Le terme "hélice d'ADN" a une histoire et une nature complexes. Par cela, en règle générale, on entend le modèle introduit par James Watson. La double hélice d'ADN est maintenue avec des nucléotides qui forment une paire. Dans l'ADN-B, la structure hélicoïdale la plus courante dans la nature, la double hélice est de droite avec 10 à 10,5 paires de bases par tour. La structure en double hélice de l'ADN contient un sillon majeur et un sillon mineur. Dans l'ADN-B, le sillon majeur est plus large que le sillon mineur. Compte tenu de la différence de largeur entre les sillons majeur et mineur, de nombreuses protéines qui se lient à l'ADN-B le font via le sillon majeur plus large.
Historique des découvertes
Le modèle structurel de la double hélice d'ADN a été publié pour la première fois dans Nature par James Watson et Francis Crick en 1953 (coordonnées X, Y, Z en 1954) sur la base d'une image critique de diffraction des rayons X de l'ADN marqué Photo 51, de l'œuvre de Rosalind Franklin de 1952, suivie d'une image plus claire d'elle priseRaymond Gosling, Maurice Wilkins, Alexander Stokes et Herbert Wilson. Le modèle préliminaire était de l'ADN à trois brins.
La prise de conscience que la structure ouverte est une double hélice explique le mécanisme par lequel deux brins d'ADN se rejoignent en une hélice, par lequel l'information génétique est stockée et copiée dans les organismes vivants. Cette découverte est considérée comme l'une des découvertes scientifiques les plus importantes du XXe siècle. Crick, Wilkins et Watson ont chacun reçu un tiers du prix Nobel de physiologie ou médecine de 1962 pour leurs contributions à la découverte. Franklin, dont les données révolutionnaires de diffraction des rayons X ont été utilisées pour formuler l'hélice d'ADN, est décédé en 1958 et n'était donc pas éligible pour une nomination au prix Nobel.
Valeur pour l'hybridation
L'hybridation est le processus de connexion de paires de bases qui se lient pour former une double hélice. La fusion est le processus par lequel les interactions entre les brins en double hélice sont interrompues, séparant deux lignes d'acides nucléiques. Ces liaisons sont faibles, facilement séparées par une chaleur douce, des enzymes ou une force mécanique. La fusion se produit principalement à certains points de l'acide nucléique. Les régions de l'hélice d'ADN marquées T et A fondent plus facilement que les régions C et G. Certains stades de base (paires) sont également sensibles à la fusion de l'ADN, comme TA et TG. Ces traits mécaniques sont reflétés par des séquences telles que TATA au début de nombreux gènes pour aider l'ARN polymérase à faire fondre l'ADN pour la transcription.
Chauffage
Séparation des processusbrins par chauffage peu profond, tel qu'utilisé dans la réaction en chaîne par polymérase (PCR), est simple, à condition que les molécules soient d'environ 10 000 paires de bases (10 paires de kilobases ou 10 kpb). L'entrelacement des brins d'ADN rend difficile la séparation de longs segments. La cellule évite ce problème en permettant à ses enzymes de fusion de l'ADN (hélicases) de fonctionner simultanément avec les topoisomérases, qui peuvent cliver chimiquement le squelette phosphate de l'un des brins afin qu'il puisse tourner autour de l'autre. Les hélicases déroulent les brins pour faciliter le passage des enzymes de lecture de séquence telles que l'ADN polymérase. La double hélice d'ADN est formée par les liaisons de ces brins.
Géométrie en spirale
La composante géométrique de la structure de l'ADN peut être caractérisée par 6 coordonnées: décalage, glissement, montée, inclinaison, torsion et rotation. Ces valeurs déterminent précisément la localisation et l'orientation dans l'espace de chaque paire de brins d'ADN. Dans les régions de l'ADN ou de l'ARN où la structure normale est perturbée, une modification de ces valeurs peut être utilisée pour décrire une telle perturbation.
L'élévation et le virage sont déterminés par la forme de la spirale. D'autres coordonnées, au contraire, peuvent être égales à zéro.
Notez que "skew" est souvent utilisé de diverses manières dans la littérature scientifique, se référant à la déviation du premier axe de la base intertoron d'être perpendiculaire à l'axe de l'hélice. Cela correspond au glissement entre la séquence de bases de la double hélice d'ADN, et en coordonnées géométriques est correctement appelé"incliner".
