Генетичний матеріал эукариотических організмів має дуже складну організацію. Молекули ДНК, які знаходяться в клітинному ядрі, входять до складу особливого багатокомпонентного речовини – хроматину.
Визначення поняття
Хроматином називається містить спадкову інформацію матеріал клітинного ядра, що представляє собою складний функціональний комплекс ДНК зі структурними білками і іншими елементами, що забезпечують пакування, зберігання та реалізацію кариотического геному. У спрощеній трактуванні це речовина, з якої складаються хромосоми. Термін походить від грецького “хрому” – колір, фарба.
Поняття було введено Флемінгом ще в 1880 році, але до цих пір йдуть суперечки про те, що таке хроматин, з точки зору біохімічного складу. Невизначеність стосується невеликої частини компонентів, що не беруть участь у структуруванні генетичних молекул (деякі ферменти і рибонуклеїнових кислоти).
На електронній фотографії інтерфазних ядра хроматин візуалізується як численні ділянки темної матерії, які можуть бути дрібними і розрізненими або поєднуватися у великі щільні скупчення.
Конденсація хроматину під час клітинного поділу призводить до утворення хромосом, які видно навіть у звичайному світловому мікроскопі.
Структурні та функціональні компоненти хроматину
З метою визначити, що таке хроматин на біохімічному рівні, вчені екстрагували це речовина з клітин, переводили в розчин і в такому вигляді вивчали компонентний склад і структуру. При цьому використовувалися як хімічні, так і фізичні методи, включаючи технології електронної мікроскопії. З’ясувалося, що хімічний склад хроматину на 40% представлений довгими молекулами ДНК і майже на 60% – різними білками. Останні поділяються на дві групи: гистоны і негистоновые.
Гистонами називають велике сімейство основних ядерних білків, які міцно зв’язуються з ДНК, формуючи структурний кістяк хроматину. Їх кількість приблизно дорівнює процентному вмісті генетичних молекул.
Інша частина (до 20%) протеїнової фракції припадає на ДНК-зв’язуючі і просторово-модифікуючі білки, а також ферменти, які беруть участь у процесах зчитування і копіювання генетичної інформації.
Крім основних елементів, у складі хроматину в невеликій кількості виявляються рибонуклеїнових кислоти (РНК), гликопротеиды, вуглеводи та ліпіди, однак питання про їх асоціації з ДНК-пакувальним комплексом досі відкрите.
Гистоны і нуклеосомы
Молекулярна маса гістонів варіює в межах від 11 до 21 кДа. Велика кількість залишків основних амінокислот лізину і аргініну надають цим білків позитивний заряд, сприяючи формуванню іонних зв’язків з протилежно зарядженими фосфатними групами подвійної спіралі ДНК.
Виділяють 5 різновидів гістонів: H2A, H2B, H3, H4 і H1. Перші чотири типу беруть участь у формуванні основної структурної одиниці хроматину – нуклеосомы, яка складається з кора (білкової серцевини) і обмотаною навколо нього ДНК.
Нуклеосомный кор представлений октамерным комплексом з восьми молекул гістонів, в який входять тетрамер H3-H4 і димер Н2А-H2B. Ділянку ДНК довжиною близько 146 нуклеотидних пар накручується на поверхню білкової частинки, утворюючи 1,75 витка, і переходить в линкерную послідовність (приблизно 60 н. п.), що сполучає нуклеосомы один з одним. Молекула H1 зв’язується з линкерной ДНК, захищаючи її від дії нуклеаз.
Гистоны можуть піддаватися різним модифікаціям, таким як ацетилювання, метилювання, фосфорилювання, ADP-рибозилирование і взаємодія з убивиктиновым білком. Ці процеси впливають на просторову конфігурацію і щільність упаковки ДНК.
Негистоновые білки
Існує кілька сотень різновидів негистоновых білків із різними властивостями та функціями. Їх молекулярна маса варіює від 5 до 200 кДа. Особливу групу складають сайт-специфічні білки, кожен з яких комплементарен певній ділянці ДНК. У цю групу входять 2 сімейства:
- “цинкові пальці” – дізнаються фрагменти довжиною 5 нуклеотидних пар;
- гомодимеры – характеризуються структурою “спіраль-поворот-спіраль” у фрагменті, пов’язаному з ДНК.
