thumb|500px| 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 (dvostruka spirala) odnosi se na strukturu koju formiraju dvolančane molekule nukleinskih kiselina 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 Jamesa Watsona.
Dvostruku spiralu DNK biopolimerne nukleinske kiseline drže zajedno nukleotidi koji bazni parovi održavaju zajedno. U B-DNK, najčešćoj dvostrukoj spiralnoj strukturi pronađenoj u prirodi, dvostruka spirala je desnoruka sa oko 10–10,5 parova baza po okretu. Dvostruka spiralna struktura DNK sadrži "glavni žlijeb" i "mali žljeb". U B-DNK glavni žlijeb je širi od manjeg žlijeba. S obzirom na razliku u širinama glavnog i malog žlijeba, mnogi proteini koji se vezuju za B-DNK to čine preko šireg glavnog žlijeba.
Hibridizacija nukleinske kiseline
Hibridizacija je proces vezivanja komplementarnog baznog para kako bi se formirala dvostruka spirala. Razlaganje je proces kojim se prekidaju interakcije između lanaca dvostruke spirale, 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. Timinom i adeninom (T–A)bogate regije se lakše tope od C i G bogatih regija. Neki osnovni koraci (parovi) su također podložni topljenju DNK, kao što su T A i T G. Ove mehaničke karakteristike odražavaju se upotrebom sekvenci kao što je TATA na početku mnogih gena da pomognu RNK-polimerazi 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 kemijski cijepati fosfatnu kičmu jednog od lanaca, tako da se može okretati oko ostalih. Helikaze odmotavaju niti da 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 šest koordinata: pomak, klizanje, uspon, nagib, kotrljanje i uvijanje. Ove vrijednosti precizno definiraju lokaciju i orijentaciju u prostoru svake baze ili baznog para u molekuli 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 para koje treba razmotriti: Smicanje Rastezanje Poteturanje Kopča Propeler: rotacija jedne baze u odnosu na drugu u istom paru baza. Otvaranje Pomjeranje: 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. Uspon : pomicanje duž ose spirale. Tilt: rotacija oko ose pomaka. Rol: rotacija oko ose klizanja. Tvist: rotacija oko ose uspona. x-pomak y-pomak Sklanjanje Vrh Nagib : visina po potpunom okretu spirale.
Uspon i uvijanje određuju pokretljivost i nagib spirale. Druge koordinate, nasuprot tome, mogu biti nula. Klizanje (slajd) i pomak su obično mali u B-DNK, ali su značajni u A- i Z-DNK. Rol i nagib 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 konformacije DNK, A-DNK, B-DNK, i Z-DNK. Vjeruje se da u ćelijama prevladava oblik B koji su opisali James Watson i Francis Crick. Širok 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 "pitch") 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 spiralne 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, iu hibridnim uparivanjama DNK i RNK lanaca, 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 imati Z geometriju, u kojoj se lanci okreću oko spiralne 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 (enantiomerni oblik D-DNK), P-DNK, Do sada su opisani S-DNK, Z-DNK itd.List of 55 fiber structures U stvari, samo slova F, Q, U, V i Y su od 17. 02. 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 trostrukolančani DNK oblici i četverostruki oblici kao što su G-kvadrupleks i i-motiv.
thumb|right|250px| Strukture A–, B– i Z-DNK. thumb|desno|250px|Osa spirale A–, B– i Z-DNK. + Strukturne karakteristike tri glavna oblika DNK Geometrijski atributA-DNKB-DNKZ-DNKSmisao heliksa Desnoruki Desnoruki Ljevoruki Ponavljajuća jedinica 1 bp 1 bp 2 bpRotacija/bp 32.7° 34.3° 60°/2bp/Okret 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 spirale 28,2 Å (2,82 nm) 33,2 Å (3,32 nm) 45,6 Å (4,56 nm) Srednji obrt propelera +18° +16° 0°Glikozilskil ugao anti anti C: anti, G: synNabor šećera C3'-endo C2'-endo C: C2'-endo,G: C2'-egzoDijametar 23 Å (2.3 nm) 20 Å (2,0 nm) 18 Å (1,8 nm)
Žljebovi thumb| Glavni i mali žljebovi DNK. Manji žljeb je vezivno mjesto za boju Hoechst 33258. Dvostruki spiralni lanci formiraju okosnicu DNK. Još jedna dvostruka spirala može se pronaći praćenjem razmaka ili žljebova između niti. Ove praznine su u blizini baznih parova i mogu pružiti mjesto vezanja. As the strands are not directly opposite each other, the grooves are unequally sized. One groove, the major groove, is 22 Å wide and the other, the minor groove, is 12 Å wide. Uskost manjeg žlijeba znači da su rubovi baza lakše dostupni u glavnom žlijebu. Kao rezultat toga, proteini poput transkripcijskih faktora koji se mogu vezati za specifične sekvence u dvolančanoj DNK obično ostvaruju kontakte sa stranama baza koje su izložene u glavnom žlijebu. 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 običan B-oblik.
Nedvostruki heliksni oblici Alternativni ne-helikksni modeli su nakratko razmatrani kasnih 1970-ih kao potencijalno rješenje problema u replikaciji DNK u plazmidu i hromatinu . Međutim, modeli su stavljeni po strani u korist modela dvostruke spirale zbog naknadnog eksperimentalnog napretka kao što je rendgenska kristalografija DNK dupleksa i kasnije čestica nukleosomskog jezgra, te otkrića topoizomeraza. Također, nedvostruki spiralni modeli još 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 jednog u odnosu na drugi, a aksijalna krutost savijanja važna je 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) Sequence Dužina postojanosti/ parovi baza Slučajno 154±10 (CA)ponavljanje 133±10 (CAG)ponavljanje 124±10 (TATA)ponavljanje 137±10
DNK u rastvoru nema tako krutu strukturu, ali stalno mijenjaju 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 može se 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 baza i ostacima koji se protežu u sporednim i glavnim žlijebovima.
Modeli za savijanje DNK + Stabilnost slaganja osnovnih koraka (B-DNK) Korak Slaganje ΔG /kcal mol−1 T A – 0,19 T G ili 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 model zvani Kratky-Porodov crvoliki lanac. U skladu sa modelom crvolikolg lanca je zapažanje da je savijanje DNK takođe opisano Hookeovim zakonom pri vrlo malim (podpikonjutskim) silama. Za segmente DNK manje od dužine postojanosti, sila savijanja je približno konstantna i ponašanje odstupa od predviđanja crvolikog lanca.
Ovaj efekt rezultira neobičnom 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 – nasumična 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 spirale DNK, onda će se DNK preferencijalno savijati od tog smjera. Kako se ugao savijanja povećava, onda 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 efekt je posebno vidljiv u vezivanju DNK-proteini, gdje je indukovano čvrsto savijanje DNK, kao što je nukleosomna čestica. Vidite izobličenja osnovnog koraka iznad.
Molekule DNK sa izuzetnom preferencijom savijanja mogu postati suštinski savijene. Ovo je prvi put uočeno u kinetoplastnoh DNK roda Trypanosoma. Tipske sekvence koje ovo uzrokuju sadrže dionice od 4-6 "T" i "A" ostataka odvojenih "G" i "C" bogatim dijelovima koji drže A i T ostatke u fazi s molom žljeb na jednoj strani molekula. Naprimjer: ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ G A T T C C C A A A A A T G T C A A A A A A T A G G C A A A A A A T G C C A A A A A A T C C C A A A C