ساختار سوم DNA (بخش پایانی)

توپولوژی مولکول DNA:

مکان شناسی یا توپولوژی DNA با استفاده از سه ویژگی Linking Number ،Twist و Write بیان می شود 

: Linking Number (LK) تعداد دفعاتی که یک رشته با رشته دیگر در مولکول DNA تماس می یابد را LK می گویند که توپولوژی مولکول DNA وابسته به آن است. LK همیشه عدد صحیح است و به دو عامل وابسته است :

Twist(Tw) : تعداد پیچش یک رشته حول رشته دیگر را نشان می دهد. در B-DNA اغلب LK و Tw با یکدیگر برابرند.

Write(Wr) : تعداد سوپرکویلها را نشان می دهد. رابطه زیر میان این سه ویژگی وجود دارد:

LK= Tw+ Wr

Write در واقع Supercoil های بعد از مارپیچ اولیه است. اگر سیم تلفن را در نظر بگیریم خودش مارپیچ است(Twist) که اگر آن را رها کنیم سیم یک بار دیگر دور خود می پیچد که به آن Write گویند.

LK همیشه ثابت است اما Tw و Wr می تواند متغیر باشد.  به عنوان مثال اگر در مولکولی LK برابر 5 است، Tw + Wr همیشه 5 است اما Tw و Wr می توانند متغیر باشند.

تعریف Twist : چرخشی که یک رشته روی رشته دیگر می کند. پس مارپیچ اولیه DNA یک Twist است.

اگر پیچی را وسط این مولکول قرار دهیم و پیچ را در جهت راست بچرخانیم، مارپیچ راست چرخان و اگر پیچ چپ چرخان باشد و پیچ را در جهت چپ بچرخانیم، مارپیچ چپ چرخان است

اگر مارپیچ به طرف راست رود، Tw آن مثبت است و اگر چپ گرد باشد Tw آن منفی است.

Write دو شکل دارد(دو نوعSupercoil ):

Interwound : اگر مولکول DNA بر روی خودش مارپیچ بزند.

Spiral : روی یک پروتئین یا مجموعه ای از پروتئین ها می پیچد.

در حالتی که مولکول کاملاً باز باشد و مارپیچ نشود Tw برابر 5 و Wr برابر صفر و Lk هم 5 می شود و اگر هم Tw و Wr تغییر کنند Lk ثابت است. مثلاً اگر Tw زیاد شود، Wr باید کم شود. اگر مارپیچ دومی چپ بچرخد مارپیچ درون شل می شود. اگر مارپیچ ثانویه در جهت مثبت بچرخد یعنی در جهت مارپیچ اولیه باشد، باعث می شود مارپیچ درون فشرده تر شود. برعکس اگر مارپیچ ثانویه در جهت عکس مارپیچ اولیه باشد، باعث می شود مارپیچ درون مارپیچ اولیه شل تر و از هم بازتر شود.

در نتیجه مارپیچ های منفی ثانویه، باعث شل شدن دو رشته مولکول DNA می شود اما مارپیچ های مثبت ثانویه باعث متراکم شدن و فشرده شدن مارپیچ اولیه مولکول DNA می شود. هر جا که بخواهیم دو رشته مولکول DNA متراکم تر و کوتاه تر شوند Supercoil مثبت مفید است و زمانی که دو رشته بخواهند آسان تر از هم جدا شوند، تا همانند سازی یا نسخه برداری انجام شود، در آنجا Supercoil منفی انجام می گیرد. اما در اکثر مولوکول ها به خصوص پروکاریوت ها و ویروس ها Supercoil منفی صورت می گیرد. چرا؟ چون سرعت تقسیم بالاست و باز و بسته شدن پیاپی رشته DNA مشکل ساز است و به همین علت سیستم به صورت Supercoil منفی بسته بندی شده است.

پیچیدن دور نوکلئوزوم از نوع Spiral است. در اینجا هم مثل حالت قبل ممکن است منفی یا مثبت باشد.

اگر یک مولکول DNA فرم B را در نظر بگیریم، در یک چرخش 360 درجه ای 5/10جفت باز دارد، Lk آن برابر است با تعداد بازهای نوکلئوتیدی این مولکول DNA بسته تقسیم بر تعداد باز نوکلئوتیدی که در یک چرخش 360 درجه ای دارد. حال اگر تعداد جفت باز، 378عدد باشد، و به تعداد باز در یک مارپیچ 360 درجه تقسیم شود. Lk آن 36 می شود.

rLk : تفاوت بین Lk وقتی به صورت Relax است با زمانی که بر روی آن مارپیچ سوپر حاصل شده است. مثلاً اگر 4 مارپیچ زده است، دو عدد از مارپیچ های اولیه که در مولکول DNA است کم می شود.  یعنی Lk فرق کرده است. در این مثال Lk در حالت Relax برابر36 است که اگر در این مولکول Supercoil ایجاد شود، Lk می تواند تغییر کند. تغییر Lk یعنی تفاوت بین Lk بعد از مارپیچ یا سوپر مارپیچ و Lk اولیه که به صورت Relax است. اگر این تفاوت به طور معنی دار کمتر از صفر باشد، یعنی مولکول  DNAبه صورت منفی Supercoil شده و اگر به صورت معنی دار بزرگتر از صفر باشد، یعنی مولکول  DNAبه صورت مثبت مارپیچ شده و Supercoil مثبت دارد.

در جای جای مولکول DNA پروکاریوت ها و یوکاریوت ها، Supercoil منفی وجود دارد. این Supercoil منفی به عنوان منبع انرژی آزادی است که می تواند در جدا شدن دو رشته مولکول DNA از هم کمک کند تا همانند سازی و نسخه برداری بتوانند عملی شوند.