Istilah "heliks DNA" memiliki sejarah dan sifat yang kompleks. Yang dimaksud dengan itu, sebagai suatu peraturan, adalah model yang diperkenalkan oleh James Watson. Heliks ganda DNA disatukan dengan nukleotida yang membentuk pasangan. Dalam B-DNA, struktur heliks yang paling umum ditemukan di alam, heliks ganda adalah tangan kanan dengan 10-10,5 pasangan basa per putaran. Struktur heliks ganda DNA berisi alur utama dan alur kecil. Pada B-DNA, alur mayor lebih lebar dari alur minor. Mengingat perbedaan lebar antara alur mayor dan minor, banyak protein yang mengikat B-DNA melakukannya melalui alur mayor yang lebih lebar.
Riwayat penemuan
Model struktural heliks ganda DNA pertama kali diterbitkan di Nature oleh James Watson dan Francis Crick pada tahun 1953 (koordinat X, Y, Z pada tahun 1954) berdasarkan gambar difraksi sinar-x kritis dari DNA berlabel Foto 51, dari karya Rosalind Franklin tahun 1952, diikuti dengan gambar yang lebih jelas darinyaRaymond Gosling, Maurice Wilkins, Alexander Stokes dan Herbert Wilson. Model awal adalah DNA untai tiga.
Kesadaran bahwa struktur terbuka adalah heliks ganda menjelaskan mekanisme di mana dua untai DNA bergabung menjadi heliks, di mana informasi genetik disimpan dan disalin dalam organisme hidup. Penemuan ini dianggap sebagai salah satu wawasan ilmiah terpenting abad kedua puluh. Crick, Wilkins, dan Watson masing-masing menerima sepertiga dari Penghargaan Nobel dalam Fisiologi atau Kedokteran tahun 1962 atas kontribusi mereka terhadap penemuan tersebut. Franklin, yang terobosan data difraksi sinar-Xnya digunakan untuk memformulasi heliks DNA, meninggal pada tahun 1958 dan karenanya tidak memenuhi syarat untuk nominasi Hadiah Nobel.
Nilai untuk hibridisasi
Hibridisasi adalah proses penyambungan pasangan basa yang berikatan membentuk heliks ganda. Mencair adalah proses dimana interaksi antara untai heliks ganda terganggu, memisahkan dua baris asam nukleat. Ikatan ini lemah, mudah dipisahkan oleh panas ringan, enzim, atau gaya mekanik. Pencairan terjadi terutama pada titik-titik tertentu dalam asam nukleat. Daerah heliks DNA berlabel T dan A lebih mudah meleleh daripada daerah C dan G. Beberapa tahap basa (pasangan) juga rentan terhadap pencairan DNA, seperti TA dan TG. Sifat mekanis ini dicerminkan oleh urutan seperti TATA di awal banyak gen untuk membantu RNA polimerase melelehkan DNA untuk transkripsi.
Pemanasan
Proses pemisahanuntai dengan pemanasan dangkal, seperti yang digunakan dalam reaksi berantai polimerase (PCR), sederhana, asalkan molekulnya sekitar 10.000 pasangan basa (10 pasangan kilobase atau 10 kbp). Jalinan untai DNA membuat sulit untuk memisahkan segmen panjang. Sel menghindari masalah ini dengan membiarkan enzim peleburan DNA (helikase) bekerja secara simultan dengan topoisomerase, yang secara kimiawi dapat membelah tulang punggung fosfat dari salah satu untai sehingga dapat memutar yang lain. Helikase membuka untaian untuk memfasilitasi lewatnya enzim pembaca urutan seperti DNA polimerase. Heliks ganda DNA dibentuk oleh ikatan untaian ini.
Geometri spiral
Komponen geometris struktur DNA dapat dicirikan oleh 6 koordinat: geser, geser, naik, miring, putar, dan putar. Nilai-nilai tersebut justru menentukan letak dan orientasi dalam ruang setiap pasangan untai DNA. Di daerah DNA atau RNA di mana struktur normalnya terganggu, perubahan nilai ini dapat digunakan untuk menggambarkan gangguan tersebut.
Naik dan belok ditentukan oleh bentuk spiral. Koordinat lain, sebaliknya, bisa sama dengan nol.
Perhatikan bahwa "miring" sering digunakan dalam berbagai cara dalam literatur ilmiah, mengacu pada deviasi sumbu pertama dari basis antaruntai dari tegak lurus terhadap sumbu heliks. Ini sesuai dengan geser antara urutan dasar heliks ganda DNA, dan dalam koordinat geometris disebut dengan benar"miring".
