O termo "DNA hélice" tem uma história e natureza complexas. Por ela, via de regra, entende-se o modelo introduzido por James Watson. A dupla hélice do DNA é mantida unida por nucleotídeos que formam um par. No B-DNA, a estrutura helicoidal mais comum encontrada na natureza, a dupla hélice é destra com 10-10,5 pares de bases por volta. A estrutura de dupla hélice do DNA contém um sulco maior e um sulco menor. No B-DNA, o sulco maior é mais largo que o sulco menor. Dada a diferença de largura entre os sulcos maiores e menores, muitas proteínas que se ligam ao B-DNA o fazem através do sulco maior mais amplo.
Histórico de descobertas
O modelo estrutural da dupla hélice do DNA foi publicado pela primeira vez na Nature por James Watson e Francis Crick em 1953 (coordenadas X, Y, Z em 1954) com base em uma imagem crítica de difração de raios X do DNA rotulado Foto 51, do trabalho de Rosalind Franklin de 1952, seguido por uma imagem mais clara dela tiradaRaymond Gosling, Maurice Wilkins, Alexander Stokes e Herbert Wilson. O modelo preliminar foi DNA de três fitas.
A percepção de que a estrutura aberta é uma dupla hélice explica o mecanismo pelo qual duas fitas de DNA se unem em uma hélice, pela qual a informação genética é armazenada e copiada em organismos vivos. Esta descoberta é considerada uma das mais importantes descobertas científicas do século XX. Crick, Wilkins e Watson receberam cada um um terço do Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina de 1962 por suas contribuições para a descoberta. Franklin, cujos dados de difração de raios-X foram usados para formular a hélice de DNA, morreu em 1958 e, portanto, não foi elegível para uma indicação ao Prêmio Nobel.
Valor para hibridização
Hibridização é o processo de conectar pares de bases que se ligam para formar uma dupla hélice. A fusão é o processo pelo qual as interações entre as fitas de dupla hélice são interrompidas, separando duas linhas de ácidos nucleicos. Essas ligações são fracas, facilmente separadas por calor moderado, enzimas ou força mecânica. A fusão ocorre predominantemente em certos pontos do ácido nucleico. As regiões da hélice de DNA marcadas com T e A são mais facilmente fundidas do que as regiões C e G. Alguns estágios de base (pares) também são suscetíveis à fusão do DNA, como TA e TG. Essas características mecânicas são espelhadas por sequências como TATA no início de muitos genes para ajudar a RNA polimerase a derreter o DNA para transcrição.
Aquecimento
Separação de processosfilamentos por aquecimento superficial, como usado na reação em cadeia da polimerase (PCR), é simples, desde que as moléculas tenham aproximadamente 10.000 pares de bases (10 quilopares de bases ou 10 kbp). O entrelaçamento das fitas de DNA dificulta a separação de segmentos longos. A célula evita esse problema permitindo que suas enzimas de derretimento de DNA (helicases) trabalhem simultaneamente com topoisomerases, que podem clivar quimicamente a cadeia principal de fosfato de uma das fitas para que ela possa girar em torno da outra. As helicases desenrolam as fitas para facilitar a passagem de enzimas de leitura de sequência, como a DNA polimerase. A dupla hélice do DNA é formada pelas ligações dessas fitas.
Geometria em espiral
O componente geométrico da estrutura do DNA pode ser caracterizado por 6 coordenadas: deslocamento, deslizamento, ascensão, inclinação, torção e giro. Esses valores determinam com precisão a localização e a orientação no espaço de cada par de fitas de DNA. Em regiões de DNA ou RNA onde a estrutura normal é interrompida, uma mudança nesses valores pode ser usada para descrever tal interrupção.
Ascensão e giro são determinados pela forma da espiral. Outras coordenadas, ao contrário, podem ser iguais a zero.
Observe que "inclinação" é frequentemente usado de várias maneiras na literatura científica, referindo-se ao desvio do primeiro eixo da base entre fitas de ser perpendicular ao eixo da hélice. Isso corresponde ao deslizamento entre a sequência de bases da dupla hélice do DNA, e em coordenadas geométricas é corretamente chamado"inclinar".
