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Topologie geschlossener zirkulärer DNA

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Warum kommen kovalent geschlossene zirkuläre Plasmid-DNAs natürlicherweise in einem unterwundenen Zustand vor?

Liegt es daran, dass die DNA-Replikationsmaschinerie dadurch leichter auf DNA zugreifen und diese abwickeln kann? Oder liegt es daran, dass der Unterschuss energetisch günstiger ist als der Überschuss?


DNA ist natürlich nicht immer negativ supercoiled. Es ist wichtig zu bedenken, dass unterschiedliche Regionen topologisch eingeschränkter DNA unterschiedliche Supercoiling-Werte aufweisen können. Zum Beispiel führt die Wirkung des Abwickelns von DNA für die Transkription oder Replikation positive Supercoils vor der Polymerase und negative Supercoils dahinter ein.

Außerdem ist Supercoiling normalerweise in DNA vorhanden. Supercoiling ist das Ergebnis einer mehr oder weniger verdrehten DNA-Helix, die am stabilsten ist, wenn sie ~10,5 bp/Turn (für B-DNA) hat. Supercoiling ermöglicht es unter- oder überdrehten DNA, zu ihrer stabilsten Verdrehung zurückzukehren. Negatives Supercoiling ist das Ergebnis von unterwickelter DNA. Unterwundene DNA ist thremodynamisch nicht günstig und senkt tatsächlich den Schmelzpunkt der DNA (den Punkt, an dem die Strangtrennung auftritt). Dies kann durch die Einführung von Supercoils kompensiert werden, ist aber auch für Prozesse wie Transkription wichtig, die ssDNA benötigen. Negative Supercoils und ssDNA können als austauschbar betrachtet werden. Negative Supercoils werden auch verwendet, um DNA um Histone in Eukaryoten und Archaeen zu verpacken. Andererseits ist positives Supercoiling das Ergebnis von überwundener DNA (auch thermodynamisch nicht günstig) und erhöht den Schmelzpunkt der DNA. Positive Supercoiling wird häufig bei Thermophilen gefunden, die bei höheren Temperaturen leben und ein übermäßiges Schmelzen ihrer DNA verhindern müssen. Es wurde auch vorgeschlagen, dass positives Supercoiling eine Rolle bei der Regulation der Genexpression spielen kann (durch Hemmung des Promotorschmelzens). Organismen möchten aus den oben genannten Gründen eine ungefähr konstante Menge an Supercoiling in ihrer DNA beibehalten; Dies wird als Superhelikaldichte bezeichnet und ist charakteristisch für verschiedene Klassen von Organismen.


Molekularbiologie 04: 'DNA-Struktur und -Topologie'

Die Doppelhelix-Struktur von Watson und Cricks hat zwei Fragen aufgeworfen, die wir heute diskutieren werden:

  1. Wie erkennen Proteine ​​DNA-Bindungsstellen?
  2. Wie erhalten Proteine ​​Zugang zu einzelnen DNA-Strängen?

Frage 1 wird heute angerissen und in Vorlesung 05 genauer untersucht. Frage 2 verzweigt sich in zwei Aspekte: (A) DNA-Topologie das biologische Konzept und (B) DNA-Topologie das Werkzeug zum Verständnis der Funktionsweise von Proteinen, die die DNA-Struktur verändern.

Überprüfung der DNA-Fakten

Die beiden Ständer einer DNA-Doppelhelix sind antiparallel. Wenn ein freies dNTP durch die DNA-Polymerase in die DNA eingebaut wird, verliert es zwei Phosphate. Das mittlere Gewicht eines in DNA eingebauten dNMP beträgt 330 Da. G:C-Bindungen haben drei Wasserstoffbrücken, daher die höhere Schmelztemperatur von GC-reicher DNA. Das Phosphat-Rückgrat der DNA ist negativ geladen, sodass sich die aufeinanderfolgenden Einheiten gegenseitig abstoßen. Sie werden jedoch durch Wechselwirkungen sowohl mit Wasser als auch mit im Wasser gelösten Kationen (Na + , K + und Mg + ) stabilisiert. Was die Basen betrifft, so erfüllt die Basenpaarung alle möglichen Wasserstoffbrücken, mit Ausnahme von Wasser aus dem Inneren der Helix. Aber auch einzelsträngige DNA kann dank Wasser alle ihre Wasserstoffbrückenbindungen erfüllen, daher ist die Wasserstoffbrückenbindung nicht die treibende Kraft für das Glühen. Stattdessen wird das Tempern durch van-der-Waals- und elektrostatische Wechselwirkungen zwischen aufeinanderfolgenden Basen aufgrund der Stapelung ihrer aromatischen Ringe angetrieben.

Die DNA-Basenpaarung ist kooperativ: Die Paarung eines Basenpaares bringt das nächste Paar näher zusammen, wodurch auch die Energie für die Paarung sinkt. Die Fehlpaarung von Basen hat einen energetischen Nachteil, da die fehlgepaarten Basen weder miteinander noch mit Wasser paaren können (weil die benachbarten Basenpaare Wasser aus dem Inneren der Helix ausschließen).

Eine normale (B-Form) DNA-Doppelhelix ist

20 (2 nm) breit und jedes Basenpaar ist 3,3 hoch. Es gibt 10,4 bp pro Runde, für einen „Pitch“ von 34Å. Jedes Basenpaar macht 360°/10,4bp = 34,6° Drehung aus, wodurch eine kleine Furche und eine große Furche erzeugt werden. Die B-Form-DNA ist eine rechtsgängige Helix, was bedeutet, dass Sie bei einer Wendeltreppe an der festhalten würden Geländer mit Ihrem rechts Hand wie du gehst nach oben. Die seltene Z-Form-DNA ist eine linksgängige Helix. Es gibt auch die A-Form-Helix, die reine dsDNA nur unter Bedingungen fast ohne Wasser bildet, aber dsRNA- und DNA-RNA-Hybride nehmen routinemäßig die A-Form an. A-Form- und Z-Form-Strukturen unterscheiden sich grundlegend von B-Form – siehe diese Tabelle. Es wird noch diskutiert, ob Z-Form-DNA eine physiologische Rolle spielt. Das gleiche dsDNA-Molekül kann nur in einem Segment die B-Form und in einem anderen Segment die Z-Form haben, wenn es dazwischen einen offenen, nicht angelagerten Raum hat. Daher wurde die Hypothese aufgestellt, dass dsDNA manchmal eine Z-Form annimmt, um ein rollierendes Fenster von nicht-angelagerter DNA zu erhalten.

Obwohl wir oben von der DNA-Struktur gesprochen haben, als ob sie fixiert wäre, können in Wirklichkeit viele Dinge wie kleine Molekül-Interkalatoren und DNA-bindende Proteine ​​ihre Struktur ändern.