Найкраще вивчені так звані білки високої рухливості (HGM-білки), постійно ассоційовані з хроматином. Таке найменування сімейство отримало з-за високої швидкості переміщення білкових молекул в электрофорезном гелі. Ця група займає більшу частину негистоновой фракції і включає в себе чотири основних типи HGM-білків: HGM-1, HGM-14, HGM-17 і HMO-2. Вони виконують структурну та регуляторну функції.
До негистоновым білків відносять також ферменти, що забезпечують транскрипцію (процес синтезу матричної РНК), реплікації (подвоєння ДНК) і репарацію (усунення пошкоджень у генетичній молекулі).
Рівні компактизації ДНК
Особливість структури хроматину така, що дозволяє нитках ДНК з сумарною довжиною більше метра поміститися в ядро діаметром близько 10 мкм. Таке можливо завдяки багатоступеневій системі упаковки генетичних молекул. Загальна схема компактизації включає п’ять рівнів:
- нуклеосомная нитка діаметром 10-11 нм;
- фибрилла 25-30 нм;
- петльові домени (300 нм);
- волокно товщиною 700 нм;
- хромосоми (1200 нм).
Така форма організації забезпечує зменшення довжини вихідної молекули ДНК в 10 тисяч разів.
Нитка діаметром 11 нм утворена поруч нуклеосом, пов’язаних линкерными ділянками ДНК. На електронній мікрофотографії така структура нагадує нанизані на волосінь намисто. Нуклеосомная нитка звивається в спіраль за типом соленоїда, утворюючи фибриллу товщиною 30 нм. В її формуванні бере участь гистон H1.
Соленоидная фибрилла складається в петлі (інакше – домени), які закріплюються на підтримуючому внутрішньоядерної матриксі. Кожен домен містить від 30 до 100 тисяч пар нуклеотидів. Такий рівень компактизації характерний для інтерфазних хроматину.
Структура товщиною 700 нм утворюється при спіралізаціі доменної фібрили і називається хроматидой. У свою чергу, дві хроматиди формують п’ятий рівень організації ДНК – хромосому діаметром 1400 нм, яка стає видно на стадії мітозу або мейозу.
Таким чином, хроматин і хромосома – це форми упаковки генетичного матеріалу, залежать від життєвого циклу клітини.
Хромосоми
Хромосома складається з двох ідентичних один одному сестринських хроматид, кожна з яких утворена однією суперспирализованной молекулою ДНК. Половинки з’єднуються особливим фибриллярным тільцем, званим центромерой. Одночасно ця структура є перетяжкою, що розділяє кожну хроматиду на плечі.
На відміну хроматину, що представляє собою структурний матеріал, хромосома – це дискретна функціональна одиниця, що характеризується не тільки структурою і складом, але і унікальним генетичним набором, а також певною роллю в реалізації механізмів спадковості і мінливості на клітинному рівні.
Еухроматин та гетерохроматин
Хроматин в ядрі існує у двох формах: менше спирализованной (еухроматин) і більш компактною (гетерохроматин). Перша форма відповідає транскрипційно-активних ділянок ДНК і тому структурована не так щільно. Гетерохроматин підрозділяється на факультативний (може переходити з активної форми у щільну неактивну в залежності від стадії життєвого циклу клітини і необхідності реалізувати ті або інші гени) і конститутивний (постійно ущільнений). Під час мітотичного або мейотичного поділу весь хроматин неактивний.
Конститутивна гетерохроматин виявлений біля центромер і в кінцевих ділянках хромосоми. Результати електронної мікроскопії показують, що такий хроматин зберігає високу ступінь конденсації не тільки на стадії поділу клітини, але і під час інтерфази.
Біологічна роль хроматину
Основна функція хроматину полягає в щільній упаковці великої кількості генетичного матеріалу. Однак просто вмістити ДНК в ядрі для життєдіяльності клітини недостатньо. Необхідно, щоб ці молекули належним чином “працювали”, тобто, могли передавати укладену в них інформацію по системі ДНК-РНК-білок. Крім цього, клітці потрібно розподіляти генетичний матеріал під час ділення.
Пристрій хроматину повністю відповідає цим завданням. Білкова частина містить всі необхідні ферменти, а особливості структури дозволяють їм взаємодіяти з певними ділянками ДНК. Тому другою важливою функцією хроматину є забезпечення всіх процесів, пов’язаних з реалізацією ядерного геному.