Différences géométriques dans les spirales
On pense qu'au moins trois conformations d'ADN se produisent naturellement: l'ADN-A, l'ADN-B et l'ADN-Z. La forme B, telle que décrite par James Watson et Francis Crick, serait prédominante dans les cellules. Il mesure 23,7 Å de large et s'allonge de 34 Å de 10 pb. séquences. La double hélice d'ADN est formée par les liaisons de deux lignes d'acide ribonucléique, qui effectuent une révolution complète autour de son axe toutes les 10,4 à 10,5 paires de bases en solution. Cette fréquence de torsion (appelée pas hélicoïdal) dépend en grande partie des forces d'empilement que chaque base exerce sur ses voisines dans la chaîne. La configuration absolue des bases détermine la direction de la courbe hélicoïdale pour une conformation donnée.
Différences et fonctions
A-DNA et Z-DNA sont significativement différents dans leur géométrie et leur taille par rapport à B-DNA, bien qu'ils forment toujours des structures hélicoïdales. On a longtemps pensé que la forme A ne se produisait que dans des échantillons d'ADN déshydratés en laboratoire utilisés dans des expériences cristallographiques et dans des appariements de brins hybrides ADN-ARN, mais la déshydratation de l'ADN se produit in vivo, et l'ADN-A a maintenant des fonctions biologiques connues de nous.. Les segments d'ADN dont les cellules ont été méthylées à des fins de régulation peuvent adopter une géométrie Z dans laquelle les brins tournent autour de l'axe hélicoïdal à l'opposé de l'ADN-A et de l'ADN-B. Il existe également des preuves de complexes protéine-ADN formant des structures d'ADN-Z. La longueur de l'hélice d'ADN ne change en rien en fonction detapez.
Problèmes avec les noms
En fait, seules les lettres F, Q, U, V et Y sont désormais disponibles pour nommer les différents types d'ADN susceptibles d'être découverts dans le futur. Cependant, la plupart de ces formes ont été créées de manière synthétique et ont n'a pas été observé dans les systèmes biologiques naturels. Il existe également des formes à trois brins (3 brins d'ADN) et quadripolaires, comme le G-quadruplex.
Connexion des fils
La double hélice d'ADN est formée par les liaisons de brins hélicoïdaux. Comme les filets ne sont pas directement opposés, les rainures entre eux sont de taille inégale. Une rainure, la principale, a une largeur de 22 Å, et l'autre, une petite, atteint une longueur de 12 Å. L'étroitesse de la rainure secondaire signifie que les bords des bases sont plus accessibles dans la rainure principale. En conséquence, des protéines telles que des facteurs de transcription qui peuvent se lier à des séquences spécifiques dans la double hélice d'ADN entrent généralement en contact avec les côtés des bases qui sont ouverts dans le sillon principal. Cette situation change dans les conformations inhabituelles de l'ADN dans la cellule, mais les rainures majeures et mineures sont toujours nommées pour refléter les différences de taille qui seraient observées si l'ADN était tordu dans sa forme B normale.
Créer un modèle
À la fin des années 1970, des modèles alternatifs non hélicoïdaux ont été brièvement considérés comme une solution potentielle aux problèmes de réplication de l'ADN dans les plasmides et la chromatine. Cependant, ils ont été abandonnés au profit du modèle à double bobine d'ADN en raison des progrès expérimentaux ultérieurs tels que les rayons X.cristallographie des duplex d'ADN. De plus, les modèles non à double hélice ne sont actuellement pas acceptés par la communauté scientifique traditionnelle.
Les acides nucléiques simple brin (ssDNA) ne prennent pas une forme hélicoïdale et sont décrits par des modèles tels que la bobine aléatoire ou la chaîne en forme de ver.
L'ADN est un polymère relativement rigide, généralement modélisé comme une chaîne semblable à un ver. La rigidité du modèle est importante pour la circularisation de l'ADN et l'orientation de ses protéines associées les unes par rapport aux autres, tandis que la rigidité axiale hystérétique est importante pour l'emballage de l'ADN et la circulation et l'interaction des protéines. L'allongement à la compression est relativement sans importance en l'absence de haute tension.
Chimie et génétique
L'ADN en solution ne prend pas une structure rigide, mais change constamment de conformation en raison des vibrations thermiques et des collisions avec les molécules d'eau, ce qui rend impossible l'application de mesures de rigidité classiques. Par conséquent, la rigidité en flexion de l'ADN est mesurée par la longueur de persistance, définie comme "la longueur de l'ADN sur laquelle l'orientation moyenne dans le temps du polymère devient coefficient non corrélé".
