Dvostruki heliks nukleinske kiseline

regiona molekula nukleinske kiseline će se vezati i formirati dvostruku spiralnu strukturu koju drže zajedno bazni parovi.]]

U molekulskoj biologiji, termin **dvostruki heliks** odnosi se na strukturu koju formiraju dvolančane molekule nukleinske kiseline kao što je DNK. Dvostruka heliksna struktura kompleksa nukleinske kiseline nastaje kao posljedica njegove sekundarne strukture, i osnovna je komponenta u određivanju njegove tercijarne strukture. Termin je ušao u popularnu kulturu objavljivanjem 1968. godine knjige *The Double Helix: A Personal Account of the Discovery of the Structure of DNK* od strane Jamesa Watsona.

Dvostruku spiralu DNK biopolimera nukleinske kiseline drže zajedno nukleotidi baznih parova. U B-DNK, najčešćoj dvostrukoj spiralnoj strukturi pronađenoj u prirodi, dvostruka spirala je desnoruka sa oko 10-10,5 parova baza po okretu. Dvostruka heliksna struktura DNK sadrži „glavni žlijeb“ i „mali žlijeb“. U B-DNK glavni žlijeb je širi od manjeg žlijeba.

## Historija
Model dvostrukog heliksa DNK strukture je prvi put objavili su James Watson i Francis Crick u časopisu *Nature*,  1953., (X,Y,Z coordinates in 1954) zasnovano na radu Rosalind Franklin i njenog učenika Raymonda Goslinga, koji su snimili presudnu rendgensku difrakcijsku sliku DNK označenu kao "Fotografija 51", i Maurice Wilkins, Alexander Stokes, i Herbert Wilson, i hemijske i biohemijske informacije uparivanja baza od Erwina Chargaffa. Prethodni model je bio trostrukolančana DNK.

Spoznaja da je struktura DNK struktura dvostrukog heliksa razjasnila je mehanizam uparivanja baza pomoću kojeg se genetičke informacije pohranjuju i kopiraju u živim organizmima i široko se smatra jednim od najvažnijih naučnih otkrića 20. stoljeća. Crick, Wilkins i Watson su 1962. dobili po jednu trećinu Nobelove nagrade za fiziologiju ili medicinu za svoj doprinos otkriću.

## Hibridizacija nukleinske kiseline
Hibridizacija je proces komplementarnog vezivanja baznih parova kako bi se formirala dvostruka spirala. Topljenje je proces kojim se prekidaju interakcije između lanaca dvostrukog heliksa, razdvajajući dva lanca nukleinske kiseline. Ove veze su slabe, lahko se odvajaju blagim zagrijavanjem, enzimima ili mehaničkom silom. Topljenje se dešava prvenstveno na određenim tačkama nukleinske kiseline. „T“ i „A“ bogate regije se lakše tope od „C“ i „G“ bogatih regija. Neki osnovni koraci (parovi) su takođe podložni topljenju DNK, kao što su „TA“ i „TG“. Ove mehaničke karakteristike se odražavaju upotrebom sekvenci kao što je *TATA* na početku mnogih gena da pomognu RNK-polimerazama u topljenju DNK za transkripciju.

Odvajanje lanaca blagim zagrijavanjem, kao što se koristi u lančanoj reakciji polimeraze (PCR), je jednostavno, pod uvjetom da molekule imaju manje od oko 10.000 parova baza (10 kilobaznih parova, ili 10 kbp). Preplitanje lanaca DNK otežava odvajanje dugih segmenata. Ćelija izbjegava ovaj problem dopuštajući svojim enzimima za topljenje DNK (helikazama) da rade istovremeno sa topoizomerazama, koje mogu hemijski cijepati fosfatnu kičmu jednog od lanaca, tako da se može okretati oko ostalog. Helikaze odmotavaju niti kako bi olakšale napredovanje enzima koji čitaju sekvence kao što je DNK-polimeraza.