Diferenças geométricas em espirais
Pelo menos três conformações de DNA ocorrem naturalmente: A-DNA, B-DNA e Z-DNA. Acredita-se que a Forma B, conforme descrita por James Watson e Francis Crick, seja predominante nas células. Tem 23,7 Å de largura e alonga 34 Å por 10 bp. sequências. A dupla hélice do DNA é formada pelas ligações de duas linhas de ácido ribonucleico, que fazem uma revolução completa em torno de seu eixo a cada 10,4-10,5 pares de bases em solução. Essa frequência de torção (chamada de passo helicoidal) depende em grande parte das forças de empilhamento que cada base exerce sobre seus vizinhos na cadeia. A configuração absoluta das bases determina a direção da curva helicoidal para uma determinada conformação.
Diferenças e Funções
A-DNA e Z-DNA são significativamente diferentes em sua geometria e tamanho em relação ao B-DNA, embora ainda formem estruturas helicoidais. Há muito se pensa que a forma A ocorre apenas em amostras de DNA desidratadas em laboratório usadas em experimentos cristalográficos e em pares híbridos de fitas de DNA-RNA, mas a desidratação do DNA ocorre in vivo, e o A-DNA agora tem funções biológicas conhecidas por nós.. Segmentos de DNA cujas células foram metiladas para fins regulatórios podem adotar uma geometria Z na qual as fitas giram em torno do eixo helicoidal de maneira oposta ao A-DNA e B-DNA. Há também evidências de complexos proteína-DNA formando estruturas Z-DNA. O comprimento da hélice de DNA não muda de forma alguma dependendotipo.
Problemas com nomes
Na verdade, apenas as letras F, Q, U, V e Y estão agora disponíveis para nomear os diferentes tipos de DNA que podem ser descobertos no futuro. No entanto, a maioria dessas formas foi criada sinteticamente e tem não foi observada em sistemas biológicos naturais. Existem também formas de três fitas (3 fitas de DNA) e quadrupolos, como o G-quadruplex.
Conexão de roscas
DNA dupla hélice é formada pelas ligações de fitas helicoidais. Como as roscas não são diretamente opostas, as ranhuras entre elas são de tamanho desigual. Uma ranhura, a principal, tem largura de 22 Å, e a outra, pequena, atinge comprimento de 12 Å. A estreiteza da ranhura secundária significa que as bordas das bases são mais acessíveis na ranhura principal. Como resultado, proteínas como fatores de transcrição que podem se ligar a sequências específicas na dupla hélice do DNA normalmente fazem contato com os lados das bases que estão abertos no sulco principal. Essa situação muda em conformações incomuns de DNA dentro da célula, mas os sulcos maiores e menores são sempre nomeados para refletir as diferenças de tamanho que seriam vistas se o DNA fosse torcido de volta em sua forma B normal.
Criando um modelo
No final da década de 1970, modelos não helicoidais alternativos foram brevemente considerados como uma solução potencial para os problemas de replicação do DNA em plasmídeos e cromatina. No entanto, eles foram abandonados em favor do modelo de dupla bobina de DNA devido a avanços experimentais subsequentes, como raios-Xcristalografia de duplexes de DNA. Além disso, os modelos de hélice não dupla não são aceitos atualmente pela comunidade científica convencional.
Os ácidos nucleicos de fita simples (ssDNA) não assumem uma forma helicoidal e são descritos por modelos como bobina aleatória ou cadeia semelhante a um verme.
DNA é um polímero relativamente rígido, normalmente modelado como uma cadeia semelhante a um verme. A rigidez do modelo é importante para a circularização do DNA e a orientação de suas proteínas associadas em relação umas às outras, enquanto a rigidez axial histerética é importante para o envolvimento do DNA e a circulação e interação de proteínas. O alongamento por compressão é relativamente sem importância na ausência de alta tensão.
Química e genética
DNA em solução não assume uma estrutura rígida, mas muda constantemente de conformação devido à vibração térmica e colisão com moléculas de água, o que impossibilita a aplicação de medidas clássicas de rigidez. Portanto, a rigidez à flexão do DNA é medida pelo comprimento de persistência, definido como "o comprimento do DNA ao longo do qual a orientação média do tempo do polímero se torna o coeficiente não correlacionado."
