Молекулярные модели структур ДНК являются представлениями молекулярной геометрии и топологии молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты ( ДНК ) с использованием одного из нескольких средств с целью упрощения и представления основных физических и химических свойств молекулярных структур ДНК как in vivo , так и in vitro . Эти представления включают плотно упакованные сферы ( модели CPK ) из пластика, металлические провода для скелетных моделей , графические вычисления и анимацию с помощью компьютеров, художественную визуализацию. Компьютерные молекулярные модели также позволяют выполнять анимацию и моделирование молекулярной динамики, которые очень важны для понимания того, как функционирует ДНК in vivo .
Более продвинутые компьютерные молекулярные модели ДНК включают моделирование молекулярной динамики и квантово-механические вычисления вибровращения, делокализованных молекулярных орбиталей (МО), электрических дипольных моментов , водородных связей и т. д. Моделирование молекулярной динамики ДНК включает моделирование изменений молекулярной геометрии и топологии дезоксирибонуклеиновой кислоты ( ДНК ) со временем в результате как внутримолекулярных, так и межмолекулярных взаимодействий ДНК. В то время как молекулярные модели молекул ДНК, такие как плотно упакованные сферы (модели CPK), сделанные из пластика или металлических проводов для скелетных моделей , являются полезными представлениями статических структур ДНК, их полезность весьма ограничена для представления сложной динамики ДНК. Компьютерное молекулярное моделирование позволяет проводить как анимацию, так и моделирование молекулярной динамики, которые очень важны для понимания того, как ДНК функционирует in vivo .
С самых ранних стадий структурных исследований ДНК с помощью рентгеновской дифракции и биохимических средств молекулярные модели, такие как модель двойной спирали нуклеиновой кислоты Уотсона-Крика , успешно применялись для решения «головоломки» структуры ДНК, а также для выяснения того, как последняя связана с ее ключевыми функциями в живых клетках. Первые высококачественные рентгеновские дифракционные картины A-ДНК были получены Розалинд Франклин и Рэймондом Гослингом в 1953 году. [1] Розалинд Франклин сделала критическое наблюдение, что ДНК существует в двух различных формах, A и B, и получила самые четкие изображения обеих с помощью метода рентгеновской дифракции. [2] Первые вычисления преобразования Фурье атомной спирали были сделаны годом ранее Кокраном, Криком и Вандом, [3] а в 1953 году за ними последовало вычисление преобразования Фурье спиральной спирали Криком. [4]
Структурная информация формируется на основе рентгеновских дифракционных исследований ориентированных волокон ДНК с помощью молекулярных моделей ДНК, которые сочетаются с кристаллографическим и математическим анализом рентгеновских картин.
Первые сообщения о молекулярной модели двойной спирали структуры B-ДНК были сделаны Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком в 1953 году. [5] [6] В том же году Морис Ф. Уилкинс, А. Стокс и Х. Р. Уилсон сообщили о первых рентгеновских картинах in vivo B-ДНК в частично ориентированных головках сперматозоидов лосося. [7]
Разработка первой правильной двойной спирали молекулярной модели ДНК Криком и Уотсоном, возможно, была бы невозможна без биохимических доказательств спаривания нуклеотидных оснований ([A---T]; [C---G]) или правил Чаргаффа . [8] [9] [10] [11] [12] [13] Хотя такие первоначальные исследования структур ДНК с помощью молекулярных моделей были по сути статичными, их последствия для объяснения функций ДНК in vivo были значительными в областях биосинтеза белка и квазиуниверсальности генетического кода. Однако исследования эпигенетических трансформаций ДНК in vivo развивались гораздо медленнее, несмотря на их важность для эмбриологии, морфогенеза и исследований рака. Такая химическая динамика и биохимические реакции ДНК намного сложнее, чем молекулярная динамика физических взаимодействий ДНК с водой, ионами и белками/ферментами в живых клетках.
Старая динамическая проблема заключается в том, как происходит «саморепликация» ДНК в живых клетках, которая должна включать временное раскручивание суперспирализованных волокон ДНК. Хотя ДНК состоит из относительно жестких, очень больших удлиненных молекул биополимера, называемых волокнами или цепями (которые состоят из повторяющихся нуклеотидных единиц четырех основных типов, прикрепленных к дезоксирибозе и фосфатным группам), ее молекулярная структура in vivo претерпевает динамические изменения конфигурации, которые включают динамически прикрепленные молекулы воды и ионы. Суперспирализация, упаковка гистонами в хромосомные структуры и другие подобные надмолекулярные аспекты также включают топологию ДНК in vivo , которая еще сложнее молекулярной геометрии ДНК, тем самым превращая молекулярное моделирование ДНК в особенно сложную проблему как для молекулярных биологов, так и для биотехнологов. Как и другие большие молекулы и биополимеры, ДНК часто существует в нескольких стабильных геометриях (то есть она проявляет конформационную изомерию ) и конфигурационных квантовых состояниях, которые близки друг к другу по энергии на поверхности потенциальной энергии молекулы ДНК.