DNA-Force-Extension-Experimente haben gezeigt, dass ssDNA und dsDNA unterschiedliche Eigenschaften haben. dsDNA verhält sich bis ca. 50 nm (der kristallographischen Länge) wie ein starrer Stab, während ssDNA erst bei ihre Steifigkeit verliert

2 nm Verlängerung. Diese Größen werden als „Persistenzlängen“ der Moleküle bezeichnet.

Die kleine Rille ist 5,7" hoch und 7,5" tief, während die große Rille 11,7" hoch und 8,5" tief ist. Proteine ​​können sich leichter in der großen Furche binden. In der großen Furche stehen Proteinen auch mehr chemische Informationen zur Verfügung, während einige Paarungen in der kleinen Furche degeneriert sind. Definieren wir:

  • A = Wasserstoffbrückenakzeptor
  • D = Wasserstoffbrückendonor
  • M = Methylgruppe
  • H = Wasserstoff, der keine Bindung bietet

Dann sind die Gruppen, die den großen und kleinen Furchen in verschiedenen Paarungen ausgesetzt sind, wie folgt:

Paarung Haupt unerheblich
BEI ADAM A H A
T:A M A D A A H A
G:C A A D H A D A
C: G H D A A A D A

Bakterien haben ein einzelnes zirkuläres Chromosom in der Größenordnung von 4 Mbp. Ihr Genom ist jedoch tatsächlich in separate topologisch unterschiedliche Domänen unterteilt, die den Durchschnitt bilden

jeweils 10kb. Dies wurde durch Experimente entdeckt, bei denen DNA gespalten wurde, damit sich Teile davon entspannen können [Postow 2004]. Diese Aufteilung in separate topologische Domänen ist auf Proteine ​​zurückzuführen, die an DNA gebunden sind, was zum Supercoiling führt. Wenn ein ringförmiges Plasmid mehrfach verdrillt wird, kann es einen Teil seines topologischen Stresses abbauen, indem es ein Plektonem bildet, das wie aussieht. Linkshändige Plektoneme werden als „positive Superspulen“ und rechtshändige als „negative Superspulen“ bezeichnet.

Wenn die Enden der DNA eingeschränkt sind, zum Beispiel in einem kreisförmigen Chromosom, führt die Strangtrennung zu topologischem Stress – die Segmente neben dem abgetrennten Segment werden supercoil, was zu Plektonemen führt.

  • Lk ist die Verknüpfungszahl - die Häufigkeit, mit der zwei Stränge „verknüpft“ sind, wobei 0 zwei nicht verbundene Dinge und 1 zwei miteinander verbundene Kreise sind. Lk kann gezählt werden, indem man zählt, wie oft ein Strang den anderen kreuzt, und dann durch zwei dividiert. Bei dsDNA ist Lk einfach die Anzahl, wie oft ein konstituierender Strang den anderen passiert. Es gibt Regeln für Lk:
    1. Lk ist immer eine ganze Zahl
    2. Lk ist topologisch invariant. Es kann sich nur ändern, wenn Sie einen Strang brechen.
  • Zwei ist die Anzahl der Drehungen. Für dsDNA der B-Form wird die Energie minimiert, wenn 1 Tw pro 10,4 bp vorhanden ist.
  • Wr ist winden. Dies ist die Häufigkeit, mit der sich DNA in einer Superspule überkreuzt.

Ohne Beschränkung nimmt DNA eine Konformation an, die optimales Tw ergibt. Abweichungen zwischen Lk und dem optimalen Tw führen zu Änderungen von Wr, bekannt als Supercoiling.

Für ein zirkuläres Plasmid von 3 kb wird Tw zum Beispiel immer etwa 300 betragen. Der energetische Anreiz, Tw nahe der Länge/10,4 zu halten, ist so hoch, dass jede Änderung von Lk fast immer durch eine Änderung von Wr und nicht von Tw kompensiert wird.

Betrachten Sie ein zweites Beispiel, ein 400-bp-Stück linearer dsDNA Fest An beiden Enden. Es beginnt mit Lk = 40, Tw = 40, Wr = 0. Wenn wir es um 3 Umdrehungen „überdrehen“, dann steigt Lk = 43 und Wr steigt dementsprechend auf +3. Wr = +3 wird als positive Superspule bezeichnet, die linkshändig ist.

Fast alle Genome existieren in einem negativ supercoiled-Zustand. Betrachten Sie ein kreisförmiges 1-kb-Plasmid, bei dem die DNA-Helikase 10 bp abwickeln muss, um etwas damit zu tun. In den verbleibenden 990 bp ist es Lk = 100, Tw = 99, Wr = +1. Da immer mehr Helikasen auf die DNA einwirken, wird das positive Supercoiling immer intensiver, was die Arbeit der Helikase erschwert. Stattdessen ist es wünschenswert, die DNA standardmäßig in einem negativen Supercoiled-Zustand zu halten, so dass sich die Helikase beim Abwickeln der DNA tatsächlich energetisch bergab bewegt, was den topologischen Stress abbaut. In Bakterien verbraucht ein Enzym namens Gyrase ATP, um die DNA durch Spaltung, Drehung und Religierung negativ zu supercoilieren.

Es gibt zwei Arten von Supercoiling, die als plektonemisch und magnetisch bezeichnet werden. Im letzteren Fall ist die DNA um etwas gewickelt (z. B. ein Nukleosom), aber die grundlegende Topologie ist dieselbe. Eukaryoten wickeln DNA um Nukleosomen, um eine negative Superspirale einzuführen, anstatt Gyrase zu verwenden.

Eine linkshändige Solenoid-Wicklung eines DNA-Segments um Histone führt zu einem linkshändigen Plektonamen (positive Supercoil) im Rest der DNA, um die Verbindungsnummer zu erhalten. Um diesen Stress abzubauen, werden Topoisomerasen benötigt, um den Rest der DNA zu lösen. Im Gegensatz zu bakteriellen Gyrasen benötigen Topoisomerasen kein ATP - sie verwenden lediglich die Energie in der supercoiled DNA, um die DNA zu schneiden und erneut zu ligieren.

Die Konformation der DNA ist im Labor von praktischer Bedeutung. Bei der DNA-Gelelektrophorese wandert ein geschlossener entspannter Kreis am langsamsten. Eine lineare DNA wird schneller laufen. Eine supercoiled DNA läuft noch schneller als lineare DNA, weil ihre dem Gel ausgesetzte Größe kleiner ist. Je mehr Supercoiled, desto schneller läuft es. Ethidiumbromid entspannt durch Einlagerung von DNA die Krümmung der DNA-Helix von 34,6° auf nur 10°. Denken Sie daran, dass Lk ohne brechende Stränge erhalten bleibt, sodass dies nicht zu einer Abnahme von Lk führt. Dies verringert stattdessen Tw und erhöht Wr, wodurch positive Superspulen eingeführt werden. Die Wirkungsrichtung ist die gleiche wie beim Abwickeln von DNA mit einer Helikase.

