핵산 이중 나선

3. 핵산 혼성화

핵산 혼성화는 상보적 염기쌍이 결합하여 이중 나선을 형성하는 과정이다.

3. 1. 핵산 융해

3. 2. DNA 융해와 관련된 효소

4. 염기쌍 기하학

• '''전단'''
• '''스트레치'''
• '''엇갈림'''
• '''버클'''
• '''프로펠러''': 같은 염기쌍 내에서 한 염기가 다른 염기에 대해 회전한다.
• '''오프닝'''
• '''시프트''': 작은 홈에서 큰 홈으로 향하는 첫 번째 염기쌍 평면에 수직인 축을 따라 이동한다.
• '''슬라이드''': 한 가닥에서 다른 가닥으로 향하는 염기쌍 평면의 축을 따라 이동한다.
• '''라이즈''': 나선 축을 따라 이동한다.
• '''틸트''': 시프트 축을 중심으로 회전한다.
• '''롤''': 슬라이드 축을 중심으로 회전한다.
• '''트위스트''': 라이즈 축을 중심으로 회전한다.
• '''x-변위'''
• '''y-변위'''
• '''기울기'''
• '''팁'''
• '''피치''': 나선의 완전한 회전당 높이이다.

4. 1. 염기쌍 기하학의 변수

• '''전단'''
• '''스트레치'''
• '''엇갈림'''
• '''버클'''
• '''프로펠러''': 동일한 염기쌍 내에서 한 염기가 다른 염기에 대해 회전하는 것.
• '''오프닝'''
• '''시프트''': 작은 홈에서 큰 홈으로 향하는 첫 번째 염기쌍 평면에 수직인 축을 따라 이동.
• '''슬라이드''': 한 가닥에서 다른 가닥으로 향하는 염기쌍 평면의 축을 따라 이동.
• '''라이즈''': 나선 축을 따라 이동.
• '''틸트''': 시프트 축을 중심으로 회전.
• '''롤''': 슬라이드 축을 중심으로 회전.
• '''트위스트''': 라이즈 축을 중심으로 회전.
• '''x-변위'''
• '''y-변위'''
• '''기울기'''
• '''팁'''
• '''피치''': 나선의 완전한 회전당 높이.

5. 나선 기하학

A-DNA, '''B-DNA''', Z-DNA는 자연계에서 존재하는 것으로 알려진 세 가지 DNA 구조이다. 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭이 기술한 B형 DNA는 세포 내에서 가장 우세한 것으로 여겨진다.^[27]

A-DNA와 Z-DNA는 B-DNA와 기하학적 구조 및 치수에서 큰 차이를 보이지만, 모두 나선형 구조를 띈다. A-DNA는 실험실에서 탈수된 DNA 샘플이나 DNA와 RNA 가닥의 하이브리드 결합에서 주로 발견되었지만, 최근에는 생체 내에서도 발견되어 생물학적 기능을 갖는 것으로 알려졌다. Z-DNA는 세포가 조절 목적으로 메틸화한 DNA 세그먼트에서 발견될 수 있으며, A-DNA 및 B-DNA와 반대 방향으로 나선 축을 중심으로 회전한다. 단백질-DNA 복합체에서도 Z-DNA 구조가 형성된다는 증거가 존재한다.

A-DNA, B-DNA, C-DNA, E-DNA,^[28] L-DNA(D-DNA의 거울상 이성질체),^[29] P-DNA,^[30] S-DNA, Z-DNA 등 다양한 DNA 구조가 설명되었지만,^[31] F, Q, U, V, Y를 제외한 대부분의 문자는 인공적으로 만들어졌으며 자연적으로 발생하는 생물학적 시스템에서는 관찰되지 않았다.^[32][33] 삼중 가닥 DNA와 G-사중체, i-모티프와 같은 사중체 형태도 존재한다.

5. 1. DNA의 다양한 형태

5. 2. 큰 홈과 작은 홈

6. DNA의 굽힘

DNA는 비교적 뻣뻣한 고분자로, 벌크 체인으로 모델링된다. DNA의 굽힘은 세포 내에서 여러 중요한 역할을 한다. DNA는 굽힘, 꼬임, 압축의 세 가지 자유도를 가지는데, 이 중 굽힘-축 강성은 DNA 감싸기, 환상화 및 단백질 상호 작용에 중요하다.^[42]