Perbedaan geometris dalam spiral
Setidaknya tiga konformasi DNA diperkirakan terjadi secara alami: A-DNA, B-DNA dan Z-DNA. Bentuk B, seperti yang dijelaskan oleh James Watson dan Francis Crick, dianggap dominan dalam sel. Lebarnya 23,7 dan memanjang 34 kali 10 bp. urutan. Heliks ganda DNA dibentuk oleh ikatan dua garis asam ribonukleat, yang membuat satu putaran penuh di sekitar sumbunya setiap 10,4-10,5 pasangan basa dalam larutan. Frekuensi putaran ini (disebut pitch heliks) sangat bergantung pada gaya susun yang diberikan setiap pangkalan pada tetangganya dalam rantai. Konfigurasi mutlak basa menentukan arah kurva heliks untuk konformasi tertentu.
Perbedaan dan Fungsi
A-DNA dan Z-DNA secara signifikan berbeda dalam geometri dan ukurannya dibandingkan dengan B-DNA, meskipun mereka masih membentuk struktur heliks. Telah lama diperkirakan bahwa bentuk A hanya terjadi pada sampel DNA yang terdehidrasi di laboratorium yang digunakan dalam eksperimen kristalografi dan dalam pasangan untai DNA-RNA hibrid, tetapi dehidrasi DNA memang terjadi secara in vivo, dan A-DNA sekarang memiliki fungsi biologis yang kita ketahui. Segmen DNA yang selnya telah dimetilasi untuk tujuan pengaturan dapat mengadopsi geometri Z di mana untaian berputar di sekitar sumbu heliks dengan cara yang berlawanan dengan A-DNA dan B-DNA. Ada juga bukti kompleks protein-DNA yang membentuk struktur Z-DNA. Panjang heliks DNA tidak berubah dengan cara apapun tergantung padaketik.
Masalah dengan nama
Faktanya, hanya huruf F, Q, U, V, dan Y yang sekarang tersedia untuk menyebutkan berbagai jenis DNA yang mungkin ditemukan di masa depan. Namun, sebagian besar bentuk ini dibuat secara sintetis dan memiliki tidak diamati dalam sistem biologis alami. Ada juga tiga untai (3 untai DNA) dan bentuk kuadrupol, seperti G-quadruplex.
Koneksi utas
DNA double helix dibentuk oleh ikatan untaian heliks. Karena ulir tidak saling berhadapan secara langsung, lekukan di antara mereka berukuran tidak rata. Satu alur, yang utama, memiliki lebar 22, dan yang lainnya, yang kecil, mencapai panjang 12. Kesempitan alur sekunder berarti bahwa tepi alas lebih mudah diakses di alur utama. Akibatnya, protein seperti faktor transkripsi yang dapat mengikat urutan spesifik dalam heliks ganda DNA biasanya melakukan kontak dengan sisi basa yang terbuka di alur utama. Situasi ini mengubah konformasi DNA yang tidak biasa di dalam sel, tetapi alur mayor dan minor selalu diberi nama untuk mencerminkan perbedaan ukuran yang akan terlihat jika DNA dipelintir kembali ke bentuk B normalnya.
Membuat model
Pada akhir 1970-an, model non-heliks alternatif secara singkat dianggap sebagai solusi potensial untuk masalah replikasi DNA dalam plasmid dan kromatin. Namun, mereka ditinggalkan demi model kumparan ganda DNA karena kemajuan eksperimental berikutnya seperti sinar-Xkristalografi dupleks DNA. Juga, model heliks non-ganda saat ini tidak diterima oleh komunitas ilmiah arus utama.
Asam nukleat untai tunggal (ssDNA) tidak berbentuk heliks dan digambarkan dengan model seperti kumparan acak atau rantai seperti cacing.
DNA adalah polimer yang relatif kaku, biasanya dimodelkan sebagai rantai seperti cacing. Kekakuan model penting untuk sirkularisasi DNA dan orientasi protein terkait relatif satu sama lain, sementara kekakuan aksial histeris penting untuk pembungkus DNA dan sirkulasi dan interaksi protein. Perpanjangan kompresi relatif tidak penting tanpa adanya tegangan tinggi.
Kimia dan genetika
DNA dalam larutan tidak mengambil struktur yang kaku, tetapi secara konstan mengubah konformasi karena getaran termal dan tumbukan dengan molekul air, yang membuat tidak mungkin untuk menerapkan ukuran kekakuan klasik. Oleh karena itu, kekakuan lentur DNA diukur dengan panjang persistensi, yang didefinisikan sebagai "panjang DNA di mana orientasi waktu rata-rata polimer menjadi koefisien yang tidak berkorelasi."