## Geometrija baznog para
Geometrija baze ili koraka baznog para može se okarakterizirati sa 6 koordinata: pomak, klizanje, uspon, nagib, kotrljanje i uvijanje. Ove vrijednosti precizno definiraju lokaciju i orijentaciju u prostoru svake baze ili baznog para u molekulu nukleinske kiseline u odnosu na prethodnika duž ose spirale. Zajedno, oni karakteriziraju spiralnu strukturu molekula. U regijama DNK ili RNK gdje je poremećena *normalna* struktura, promjena ovih vrijednosti može se koristiti za opisivanje takvog poremećaja.

Za svaki bazni par, razmatran u odnosu na njegovog prethodnika, postoje sljedeće geometrije baznih parova koje treba razmotriti:
* **Smicanje**
* **Rastezanje**
* **Kolebanje**
* **Kopčanje**
* **Propeler**: rotacija jedne baze u odnosu na drugu u istom paru baza.
* **Otvaranje** 
* **Sječenje**: pomicanje duž ose u ravni para baza okomito na prvu, usmjereno od malog prema glavnom žljebu.
* **Klizanje**: pomicanje duž ose u ravni para baza usmjereno od jedne niti do druge.
* **Uspinjanje**: pomicanje duž ose spirale.
* **Tiltovanje**: rotacija oko ose pomaka.
* **Rolanje**: rotacija oko ose klizanja.
* **Uvrtanje**: rotacija oko ose uspona.
* **X-pomak**
* **Y-pomak**
* **Sklonost**
* **Vrh**
* **Nagib**: visina po potpunom okretu spirale.

Uspon i uvijanje određuju pokretljivost i nagib spirale. Druge koordinate, nasuprot tome, mogu biti nula. Klizanje i pomak su obično mali u B-DNK, ali su značajni u A- i Z-DNK. Rolanje i naginjanje čine uzastopne parove osnova manje paralelnim i obično su mali.

Treba imati na umu da se "nagib" često različito koristio u naučnoj literaturi, odnoseći se na odstupanje prve osi para baza među lancima od okomitosti na os heliksa. Ovo odgovara klizanju između niza parova baza, a u koordinatama baziranim na spirali pravilno se naziva "nagib".

## Heliksne geometrije
Vjeruje se da se u prirodi nalaze najmanje tri DNK konformacije, A-DNK, **B-DNK**, i Z-DNK. Vjeruje se da u ćelijama prevladava oblik *B* koji su opisali James Watson i Francis Crick. Široka je 23,7 Å i proteže se 34 Å na 10 bp sekvence. Dvostruka spirala napravi jedan potpuni okret oko svoje ose na svakih 10,4–10,5 parova baza u rastvoru. Ova učestalost uvijanja (nazvana spiralni "nagib") u velikoj mjeri ovisi o silama slaganja koje svaka baza djeluje na svoje susjede u lancu. Apsolutna konfiguracija baza određuje smjer spiralne krive za datu konformaciju.

A-DNK i Z-DNK značajno se razlikuju po svojoj geometriji i dimenzijama od B-DNK, iako i dalje formiraju heliksne strukture. Dugo se smatralo da se A oblik javlja samo u dehidriranim uzorcima DNK u laboratoriji, kao što su oni koji se koriste u kristalografskim eksperimentima, i u hibridnim uparivanjama lanaca DNK i RNK, ali dehidracija DNK se dešava *in vivo*, i za sada je poznato da A-DNK ima biološke funkcije. Segmenti DNK koje ćelije imaju metilirane za potrebe regulacije mogu usvojiti Z geometriju, u kojoj se lanci okreću oko heliksne ose suprotno od A-DNK i B-DNK. Postoje i dokazi da kompleksi protein-DNK formiraju Z-DNK strukture.

Moguće su i druge konformacije: A-DNK, B-DNK, C-DNK, E-DNK,L-DNK (enantiomerični oblik D-DNK), P-DNK, S-DNK, Z-DNK itd. do sada su opisane. U stvari, samo slova F, Q, U, V i Y su od 17. februara 2011. do sada dostupna za opisivanje bilo koje nove strukture DNK koja se može pojaviti u budućnosti. Međutim, većina ovih oblika stvorena je sintetski i nisu opažena u prirodnim biološkim sistemima. Postoje i oblici trostrukolančana DNK i četverostruki oblici kao što su G-kvadrupleks i i-motiv.