DNA 분자는 염기 서열에 따라 선호하는 굽힘 방향, 즉 이방성 굽힘을 갖는 경우가 많다. 무작위 서열은 선호하는 굽힘 방향이 없는 등방성 굽힘을 갖는다. 선호하는 DNA 굽힘 방향은 각 염기가 다음 염기 위에 쌓이는 안정성에 의해 결정된다. 예를 들어, 불안정한 염기 쌓임 단계가 DNA 나선의 한쪽에서 항상 발견되면 DNA는 그 방향으로 굽힘을 선호한다. 굽힘 각도가 증가함에 따라 입체적 방해와 서로 상대적으로 잔기를 회전시키는 능력도 영향을 미치며, 특히 작은 홈에서 중요하다. ''A''와 ''T'' 잔기는 굽힘 안쪽의 작은 홈에서 주로 발견된다.^[46]

다음은 염기쌍 간 쌓임 안정성을 나타낸 표이다.

예외적인 굽힘 선호를 가진 DNA 분자는 본질적으로 굽어질 수 있다. 이는 ''G''와 ''C''가 풍부한 섹션으로 분리된 4-6개의 ''T'' 및 ''A'' 잔기의 스트레치를 포함하는 특정 서열에 의해 유발된다. 이러한 서열은 A 및 T 잔기를 분자의 한쪽 작은 홈과 위상이 맞도록 유지한다. 예를 들면 다음과 같다.

본질적으로 굽은 구조는 염기 쌍이 서로 상대적으로 '프로펠러 트위스트'에 의해 유도되어 염기 단계 사이에 특이한 분기 수소 결합을 허용한다. 이방성으로 굽는 DNA는 평균적으로 더 긴 지속 길이와 더 큰 축 강성을 갖는다.

6. 1. 지속 길이

지속 길이보다 큰 길이에서 DNA의 엔트로피 유연성은 ''Kratky-Porod'' 벌레형 사슬 모델과 같은 표준 고분자 물리학 모델과 일치한다.^[47] DNA를 구부리는 것은 매우 작은 힘에서 훅의 법칙에 의해 설명된다. 지속 길이보다 짧은 DNA 분절의 경우, 굽힘력은 일정하며, 동작은 벌레형 사슬 예측에서 벗어난다.

이러한 효과는 작은 DNA 분자를 고리화하는 데 용이하고, DNA의 굽어진 부분을 발견할 확률을 높인다.^[48]

6. 2. 굽힘 선호도

예외적인 굽힘 선호를 가진 DNA 분자는 본질적으로 굽어질 수 있다. 이것은 처음 트리파노소마류 키네토플라스트 DNA에서 관찰되었다. 이를 유발하는 전형적인 서열은 ''G''와 ''C''가 풍부한 섹션으로 분리된 4-6개의 ''T'' 및 ''A'' 잔기의 스트레치를 포함하며, 이는 A 및 T 잔기를 분자의 한쪽 작은 홈과 위상이 맞도록 유지한다. 예를 들면 다음과 같다.

본질적으로 굽은 구조는 염기 쌍이 서로 상대적으로 '프로펠러 트위스트'에 의해 유도되어 염기 단계 사이에 특이한 분기 수소 결합을 허용한다. 더 높은 온도에서는 이 구조가 변성되어 본질적인 굽힘이 사라진다.

이방성으로 굽는 모든 DNA는 평균적으로 더 긴 지속 길이와 더 큰 축 강성을 갖는다. 이러한 증가된 강성은 분자가 등방성으로 작용하게 만드는 무작위 굽힘을 방지하는 데 필요하다.

7. DNA의 환형화

DNA의 환형화는 분자의 축 방향(굽힘) 강성과 비틀림(회전) 강성에 모두 달려 있다. DNA 분자가 성공적으로 환형화되려면 전체 원으로 쉽게 구부러질 만큼 충분히 길어야 하고, 결합이 발생하도록 끝 부분이 올바른 회전을 하도록 올바른 수의 염기를 가져야 한다. DNA 환형화에 최적의 길이는 약 400개의 염기쌍(136 nm)이며, DNA 이중 나선의 정수배, 즉 10.4개 염기쌍의 배수이다. 정수가 아닌 회전수를 가지면 환형화에 상당한 에너지 장벽이 생긴다. 예를 들어 312개 염기쌍(10.4 x 30) 분자는 317개 염기쌍(10.4 x 30.5 ≈) 분자보다 수백 배 더 빠르게 환형화된다.^[49]

짧은 환형 DNA 분절의 굽힘은 균일하지 않다. 오히려 지속 길이에 미치지 못하는 환형 DNA 분절의 경우 DNA 굽힘은 AT가 풍부한 분절에서 우선적으로 형성되는 1~2개의 꺾임으로 국한된다. 만약 닉이 존재한다면, 굽힘은 닉 부위에 국한될 것이다.^[48]