Über Eric Vallabh Minikel

Eric Vallabh Minikel ist auf einer lebenslangen Suche, um Prionenkrankheiten vorzubeugen. Er ist Wissenschaftler am Broad Institute of MIT und Harvard.


Topologie der geschlossenen zirkulären DNA - Biologie

DNA Struktur und Topologie

1. Verstehe den Unterschied zwischen der großen und der kleinen Groove. Spezifische DNA-bindende Proteine ​​kontaktieren die DNA hauptsächlich über Wasserstoffbrücken in der großen Furche der B-DNA.

a) Warum könnte die sequenzspezifische Bindung in der großen Furche häufiger sein als in der kleinen Furche?

b) Welche Wasserstoffbrückenkontakte können Proteine ​​mit den Basen in der großen Furche eingehen? Unterscheiden sich diese von denen in der kleinen Groove?

2. Fassen Sie die Unterschiede zwischen A-, B- und Z-DNA zusammen. Unter welchen Lösungsmittelbedingungen würden Sie jeden einzelnen finden? Welche allgemeine Basensequenz findet man in DNA-Segmenten, von denen man annimmt, dass sie in der Z-DNA-Struktur liegen?

1. Bereiten Sie sich darauf vor, die verschiedenen Kräfte zu erklären, die an der Stabilisierung der DNA beteiligt sind.

2. Durch welche Mechanismen wird die Flexibilität der DNA eingeschränkt?

3. In der Lage sein, die verschiedenen Parameter zu erkennen, die zur konformativen Flexibilität der DNA beitragen, wenn Ihnen Strukturen gegeben werden. (Bsp.: c-Winkel, Rückgrat-Torsionswinkel, syn- und antisterische Orientierungen, Nukleotid-Zucker-Konformationen usw.)

1. Verstehen Sie die Wirkmechanismen von Typ I (sowohl IA als auch IB) und Typ II Topoisomerasen gründlich.

2. Unterscheiden Sie zwischen dem "kontrollierten Rotations"-Mechanismus und dem "Strang-Passage"-Mechanismus und wissen Sie, welcher Mechanismus für Typ IA-, Typ IB- und Typ II-Topoisomerasen verwendet wird.

3. Erläutern Sie kurz die Wirkmechanismen von Ciprofloxacin, Novobiocin, Etoposid und Doxorubicin bei der Blockierung der Topoisomerase-Aktivität.

4. Erklären Sie die folgenden Begriffe: Twist, Writhe, Supercoiling, Linking Number und können Sie diese für einfache DNA-Modelle bestimmen.

5. DNA-negative Supercoils können durch "Abwickelmittel" austitriert werden. Ethidiumbromid, ein planares Molekül, "interkaliert" zwischen den gestapelten DNA-Basen, wodurch die Supercoils abgewickelt werden. Die Verknüpfungsnummer der DNA wird jedoch nicht verändert. Erklären Sie die physikalische Grundlage für die Fähigkeit von Ethidiumbromid, diese Superspulen "abzuwickeln".

6. Eukaryotische DNA weist keine DNA-Gyrase-Aktivität auf, wie dies bei Bakterien der Fall ist. Wie werden negative Supercoils in eukaryontische DNA eingebracht, damit die DNA kompaktiert werden kann?

7. DNA-Gyrase und DNA-Topoisomerase IA haben diametrale Funktionen in E coli. Erklären.

8. Sie haben ein Enzym entdeckt, das von einem besonders virulenten Bakterium sezerniert wird und die C2'-C3'-Bindung in den Desoxyribose-Resten der Duplex-DNA spaltet. Welche Wirkung hat dieses Enzym auf supercoiled DNA? Erkläre deine Antwort.

9. Eine geschlossene zirkuläre Duplex-DNA hat ein 100-bp-Segment alternierender C- und G-Reste. Beim Überführen in eine Lösung mit hoher Salzkonzentration geht dieses Segment von der B-Konformation in die Z-Konformation über. Was ist die begleitende Änderung in ihrer Verknüpfungsnummer, Krümmungsnummer und Drehung?

10. Erklären Sie, wie negative Supercoils in eukaryotische DNA eingeführt werden können, obwohl eukarytische DNA keine DNA-Gyrase-Aktivität besitzt. Ich kann ein Diagramm der Bildung eines Wickels einer ringförmigen DNA um ein Histonprotein liefern, gefolgt von der Entfernung der kompensatorischen (+) Superspirale. Sie werden die erforderlichen Schritte erklären und den beteiligten Enzymtyp erwähnen.

11. Wenn die Helixachse einer geschlossenen zirkulären Duplex-DNA von 2340 bp gezwungen ist, in der Ebene zu liegen, hat die DNA eine Drehung von 212. Wenn sie freigesetzt wird, nimmt die DNA ihre normale Drehung von 10,4 bp/Umdrehung ein. Geben Sie die Werte von "Lk", "Wr" und "T" sowohl für den eingeschränkten als auch den nicht eingeschränkten Konformationszustand dieses DNA-Kreises an.


Berechnung der Geheimnisse des Lebens: Beiträge der mathematischen Wissenschaften zur Molekularbiologie (1995)