### Žljebovi
.]]
Dvostruki heliksni lanci formiraju okosnicu DNK. Još jedna dvostruka spirala može se pronaći praćenjem razmaka ili žlijebova između niti. Ove praznine su u blizini baznih parova i mogu pružiti mjesto vezanja. Kako niti nisu direktno suprotne jedna drugoj, žlijebovi su nejednake veličine. Jedan žlijeb, glavni žlijeb, širok je 22 Å, a drugi, manji žlijeb, širok je 12 Å. Uskost manjeg žljeba znači da su rubovi baza lakše dostupni u glavnom žlijebu. Kao rezultat toga, proteini kao što su transkripcijski faktori, koji se mogu vezati za specifične sekvence u dvolančanoj DNK obično ostvaruju kontakte sa stranama baza koje su izložene u glavnom žljebu.

### Nedvostruki heliksni oblici
Alternativni neheliksni modeli su nakratko razmatrani kasnih 1970-ih kao potencijalno rješenje problema u replikaciji DNK u plazmidima i hromatinu. Međutim, modeli su stavljeni po strani u korist modela dvostrukog heliksa, zbog naknadnog eksperimentalnog napretka kao što je rendgenska kristalografija DNK dupleksa i kasnije čestica jezgra nukleosoma, te otkrića topoizomeraza. Također, nedvostruki heliksni modeli trenutno nisu prihvaćeni od strane glavnine naučne zajednice.

## Savijanje
DNK je relativno krut polimer, tipski modeliran kao crvoliki lanac. Ima tri značajna stepena slobode; savijanje, uvijanje i kompresija, od kojih svaki uzrokuje određena ograničenja onoga što je moguće s DNK unutar ćelije. Krutost pri uvijanju i torziji je važna za cirkularizaciju DNK i orijentaciju proteina vezanih za DNK jedan u odnosu na drugi, a aksijalna krutost savijanja je važna za omotavanje DNK i cirkularizaciju i interakcije proteina. Kompresija-ekstenzija je relativno nevažna u odsustvu visoke napetosti.

### Dužina postojanosti, aksijalna krutost
DNK u rastvoru nema krutu strukturu, već kontinuirano mijenja konformaciju zbog termičkih vibracija i sudara s molekulama vode, što onemogućuje primjenu klasičnih mjera krutosti. Stoga se krutost DNK na savijanje mjeri dužinom postojanosti, definiranom kao:

Ova vrijednost se može direktno izmjeriti pomoću mikroskopa atomske sile za direktnu sliku molekula DNK različitih dužina. U vodenom rastvoru, prosečna dužina postojanosti je 46–50&nbsp;nm ili 140–150 parova baza (prečnik DNK je 2&nbsp;nm), iako može značajno da varira. To čini DNK umjereno čvrstom molekulom.

Dužina postojanosti dijela DNK donekle ovisi o njegovoj sekvenci, a to može uzrokovati značajne varijacije. Varijacije su uglavnom uzrokovane energijama slaganja baze i ostacima koji se protežu u sporedni i glavni žlijeb.

### Modeli savijanja DNK
Na skalama dužine većim od dužina postojanosti, entropijska fleksibilnost DNK je izuzetno konzistentna sa standardnim modelima fizike polimera, kao što je *Kratky-Porodov* model crvoliki lanac. U skladu sa modelom crvolikog lanca  je zapažanje da je savijanje DNK također opisano Hookeovim zakonom pri vrlo malim (podpikonjutnskim) silama. Za segmente DNK manje od dužine postojanosti, sila savijanja je približno konstantna i ponašanje odstupa od predviđanja crvolikog lanca.

Ovaj efekt rezultira neuobičajenom lahkoćom cirkularizacije malih DNK molekula i većom vjerovatnoćom pronalaženja visoko savijenih dijelova DNK.

### Preferencija savijanja
Molekule DNK često imaju preferirani smjer savijanja, tj. anizotropno savijanje. Ovo je, opet, zbog svojstava baza koje čine sekvencu DNK – slučajna sekvenca neće imati željeni smjer savijanja, tj. izotropno savijanje.

