNA. També hi ha proves de complexos proteïna-ADN que formen estructures d'ADN-Z. La longitud de l'hèlix d'ADN no canvia de cap manera segonstipus.
Problemes amb els noms
De fet, ara només les lletres F, Q, U, V i Y estan disponibles per anomenar els diferents tipus d'ADN que es podran descobrir en el futur. Tanmateix, la majoria d'aquestes formes es van crear sintèticament i han no s'ha observat en sistemes biològics naturals. També hi ha formes de tres cadenes (3 cadenes d'ADN) i quadripols, com ara el G-quadruplex.
Connexió de fils
La doble hèlix d'ADN està formada pels enllaços de cadenes helicoïdals. Com que els fils no estan directament enfrontats, les ranures entre elles són de mida desigual. Un solc, el principal, té una amplada de 22 Å, i l' altre, petit, arriba a una longitud de 12 Å. L'estretor de la ranura secundària fa que les vores de les bases siguin més accessibles a la ranura principal. Com a resultat, proteïnes com els factors de transcripció que es poden unir a seqüències específiques de la doble hèlix d'ADN solen entrar en contacte amb els costats de les bases que estan oberts al solc principal. Aquesta situació canvia en conformacions d'ADN inusuals dins de la cèl·lula, però els solcs majors i menors sempre s'anomenen per reflectir les diferències de mida que es veurien si l'ADN es tornés a torçar a la seva forma B normal.
Creació d'un model
A finals de la dècada de 1970, es van considerar breument models alternatius no helicoïdals com una solució potencial als problemes de la replicació de l'ADN en plasmidis i cromatina. No obstant això, es van abandonar a favor del model de doble bobina d'ADN a causa dels avenços experimentals posteriors com els raigs X.cristal·lografia de dúplex d'ADN. A més, els models de doble hèlix no són acceptats actualment per la comunitat científica principal.
Els àcids nucleics monocatenaris (ssDNA) no prenen forma helicoïdal i es descriuen per models com ara una bobina aleatòria o una cadena semblant a un cuc.
L'ADN és un polímer relativament rígid, normalment modelat com una cadena semblant a un cuc. La rigidesa del model és important per a la circularització de l'ADN i l'orientació de les seves proteïnes associades entre si, mentre que la rigidesa axial histerètica és important per a l'embolcall de l'ADN i la circulació i la interacció de proteïnes. L'allargament de compressió és relativament poc important en absència d' alta tensió.
Química i genètica
L'ADN en solució no adquireix una estructura rígida, sinó que canvia constantment de conformació a causa de la vibració tèrmica i la col·lisió amb les molècules d'aigua, fet que fa impossible l'aplicació de les mesures clàssiques de rigidesa. Per tant, la rigidesa a la flexió de l'ADN es mesura per la longitud de persistència, definida com "la longitud de l'ADN sobre la qual l'orientació mitjana del temps del polímer esdevé un coeficient sense correlació".
Aquest valor es pot mesurar amb precisió mitjançant un microscopi de força atòmica per obtenir imatges directament de molècules d'ADN de diverses longituds. En solució aquosa, la longitud constant mitjana és de 46-50 nm o 140-150 parells de bases (ADN 2 nm), encara que això pot variar considerablement. Això fa que l'ADN sigui una molècula moderadament rígida.
La durada de la continuació d'un segment d'ADN depèn molt de la seva seqüència, i això pot provocarcanvis. Aquests últims es deuen principalment a l'apilament d'energia i fragments que es propaguen en solcs menors i principals.
Propietats físiques i corbes
La flexibilitat entròpica de l'ADN és notablement coherent amb els models estàndard de la física dels polímers, com el model Kratky-Porod del cuc en cadena. Coherent amb el model semblant a un cuc és l'observació que la flexió de l'ADN també es descriu per la llei de Hooke a forces molt petites (subpiconeontòniques). Tanmateix, per a segments d'ADN més petits en durada i persistència, la força de flexió és aproximadament constant i el comportament es desvia de les prediccions, en contrast amb els models semblants a cucs ja esmentats.
Aquest efecte provoca una facilitat inusual per circular molècules petites d'ADN i una probabilitat més alta de trobar regions d'ADN molt corbes.
Les molècules d'ADN sovint tenen una direcció preferida per a la flexió, és a dir, la flexió anisòtropa. Això, de nou, es deu a les propietats de les bases que formen les seqüències d'ADN, i són elles les que connecten les dues cadenes d'ADN en una hèlix. En alguns casos, les seqüències no tenen els girs proverbials.
Estructura de doble hèlix d'ADN
La direcció preferida de flexió de l'ADN ve determinada per l'estabilitat d'apilament de cada base sobre la següent. Si els passos d'apilament de bases inestables sempre estan a un costat de l'hèlix d'ADN, llavors l'ADN es plegarà preferentment des d'aquesta direcció. Connectant dues cadenes d'ADN en una hèlixrealitzat per molècules que depenen d'aquesta direcció. A mesura que augmenta l'angle de flexió, juguen el paper d'obstacles estèrics, mostrant la capacitat de rodar els residus entre si, especialment a la petita ranura. Els dipòsits A i T es produiran preferentment en petites ranures dins dels revolts. Aquest efecte és especialment evident en la unió ADN-proteïna quan s'indueix una flexió rígida de l'ADN, per exemple en partícules de nucleosomes.
Les molècules d'ADN
amb una flexió excepcional poden tornar-se flexibles. Això es va descobrir per primera vegada en l'ADN del cinetoplast de tripanosomàtid. Les seqüències típiques que provoquen això inclouen 4-6 trams T i A separats per G i C, que contenen residus A i T en una fase de solc menor al mateix costat de la molècula.