Cette valeur peut être mesurée avec précision à l'aide d'un microscope à force atomique pour imager directement des molécules d'ADN de différentes longueurs. En solution aqueuse, la longueur constante moyenne est de 46-50 nm ou 140-150 paires de bases (ADN 2 nm), bien que cela puisse varier considérablement. Cela fait de l'ADN une molécule modérément rigide.
La durée de la continuation d'un segment d'ADN dépend fortement de sa séquence, ce qui peut entraîner deschangements. Ces derniers sont principalement dus à l'énergie d'empilement et aux fragments qui se propagent dans les sillons mineurs et majeurs.
Propriétés physiques et courbes
La flexibilité entropique de l'ADN est remarquablement cohérente avec les modèles standard de la physique des polymères, tels que le modèle de Kratky-Porod du ver à chaîne. Conformément au modèle vermiforme est l'observation que la flexion de l'ADN est également décrite par la loi de Hooke à de très petites forces (subpiconéontoniques). Cependant, pour les segments d'ADN de durée et de persistance plus petites, la force de flexion est approximativement constante et le comportement s'écarte des prédictions, contrairement aux modèles de type ver déjà mentionnés.
Cet effet se traduit par une facilité inhabituelle à circulariser les petites molécules d'ADN et une probabilité plus élevée de trouver des régions d'ADN très courbées.
Les molécules d'ADN ont souvent une direction préférée pour la flexion, c'est-à-dire une flexion anisotrope. Ceci, encore une fois, est dû aux propriétés des bases qui composent les séquences d'ADN, et ce sont elles qui relient les deux brins d'ADN en une hélice. Dans certains cas, les séquences n'ont pas les rebondissements proverbiaux.
Structure double hélice d'ADN
La direction préférée de la courbure de l'ADN est déterminée par la stabilité d'empilement de chaque base au-dessus de la suivante. Si les étapes d'empilement de bases instables sont toujours d'un côté de l'hélice d'ADN, alors l'ADN se repliera préférentiellement dans cette direction. Connecter deux brins d'ADN en une héliceeffectué par des molécules qui dépendent de cette direction. Lorsque l'angle de flexion augmente, ils jouent le rôle d'encombrements stériques, montrant la capacité de rouler les résidus les uns par rapport aux autres, en particulier dans la petite rainure. Les dépôts A et T se produiront de préférence dans de petites rainures à l'intérieur des coudes. Cet effet est particulièrement évident dans la liaison ADN-protéine lorsque la courbure rigide de l'ADN est induite, par exemple dans les particules de nucléosome.
Les molécules d'ADN avec une courbure exceptionnelle peuvent devenir courbées. Cela a été découvert pour la première fois dans l'ADN du kinétoplaste des trypanosomatidés. Les séquences typiques qui en sont la cause incluent 4 à 6 segments T et A séparés par G et C, qui contiennent les résidus A et T dans une phase de sillon mineur du même côté de la molécule.
La structure courbée interne est induite par le "tour de vis" des paires de bases les unes par rapport aux autres, ce qui permet la création de liaisons hydrogène bifurquées inhabituelles entre les étages de base. À des températures plus élevées, cette structure est dénaturée et donc la courbure intrinsèque est perdue.
Tous les ADN qui se plient de manière anisotrope ont, en moyenne, une poussée plus longue et une plus grande rigidité axiale. Cette rigidité accrue est nécessaire pour éviter une flexion accidentelle qui ferait agir la molécule de manière isotrope.
La sonnerie de l'ADN dépend à la fois de la rigidité axiale (flexion) et de la rigidité torsionnelle (rotation) de la molécule. Pour qu'une molécule d'ADN circule avec succès, elle doit être suffisamment longue pour se plier facilement en un cercle complet et avoir le nombre correct de bases pourles extrémités étaient dans la bonne rotation afin d'assurer la possibilité de coller les spirales. La longueur optimale de l'ADN circulant est d'environ 400 paires de bases (136 nm). La présence d'un nombre impair de spires est une barrière énergétique importante pour les circuits, par exemple, une molécule de 10,4 x 30=312 paires circulera des centaines de fois plus vite qu'une molécule de 10,4 x 30,5 ≈ 317.