Такие различные молекулярные геометрии также могут быть вычислены, по крайней мере в принципе, с использованием методов квантовой химии ab initio , которые могут достигать высокой точности для малых молекул, хотя недавно были сделаны заявления о том, что приемлемая точность может быть достигнута также для полинуклеотидов и конформаций ДНК на основе спектральных данных колебательного кругового дихроизма (VCD). Такие квантовые геометрии определяют важный класс молекулярных моделей ДНК ab initio, исследование которых только началось, особенно в связи с результатами, полученными с помощью VCD в растворах. Более подробные сравнения с такими квантовыми вычислениями ab initio в принципе можно получить с помощью спектроскопии ЯМР 2D-FT и релаксационных исследований растворов полинуклеотидов или специально меченой ДНК, например, с помощью дейтериевых меток.
В интересном повороте ролей было предложено использовать молекулу ДНК для квантовых вычислений через ДНК. Были построены как ДНК-наноструктуры, так и ДНК-вычислительные биочипы.
Химическая структура ДНК недостаточна для понимания сложности трехмерных структур ДНК. Напротив, анимированные молекулярные модели позволяют визуально исследовать трехмерную (3D) структуру ДНК. Показанная модель ДНК (крайняя справа) представляет собой заполняющую пространство, или CPK , модель двойной спирали ДНК. Анимированные молекулярные модели, такие как проволочный, или скелетный, тип, показанный в верхней части этой статьи, позволяют визуально исследовать трехмерную (3D) структуру ДНК. Другой тип модели ДНК — заполняющая пространство, или CPK, модель.
Динамика водородных связей и протонный обмен сильно различаются на много порядков между двумя системами полностью гидратированной ДНК и молекул воды во льду. Таким образом, динамика ДНК сложна, включая наносекундные и несколько десятков пикосекундных временных масштабов, тогда как динамика жидкого льда находится в пикосекундном временном масштабе, а динамика протонного обмена во льду — в миллисекундном временном масштабе. Скорости протонного обмена в ДНК и присоединенных белках могут варьироваться от пикосекунд до наносекунд, минут или лет, в зависимости от точного местоположения обмениваемых протонов в крупных биополимерах.
Простая «вибрация» гармонического осциллятора представляет собой лишь упрощенное динамическое представление продольных колебаний переплетенных спиралей ДНК, которые, как было обнаружено, являются ангармоническими, а не гармоническими, как часто предполагается в квантово- динамических моделях ДНК.
Структура ДНК демонстрирует разнообразие форм, как двухцепочечных, так и одноцепочечных. Механические свойства ДНК, которые напрямую связаны с ее структурой, представляют собой значительную проблему для клеток . Каждый процесс, который связывает или считывает ДНК, способен использовать или изменять механические свойства ДНК для целей распознавания, упаковки и модификации. Чрезвычайная длина ( хромосома может содержать нить ДНК длиной 10 см), относительная жесткость и спиральная структура ДНК привели к эволюции гистонов и ферментов, таких как топоизомеразы и геликазы, для управления ДНК клетки. Свойства ДНК тесно связаны с ее молекулярной структурой и последовательностью, в частности, слабостью водородных связей и электронных взаимодействий, которые удерживают нити ДНК вместе, по сравнению с прочностью связей внутри каждой нити.
Экспериментальные методы, которые могут напрямую измерять механические свойства ДНК, относительно новы, а визуализация с высоким разрешением в растворе часто затруднена. Тем не менее, ученые обнаружили большой объем данных о механических свойствах этого полимера, и влияние механических свойств ДНК на клеточные процессы является темой активных текущих исследований.
ДНК, обнаруженная во многих клетках, может быть макроскопической длины: несколько сантиметров для каждой человеческой хромосомы. Следовательно, клетки должны уплотнять или упаковывать ДНК, чтобы нести ее внутри себя. У эукариот это переносится похожими на катушки белками, называемыми гистонами , вокруг которых наматывается ДНК. Дальнейшее уплотнение этого комплекса ДНК-белок производит хорошо известные митотические эукариотические хромосомы .
