Το ταυτομερές DNA:B-DNA, A-DNA και Z-DNA
Βασικές έννοιες
Σε αυτό το άρθρο, θα μάθετε για τη δομή και τις βιοχημικές ιδιότητες κάθε ταυτομερούς DNA:B-DNA, A-DNA και Z-DNA.
Τι είναι το Tautomer;
Όταν σκέφτεστε το DNA, μια γνώριμη εικόνα έρχεται αμέσως στο μυαλό μιας διπλής έλικας που μοιάζει με σκάλα. Ωστόσο, όπως πολλά άλλα οργανικά μόρια, το DNA μπορεί να πάρει πολλές διαφορετικές μορφές, που ονομάζονται ταυτομερή, δεδομένων ορισμένων περιβαλλοντικών συνθηκών. Αυτά τα ισομερή DNA, γνωστά στους βιοχημικούς ως B-DNA, A-DNA και Z-DNA, έχουν διαφορετικές χημικές ιδιότητες σημαντικές για τα βιολογικά συστήματα.
Οι χημικοί ορίζουν τον «ταυτομερισμό» ως την αντίδραση όπου δύο δομές μορίων μετατρέπονται αυθόρμητα η μία στην άλλη. Αυτά τα δύο μόρια, που ονομάζονται ταυτομερή, τείνουν να είναι συνταγματικά ισομερή, που σημαίνει ότι έχουν τον ίδιο χημικό τύπο αλλά διαφορετική συνδεσιμότητα μεταξύ των ατόμων. Στην πραγματικότητα, πολλά ταυτομερή διαφέρουν μόνο στην τοποθέτηση ενός ατόμου υδρογόνου. Επίσης, τα ταυτομερή τείνουν να υπάρχουν σε κατάσταση δυναμικής ισορροπίας. Αυτό σημαίνει ότι ο ρυθμός μετατροπής του Ταυτομερούς Α στο Ταυτομερές Β ισούται με εκείνον του Β που μετατρέπεται σε Α έτσι ώστε οι σχετικές συγκεντρώσεις των Α και Β να παραμένουν σταθερές με την πάροδο του χρόνου.
Ο ταυτομερισμός κετο-ενόλης παρέχει το πιο κοινό παράδειγμα ενός ζεύγους ταυτομερών στην οργανική και στη βιοχημεία.
Σε αντίθεση με άλλα ταυτομερή, το B-DNA, το A-DNA και το Z-DNA δεν διαφέρουν ως προς τη μοριακή τους δομή, αλλά μάλλον στη διαμοριακή αλληλεπίδραση μεταξύ των δύο ελίκων.
B-DNA Tautomer
Για επιστήμονες και μη, το B-DNA χρησιμεύει ως η πιο αναγνωρίσιμη μορφή DNA. Αρχικά απεικονίστηκε από τη Rosalind Franklin χρησιμοποιώντας κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ, το B-DNA χρησίμευσε ως βάση για το μοντέλο DNA των Watson και Crick. Το B-DNA διαφέρει από τα άλλα ταυτομερή λόγω του χεριού του, της τοποθέτησης του ζεύγους βάσεων και του συσσωρευτή ζάχαρης.
Πρώτον, το ταυτομερές B-DNA τυλίγει για να σχηματίσει μια «δεξιόστροφη» διπλή έλικα. Αυτό σημαίνει ότι οι κλώνοι στρίβουν προς τα πάνω αριστερόστροφα, σε αντίθεση με τις «αριστερόστροφες» διπλές έλικες που στρίβουν προς τα πάνω δεξιόστροφα. Για να θυμάστε αυτή τη διάκριση, φανταστείτε το δεξί σας χέρι μπροστά σας. Με τον αντίχειρά σας στραμμένο προς τα πάνω , κουλουριάστε τα δάχτυλά σας σε μια γροθιά (ή έναν αντίχειρα προς τα πάνω). Θα βρείτε τα δάχτυλά σας να κουμπώνουν αριστερόστροφα . Εάν κάνετε το ίδιο με το αριστερό σας χέρι, θα βρείτε ότι οι μετρητές σας κουλουριάζουν δεξιόστροφα όταν ο αντίχειράς σας δείχνει προς τα πάνω.
