thumb|200px| Dva komplementarna 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. S obzirom na razliku u širinama glavnog i manjeg žlijeba, mnogi proteini koji se vezuju za B-DNK to čine kroz širi glavni žljeb.
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
thumb|450px|right| Geometrije 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.List of 55 fiber structures 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.
thumb|right|250px|Structure A-, B- i Z-DNK
+ Strukturna obilježja tri glavna oblika DNK Geometrijski atributiA-DNKB-DNKZ-DNKHeliksni smisao Desnoruki Desnoruki LjevorukiPonavljajuća jedinica 1 bp 1 bp 2 bpRotacija/bp 32,7° 34,3° 60°/2bp/obrtaj 11 10,5 12 Nagib bp prema osi +19° −1.2° −9° Uspon/bp duž ose 2,3 Å (0.23 nm) 3,32 Å (0.332 nm) 3,8 Å (0,38 nm) Nagib/okret heliksa 28,2 Å (2,82 nm) 33,2 Å (3,32 nm) 45,6 Å (4,56 nm) Srednji obrt propelera +18° +16° 0°Glikozilski ugao anti anti C: anti, G: synNabiranje šećera C3'-endo C2'-endo C: C2'-endo,G: C2'-exoPrečnik 23 Å (2,3 nm) 20 Å (2,0 nm) 18 Å (1,8 nm)
Žljebovi thumb| Glavni i mali žlijebovi DNK. Manji žljeb je vezno mjesto za boju Hoechst 33258. 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. Ova situacija varira u neuobičajenim konformacijama DNK unutar ćelije (vidi dolje), ali glavni i manji žljebovi su uvijek imenovani tako da odražavaju razlike u veličini koje bi se mogle vidjeti ako se DNK vrati u obični B oblik.
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
+ Primjeri sekvenci i njihove dužine postojanosti (B-DNK) Sekvenca Dužina postojanosti/parovi baza Slučajnost 154±10 (CA)ponavljanje 133±10 (CAG)ponavljanje 124±10 (TATA)ponavljanje 137±10
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 nm ili 140–150 parova baza (prečnik DNK je 2 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 + Stabilnost slaganja osnovnih koraka (B-DNK) Step Slaganje ΔG /kcal mol−1 T A –0,19 T G or C A –0,55 C G –0,91 A G ili C T–1,06 A A ili T T –1,11 A T –1,34 G A ili T C–1,43 C C ili G G– 1,44 A C ili G T–1,81 G C–2,17 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.