В конце 1970-х годов альтернативные неспиральные модели структуры ДНК кратко рассматривались как потенциальное решение проблем репликации ДНК в плазмидах и хроматине . Однако эти модели были отложены в пользу модели двойной спирали из-за последующих экспериментальных достижений, таких как рентгеновская кристаллография дуплексов ДНК, а позднее частицы ядра нуклеосомы и открытие топоизомераз . Такие недвойные спиральные модели в настоящее время не приняты основным научным сообществом. [14] [15]
После того, как ДНК была разделена и очищена стандартными биохимическими методами, в банке находится образец, очень похожий на рисунок в верхней части этой статьи. Ниже приведены основные этапы, необходимые для получения структурной информации из рентгеновских дифракционных исследований ориентированных волокон ДНК, которые извлекаются из гидратированного образца ДНК с помощью молекулярных моделей ДНК, которые сочетаются с кристаллографическим и математическим анализом рентгеновских картин.
Паракристаллическая решетка, или паракристалл, представляет собой молекулярную или атомную решетку со значительными количествами (например , больше нескольких процентов) частичного разупорядочения молекулярных расположений. Предельными случаями модели паракристалла являются наноструктуры , такие как стекла , жидкости и т. д., которые могут обладать только локальным порядком и не иметь глобального порядка. Простой пример паракристаллической решетки показан на следующем рисунке для кварцевого стекла:
Жидкие кристаллы также имеют паракристаллическую, а не кристаллическую структуру.
Высокогидратированная B-ДНК встречается в природе в живых клетках в таком паракристаллическом состоянии, которое является динамическим, несмотря на относительно жесткую двойную спираль ДНК, стабилизированную параллельными водородными связями между парами нуклеотидных оснований в двух комплементарных спиральных цепях ДНК (см. рисунки). Для простоты большинство молекулярных моделей ДНК не включают как воду, так и ионы, динамически связанные с B-ДНК, и, таким образом, менее полезны для понимания динамического поведения B-ДНК in vivo . Физический и математический анализ рентгеновских [16] [17] и спектроскопических данных для паракристаллической B-ДНК, таким образом, намного сложнее, чем для кристаллических, A-ДНК рентгеновских дифракционных картин. Паракристаллическая модель также важна для технологических приложений ДНК, таких как ДНК-нанотехнология . В настоящее время также разрабатываются новые методы, которые объединяют рентгеновскую дифракцию ДНК с рентгеновской микроскопией в гидратированных живых клетках. [18]
Существуют различные применения молекулярного моделирования ДНК в исследовательских приложениях геномики и биотехнологии, от восстановления ДНК до ПЦР и наноструктур ДНК . Двумерные массивы соединений ДНК были визуализированы с помощью атомно-силовой микроскопии . [19]
Молекулярное моделирование ДНК имеет различные применения в геномике и биотехнологии , с исследовательскими приложениями, варьирующимися от восстановления ДНК до ПЦР и наноструктур ДНК. Они включают в себя компьютерные молекулярные модели молекул, таких разнообразных, как РНК-полимераза, E. coli, бактериальная ДНК-примаза, предполагающая очень сложную динамику на интерфейсах между ферментами и ДНК-матрицей, и молекулярные модели мутагенного, химического взаимодействия молекул сильного канцерогена с ДНК. Все они представлены в галерее ниже.
Технологическое применение включает ДНК-биочип и ДНК-наноструктуры, разработанные для ДНК-вычислений и других динамических приложений ДНК-нанотехнологий . [20] [21] [22] [23] [24] [25] Изображение справа представляет собой самоорганизующиеся ДНК-наноструктуры. Структура «плитки» ДНК на этом изображении состоит из четырех разветвленных соединений, ориентированных под углом 90°. Каждая плитка состоит из девяти ДНК-олигонуклеотидов, как показано; такие плитки служат в качестве основного «строительного блока» для сборки ДНК-наносетей, показанных на АСМ-микрофотографии.
Квадруплексная ДНК может быть связана с некоторыми видами рака. [26] [27] Изображения квадруплексной ДНК представлены в галерее ниже.
80-model.png/1280px-DNA-(A)80-model.png){kind=small}
{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link), .{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}: CS1 maint: DOI inactive as of October 2024 (link)Однако открытие топоизомераз сняло "остроту" с топологического возражения против плектонемической двойной спирали. Более позднее решение рентгеновской структуры монокристалла частицы ядра нуклеосомы показало почти 150 пар оснований ДНК (т. е. около 15 полных оборотов) со структурой, которая во всех существенных отношениях совпадает с моделью Уотсона-Крика. Это нанесло смертельный удар идее о том, что другие формы ДНК, в частности, двухспиральная ДНК, существуют как что-то иное, чем локальные или временные структуры.[ мертвая ссылка ]