Białka i kwasy nukleinowe
Notatki te z pewnością zawierają błędy i braki, więc jeżeli ktoś takowe zauważy prosiłbym by nie
zachowywał tego dla siebie, tylko dał mi znać na maila [e-mail], postaram się je
jak najszybciej poprawić/ uzupełnić.
Slajdy dostępne pod adresem http://www.biol.uw.edu.pl/zbm/wyklad/
hasło: mimoza
Wykład 12
Topologia DNA:
Problemy topologiczne biorą się stąd, że swobodny obrót jest możliwy wokół wiązania diestrowego
jednego łańcucha DNA a jak pokazuje model Watsona i Cricka cząsteczka ta jest zbudowana z
dwóch.
Początek badań nad topologią to lata 60 i 70:
" pierwsze doświadczenia na plazmidach bakteryjnych z bromkiem etydyny wpływającym na
szybkość ich migracji w żelu (superr coiled vs relaxed circle)
" Powstanie adekwatnego opisu matematycznego  liczba opleceń, zwojów i skrętów
" Wyizolowanie pierwszej topoizomerazy
Właściwości topologiczne mają tylko cząsteczki bez wolnych końców.
U eukariota:
" DNA jest związane z macierzą jądrową w sposób, który uniemożliwia swobodną rotację, co
skutkuje tym, że zachowuje się ono jak plazmid
" W jądrze mamy długie cząsteczki DNA w tłoku molekularnym, co powoduje, że
przeniesienie napięcia na wolne końce jest zbyt wolne aby uniknąć zjawisk topologicznych
Problemy topologiczne:
" Katenacja  gdy dwie cząsteczki bez wolnych końców łączą się jak ogniwa łańcucha. Jest
ona generowana podczas replikacji kolistych cząsteczek DNA, gdy potomna nić owija się
wokół matczynej i zwykle mamy do czynienia z wieloma przepleceniami naraz.
" Węzły  gdy cząsteczka zapętla się sama wokół siebie. Mogą powstawać np. na skutek
rekombinacji
" Superhelisy  sÄ… zasadniczo dwa rodzaje:
" Plektoniczne  skręcone wokół wirtualnej osi, występują zwykle w wyizolowanych
plazmidach
" Solenoidalne  owinięte wokół wirtualnego walca
Opisuje się je przy pomocy właściwości geometrycznych (do ich zmiany nie trzeba przecinać nici) i
paramterów topologicznych (trzeba by przeciąć nić).
Liczba opleceń [L ]  ile razy jedna nić oplata drugą. Jest to parametr topologiczny.
k
Obliczamy ją według teoretycznych, nie biologicznych zasad:
1. Pierwszą nić rozprostowujemy i układamy zgodnie z regułą prawej ręki
2. Liczymy ile razy druga nić ją oplecie (przebije płaszczyznę utworzoną przez pierwszą)
3. Istnieje konwencja co do ustalania znaku liczby opleceń => +, gdy nić leżąca na wierzchu
idzie w prawo; -, gdy nić leżąca na wierzchu idzie w lewo [zakładamy, że druga nić ma taki
sam zwrot jak pierwsza]
Jak widać liczba opleceń ze swojej natury jest wartością dyskretną.
Opis ten można stosować do różnych układów poza pojedynczą helisą, np. katenacji
W przypadku zrelaksowanej cząsteczki DNA L = sekwencja : 10,4 (ilość nukleotydów
k
przypadająca na obrót, zaokrąglamy zwykle do 10 [w tym na egzaminie;)])
CzÄ…steczki niezrelaksowane charakteryzujÄ…ce siÄ™ nadmiarem, bÄ…dz
deficytem liczby opleceń tworzą
kompensacyjny superheliks. Przy nadmiarze pozytywny, a przy deficycie negatywny.
Należy pamiętać, że nie ma to związku ze znakiem! Zależy np. od tego, czy jest on solenoidalny,
czy plektonemiczny a te formy mogą w siebie wzajemnie przechodzić na zasadzie przekształcenia
geometrycznego.