8. DNA의 신장

DNA의 더 긴 가닥은 장력 하에서 엔트로피 탄성을 보인다. DNA가 용액에 있으면 용매의 열적 욕조에서 사용 가능한 에너지로 인해 지속적인 구조적 변화를 겪는다. 이는 분자의 열 진동과 물 분자와의 지속적인 충돌 때문이다. 엔트로피적인 이유로, 더 조밀하고 이완된 상태가 늘어난 상태보다 열적으로 접근 가능하며, 따라서 DNA 분자는 거의 보편적으로 엉킨 이완된 형태로 발견된다. 이러한 이유로, 하나의 DNA 분자는 힘을 받으면 늘어나 펴지게 된다. 광학 핀셋을 사용하여 DNA의 엔트로피적 늘어짐 거동을 연구하고 고분자 물리학 관점에서 분석한 결과, DNA는 생리적으로 접근 가능한 에너지 규모에서 주로 ''Kratky-Porod'' 웜 같은 사슬 모델과 유사하게 거동하는 것으로 밝혀졌다.

충분한 장력과 양의 토크 하에서 DNA는 염기가 바깥쪽으로 펼쳐지고 인산기가 가운데로 이동하는 상전이를 겪는 것으로 생각된다. 이렇게 과도하게 늘어난 DNA에 대해 제안된 구조는 DNA의 가능한 구조로 처음 제시한 라이너스 폴링을 기려 ''P-형 DNA''라고 불린다.^[30]

토크가 가해지지 않은 상태에서 DNA를 기계적으로 늘리는 실험으로부터, 일반적으로 ''S-형 DNA''라고 불리는 추가적인 구조로 이어지는 전이 또는 전이들이 나타났다. 이러한 구조들은 가해진 힘 하에서 용액 내에서 원자 수준의 이미징을 수행하는 어려움 때문에 아직 확실하게 규명되지 않았지만, 많은 컴퓨터 시뮬레이션 연구가 이루어졌다.^[50][51]

제안된 S-DNA 구조에는 염기쌍 스태킹과 수소 결합을 유지하면서 기울임으로써 확장을 완화하는 구조(GC-rich)와, 염기-염기 결합이 전반적으로 유지되면서 염기 스택의 부분적인 용융이 일어나는 구조(AT-rich)가 포함된다.

3bp마다 한 번씩(따라서 세 bp-bp 단계 중 하나) 염기쌍 스택의 주기적인 파괴가 염기 스태킹의 평면성을 유지하고 적절한 양의 확장을 방출하는 규칙적인 구조로 제안되었으며,^[52] "Σ-DNA"라는 용어가 기억어로 도입되었는데, 시그마 문자의 세 개의 오른쪽을 향하는 점은 세 개의 그룹화된 염기쌍을 상기시키는 역할을 한다. Σ-형은 GNC 가설에 따라 진화적으로 중요하다고 여겨지는 GNC 모티프에 대한 서열 선호도를 갖는 것으로 나타났다.^[53]

9. 슈퍼코일과 위상

9. 1. 연결 수

• ''L'' = 연결 수 - 한 DNA 가닥이 다른 가닥을 감는 횟수. 닫힌 루프의 경우 정수이며 닫힌 위상 도메인의 경우 상수이다.
• ''T'' = 비틀림 - 이중 가닥 DNA 이중 나선의 총 회전 수. 이것은 일반적으로 위상적으로 열린 이중 가닥 DNA 이중 나선이 용액에서 자유롭게 만드는 회전 수에 접근하는 경향이 있다. 즉, 염기 수/10.5, 삽입제(예: 에티듐 브로마이드) 또는 DNA의 강성을 수정하는 기타 요소가 없다고 가정한다.
• ''W'' = 와이드 - 슈퍼나선 축 주위의 이중 가닥 DNA 이중 나선의 회전 수
• ''L'' = ''T'' + ''W'' 및 Δ''L'' = Δ''T'' + Δ''W''

9. 2. 슈퍼코일과 관련된 효소

• ''L'' = 연결 수 - 한 DNA 가닥이 다른 가닥을 감는 횟수.
• ''T'' = 비틀림 - 이중 가닥 DNA 이중 나선의 총 회전 수.
• ''W'' = 와이드 - 슈퍼나선 축 주위의 이중 가닥 DNA 이중 나선의 회전 수
• ''L'' = ''T'' + ''W'' 및 Δ''L'' = Δ''T'' + Δ''W''

참조

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