Preferirani smjer savijanja DNK određen je stabilnošću slaganja svake baze na drugu. Ako se nestabilni koraci slaganja baza uvijek nalaze na jednoj strani heliksa DNK, onda će se DNK preferencijalno savijati od tog smjera. Kako se ugao savijanja povećava, sterne prepreke i sposobnost kotrljanja ostataka u odnosu na druge također imaju ulogu, posebno u manjem žlijebu. Ostaci *A* i *T* će se prvenstveno naći u manjim žlijebovima na unutrašnjoj strani krivina. Ovaj efekat je posebno vidljiv u vezivanju DNK-protein, gdje je indukovano čvrsto savijanje DNK, kao što je nukleosomska čestica. Vidi gore izobličenja osnovnog koraka.

Molekule DNK sa izuzetnom preferencijom savijanja mogu postati suštinski savijeni. Ovo je prvi put uočeno u Tripanozomskoj kinetoplastnoj DNK. Tipske sekvence koje uzrokuju ovo sadrže dionice od 4-6 *T* i *A* ostataka razdvojenih *G* i *C* bogatim dijelovima koji drže A i T ostatke u fazi s molom žlijjeba na jednoj strani molekula. Naprimjer:

Intrinzično savijena struktura indukovana je međusobnim  'propelerskim uvijanjem' parova baza, što omogućava neobične razdvojene vodikove veze između osnovnih stepenica. Na višim temperaturama ova struktura je denaturirana i tako se gubi unutrašnji zavoj.

Sva DNK koja se savija anizotropno ima, u prosjeku, veću dužinu postojanosti i veću aksijalnu krutost. Ova povećana krutost je potrebna kako bi se spriječilo nasumično savijanje koje bi učinilo da molekula djeluje izotropno.

### Cirkularizacija
Cirkularizacija DNK ovisi i o aksijalnoj (savijanju) krutosti i torzijskoj (rotacijskoj) krutosti molekula. Da bi molekula DNK uspješno cirkularizirala, mora biti dovoljno duga da se lahko savija u cijeli krug i mora imati ispravan broj baza tako da su krajevi u ispravnoj rotaciji kako bi se omogućilo spajanje. Optimalna dužina za cirkularizaciju DNK je oko 400 parova baza (136&nbsp;nm), sa integralnim brojem zavoja DNK heliksa, odnosno višekratnicima od 10,4 baznog para. Imati neintegralni broj zavoja predstavlja značajnu energetsku barijeru za cirkularizaciju, naprimjer molekula 10,4 x 30 = 312 baznih parova će cirkulirati stotine puta brže od molekula 10,4 x 30,5 ≈ 317 parova baza.

Savijanje kratkih cirkularizovanih segmenata DNK je neujednačeno. Umjesto toga, za cirkularizirane segmente DNK manje od dužine postojanosti, savijanje DNK je lokalizirano na 1-2 pregiba koji se formiraju prvenstveno u segmentima bogatim AT. Ako je prisutan zarez, savijanje će biti lokalizirano na mjesto zareza.).

Predložene strukture S-DNK uključuju one koje čuvaju slaganje parova baza i vodikovu vezu (obogaćene GC), dok oslobađaju ekstenziju naginjanjem, kao i strukture u kojima se odvija djelimično otapanje bazne grupe, dok je asocijacija baza-baza ipak sveukupno očuvana (obogaćen AT).
Rosalind Franklin je ta koja je zaista otkrila dvostruku spiralu nukleinske kiseline.

Periodični lom snopa baznog para s prekidom koji se događa jednom na tri bp (dakle jedan od svaka tri bp-bp koraka) predložen je kao regularna struktura koja čuva planarnost osnovnog slaganja i oslobađa odgovarajuću količinu proširenja, sa terminom "Σ-DNK" uveden kao mnemonički, sa tri desno okrenute tačke znaka Sigma koje služe kao podsjetnik na tri grupisana para baza. Pokazalo se da Σ oblik ima preferenciju sekvence za GNC motive za koje se vjeruje da su prema GNC hipotezi od evolucijske važnosti.

## Superzavojnica i topologija
B-oblik heliksa DNK se okreće za 360° na 10,4-10,5 bp u odsustvu torzionog naprezanja. Ali mnogi molekulski biološki procesi mogu izazvati torzijsko naprezanje. Segment DNK sa viškom ili nedovoljnim spiralnim uvijanjem naziva se pozitivno ili negativno *superspiraliziranje*. DNK *in vivo* je tipski negativno namotana, što olakšava odmotavanje dvostruke spirale potrebne za transkripciju RNK.