Este valor pode ser medido com precisão usando um microscópio de força atômica para obter imagens diretas de moléculas de DNA de vários comprimentos. Em solução aquosa, o comprimento médio constante é de 46-50 nm ou 140-150 pares de bases (DNA 2 nm), embora isso possa variar consideravelmente. Isso torna o DNA uma molécula moderadamente rígida.
A duração da continuação de um segmento de DNA é altamente dependente de sua sequência, e isso pode levar amudanças. Os últimos são principalmente devido ao empilhamento de energia e fragmentos que se propagam em sulcos menores e maiores.
Propriedades físicas e curvas
A flexibilidade entrópica do DNA é notavelmente consistente com os modelos padrão da física de polímeros, como o modelo Kratky-Porod da minhoca. Consistente com o modelo semelhante a um verme é a observação de que o DNA de flexão também é descrito pela lei de Hooke em forças muito pequenas (subpiconeontônicas). No entanto, para segmentos de DNA menores em duração e persistência, a força de flexão é aproximadamente constante e o comportamento se desvia das previsões, em contraste com os modelos semelhantes a vermes já mencionados.
Esse efeito resulta em uma facilidade incomum na circularização de pequenas moléculas de DNA e uma maior probabilidade de encontrar regiões de DNA altamente curvas.
As moléculas
DNA geralmente têm uma direção preferida para dobrar, ou seja, dobra anisotrópica. Isso, novamente, é devido às propriedades das bases que compõem as sequências de DNA, e são elas que conectam as duas fitas de DNA em uma hélice. Em alguns casos, as sequências não têm as reviravoltas proverbiais.
DNA estrutura de dupla hélice
A direção preferida de dobra do DNA é determinada pela estabilidade de empilhamento de cada base em cima da próxima. Se as etapas de empilhamento de bases instáveis estiverem sempre em um lado da hélice do DNA, o DNA se dobrará preferencialmente para fora dessa direção. Conectando duas fitas de DNA em uma hélicerealizada por moléculas que dependem dessa direção. À medida que o ângulo de flexão aumenta, eles desempenham o papel de impedimentos estéricos, mostrando a capacidade de rolar os resíduos em relação uns aos outros, principalmente no sulco pequeno. Os depósitos A e T ocorrerão preferencialmente em pequenas ranhuras dentro das curvas. Este efeito é particularmente evidente na ligação DNA-proteína quando a flexão rígida do DNA é induzida, por exemplo, em partículas de nucleossomos.
Moléculas de DNA com flexão excepcional podem se tornar flexíveis. Isso foi descoberto pela primeira vez no DNA do cinetoplasto de tripanossomatídeos. As sequências típicas que causam isso incluem 4-6 trechos T e A separados por G e C, que contêm resíduos A e T em uma fase de sulco menor no mesmo lado da molécula.
A estrutura interna dobrada é induzida pelo "giro do parafuso" dos pares de bases em relação um ao outro, o que permite a criação de ligações de hidrogênio bifurcadas incomuns entre os estágios de base. Em temperaturas mais altas, essa estrutura é desnaturada e, portanto, a curvatura intrínseca é perdida.
Todo DNA que dobra anisotropicamente tem, em média, um impulso mais longo e maior rigidez axial. Essa rigidez aumentada é necessária para evitar dobras acidentais que fariam com que a molécula agisse isotropicamente.
O anelamento do DNA depende tanto da rigidez axial (flexural) quanto da rigidez torcional (rotacional) da molécula. Para que uma molécula de DNA circule com sucesso, ela deve ser longa o suficiente para dobrar facilmente em um círculo completo e ter o número correto de bases paraas pontas estavam na rotação correta para garantir a possibilidade de colar as espirais. O comprimento ideal para o DNA circulante é de cerca de 400 pares de bases (136 nm). A presença de um número ímpar de voltas é uma barreira de energia significativa para os circuitos, por exemplo, uma molécula de 10,4 x 30=312 pares circulará centenas de vezes mais rápido que uma molécula de 10,4 x 30,5 ≈ 317.