Élasticité
De plus longues étendues d'ADN sont entropiquement élastiques lorsqu'elles sont étirées. Lorsque l'ADN est en solution, il subit des changements structurels continus dus à l'énergie disponible dans le bain de solvant thermique. Cela est dû aux vibrations thermiques de la molécule d'ADN, combinées à des collisions constantes avec les molécules d'eau. Pour des raisons d'entropie, les états détendus plus compacts sont thermiquement plus accessibles que les états étirés, et ainsi les molécules d'ADN sont presque omniprésentes dans les modèles moléculaires « relaxés » complexes. Pour cette raison, une molécule d'ADN s'étirera sous la force, la redressant. À l'aide de pincettes optiques, le comportement d'étirement de l'entropie de l'ADN a été étudié et analysé du point de vue de la physique des polymères, et il a été constaté que l'ADN se comporte essentiellement comme un modèle de chaîne semblable à un ver de Kratky-Porod sur des échelles d'énergie physiologiquement disponibles.
Avec une tension suffisante et un couple positif, on pense que l'ADN subit une transition de phase, les squelettes se déplaçant vers l'extérieur et les phosphates se déplaçant versmilieu. Cette structure proposée pour l'ADN trop étiré a été nommée ADN de forme P d'après Linus Pauling, qui l'avait initialement envisagée comme une structure d'ADN possible.
Preuve de l'étirement mécanique de l'ADN en l'absence de points de couple imposés vers une transition ou des transitions conduisant à d'autres structures communément appelées formes en S. Ces structures n'ont pas encore été définitivement caractérisées en raison de la difficulté d'effectuer une imagerie de résolution d'un résonateur atomique en solution avec une force appliquée, bien que de nombreuses études de simulation informatique aient été réalisées. Les structures d'ADN-S suggérées incluent celles qui conservent le repliement de la paire de bases et la liaison hydrogène (enrichies en GC).
Modèle sigmoïde
La fracture périodique de la pile de paires de bases avec une rupture a été proposée comme une structure régulière qui conserve la régularité de la pile de bases et libère une quantité appropriée d'expansion, avec l'introduction du terme "Σ-ADN" comme un mnémonique dans lequel les trois points de droite du symbole "Sigma" rappellent trois paires de bases groupées. Il a été démontré que la forme Σ a une préférence de séquence pour les motifs GNC, ce que l'hypothèse GNC_h considère comme ayant une signification évolutive.
Faire fondre, chauffer et dérouler la spirale
La forme B de l'hélice d'ADN tourne à 360° pendant 10,4-10,5 pb. en l'absence de déformation en torsion. Mais de nombreux processus biologiques moléculaires peuvent induire des contraintes de torsion. Un segment d'ADN avec un excès oule sous-enroulement est mentionné dans des contextes positifs et négatifs, respectivement. L'ADN in vivo est généralement enroulé négativement (c'est-à-dire qu'il a des boucles qui sont tordues dans la direction opposée), ce qui facilite le déroulement (fusion) de la double hélice, qui est indispensable à la transcription de l'ARN.
À l'intérieur de la cellule, la plupart de l'ADN est topologiquement limité. L'ADN se trouve généralement dans des boucles fermées (comme les plasmides chez les procaryotes) qui sont des molécules topologiquement fermées ou très longues dont les coefficients de diffusion produisent effectivement des régions topologiquement fermées. Des tronçons linéaires d'ADN sont également couramment associés à des protéines ou à des structures physiques (telles que des membranes) pour former des boucles topologiques fermées.
Toute modification du paramètre T dans une région topologique fermée doit être compensée par une modification du paramètre W, et vice versa. Il en résulte une structure en hélice plus élevée des molécules d'ADN. Une molécule d'ADN ordinaire avec la racine 0 serait circulaire dans sa classification. Si la torsion de cette molécule est ensuite augmentée ou diminuée par superconformité, alors les racines seront modifiées en conséquence, provoquant un enroulement superhélique plectnonémique ou toroïdal.
Lorsque les extrémités d'une section de la double hélice d'ADN sont connectées de manière à former un cercle, les brins sont topologiquement liés. Cela signifie que les threads individuels ne peuvent pas être séparés d'un processus qui n'est pas associé à une rupture de thread.(ex: chauffage). La tâche de délier les brins d'ADN liés topologiquement incombe à des enzymes appelées topoisomérases.
