Kaj je kromatin? Funkcije kromatina

Genetski material evkariontskih organizmov ima zelo zapleteno organizacijo. Molekule DNA, v celičnem jedru, so del posebne večkomponentne snovi - kromatina.

Opredelitev pojma

Kromatin je material celičnega jedra, ki vsebuje dedne informacije, ki je kompleksen funkcionalni DNA kompleks s strukturnimi proteini in drugimi elementi, ki zagotavljajo pakiranje, shranjevanje in realizacijo kariotičnega genoma. V poenostavljeni razlagi je to snov, ki sestavlja kromosome. Izraz prihaja iz grškega "kroma" - barve, barve.

Koncept je Fleming uvedel že leta 1880, vendar še vedno obstajajo razprave o tem, kaj je kromatin z vidika njegove biokemične sestave. Negotovost zadeva majhen del komponent, ki niso vključene v strukturiranje genetskih molekul (nekaterih encimov in ribonukleinskih kislin).

V elektronski fotografiji medfaznega jedra se kromatin vizualizira kot številne zaplate temne snovi, ki so lahko majhne in razpršene ali združene v velike gosto grozde.

Kondenzacija kromatina med delitvijo celic vodi do nastanka kromosomov, ki so vidni tudi v običajnem svetlobnem mikroskopu.

Strukturne in funkcionalne komponente kromatina

Da bi ugotovili, kaj je kromatin na biokemični ravni, so znanstveniki izločili to snov iz celic, jo prenesli v raztopino in preučili sestavo sestavine in strukturo v tej obliki. Uporabljene so bile kemijske in fizikalne metode, vključno s tehnologijami elektronske mikroskopije. Pokazalo se je, da kemijsko sestavo kromatina za 40% predstavljajo dolge molekule DNA in skoraj 60% različne beljakovine. Slednji so razdeljeni v dve skupini: histoni in ne-histoni.

Histoni so velika družina jedrnih jedrnih beljakovin, ki se močno vežejo na DNK in tvorijo strukturno ogrodje kromatina. Njihovo število je približno enako odstotku genetskih molekul.

Preostanek (do 20%) beljakovinske frakcije se nanaša na proteine, ki vežejo DNA, in na prostorsko spreminjajoče se proteine, kot tudi na encime, ki sodelujejo v procesu branja in kopiranja genetskih informacij.

Poleg glavnih elementov, v sestavi kromatinskih ribonukleinskih kislin (RNA), se glikoproteini, ogljikovi hidrati in lipidi nahajajo v majhni količini, vendar je vprašanje njihove povezanosti s kompleksom za pakiranje DNA še vedno odprto.

Histoni in nukleosomi

Molekulska masa histonov se giblje med 11 in 21 kDa. Veliko število bazičnih aminokislinskih lizinov in argininskih ostankov daje tem proteinom pozitiven naboj, kar prispeva k nastanku ionskih vezi z nasprotno nabitimi fosfatnimi skupinami dvojne vijačnice DNA.

Obstaja 5 vrst histonov: H2A, H2B, H3, H4 in H1. Prve štiri vrste so vključene v oblikovanje glavne strukturne enote kromatina - nukleosoma, ki je sestavljen iz jedra (proteinsko jedro) in DNK, ovitega okoli njega.

Nukleosomsko jedro je predstavljeno z osem-molekulskim oktamernim kompleksom histonov, ki vključuje tetramer H3-H4 in dimer H2A-H2B. Področje DNK, ki ima dolžino okoli 146 parov nukleotidov, je navito na površino beljakovinskega deleža, ki tvori 1,75 tuljav, in prehaja v povezovalno sekvenco (približno 60 bp), ki povezuje nukleosome ena z drugo. H1 molekula se veže na linker DNA, ki jo ščiti pred delovanjem nukleaz.

Histoni so lahko podvrženi različnim modifikacijam, kot so acetilacija, metilacija, fosforilacija, ADP-ribozilacija in interakcija z ubikvitin proteinom. Ti procesi vplivajo na prostorsko konfiguracijo in gostoto pakiranja DNA.

Nehistonske beljakovine

Obstaja več sto vrst nehistonskih beljakovin z različnimi lastnostmi in funkcijami. Njihova molekulska masa se giblje od 5 do 200 kDa. Posebno skupino sestavljajo specifično specifične beljakovine, od katerih je vsaka komplementarna specifični regiji DNA. Ta skupina vključuje dve družini:

• "cinkovi prsti" - prepoznajo fragmente 5 nukleotidnih parov;
• za homodimere je značilna struktura vijačnice obračalne spirale v fragmentu, ki je povezan z DNA.
  