L'estructura doblegada interna és induïda pel "girar" dels parells de bases entre si, la qual cosa permet la creació d'enllaços d'hidrogen bifurcats inusuals entre les etapes de la base. A temperatures més altes, aquesta estructura es desnaturalitza i, per tant, es perd la curvatura intrínseca.
Tot l'ADN que es doblega anisotròpicament té, de mitjana, una empenta més llarga i una major rigidesa axial. Aquesta rigidesa augmentada és necessària per evitar una flexió accidental que faria que la molècula actués de manera isotròpica.
L'anellament de l'ADN depèn tant de la rigidesa axial (flexió) com de la rigidesa torsional (rotacional) de la molècula. Perquè una molècula d'ADN circuli amb èxit, ha de ser prou llarga per doblegar-se fàcilment en un cercle complet i tenir el nombre correcte de bases perels extrems estaven en la rotació correcta per tal de garantir la possibilitat d'enganxar les espirals. La longitud òptima per a l'ADN circulant és d'uns 400 parells de bases (136 nm). La presència d'un nombre imparell de voltes és una barrera energètica important per als circuits, per exemple, una molècula de 10,4 x 30=312 parells circularà centenars de vegades més ràpid que una molècula de 10,4 x 30,5 ≈ 317.
Elasticitat
Els trams més llargs d'ADN són entròpicament elàstics quan s'estiren. Quan l'ADN està en solució, experimenta canvis estructurals continus a causa de l'energia disponible al bany de dissolvent tèrmic. Això es deu a les vibracions tèrmiques de la molècula d'ADN, combinades amb constants xocs amb molècules d'aigua. Per raons d'entropia, els estats relaxats més compactes són tèrmicament més accessibles que els estats estirats, de manera que les molècules d'ADN són gairebé omnipresents en models moleculars "relaxats" complexos. Per aquest motiu, una molècula d'ADN s'estirarà sota la força, redreçant-la. Amb pinces òptiques, s'ha estudiat i analitzat el comportament d'estirament de l'entropia de l'ADN des de la perspectiva de la física dels polímers, i s'ha trobat que l'ADN es comporta bàsicament com un model de cadena semblant a un cuc Kratky-Porod a les escales d'energia disponibles fisiològicament..
Amb una tensió suficient i un parell positiu, es creu que l'ADN experimenta una transició de fase, amb la columna vertebral que es mou cap a fora i els fosfats cap a dins.mig. Aquesta estructura proposada per a l'ADN sobreestirat va rebre el nom d'ADN de forma P en honor a Linus Pauling, que originalment la va imaginar com una possible estructura d'ADN.
Evidència de l'estirament mecànic de l'ADN en absència de punts de parell imposats a una transició o transicions que condueixen a estructures addicionals anomenades habitualment formes en S. Aquestes estructures encara no s'han caracteritzat definitivament a causa de la dificultat de realitzar imatges de resolució d'un ressonador atòmic en solució amb força aplicada, tot i que s'han fet molts estudis de simulació per ordinador. Les estructures d'ADN-S suggerides inclouen aquelles que conserven el plec del parell de bases i l'enllaç d'hidrogen (enriquit en GC).
Model sigmoide
La fractura periòdica de la pila de parells de bases amb una ruptura s'ha proposat com una estructura regular que conserva la regularitat de la pila de bases i allibera una quantitat adequada d'expansió, amb el terme "Σ-DNA" introduït. com a mnemotècnica en què els tres punts de la mà dreta del símbol "Sigma" serveixen com a recordatori de tres parells de bases agrupats. S'ha demostrat que la forma Σ té una preferència de seqüència per als motius GNC, que la hipòtesi GNC_h creu que tenen un significat evolutiu.
Fondre, escalfar i desenrotllar l'espiral
La forma B de l'hèlix d'ADN es gira 360° durant 10,4-10,5 pb. en absència de deformació torsional. Però molts processos biològics moleculars poden induir estrès torsional. Un segment d'ADN amb un excés oEl subbobinament s'esmenta tant en contextos positius com negatius, respectivament. L'ADN in vivo sol estar enrotllat negativament (és a dir, té rínxols que es retorcen en la direcció oposada), cosa que facilita el desenrotllament (fusió) de la doble hèlix, que és molt necessària per a la transcripció de l'ARN.
Dins de la cèl·lula, la majoria de l'ADN està topològicament limitat. L'ADN es troba generalment en bucles tancats (com els plasmidis en procariotes) que són molècules topològicament tancades o molt llargues els coeficients de difusió de les quals produeixen eficaçment regions topològicament tancades. Els trams lineals d'ADN també s'associen habitualment amb proteïnes o estructures físiques (com les membranes) per formar bucles topològics tancats.
Qualsevol canvi en el paràmetre T en una regió topològica tancada s'ha d'equilibrar amb un canvi en el paràmetre W, i viceversa. Això dóna lloc a una estructura d'hèlix més alta de les molècules d'ADN. Una molècula d'ADN normal amb arrel 0 seria circular en la seva classificació. Si la torsió d'aquesta molècula s'incrementa o disminueix posteriorment per superconformació, les arrels s' alteraran en conseqüència, provocant que la molècula sofreixi un enrotllament superhelic plectonèmic o toroidal.
Quan els extrems d'una secció de la doble hèlix d'ADN estan connectats de manera que forma un cercle, les cadenes estan lligades topològicament. Això vol dir que els fils individuals no es poden separar de cap procés que no estigui associat amb un trencament de fil.(per exemple, calefacció). La tasca de deslligar les cadenes d'ADN enllaçades topològicament recau en uns enzims anomenats topoisomerases.
