Химическая основа хроматина
Хроматин структурно представляет собой дезоксинуклеопротеин — сложный комплекс, состоящий из одной молекулы ДНК и связанных с ней специфических белков (и небольшого количества РНК).
Белки хроматина делятся на две большие группы в зависимости от их физико-химических свойств:
- Гистоны (основные белки). Составляют львиную долю белков хроматина. В их составе много аргинина и лизина — аминокислот с положительно заряженными радикалами. Именно этот «плюс» позволяет им намертво связываться с отрицательно заряженными фосфатными группами ДНК. Взаимодействие самих гистонов друг с другом обеспечивают гидрофобные радикалы (например, валина).
- Негистоновые (кислые) белки. Несмотря на меньшую массу, они крайне разнообразны. Выделяют структурные белки (для высших уровней компактизации), ферментативные (временно связываются с ДНК для репликации или репарации) и регуляторные белки, контролирующие доступ ферментов к конкретным участкам генома.
Первый и второй уровни упаковки
Упаковка ДНК — это строго последовательный процесс.
Первый уровень компактизации называется нуклеосомным. Визуально под электронным микроскопом он напоминает «нить с бусинами», толщина которой составляет около 10 нм. Основная структурная единица здесь — нуклеосома. Ее ядро (кор) представляет собой белковый октамер: по две молекулы гистонов H2A, H2B, H3 и H4. Молекула ДНК делает вокруг этого белкового глобулярного «бочонка» примерно два оборота. Соседние нуклеосомы соединяются линкерным участком ДНК, с которым связан гистон H1. Этот уровень характерен для эухроматина, он присутствует почти постоянно и не мешает транскрипции (ДНК способна на доли секунды освобождаться от глобулы). Линейная длина молекулы сокращается в 6,2 раза.
Нуклеомерный (второй) уровень формируется, когда молекулы гистона H1 соседних нуклеосом начинают взаимодействовать друг с другом. Нить скручивается в суперспираль (нуклеомер), объединяющую 5–8 нуклеосом в «супербусину». Толщина такой фибриллы достигает 30 нм. Важно понимать, что на этом этапе ДНК уже становится недоступной для ферментов, поэтому у активного эухроматина этот уровень отсутствует.
Высшие уровни компактизации
Дальнейшее уплотнение требует смены механизма стабилизации: вместо гистонов главную роль берут на себя негистоновые (кислые) белки.
На хромомерном (третьем) уровне нить начинает образовывать множественные петли. Эти петли группируются в сложные структуры — розетки. Основания петель в розетке фиксируются общим белковым центром, который крепится на ядерном матриксе. У гетерохроматина в интерфазе розетки расположены довольно рыхло, и на этом его компактизация останавливается.
Во время подготовки клетки к делению (в митозе) укладка достигает максимума, формируя метафазные хромосомы:
- Хромонемный уровень. Петли и розетки максимально сближаются, формируя плотную нить толщиной 300 нм.
- Хроматидный уровень (четвертый). Хромонема спирализуется или складывается в петли, образуя сегменты хроматиды, соединенные короткими линкерами (при повреждении хромосома распадается именно по этим участкам). Толщина готовой хроматиды — 700 нм.
Итоговая метафазная хромосома, состоящая из двух сестринских хроматид, имеет толщину 1400 нм. На этом финальном этапе линейная длина исходной молекулы ДНК уменьшена в 10 000 раз.
Коротко: ответы на вопросы по теме
Какие типы модификаций гистонов (ацетилирование, метилирование) влияют на компактизацию хроматина?
На компактизацию хроматина влияют процессы метилирования, ацетилирования и фосфорилирования определенных аминокислот гистоновых белков.
- Метилирование и ацетилирование — осуществляются по аминогруппам в радикалах лизина (Лиз) и аргинина (Арг).
- Фосфорилирование — затрагивает остатки серина (Сер).
Данные ферментативные модификации снижают суммарный положительный заряд гистонов. Это ослабляет их электростатическую связь с отрицательно заряженными фосфатными группами ДНК в нуклеосомах, способствуя формированию эухроматина (деконденсированного состояния) и обеспечивая доступ ферментов для транскрипции.
Каково строение и функции центромерного участка метафазной хромосомы?
Центромерный участок метафазной хромосомы включает центромеру и кинетохоры.
Строение центромерного участка:
- Центромера — первичная перетяжка, делящая хромосому на плечи; в метафазной хромосоме она связывает две хроматиды.
- Центромера является специфическим участком ДНК в центральной части хромосомы.
- Кинетохоры — специальные белковые структуры в области центромеры.
Функции:
- Центромера необходима для правильного расхождения хроматид.
- Кинетохоры связывают между собой сестринские хроматиды.
- Кинетохоры служат местом прикрепления микротрубочек веретена деления.
- В метафазе кинетохоры хромосом прикрепляются к нитям митотического аппарата, а центромеры располагаются в экваториальной плоскости.
- В анафазе происходит деление центромер и движение хроматид к противоположным полюсам митотического аппарата.
Для запоминания состава октамера гистонов (ядра нуклеосомы) используйте формулу: «дважды два, три, четыре» — по две молекулы гистонов H2A, H2B, H3 и H4.
Вопросы с занятий и экзамена
Как гистоны связываются с ДНК?
Связь обеспечивается электростатическим притяжением. Положительно заряженные радикалы аминокислот гистонов (аргинин, лизин) взаимодействуют с отрицательно заряженными фосфатными группами ДНК.
Идет ли транскрипция на нуклеомерном уровне?
Нет. На нуклеомерном уровне (толщина нити 30 нм) ДНК слишком плотно упакована и недоступна для ферментов. Транскрипция возможна только на нуклеосомном уровне (эухроматин).
Что удерживает хромомерные петли на третьем уровне?
Начиная с третьего (хромомерного) уровня компактизацию обеспечивают кислые негистоновые белки. Они собирают петли в розетки и крепят их белковые центры к ядерному матриксу.
Что ещё разобрать по теме
- Роль регуляторных негистоновых белков в экспрессии генов
- Механизмы кратковременного освобождения ДНК от гистонов при транскрипции
- Динамическая связь ферментативных белков с ДНК
- Сегментарная организация хроматид и ее клиническое значение
Разберите тему целиком в курсе «Гистология»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Компактизация хроматина» и ещё 3 438 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 137 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Ядро клетки. Деление клетки»
Бесплатные видеоуроки: гистологияКороткие уроки с конспектами — без регистрации.
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.