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VORHANG HÖHEN: MIT TOPOLOGIE DIE VERSTECKTE WIRKUNG VON ENZYMEN UNTERSUCHEN 203 Experimentelle Techniken wie Röntgenkristallographie und Kernspinresonanz bieten Möglichkeiten, um genaue Abstände zwischen Atomen abzuleiten. Diese Methoden sind jedoch nicht gut geeignet, um den dynamischen Mechanismus zu untersuchen, nach dem Enzyme wirken. Interessanterweise kann die Topologie dieses Schlüsselproblem beleuchten. Der topologische Ansatz zur Enzymologie ist ein experimentelles Protokoll, bei dem die deskriptiven und analytischen Kräfte der Topologie und Geometrie in einem indirekten Versuch eingesetzt werden, den Enzymmechanismus und die Struktur aktiver Enzym-DNA-Komplexe in vitro (in einem Reagenzglas) zu bestimmen (Wasserman und Cozzarelli, 1986 Sumners, 1987a). Sobald die Enzymstruktur und der Enzymmechanismus in einer kontrollierten Laborsituation verstanden sind, kann dieses Wissen auf den Enzymmechanismus in vivo, d. h. in einer lebenden Zelle, extrapoliert werden. Die Topologie ist ein Teilgebiet der Mathematik, das sich auf die Geometrie bezieht. Sie wird oft als "Gummiblatt-Geometrie" bezeichnet, weil die topologische Äquivalenz von Räumen das Dehnen, Schrumpfen und Verdrehen eines Objekts ermöglicht, um es mit einem anderen Objekt deckungsgleich zu machen. Topologie ist die Untersuchung von Eigenschaften von Objekten (Räumen), die durch zulässige elastische Verformungen unverändert bleiben. Wenn sich eine gegebene topologische Eigenschaft für ein Raumpaar unterscheidet, kann man sicher sein, dass ein Raum nicht durch elastische Verformung in den anderen umgewandelt werden kann. Änderungen, die nicht äquivalente Räume erzeugen können, umfassen das Auseinanderschneiden des Raums und das erneute Zusammensetzen der Teile, um einen anderen Raum zu erzeugen. Genau dieses topologische Aufbrechen und Wiederzusammensetzen der DNA charakterisiert den Mechanismus einiger lebenserhaltender zellulärer Enzyme, Enzyme, die die Replikation, Transkription und Transposition erleichtern. Kapitel 6 beschreibt Aspekte der Geometrie und Topologie der DNA und weist auf verschiedene topologische Transformationen hin, die von Enzymen an der DNA vorgenommen werden müssen, um den Lebenszyklus der Zelle durchzuführen. In diesem Kapitel beschreiben wir, wie sich neuere Ergebnisse in der dreidimensionalen Topologie (Culler et al., 1987 Ernst und Sumners, 1990 Sumners, 1990, 1992) als nützlich bei der Beschreibung und Quantisierung der Wirkung dieser Lebewesen erwiesen haben -Erhaltung von Enzymen auf der DNA. DIE TOPOLOGIE DER DNA Die DNA aller Organismen hat eine komplexe und faszinierende Topologie. Es kann als zwei sehr lange Kurven angesehen werden, die Millionen von miteinander verflochten sind

HEBEN DES VORHANGS: VERWENDEN DER TOPOLOGIE, UM DIE VERSTECKTE WIRKUNG VON ENZYMEN 204 Mal zu sondieren, mit anderen Kurven verbunden und vier oder fünf aufeinanderfolgenden Wickelordnungen unterzogen, um sie in eine kompakte Form für die Informationsspeicherung umzuwandeln. Wenn man den Zellkern auf die Größe eines Basketballs skaliert, skaliert die DNA im Inneren auf die Größe einer dünnen Angelschnur, und 200 km dieser Angelschnur befinden sich innerhalb des nuklearen Basketballs. Die meiste zelluläre DNA ist doppelsträngig (Duplex), bestehend aus zwei linearen Rückgraten aus abwechselndem Zucker und Phosphor. An jedes Zuckermolekül ist eine der vier Basen (Nukleotide) gebunden: A = Adenin, T = Thymin, C = Cytosin, G = Guanin. Eine Leiter, deren Seiten das Rückgrat und deren Sprossen Wasserstoffbrücken bilden, wird durch Wasserstoffbrücken zwischen Basenpaaren gebildet, wobei A nur mit T und C nur mit G bindet. Die Basenpaarsequenz für ein lineares Segment der Duplex-DNA wird erhalten durch Lesen entlang eines der beiden Rückgrate und ist ein Wort in den Buchstaben . Aufgrund der Einzigartigkeit des Bindungspartners für jedes Nukleotid impliziert die Kenntnis der Sequenz entlang eines Rückgrats die Kenntnis der Sequenz entlang des anderen Rückgrats. Im klassischen Crick-Watson-Doppelhelix-Modell für DNA ist die Leiter rechtshelikal verdrillt, mit einer durchschnittlichen und nahezu konstanten Ganghöhe von ungefähr 10,5 Basenpaaren pro voller Helixverdrillung. Die lokale helikale Ganghöhe der Duplex-DNA ist eine Funktion sowohl der lokalen Basenpaarsequenz als auch der zellulären Umgebung, in der die DNA lebt, wenn ein DNA-Molekül unter Stress steht oder gezwungen ist, auf der Oberfläche eines Proteins zu leben, oder darauf einwirkt durch ein Enzym kann sich die helikale Ganghöhe ändern. Duplex-DNA kann in der Natur in geschlossener Kreisform vorkommen, wobei die Sprossen der Leiter auf einem verdrehten Zylinder liegen. Zirkuläre Duplex-DNA existiert beispielsweise in den Mitochondrien menschlicher Zellen. Duplex-DNA im Zellkern ist ein lineares Molekül, das topologisch durch periodische Bindung an ein Proteingerüst eingeschränkt ist, um eine effiziente Packung zu erreichen. Die Packungs-, Verdrehungs- und topologischen Beschränkungen zusammengenommen bedeuten, dass die topologische Verschränkung ernsthafte funktionelle Probleme für die DNA aufwirft. Diese Verschränkung würde die lebenswichtigen Lebensprozesse der Replikation, Transkription und Rekombination stören und verschlimmern (Cozzarelli, 1992). Zur Informationsgewinnung und Zelllebensfähigkeit müssen einige geometrische und topologische Merkmale in die DNA eingeführt und andere schnell entfernt werden (Wang, 1982, 1985). Zum Beispiel kann die helikale Crick-Watson-Verdrehung der Duplex-DNA eine lokale Entwindung erfordern, um Platz für ein Protein zu schaffen, das an