Δεύτερον, τα ζεύγη βάσεων του B-DNA σχηματίζουν ένα επίπεδο σχεδόν κάθετο σε αυτό του άξονα της έλικας. Με άλλα λόγια, εάν προσανατολίσετε μια διπλή έλικα B-DNA κάθετα, τα ζεύγη βάσεων σχηματίζουν σχεδόν τέλεια οριζόντιες γέφυρες μεταξύ των κλώνων DNA.
Τρίτον, το B-DNA έχει μια διαμόρφωση σακχάρου που ονομάζεται C2'-endo. Αυτό αναφέρεται στην τρισδιάστατη διαμόρφωση των σακχάρων δεοξυριβόζης του DNA. Συγκεκριμένα, το C2'-endo pucker δείχνει ότι ο άνθρακας 2' του σακχάρου έχει τον ίδιο προσανατολισμό με το φωσφορικό άλας που συνδέεται με τον άνθρακα 5'. Αυτός ο προσανατολισμός επεκτείνει στη συνέχεια την απόσταση μεταξύ των φωσφορικών 5' και 3' σε σύγκριση με το εναλλακτικό C3'-endo.
A-DNA Tautomer
Παρά το γεγονός ότι δεν είχε την ίδια φήμη και αναγνωρισιμότητα με το B-DNA, το A-DNA ανακαλύφθηκε ταυτόχρονα μέσα από το έργο της Rosalind Franklin.
Όπως το B-DNA, το A-DNA περιλαμβάνει επίσης μια δεξιόστροφη ελικοειδή δομή. Ωστόσο, η δεοξυριβόζη του A-DNA εμφανίζει ένα συσσωρευτή C3'-endo, το οποίο φέρνει τα 5' και 3' φωσφορικά άλατα πιο κοντά από ότι στο B-DNA. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το Α-DNA να έχει κοντή και οκλαδόν εμφάνιση σε σχέση με το Β-DNA.
Περαιτέρω, ζεύγη βάσεων A-DNA υπάρχουν σε γωνία 20 μοιρών από την κάθετη προς τον ελικοειδή άξονα. Αυτά τα γωνιακά ζεύγη βάσεων συνδέουν επίσης τους κλώνους κατά μήκος της εξωτερικής επιφάνειας της έλικας, αντί να εκτείνονται κατά μήκος του κέντρου όπως στο B-DNA. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η διπλή έλικα να γίνει «κούφια», με μια τρύπα σαν άχυρο στο εσωτερικό της κατασκευής.
Οι βιοχημικοί έχουν βρει ότι το A-DNA σχηματίζεται κάτω από αυτό που αποκαλούν «συνθήκες αφυδάτωσης». Αυτό σημαίνει απλώς ότι σχετικά λίγα μόρια νερού αλληλεπιδρούν με το DNA. Η έλλειψη κοντινού νερού αποδυναμώνει το «υδρόφοβο φαινόμενο», το οποίο είναι ένα φαινόμενο όπου οι πολικές περιοχές ενός βιομορίου έλκονται προς την επιφάνεια ενώ οι μη πολικές περιοχές θωρακίζονται στο εσωτερικό. Στο B-DNA, η πολική δεοξυριβόζη και η ραχοκοκαλιά των φωσφορικών αλληλεπιδρούν με το νερό στο εξωτερικό της έλικας. Αντίθετα, οι μη πολικές περιοχές των αζωτούχων βάσεων σχηματίζουν «αλληλεπιδράσεις στοίβαξης» κρίσιμες για τη σταθερότητα του B-DNA.
Επειδή το Α-DNA περιλαμβάνει διαχωρισμούς βάσεων κατά μήκος του εξωτερικού της έλικας, μόνο ένα εξασθενημένο υδρόφοβο αποτέλεσμα επιτρέπει τον σχηματισμό ταυτομερούς Α-DNA.