Najbolj raziskane so tako imenovane beljakovine z visoko mobilnostjo (beljakovine HGM), ki so stalno povezane s kromatinom. To ime družine je prejelo zaradi visoke hitrosti gibanja beljakovinskih molekul v elektroforetskem gelu. Ta skupina zavzema večino ne histonske frakcije in vključuje štiri glavne vrste beljakovin HGM: HGM-1, HGM-14, HGM-17 in HMO-2. Opravljajo strukturne in regulativne funkcije.

Ne-histonske beljakovine vključujejo tudi encime, ki zagotavljajo transkripcijo (sinteza sporočilne RNA), replikacijo (podvojitev DNA) in popravilo (popravilo poškodb v genetski molekuli).

Ravni zbijanja DNA

Značilnost strukture kromatina je ta, da omogoča, da se DNK verige s skupno dolžino več kot meter ujemajo z jedrom s premerom približno 10 mikronov. To je mogoče zahvaljujoč večstopenjskemu sistemu pakiranja genetskih molekul. Splošna shema zbijanja vključuje pet ravni:

1. nukleosomski filament s premerom 10–11 nm;
2. fibril 25–30 nm;
3. domene zanke (300 nm);
4. Vlakna debeline 700 nm;
5. kromosomi (1200 nm).

Ta oblika organizacije zagotavlja zmanjšanje dolžine prvotne molekule DNA za 10 tisočkrat.

11 nm nit nastane z nizom nukleosomov, ki jih povezujejo regije linker DNA. Na elektronskih mikrografih taka struktura spominja na kroglice, ki so nanizane na ribiški vrvici. Nukleosomski filament je zložen v tuljavo kot solenoid in tvori fibril z debelino 30 nm. Histon H1 je vključen v njegovo tvorbo.

Elektromagnetni fibril se zloži v zanke (imenovane domene), ki so pritrjene na podporno intranuklearno matrico. Vsaka domena vsebuje od 30 do 100 tisoč parov nukleotidov. Ta stopnja zbijanja je značilna za interfazno kromatin.

Struktura z debelino 700 nm se oblikuje s spiralnim spiranjem domene fibril in se imenuje kromatid. Po drugi strani pa dve kromatidi tvorita peti nivo organiziranosti DNA - kromosom s premerom 1400 nm, ki postane viden v fazi mitoze ali mejoze.

Tako sta kromatin in kromosom oblike embalaže za genski material, ki je odvisen od življenjskega cikla celice.

Kromosomi

Kromosom sestavljajo dve sestrski kromatidi, ki sta med seboj identični, vsaka pa je sestavljena iz ene prekrivne molekule DNA. Polovici sta povezani s posebnim fibrilnim telesom, ki se imenuje centromera. Hkrati pa je ta struktura zožitev, ki vsako kromatido loči na ramena.

V nasprotju s kromatinom, ki je strukturni material, je kromosom diskretna funkcionalna enota, ki je značilna ne le po strukturi in sestavi, temveč tudi po edinstvenem genetskem nizu, kot tudi določeno vlogo pri izvajanju mehanizmov dednosti in variabilnosti na celičnem nivoju.

Euchromatin in heterochromatin

Kromatin v jedru obstaja v dveh oblikah: manj spiraliziran (euhromatin) in bolj kompakten (heterochromatin). Prva oblika ustreza transkripcijsko aktivnim delom DNA in zato ni tako čvrsto strukturirana. Heterokromatin je razdeljen na neobvezen (lahko gre od aktivne do gosto neaktivne oblike, odvisno od stopnje življenjskega cikla celice in potrebe po izvajanju določenih genov) in konstitutivnega (stalno kondenziranega). Med mitotično ali meiotično delitvijo je celoten kromatin neaktiven.

Konstitutivni heterochromatin so našli v bližini centromeres in v terminalnih regijah kromosoma. Rezultati elektronske mikroskopije kažejo, da takšen kromatin ohranja visoko stopnjo kondenzacije ne samo v fazi celične delitve, ampak tudi med medfazo.

Biološka vloga kromatina

Glavna funkcija kromatina je gosto pakirana z veliko količino genskega materiala. Vendar preprosto dajanje DNK v jedro ni dovolj za delovanje celice. Potrebno je, da te molekule ustrezno "delajo", to pomeni, da lahko prenesejo informacije, ki jih vsebujejo, preko sistema DNA-RNA-protein. Poleg tega mora celica med delitvijo distribuirati genski material.

Kromatinska naprava v celoti izpolnjuje te cilje. Proteinski del vsebuje vse potrebne encime, strukturne značilnosti pa jim omogočajo interakcijo z določenimi deli DNK. Druga pomembna funkcija kromatina je torej zagotoviti vse procese, povezane z izvajanjem jedrskega genoma.