DEN VORHANG HÖHEN: MIT TOPOLOGIE DIE VERSTECKTE AKTION DER ENZYME 205-Transkription UNTERSUCHEN, um an die DNA zu binden. Die DNA-Sequenz in der Nähe eines Gens muss möglicherweise geändert werden, um einen Promotor oder Repressor einzuschließen. Während der Replikation verschränken sich die Tochterduplex-DNA-Moleküle und müssen entwirrt werden, damit die Replikation vollständig ablaufen kann. Nach der Einführung dieser lebenserhaltenden Veränderungen in der DNA-Geometrie und -Topologie und nach Abschluss des Prozesses, den diese Veränderungen ermöglichen, muss die ursprüngliche DNA-Konformation wiederhergestellt werden. Einige Enzyme behalten die richtige Geometrie und Topologie bei, indem ein DNA-Strang durch einen anderen durch einen vorübergehenden enzymüberbrückten Bruch in einem der DNA-Stränge geleitet wird, eine Bewegung, die von Topoisomerasen ausgeführt wird. Andere Enzyme spalten die DNA auf und rekombinieren die Enden, indem sie sie austauschen, ein Vorgang, der von Rekombinasen ausgeführt wird. Die Beschreibung und Quantisierung der dreidimensionalen Struktur der DNA und der Veränderungen der DNA-Struktur aufgrund der Wirkung dieser Enzyme erforderten die ernsthafte Verwendung von Geometrie und Topologie in der Molekularbiologie. Geometrie und Topologie bieten Möglichkeiten, auf den dynamischen Prozess der topologischen Transformation zu schließen, der von einem Enzym durchgeführt wird. Dieser Einsatz der Mathematik als analytisches Werkzeug zur indirekten Bestimmung des Enzymmechanismus ist besonders wichtig, da es keine experimentelle Möglichkeit gibt, die Dynamik der enzymatischen Wirkung direkt zu beobachten. In der experimentellen Untersuchung der DNA-Struktur und des Enzymmechanismus entwickelten Biologen den topologischen Ansatz zur Enzymologie (Wasserman und Cozzarelli, 1986, Sumners, 1987b). Bei diesem Ansatz führt man Experimente an ringförmigen Substrat-DNA-Molekülen durch. Diese ringförmigen Substratmoleküle werden durch Klonierungstechniken gentechnisch verändert, um Regionen zu enthalten, die ein bestimmtes Enzym erkennt und auf die es einwirkt. Die zirkuläre Form des Substratmoleküls fängt eine enzymatische topologische Signatur in Form von DNA-Knoten und -Links (Catenanen) ein. Das Einfangen einer solchen topologischen Signatur ist unmöglich, wenn man ein lineares DNA-Substrat verwendet. Diese DNA-Knoten und Verknüpfungen werden durch Gelelektrophorese und Elektronenmikroskopie der Reaktionsprodukt-DNA-Moleküle beobachtet. Durch Beobachtung der durch ein Enzym verursachten Veränderungen der Geometrie (Supercoiling) und Topologie (Knoten und Verknüpfen) in der DNA kann der Enzymmechanismus beschrieben und quantifiziert werden. Abbildung 8.1 a zeigt das Schema des topologischen Enzymologieprotokolls. Die schwarze Box stellt die dynamische Reaktion dar, bei der das Enzym an das DNA-Substrat anlagert, es auseinanderbricht und bei Bedarf wieder verbindet und dann die DNA-Produkte freisetzt. Typische Ergebnisse dieses experimentellen Protokolls

HEBEN DES VORHANGS: VERWENDUNG DER TOPOLOGIE ZUR UNTERSUCHUNG DER VERSTECKTEN WIRKUNG VON ENZYMEN 206 sind die Reaktionsprodukte, die in den Abbildungen 8.1b und 8.1c dargestellt sind. Abbildung 8. 1b zeigt die elektronenmikroskopische Aufnahme eines DNA (+)-Acht-Catenans (Krasnow et al., 1983), und Abbildung 8.1c zeigt eine mikroskopische Aufnahme des DNA-Knotens (Wasserman et al., 1985). Beide sind Produkte der prozessiven Tn3-Rekombination und werden im Folgenden ausführlich erläutert. Abbildung 8.1 (a) Topologischer Zugang zur Enzymologie. (b) DNA (+) Achter-Catenan, (c) DNA-Knoten. Abbildung 8.1b mit freundlicher Genehmigung von Krasnow et al. (1983). Copyright 1983 von Macmillian Magazines Limited. Abbildung 8.c mit freundlicher Genehmigung von Wasserman et al. (1985). Copyright 1985 bei der American Association for the Advancement of Science.


Einfluss von YOYO-1 auf die mechanischen Eigenschaften der DNA

YOYO-1 ist ein grüner Fluoreszenzfarbstoff, der häufig verwendet wird, um einzelne DNA-Moleküle in Lösung für biophysikalische Studien abzubilden. Allerdings ist die Frage, ob die Interkalation von YOYO-1 die mechanischen Eigenschaften der DNA beeinflusst, noch nicht eindeutig beantwortet. Die Ermittler haben widersprüchliche Daten über die Veränderungen der Persistenzlänge der DNA vorgelegt. Hier verwenden wir Rasterkraftmikroskopie, um systematisch die Veränderungen der mechanischen Eigenschaften der DNA durch die Einlagerung von YOYO-1 zu untersuchen. Wir haben zuerst die Persistenzlänge, Konturlänge und die Biegewinkelverteilung des DNA-YOYO-1-Komplexes gemessen. Wir stellen fest, dass die Persistenzlänge der DNA durch die Interkalation von YOYO-1 nicht beeinflusst wird. Die Konturlänge nimmt jedoch bei voller Sättigung von 1 YOYO-1 pro 4 Basenpaare DNA linear mit einer Zunahme von etwa 38% zu. Als nächstes maßen wir die Änderung der Topologie von relaxierter geschlossener zirkulärer DNA nach der Interkalation von YOYO-1. Wir stellen fest, dass YOYO-1 Supercoiling in geschlossene zirkuläre DNA einführt. Unsere Beobachtungen zeigen, dass die Interkalation von YOYO-1 zur Unterwindung des DNA-Duplex führt, aber die Persistenzlänge nicht signifikant verändert.


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DNA-Topoisomerase II

DNA-Topoisomerase II ist ein ATP-abhängiges Enzym, das 2 ATP-Moleküle pro Reaktion benötigt. Es handelt sich um ganze doppelsträngige DNA, schneidet sie und fügt sie wieder zusammen. Topo II entspannt positives Supercoiling in eukaryotischer DNA.

Ein spezieller Typ von DNA-Topoisomerase II, der in Prokaryonten gefunden wird, wird als "DNA-Gyrase" bezeichnet und führt zu Supercoiling in bakterieller DNA. DNA-Gyrase erfüllt sowohl die Funktionen der Freisetzung als auch der Einführung von negativem Supercoiling in bakterieller DNA.

Bildnachweis: „Molekularbiologie des Gens“, 7. Auflage von Watson. Das Bild zeigt, wie Topoisomerase II dsDNA schneidet und entspannt.

Eine weitere wichtige Funktion wird von topoII übernommen, sind Verkettung und Dekatenation. Stellen Sie sich zwei verbundene Ringe vor. DNA-Moleküle werden auf die gleiche Weise verkettet. Hier schneidet Topoisomerase die dsDNA und dekateniert sie zum Entspannen. Außerdem verkettet es die dekatenierte DNA für das Supercoiling.

Bildnachweis: „Molekularbiologie des Gens“, 7. Auflage von Watson. das Bild steht für Verkettung und Dekatenation.

Der Prozess der Dekatenierung ist ein sehr wichtiger Prozess, da er die Trennung des DNA-Moleküls in zwei Tochterzellen nach der Replikation ermöglicht.