Elasticidade
Os trechos mais longos de DNA são entropicamente elásticos quando esticados. Quando o DNA está em solução, ele sofre mudanças estruturais contínuas devido à energia disponível no banho de solvente térmico. Isso se deve às vibrações térmicas da molécula de DNA, combinadas com colisões constantes com as moléculas de água. Por razões de entropia, estados relaxados mais compactos são termicamente mais acessíveis do que estados esticados, e assim as moléculas de DNA são quase onipresentes em intrincados modelos moleculares "relaxados". Por esta razão, uma molécula de DNA vai se esticar sob a força, endireitando-a. Usando pinças ópticas, o comportamento de alongamento da entropia do DNA foi estudado e analisado da perspectiva da física de polímeros, e descobriu-se que o DNA se comporta basicamente como um modelo de cadeia semelhante a um verme Kratky-Porod em escalas de energia fisiologicamente disponíveis.
Com tensão suficiente e torque positivo, acredita-se que o DNA passa por uma transição de fase, com a espinha dorsal movendo-se para fora e os fosfatos movendo-se para dentro.meio. Essa estrutura proposta para o DNA superesticado foi denominada DNA forma P em homenagem a Linus Pauling, que originalmente a imaginou como uma possível estrutura de DNA.
Evidência para estiramento mecânico do DNA na ausência de pontos de torque impostos para uma transição ou transições que levam a outras estruturas comumente referidas como formas em S. Essas estruturas ainda não foram caracterizadas definitivamente devido à dificuldade de realizar imagens de resolução de um ressonador atômico em solução com força aplicada, embora muitos estudos de simulação computacional tenham sido feitos. As estruturas de S-DNA sugeridas incluem aquelas que retêm a dobra do par de bases e a ligação de hidrogênio (enriquecida em GC).
Modelo sigmóide
A fratura periódica da pilha de pares de bases com uma quebra foi proposta como uma estrutura regular que retém a regularidade da pilha de bases e libera uma quantidade apropriada de expansão, com o termo "Σ-DNA" sendo introduzido como um mnemônico em que os três pontos à direita do símbolo "Sigma" servem como lembrete de três pares de bases agrupados. A forma Σ mostrou ter uma preferência de sequência para motivos GNC, que a hipótese GNC_h acredita ter significado evolutivo.
Derretendo, aquecendo e desenrolando a espiral
Forma B da hélice de DNA gira 360° para 10,4-10,5 pb. na ausência de deformação torcional. Mas muitos processos biológicos moleculares podem induzir estresse de torção. Um segmento de DNA com excesso ouundercoiling é mencionado em contextos positivos e negativos, respectivamente. O DNA in vivo geralmente é enrolado negativamente (ou seja, tem cachos que são torcidos na direção oposta), o que facilita o desenrolamento (fusão) da dupla hélice, que é extremamente necessária para a transcrição do RNA.
Dentro da célula, a maior parte do DNA é topologicamente limitada. O DNA é geralmente encontrado em alças fechadas (como plasmídeos em procariontes) que são moléculas topologicamente fechadas ou muito longas cujos coeficientes de difusão produzem efetivamente regiões topologicamente fechadas. Trechos lineares de DNA também são comumente associados a proteínas ou estruturas físicas (como membranas) para formar laços topológicos fechados.
Qualquer mudança no parâmetro T em uma região topológica fechada deve ser balanceada por uma mudança no parâmetro W, e vice-versa. Isso resulta em uma estrutura de hélice mais alta das moléculas de DNA. Uma molécula de DNA comum com raiz 0 seria circular em sua classificação. Se a torção desta molécula for subsequentemente aumentada ou diminuída por superconformação, então as raízes serão alteradas de acordo, fazendo com que a molécula sofra um enrolamento super-hélico toroidal ou plectnonêmico.
Quando as extremidades de uma seção da dupla hélice do DNA são conectadas de modo a formar um círculo, as fitas são topologicamente ligadas. Isso significa que threads individuais não podem ser separados de nenhum processo que não esteja associado a uma quebra de thread.(por exemplo, aquecimento). A tarefa de desvincular as fitas topologicamente ligadas de DNA cabe a enzimas chamadas topoisomerases.