Unutar ćelije većina DNK je topološki ograničena. DNK se obično nalazi u zatvorenim petljama (kao što su plazmidi u prokariotima) koji su topološki zatvoreni, ili kao vrlo duge molekule, čiji koeficijenti difuzije proizvode efektivno topološki zatvorene domene. Linearni dijelovi DNK su također obično vezani za proteine ili fizičke strukture (kao što su membrane) kako bi formirali zatvorene topološke petlje.

Francis Crick je bio jedan od prvih koji je predložio važnost povezivanja brojeva kada se razmatraju DNK superspirale. U radu objavljenom 1976. godine, Crick je ocrtao problem na sljedeći način:

U razmatranju superzavojnica formiranih od zatvorenih dvolančanih molekula DNK, potrebni su određeni matematički koncepti, kao što su broj povezivanja i zavoja. Objašnjeno je značenje ovih za zatvorenu traku, kao i značenje broja uvijanja zatvorene krive. Dati su neki jednostavni primjeri, od kojih neki mogu biti relevantni za strukturu hromatina.

Analiza topologije DNK koristi tri vrijednosti:
* *L* = broj povezivanja – koliko puta se jedan lanac DNK omota oko drugog. To je cijeli broj za zatvorenu petlju i konstanta za zatvoreni topološki domen.
* *T* = twist – ukupni broj zavoja u dvolančanoj spirali DNK. Ovo će obično težiti da se približi broju zavoja koje topološki otvorena dvolančani heliks DNK oslobađa u rastvoru: broj baza/10,5, pod pretpostavkom da nema interkalacijskih agenasa (npr. etidij-bromid) ili drugih elemenata koji modifikuju krutost DNK.
* *W* = writhe (stezanje) – broj zavoja dvolančane spirale DNK oko superhelikalne ose
* *L* = *T* + *W* i Δ*L* = Δ*T* + Δ*W*
Svaka promjena T u zatvorenom topološkom domenu mora biti uravnotežena promjenom W, i obrnuto. Ovo rezultira strukturom višeg reda DNK. Kružna DNK molekula sa vijugom od 0 će biti kružna. Ako se uvijanje ove molekule naknadno poveća ili smanji supernamotavanjem, tada će se uvijanje na odgovarajući način izmijeniti, čineći molekulu podvrgnutom plektonemskom ili toroidnom superhelksnom namotavanju.

Kada se krajevi komada dvolančane spiralne DNK spoje tako da formira krug, lanci su topološki čvorovi. To znači da se pojedinačne niti ne mogu odvojiti bilo kojim procesom koji ne uključuje lomljenje niti (kao što je zagrijavanje). Zadatak raskidanja topološki povezanih lanaca DNK pripada enzimima koji se nazivaju topoizomerazama. Ovi enzimi su posvećeni raspletu kružne DNK, cijepanjem jednog ili oba lanca tako da drugi dvolančani ili jednolančani segment može proći. Ovo raskidanje čvorova je potrebno za replikaciju kružne DNK i različite tipove rekombinacija u linearnoj DNK koji imaju slična topološka ograničenja.

### Paradoks broja povezivanja
Dugi niz godina, porijeklo rezidualnog supersmotanja u eukariotskim genomima ostalo je nejasno. Ovu topološku zagonetku neki su nazvali „paradoksom broja povezivanja ". Međutim, kada su eksperimentalno određene strukture nukleosoma pokazale preokrenuti ljevoruki omotač DNK oko histonskih oktamera, naučna zajednica je smatrala da je ovaj "paradoks" riješen.

## Također pogledajte
* Poređenje softvera za simulaciju nukleinske kiseline
* DNK nanotehnologija
* G-kvadrupleks
* Molekularni modeli DNK
* Molekularna struktura nukleinskih kiselina (publikacija)
* Baza podataka koja nije B
* Trolančana DNK
## Reference
## Vanjski linkovi
Kategorija:DNK
Kategorija:Biofizika
Kategorija:Molekularna geometrija
Kategorija:Heliksi