DNA-Topologie

Ein DNA-Molekül ist eine Doppelhelix, die aus zwei Polymerketten besteht, die aus monomeren Einheiten, Nukleotiden, bestehen. Ein Nukleotid besteht aus drei Teilen: einer Phosphatgruppe, einem Zucker und einer Base. Die Phosphatgruppe und der Zucker bilden ein Zucker-Phosphat-Rückgrat beider Stränge, sodass die DNA aus zwei Zucker-Phosphat-Strängen besteht, an die Basen angehängt sind. Bekanntlich gibt es vier Basen – A, T, G, C – und sie bilden Paare: A-Paare mit T und G-Paare mit C. Diese Paarung führt zur Bildung der Doppelhelix: Zwei Stränge annealen von AT und GC-Paare bilden einen Duplex. Es ist auch wichtig zu beachten, dass jeder Strang eine chemische Richtung hat und in einer Doppelhelix antiparallel ist: Ein Strang verläuft in eine Richtung, während der andere Strang in die entgegengesetzte Richtung verläuft.

Doppelstrang-DNA-Modell

Das doppelsträngige DNA-Modell wurde 1953 von Watson und Crick postuliert und markierte den Beginn einer neuen Ära der Molekularbiologie und später der Biotechnologie. Dies war der Beginn der modernen Biologie – die Entdeckung der Doppelhelix. Am Anfang haben nicht alle das Modell angenommen. Doch schon bald wurde vielen Forschern klar, dass dieses Modell die Realität war. Obwohl es nicht auf einem absolut festen Boden stand und ursprünglich nicht eindeutig festgelegt war, glaubten viele daran.

Damals begann der Glaube an das Modell und das Interesse an mehr Forschung. Schließlich wurde das ursprüngliche Modell von Watson-Crick bewiesen, aber es geschah 30 Jahre später nach der ersten Entdeckung. Der direkteste Beweis für eine molekulare Struktur ist die Röntgenkristallographie.

Alternative DNA-Strukturen

Die erste bestimmte DNA-Struktur – von kurzen DNA-Molekülen, die mit Röntgenkristallographie untersucht wurden – hat sich nicht als Watson-Crick-Doppelhelix erwiesen. Die Watson-Crick-Doppelhelix wird technisch als B-Form-DNA bezeichnet. Als Alex Rich und seine Gruppe am MIT jedoch die Struktur des ersten kurzen DNA-Moleküls mit nur 6 Basenpaaren feststellten, stellte sich zu ihrem Erstaunen heraus, dass es sich um eine völlig andere Struktur handelte. Es war keine rechtsgängige Helix, sondern eine linksgängige Helix und es gab noch viele andere Unterschiede. Die von ihnen ermittelte DNA-Struktur wurde Z-DNA genannt. Daher gibt es einige alternative DNA-Strukturen außer der DNA von Watson-Crick. Später verstanden die Forscher, was passierte, weil es eine ganz besondere Sequenz war und unter ganz besonderen Bedingungen. Und für diese DNA-Sequenz nimmt die DNA unter diesen Bedingungen eine andere Struktur an. Die B-Form-Struktur wurde kurz darauf durch Röntgenkristallographie gelöst. In der Zelle liegt die DNA überwiegend in der B-Form vor, obwohl einige spezielle Sequenzen selbst unter normalen Bedingungen leicht unterschiedliche Strukturen bilden. Diese andere Struktur wird als B’-Form bezeichnet. Es hat einige Unterschiede zur B-DNA. Normalerweise ignorieren die Menschen diese Tatsache, aber in Wirklichkeit liegen einige Regionen in der DNA nicht genau in der B-Form vor.

DNA-Supercoiling

DNA-Supercoiling entsteht meistens in prokaryotischen Zellen, in Bakterien, denn in Eukaryoten wie Menschen und anderen vielzelligen Organismen sind DNA-Moleküle linear und auch sehr lang: Sie haben Enden, sie sind nicht kreisförmig. Im Gegensatz dazu ist DNA bei Prokaryonten immer zirkulär und diese Zirkularität führt zu vielen verschiedenen Eigenschaften der DNA, sie führt zu dem Begriff der DNA-Topologie. Dies liegt daran, dass ein kreisförmiges Molekül Supercoiling und Knoten bilden kann, so dass diese Zirkularisierung der DNA in Zellen zu unterschiedlichen Eigenschaften der DNA führt.

Struktur der DNA-Doppelhelix (wikipedia.org)

Topologie, oder wie Sie es nennen können, Pseudotopologie, spielt auch in linearen DNAs eine wichtige Rolle. Wenn DNA nicht zirkulär, sondern sehr lang ist, verhält sie sich in vielerlei Hinsicht so, als ob sie zirkulär wäre. Daher sind topologische Aspekte sowohl bei Prokaryoten als auch bei Eukaryoten sehr wichtig. Dies wird dadurch unterstrichen, dass es spezielle Enzyme gibt, die Topoisomerasen genannt werden, die die DNA-Topologie verändern. Sie sind in Eukaryoten und Prokaryoten vorhanden, und wenn Sie die Gene der Topoisomerasen in Eukaryoten abschalten oder zum Schweigen bringen, werden alle wichtigen Prozesse wie Replikation und Transkription in der Zelle zum Stillstand gebracht. Dies zeigt die Bedeutung topologischer Eigenschaften oder pseudotopologischer Eigenschaften in eukaryontischen Zellen.

Topoisomerasen und ihre Funktion

Topoisomerasen sind für die normale Replikation notwendig, da bei jedem Prozess, der die Trennung komplementärer DNA-Stränge beinhaltet, sofort das Problem des Supercoilings auftritt. Immer wenn Sie die Stränge trennen, wickeln Sie die DNA ab. Da es sich bei DNA um eine Doppelhelix handelt und es sich um eine sehr stark gewundene Helix handelt, verändert dieses Abwickeln die Supercoiling in doppelsträngiger DNA vor der Replikationsgabel, wenn Sie die Stränge trennen und diese Windungen abwickeln. Wenn Sie das Supercoiling nicht entfernen, bleibt die Replikation einfach stehen und kann nicht fortgesetzt werden. Dies geschieht bei der Replikation und auch bei der Transkription. Dies wurde alles sehr gut untersucht, die Bildung von positivem und negativem Supercoiling und die Entfernung von Supercoiling wurde in beiden Prozessen, der Replikation und der Transkription, nachgewiesen.