Nilai ini dapat diukur secara akurat menggunakan mikroskop gaya atom untuk secara langsung mencitrakan molekul DNA dari berbagai panjang. Dalam larutan berair, panjang konstan rata-rata adalah 46-50 nm atau 140-150 pasangan basa (DNA 2 nm), meskipun ini dapat sangat bervariasi. Ini membuat DNA menjadi molekul yang cukup kaku.
Durasi kelanjutan segmen DNA sangat tergantung pada urutannya, dan ini dapat menyebabkanperubahan. Yang terakhir ini sebagian besar disebabkan oleh energi susun dan fragmen yang merambat ke alur kecil dan besar.
Sifat fisik dan kurva
Fleksibilitas entropik DNA sangat konsisten dengan model standar fisika polimer, seperti model Kratky-Porod dari cacing rantai. Konsisten dengan model mirip cacing adalah pengamatan bahwa pembengkokan DNA juga dijelaskan oleh hukum Hooke pada gaya yang sangat kecil (subpiconeontonic). Namun, untuk segmen DNA yang lebih kecil dalam durasi dan persistensi, gaya lentur kira-kira konstan dan perilaku menyimpang dari prediksi, berbeda dengan model mirip cacing yang telah disebutkan.
Efek ini menghasilkan kemudahan yang tidak biasa dalam mengedarkan molekul DNA kecil dan kemungkinan lebih tinggi untuk menemukan daerah DNA yang sangat melengkung.
Molekul DNA sering kali memiliki arah pembengkokan yang lebih disukai, yaitu pembengkokan anisotropik. Ini, sekali lagi, disebabkan oleh sifat basa yang membentuk urutan DNA, dan basa itulah yang menghubungkan dua untai DNA menjadi heliks. Dalam beberapa kasus, urutan tidak memiliki twists pepatah.
struktur heliks ganda DNA
Arah pembengkokan DNA yang disukai ditentukan oleh stabilitas susunan setiap basa di atas basa berikutnya. Jika langkah-langkah penumpukan basa yang tidak stabil selalu berada di satu sisi heliks DNA, maka DNA secara istimewa akan terlipat menjauh dari arah itu. Menghubungkan dua untai DNA menjadi heliksdilakukan oleh molekul yang bergantung pada arah ini. Saat sudut lentur meningkat, mereka memainkan peran rintangan sterik, menunjukkan kemampuan untuk menggulung residu dalam hubungannya satu sama lain, terutama di alur kecil. Endapan A dan T lebih disukai terjadi pada alur-alur kecil di dalam belokan. Efek ini terutama terlihat pada pengikatan DNA-protein ketika pembengkokan kaku DNA diinduksi, misalnya pada partikel nukleosom.
Molekul DNA dengan pembengkokan luar biasa dapat menjadi bengkok. Ini pertama kali ditemukan dalam DNA dari trypanosomatid kinetoplas. Urutan khas yang menyebabkan hal ini termasuk 4-6 peregangan T dan A yang dipisahkan oleh G dan C, yang mengandung residu A dan T dalam fase alur kecil pada sisi molekul yang sama.
Struktur bengkok internal diinduksi oleh "pemutaran sekrup" dari pasangan basa relatif satu sama lain, yang memungkinkan terciptanya ikatan hidrogen bercabang dua yang tidak biasa antara tahap basa. Pada suhu yang lebih tinggi, struktur ini terdenaturasi dan oleh karena itu kelengkungan intrinsik hilang.
Semua DNA yang tertekuk secara anisotropik rata-rata memiliki daya dorong yang lebih panjang dan kekakuan aksial yang lebih besar. Peningkatan kekakuan ini diperlukan untuk mencegah pembengkokan yang tidak disengaja yang akan menyebabkan molekul bekerja secara isotropik.
Dering DNA bergantung pada kekakuan aksial (fleksibel) dan kekakuan torsional (rotasi) molekul. Agar molekul DNA dapat bersirkulasi dengan sukses, molekul tersebut harus cukup panjang untuk ditekuk dengan mudah menjadi satu lingkaran penuh dan memiliki jumlah basa yang tepat untukujung-ujungnya berada dalam rotasi yang benar untuk memastikan kemungkinan menempelkan spiral. Panjang optimal untuk DNA yang bersirkulasi adalah sekitar 400 pasangan basa (136 nm). Adanya jumlah lilitan ganjil merupakan penghalang energi yang signifikan untuk rangkaian, misalnya, molekul pasangan 10,4 x 30=312 akan bersirkulasi ratusan kali lebih cepat daripada molekul 10,4 x 30,5 ≈ 317.