W układach biologicznych np. wszczepienie histonu potrafi zmienić topologię z selenoidalnej w
plektonemicznÄ….
Liczba zwojów [W ]  na cząsteczkę DNA patrzymy tutaj jako na obiekt 1 niciowy. Liczba zwojów
r
to superheliks w takim obiekcie. Wartość ta oznacza liczbę osi przez niego przechodzących kiedy
ułożymy go na płaszczyz
nie. Oczywiście wartość ta w związku z tym zależy od płaszczyzny, więc
wyznaczamy ją jako średnią wartość, ze wszystkich możliwych płaszczyzn i co za tym idzie może
nie być wartością ułamkową. Jest to oczywiście właściwość geometryczna.
Liczba skrętów [T ]  kąt o jaki w rzucie płaskim odchylona jest dana cząsteczka od cząsteczki
w
zrelaksowanej. 0 = zrelaksowana. - = niedokręcona, a skok helisy się wydłuża. + = nadkręcona i
skok helisy siÄ™ skraca.
Zmiana ilości liczby skręceń może skutkować nie tylko zmianą skoku na całej cząsteczce, ale
zmianą we fragmencie sekwencji aż do całkowitej denaturacji miejsc AT bogatych.
L = W + T => liczba zwojów i skrętów potrafią w siebie nawzajem przechodzić!
k r w
Równanie to jest oczywiście prawdziwe dopiero dla dużych plazmidów (kilkaset i więcej pz), tak,
że nie wpływa na nie sztywność cząsteczki.
Zwykle ¾ ro liczba zwojów a ź liczba skrÄ™tów.
Gęstość superhelisy  wartość będąca modyfikacją liczby opleceń. Powstała dlatego, że liczba
opleceń jest tak naprawdę funkcją długości cząsteczki i jest mało informatywna. Wyraża się
następującym wzorem: =(L  L ) / L , gdzie L jest wartością liczby opleceń dla cząsteczki
k k0 k0 k0
zrelaksowanej o tej samej długości
Topoizomery  różnią się między sobą jedynie topologią (nie sekwencją, czy długością).
Są one rozdzielalne na żelu, gdyż wraz ze wzrostem liczby opleceń wzrasta gęstość superheliksu i
spada jego objętość a co za tym idzie przyspiesza migracja. Jako, że L jest dyskretna taki też jest
k
rozdział.
Interkalatory  wnikają między nici promując relaksację helisy. Spadek T (rozluz
nienie) przekłada
w
siÄ™ na wzrost W (przyrost superhelisy).
r
Jako, że plazmidy mają naturalnie ujemny superheliks dodawanie np. bromku etydyny na początku
powoduje jego zanik i prowadzi do stanu quasi relaksacji a potem generuje superheliks pozytywny.
Relaksacja może się też odbywać przez wytwarzanie nietypowych struktur, np. struktury krzyżowe
niwelują napięcia torsyjne.
Maksymalne rozkręcenie negatywnego superheliksu może s kolei prowadzić do przejścia formy B
w Z.
Należy pamiętać, że zarówno eukariotyczne, jak prokariotyczne genomy z topologicznego punktu
widzenia mają strukturę miniaturowych pętli, które są autonomiczne, więc np. kolistość
bakteryjnego chromosomu przestaje mieć znaczenie.
Topologia jest wrażliwa na czynniki fizyczne, w szczególności temperaturę.
Topnienie DNA  podniesienie temperatury powoduje rozkręcenie DNA (podobnie jak bromek
etydyny generuje pozytywny superheliks) aż do momentu denaturacji podwójnej cząsteczki.
Wysokość tej wartości zależy od składu nukleotydowego i siły jonowej (dodatnie jony, szczególnie
fosforanowe podnoszÄ… jÄ…)
Ostatnio aktualizowane: 2009r.