Bei Eukaryoten ist es die gleiche Geschichte. Obwohl es streng genommen keine Topologie ist, weil Moleküle linear sind und im Prinzip die Superspirale entspannen können, wenn man lange genug warten kann. Aber Zellen haben sehr lange DNAs, und um das gesamte Supercoiling zu entspannen, müssen Sie das Molekül viele Male drehen, und dies ist in einer „überfüllten“ Umgebung innerhalb der Zelle einfach unmöglich. In reality, although there is no strict notion of topology for linear DNAs (it is pseudo-topology), the relaxation of supercoiling cannot happen in the reasonable time scale within the cell. Thus, the cell accelerates this process using topoisomerases and deals with DNA as if it were circular.

If eukaryotes didn’t use topoisomerases, they couldn’t have long genomes and having long genomes is, of course, crucial for the eukaryotes’ evolution.

If we talk about how something was discovered and not about how things exist in nature we are mostly talking about prokaryotes because there, at least with circular DNA, you can study it in a test tube, where there is no crowded situation. This way it proved to be much easier to study the enzymes and their properties dealing with circular DNA. To understand the mechanisms of topoisomerases’ actions, short circular DNA molecules were used. It is not even bacterial DNA, which is also too long, but short circular molecules that were used to figure out how topoisomerases work. When you already know what these enzymes do, you can just knock out the corresponding genes and see what happens. This is how the importance of topoisomerases for eukaryotic cells was proved.

Current research

Over the years we have learned a lot about DNA topology and many important questions have been resolved. One thing that has been discovered already 20 years ago, was that these topoisomerases, at least some of them, which work on double-stranded DNA, are actually capable of disentangling DNA molecules. They disentangle knots and they disentangle molecules that are linked to each other. That was a very interesting discovery and it is still an issue under investigation because it is not totally clear how an enzyme, which is much smaller than circular DNA itself, can distinguish between knotted molecule and unknotted molecule. But the fact is that somehow it disentangles knots. In the area of DNA topology theory actually plays a crucial role. Currently, studies are mostly theoretical on the ability of so-called topoisomerase type 2 to disentangle knots. There are other issues which are being studied but, in principle, many questions in this area have already been understood, so we know a lot about topoisomerases, about their structure, and we know in detail how these molecules work. It is an extremely interesting area.

Future perspectives

Of course, there are still open questions left. The main one is how DNA topology influences gene expression in eukaryotes. It has been a long story for many years: there were indications that there are so-called topological domains exist in DNA. It is also thought that DNA in the chromosome is arranged in the form of loops, which are not circular DNA but behave exactly like circular DNA since these loops are somehow locked by special proteins. These proteins are important for the formation of domains since they do not allow two DNA parts to rotate around each other and in this respect, a pseudo-circular DNA domain is formed. This domain can be supercoiled, topoisomerases can work on it and so forth.

Eukaryotic Chromosomal Structure (wikipedia.org)

For many researchers, it looked very attractive that such domains could be regulated with respect to supercoiling, and depending on supercoiling, gene expression may be affected. This issue has been raised many times in the literature and by different authors but there is still no clear answer to whether it is true, whether such domains are real. Another unresolved issue is that we know very little about the chromosomal organization, apart from nucleosomes. Nucleosomes provide a very generic organization of DNA in the chromosome, but it is only very first level of DNA organization within chromosomes. We still don’t know about higher levels of DNA compactization in chromosomes. It is very hard to study chromatin because it is a very unstable, changing entity. So in the future, we may have some fantastic discoveries in this respect if somebody is able to really pinpoint this issue of topological domains. It is a possibility but it has not yet been proven and studied properly because it is very hard to study. This is an open question and from time to time, a new generation of molecular biologists try to attack this issue but there is still no clear answer.


Primary structure consists of a linear sequence of nucleotides that are linked together by phosphodiester bond. It is this linear sequence of nucleotides that make up the primary structure of DNA or RNA. Nucleotides consist of 3 components:

The nitrogen bases adenine and guanine are purine in structure and form a glycosidic bond between their 9 nitrogen and the 1' -OH group of the deoxyribose. Cytosine, thymine, and uracil are pyrimidines, hence the glycosidic bonds form between their 1 nitrogen and the 1' -OH of the deoxyribose. For both the purine and pyrimidine bases, the phosphate group forms a bond with the deoxyribose sugar through an ester bond between one of its negatively charged oxygen groups and the 5' -OH of the sugar. [2] The polarity in DNA and RNA is derived from the oxygen and nitrogen atoms in the backbone. Nucleic acids are formed when nucleotides come together through phosphodiester linkages between the 5' and 3' carbon atoms. [3] A nucleic acid sequence is the order of nucleotides within a DNA (GACT) or RNA (GACU) molecule that is determined by a series of letters. Sequences are presented from the 5' to 3' end and determine the covalent structure of the entire molecule. Sequences can be complementary to another sequence in that the base on each position is complementary as well as in the reverse order. An example of a complementary sequence to AGCT is TCGA. DNA is double-stranded containing both a sense strand and an antisense strand. Therefore, the complementary sequence will be to the sense strand. [4]

Complexes with alkali metal ions Edit

There are three potential metal binding groups on nucleic acids: phosphate, sugar, and base moieties. Solid-state structure of complexes with alkali metal ions have been reviewed. [6]

DNA Edit

Secondary structure is the set of interactions between bases, i.e., which parts of strands are bound to each other. In DNA double helix, the two strands of DNA are held together by hydrogen bonds. The nucleotides on one strand base pairs with the nucleotide on the other strand. The secondary structure is responsible for the shape that the nucleic acid assumes. The bases in the DNA are classified as purines and pyrimidines. The purines are adenine and guanine. Purines consist of a double ring structure, a six-membered and a five-membered ring containing nitrogen. The pyrimidines are cytosine and thymine. It has a single ring structure, a six-membered ring containing nitrogen. A purine base always pairs with a pyrimidine base (guanine (G) pairs with cytosine (C) and adenine (A) pairs with thymine (T) or uracil (U)). DNA's secondary structure is predominantly determined by base-pairing of the two polynucleotide strands wrapped around each other to form a double helix. Although the two strands are aligned by hydrogen bonds in base pairs, the stronger forces holding the two strands together are stacking interactions between the bases. These stacking interactions are stabilized by Van der Waals forces and hydrophobic interactions, and show a large amount of local structural variability. [7] There are also two grooves in the double helix, which are called major groove and minor groove based on their relative size.

RNA Edit

The secondary structure of RNA consists of a single polynucleotide. Base pairing in RNA occurs when RNA folds between complementarity regions. Both single- and double-stranded regions are often found in RNA molecules.

The four basic elements in the secondary structure of RNA are:

The antiparallel strands form a helical shape. [3] Bulges and internal loops are formed by separation of the double helical tract on either one strand (bulge) or on both strands (internal loops) by unpaired nucleotides.