Από την ανακάλυψή του, οι βιοχημικοί ανακάλυψαν ότι τα βακτήρια μπορούν να προκαλέσουν το σχηματισμό A-DNA χρησιμοποιώντας πρωτεΐνες που αφαιρούν τον διαλύτη. Υποτίθεται ότι τα βακτήρια το κάνουν αυτό επειδή το ταυτομερές A-DNA προστατεύει καλύτερα τα γονίδια από συνθήκες ακραίας θερμότητας ή αποξήρανσης.
Είναι ενδιαφέρον ότι η δομή του δίκλωνου RNA μοιάζει με αυτή του A-DNA.
Z-DNA Tautomer
Δεκαετίες μετά τις ανακαλύψεις της Rosalind Franklin, οι βιοχημικοί Andrew Wang και Alexander Rich διαπίστωσαν ότι ορισμένες αλληλουχίες DNA εμφανίζουν ένα τρίτο ταυτομερές, που ονομάζεται Z-DNA.
Σε αντίθεση με τα άλλα ταυτομερή, το Z-DNA έχει μια αριστερόστροφη ελικοειδή δομή. Σε σχέση με το A-DNA και το B-DNA, το Z-DNA έχει μια πιο επιμήκη και λεπτή ελικοειδή δομή.
Είναι ενδιαφέρον ότι το Z-DNA έχει παρατηρηθεί να σχηματίζεται μόνο μεταξύ αλληλουχιών DNA που εναλλάσσουν πουρίνες (αδενίνη και γουανίνη) και πυριμιδίνες (θυμίνη και κυτοσίνη). Τέτοιες αλληλουχίες θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν δύο κλώνους εναλλασσόμενης γουανίνης και κυτοσίνης (poly(GC) – poly(GC)), ή έναν κλώνο αδενίνης και κυτοσίνης σε συνδυασμό με έναν άλλο κλώνο γουανίνης και θυμίνης (poly(AC) – poly(GT)), ανάμεσα σε μερικές άλλες ακολουθίες.
Στο Z-DNA, αυτές οι αλληλουχίες έχουν μια ενδιαφέρουσα δομή, όπου οι πουρίνες έχουν C3'-endo pucker ενώ οι πυριμιδίνες έχουν C2'-endo pucker. Επιπλέον, οι δεσμοί μεταξύ των σακχάρων και των βάσεων πουρίνης περιστρέφονται σε μια διαμόρφωση syn, όπου το μεγαλύτερο μέρος των δομών δακτυλίου της βάσης κρέμεται πάνω από τη δεοξυριβόζη. Στις πυριμιδίνες A-DNA, B-DNA και Z-DNA, όλοι οι δεσμοί σακχάρου προς βάση έχουν αντιεπιβεβαιώσεις, με τη βάση να δείχνει απέναντι από το σάκχαρο.
Όπως το A-DNA, το Z-DNA έχει επίσης σημαντικό βιολογικό σκοπό. Συγκεκριμένα, όταν τα ένζυμα ανοίγουν και ξετυλίγουν το B-DNA για μεταγραφή, το Z-DNA σχηματίζεται μέσω της «αρνητικής-υπερπεριέλιξης» για να ανακουφιστεί από το στρες της εκτύλιξης. Πράγματι, οι βιοχημικοί έχουν εντοπίσει πολλά διαφορετικά ένζυμα και πρωτεΐνες δέσμευσης που αλληλεπιδρούν ειδικά με το Z-DNA, όπως ο τομέας Ζ-άλφα.
Ωστόσο, εκτός από τις προδιαγραφές της αλληλουχίας, το Z-DNA έχει παρατηρηθεί να σχηματίζεται μόνο κάτω από υψηλές συγκεντρώσεις άλατος. Οι βιοχημικοί πιστεύουν ότι τα ιόντα άλατος βοηθούν στη σταθεροποίηση των φορτισμένων φωσφορικών αλάτων, τα οποία βρίσκονται πολύ πιο κοντά μεταξύ τους στο Z-DNA. Χωρίς αυτά τα ιόντα, η δομή θα έχανε τη σταθερότητα λόγω των ιοντικών απωθήσεων των αρνητικά φορτισμένων φωσφορικών αλάτων.
Συνοπτικός πίνακας ταυτομερούς DNA