Elastisitas
Peregangan DNA yang lebih panjang bersifat elastis secara entropis saat diregangkan. Ketika DNA dalam larutan, ia mengalami perubahan struktural terus menerus karena energi yang tersedia di bak pelarut termal. Ini disebabkan oleh getaran termal molekul DNA, dikombinasikan dengan tumbukan konstan dengan molekul air. Untuk alasan entropi, keadaan relaks yang lebih kompak secara termal lebih mudah diakses daripada keadaan teregang, sehingga molekul DNA hampir ada di mana-mana dalam model molekul "santai" yang rumit. Untuk alasan ini, satu molekul DNA akan meregang di bawah gaya, meluruskannya. Menggunakan pinset optik, perilaku peregangan entropi DNA telah dipelajari dan dianalisis dari perspektif fisika polimer, dan telah ditemukan bahwa DNA pada dasarnya berperilaku seperti model rantai mirip cacing Kratky-Porod pada skala energi yang tersedia secara fisiologis.
Dengan tegangan yang cukup dan torsi positif, DNA diperkirakan mengalami transisi fase, dengan tulang punggung bergerak keluar dan fosfat bergerak ketengah. Struktur yang diusulkan untuk DNA yang terulur ini dinamai DNA bentuk-P setelah Linus Pauling, yang awalnya membayangkannya sebagai kemungkinan struktur DNA.
Bukti untuk peregangan mekanis DNA tanpa adanya torsi yang dipaksakan menunjukkan transisi atau transisi yang mengarah ke struktur lebih lanjut yang biasa disebut sebagai bentuk-S. Struktur ini belum dicirikan secara definitif karena kesulitan melakukan pencitraan resolusi resonator atom dalam larutan dengan gaya yang diterapkan, meskipun banyak studi simulasi komputer telah dilakukan. Struktur S-DNA yang disarankan termasuk yang mempertahankan lipatan pasangan basa dan ikatan hidrogen (diperkaya dengan GC).
Model sigmoid
Retak periodik dari tumpukan pasangan basa dengan putus telah diusulkan sebagai struktur reguler yang mempertahankan keteraturan tumpukan dasar dan melepaskan jumlah ekspansi yang sesuai, dengan diperkenalkannya istilah "Σ-DNA" sebagai mnemonik di mana tiga titik kanan dari simbol "Sigma" berfungsi sebagai pengingat dari tiga pasangan basa yang berkerumun. Bentuk telah terbukti memiliki preferensi urutan untuk motif GNC, yang menurut hipotesis GNC_h memiliki signifikansi evolusioner.
Mencairkan, memanaskan, dan melepaskan spiral
Bentuk B dari heliks DNA berputar 360° untuk 10,4-10,5 bp. dengan tidak adanya deformasi torsional. Tetapi banyak proses biologis molekuler dapat menyebabkan stres torsional. Segmen DNA dengan kelebihan orundercoiling disebutkan dalam konteks positif dan negatif, masing-masing. DNA in vivo biasanya melingkar negatif (yaitu, memiliki ikal yang dipelintir ke arah yang berlawanan), yang memfasilitasi pelepasan (pelelehan) heliks ganda, yang sangat dibutuhkan untuk transkripsi RNA.
Di dalam sel, sebagian besar DNA dibatasi secara topologi. DNA biasanya ditemukan dalam loop tertutup (seperti plasmid pada prokariota) yang tertutup secara topologi atau molekul yang sangat panjang yang koefisien difusinya secara efektif menghasilkan daerah tertutup secara topologi. Peregangan linier DNA juga umumnya terkait dengan protein atau struktur fisik (seperti membran) untuk membentuk loop topologi tertutup.
Setiap perubahan parameter T di wilayah topologi tertutup harus diimbangi dengan perubahan parameter W, dan sebaliknya. Ini menghasilkan struktur heliks molekul DNA yang lebih tinggi. Molekul DNA biasa dengan akar 0 akan melingkar dalam klasifikasinya. Jika putaran molekul ini selanjutnya ditingkatkan atau dikurangi dengan superkonforming, maka akar akan diubah sesuai, menyebabkan molekul mengalami plectnonemic atau superhelic winding toroidal.
Ketika ujung-ujung bagian dari heliks ganda DNA dihubungkan sehingga membentuk lingkaran, untaian tersebut diikat secara topologis. Ini berarti bahwa setiap utas tidak dapat dipisahkan dari proses apa pun yang tidak terkait dengan pemutusan utas.(misalnya pemanasan). Tugas melepaskan untaian DNA yang terhubung secara topologi jatuh ke enzim yang disebut topoisomerase.