Stem-loop or hairpin loop is the most common element of RNA secondary structure. [8] Stem-loop is formed when the RNA chains fold back on themselves to form a double helical tract called the 'stem', the unpaired nucleotides forms single stranded region called the 'loop'. [9] A tetraloop is a four-base pairs hairpin RNA structure. There are three common families of tetraloop in ribosomal RNA: UNCG, GNRA, und CUUG (n is one of the four nucleotides and R is a purine). UNCG is the most stable tetraloop. [10]

Pseudoknot is a RNA secondary structure first identified in turnip yellow mosaic virus. [11] Pseudoknots are formed when nucleotides from the hairpin-loop pair with a single stranded region outside of the hairpin to form a helical segment. H-type fold pseudoknots are best characterized. In H-type fold, nucleotides in the hairpin-loop pair with the bases outside the hairpin stem forming second stem and loop. This causes formation of pseudoknots with two stems and two loops. [12] Pseudoknots are functional elements in RNA structure having diverse function and found in most classes of RNA.

Secondary structure of RNA can be predicted by experimental data on the secondary structure elements, helices, loops, and bulges. DotKnot-PW method is used for comparative pseudoknots prediction. The main points in the DotKnot-PW method is scoring the similarities found in stems, secondary elements and H-type pseudoknots. [13]

Tertiary structure refers to the locations of the atoms in three-dimensional space, taking into consideration geometrical and steric constraints. It is a higher order than the secondary structure, in which large-scale folding in a linear polymer occurs and the entire chain is folded into a specific 3-dimensional shape. There are 4 areas in which the structural forms of DNA can differ.

  1. Handedness – right or left
  2. Length of the helix turn
  3. Number of base pairs per turn
  4. Difference in size between the major and minor grooves [3]

The tertiary arrangement of DNA's double helix in space includes B-DNA, A-DNA, and Z-DNA.

B-DNA is the most common form of DNA in vivo and is a more narrow, elongated helix than A-DNA. Its wide major groove makes it more accessible to proteins. On the other hand, it has a narrow minor groove. B-DNA's favored conformations occur at high water concentrations the hydration of the minor groove appears to favor B-DNA. B-DNA base pairs are nearly perpendicular to the helix axis. The sugar pucker which determines the shape of the a-helix, whether the helix will exist in the A-form or in the B-form, occurs at the C2'-endo. [14]

A-DNA, is a form of the DNA duplex observed under dehydrating conditions. It is shorter and wider than B-DNA. RNA adopts this double helical form, and RNA-DNA duplexes are mostly A-form, but B-form RNA-DNA duplexes have been observed. [15] In localized single strand dinucleotide contexts, RNA can also adopt the B-form without pairing to DNA. [16] A-DNA has a deep, narrow major groove which does not make it easily accessible to proteins. On the other hand, its wide, shallow minor groove makes it accessible to proteins but with lower information content than the major groove. Its favored conformation is at low water concentrations. A-DNAs base pairs are tilted relative to the helix axis, and are displaced from the axis. The sugar pucker occurs at the C3'-endo and in RNA 2'-OH inhibits C2'-endo conformation. [14] Long considered little more than a laboratory artifice, A-DNA is now known to have several biological functions.

Z-DNA is a relatively rare left-handed double-helix. Given the proper sequence and superhelical tension, it can be formed in vivo but its function is unclear. It has a more narrow, more elongated helix than A or B. Z-DNA's major groove is not really a groove, and it has a narrow minor groove. The most favored conformation occurs when there are high salt concentrations. There are some base substitutions but they require an alternating purine-pyrimidine sequence. The N2-amino of G H-bonds to 5' PO, which explains the slow exchange of protons and the need for the G purine. Z-DNA base pairs are nearly perpendicular to the helix axis. Z-DNA does not contain single base-pairs but rather a GpC repeat with P-P distances varying for GpC and CpG. On the GpC stack there is good base overlap, whereas on the CpG stack there is less overlap. Z-DNA's zigzag backbone is due to the C sugar conformation compensating for G glycosidic bond conformation. The conformation of G is syn, C2'-endo for C it is anti, C3'-endo. [14]

A linear DNA molecule having free ends can rotate, to adjust to changes of various dynamic processes in the cell, by changing how many times the two chains of its double helix twist around each other. Some DNA molecules are circular and are topologically constrained. More recently circular RNA was described as well to be a natural pervasive class of nucleic acids, expressed in many organisms (see CircRNA).

A covalently closed, circular DNA (also known as cccDNA) is topologically constrained as the number of times the chains coiled around one other cannot change. This cccDNA can be supercoiled, which is the tertiary structure of DNA. Supercoiling is characterized by the linking number, twist and writhe. The linking number (Lk) for circular DNA is defined as the number of times one strand would have to pass through the other strand to completely separate the two strands. The linking number for circular DNA can only be changed by breaking of a covalent bond in one of the two strands. Always an integer, the linking number of a cccDNA is the sum of two components: twists (Tw) and writhes (Wr). [17]

Twists are the number of times the two strands of DNA are twisted around each other. Writhes are number of times the DNA helix crosses over itself. DNA in cells is negatively supercoiled and has the tendency to unwind. Hence the separation of strands is easier in negatively supercoiled DNA than in relaxed DNA. The two components of supercoiled DNA are solenoid and plectonemic. The plectonemic supercoil is found in prokaryotes, while the solenoidal supercoiling is mostly seen in eukaryotes.

The quaternary structure of nucleic acids is similar to that of protein quaternary structure. Although some of the concepts are not exactly the same, the quaternary structure refers to a higher-level of organization of nucleic acids. Moreover, it refers to interactions of the nucleic acids with other molecules. The most commonly seen form of higher-level organization of nucleic acids is seen in the form of chromatin which leads to its interactions with the small proteins histones. Also, the quaternary structure refers to the interactions between separate RNA units in the ribosome or spliceosome. [18]


Mitgliedschaften

School of Life Sciences, Shanghai University, Shanghai, 200444, China

The Center for Microbes, Development and Health, CAS Key Laboratory of Molecular Virology & Immunology, Institut Pasteur of Shanghai, Chinese Academy of Sciences, Shanghai, 200031, China

Zhaoning Wang, Weiwei Wang & Lanfeng Wang

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Schau das Video: Jeder noethersche topologische Raum ist kompakt - Beweis Topologie, Analysis (Juni 2022).


Bemerkungen:

  1. Grorn

    Was sagst du, wenn ich sage, dass alle deine Beiträge Fiktion sind?

  2. Vokinos

    Ich gratuliere, welche notwendigen Worte ..., bemerkenswerter Gedanke

  3. Arthur

    Between us say, try searching for the answer to your question in google.com



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