Структурная организация хроматина

В состав хроматина входят DNA и гистоны - белки с высоким содержанием лизина и аргинина. Предполагается, что аминогруппы радикалов этих аминокислот взаимодействуют с кислотными группами DNA. Цепи DNA обвивают глобулу гистонов, образуя четковидную структуру нуклеосом, которые связаны между собой линкерной цепочкой DNA. В дальнейшем эти нуклеосомы упаковываются в крупные хроматиновые структуры, благодаря чему достигается компактная их укладка в хромосомах.

Упаковка DNA и гистонов с образованием хроматина

Поток информации от DNA к структуре белка

Нуклеиновые кислоты и белки называют информационными молекулами, так как в чередовании их мономеров заложен определенный смысл. Последовательность нуклеотидов в DNA определяет структуру всех белков клетки. Участки DNA, кодирующие определенные белки (гены), копируются (транскрибируются) в виде полинуклеотидной цепи матричной RNA (mRNA), которая затем служит матрицей для синтеза белка. Таким образом, генетическая информация, записанная в DNA(в генотипе) обеспечивает образование фенотипических признаков клетки, то есть генотип трансформируется в фенотип. Это направление потока информации включает три типа матричных синтезов:

синтез DNA - репликация
синтез RNA - транскрипция
синтез белка - трансляция.

Репликация DNA

Репликация DNA (воспроизведение генотипа) происходит по полуконсервативному механизму. Каждая нить двойной спирали выступает в роли матрицы для синтеза новой цепи. Следовательно, вновь образованные двухспиральные молекулы состоят из одной «новой» и одной «старой» цепи.

Полуконсервативный механизм репликации DNA

Субстратами синтеза являются дезоксинуклеозидтрифосфаты, выполняющие роль строительного материала и источников энергии. Для репликации DNA необходим большой набор разнообразных ферментов и белков - репликативный комплекс. Далее будет описана функция основных компонентов этого комплекса. Белки, раскручивающие спираль DNA, и белки, стабилизирующие разделенные нити DNA. В результате действия этих белков образуется репликативная вилка - участок DNA, в пределах которого спираль раскручена и разделена на отдельные цепи. DNA-полимераза обеспечивает включение в растущую «новую» цепь нуклеотидов комплементарных «старой», то есть матричной цепи. DNA-полимераза не способна начинать синтез новой цепи с ее первого нуклеотида. Она может удлинять уже имеющуюся цепь, поэтому для начала реакции требуется затравка (праймер), которая представляет собой короткий полинуклеотид, комплементарный матричной цепи DNA. Фермент присоединяется к матричной цепи DNA и к праймеру в области3’-концевого нуклеотида праймера. Перемещаясь по матрице в направлении ее 5’-конца, DNA-полимераза удлиняет затравку, присоединяя к ней один за другим нуклеотиды. Одноцепочечная затравка - праймер синтезируется при участии DNA- зависимой RNA-полимеразы (праймазы). Синтез новых цепей DNA может протекать только в направлении 5’ à 3’. Таким образом, на одной цепи DNA синтезируется непрерывно «лидирующая» цепь, а на другой образуются короткие фрагменты - «запаздывающая» цепь. Затем последовательность праймера удаляется и образовавшийся промежуток заполняется с помощьюDNA-полимеразы.

Репликация DNA

DNA-лигаза способна сшивать полученные короткие фрагменты, после чего формируется новая двухспиральная молекула DNA.

Репарация DNA

Поврежденные участки DNA или ошибочно встроенные нуклеотиды удаляются в результате действия специальных эндо - и экзонуклеаз.

Репарация DNA

Образующиеся промежутки заполняются с помощью DNA-полимеразы и затем сшиваются лигазами с исходной нитью DNA. Причинами, вызывающими повреждение DNA может быть действие факторов окружающей среды: ультрафиолетовое и ионизирующее излучение, определённые химические соединения.

Синтез RNA-транскрипция

Молекула DNA, хранящая генетическую информацию, непосредственного участия в синтезе белка не принимает, но с нее по мере необходимости считывается информация, то есть специфические участки DNA копируются (транскрибируются) в виде RNA с последующей трансляцией в полипептидную цепь белка. Транскрипция, как и репликация DNA, - эндоэргический процесс, сопряженный с использованием нуклеозидтрифосфатов в качестве субстратов и источников энергии.

Транскрипция DNA с образованием mRNA

RNA-полимераза катализирует синтез всех типов RNA. Особенностью действия этого фермента является то, что он предварительно «узнает» ту часть DNA, которую необходимо транскрибировать, и присоединяется к ней. Участок, с которым связывается RNA-полимераза, называется промотором. Последовательность оснований по ходу цепи DNA ниже сайта промотора с направлением 3’ à 5’ используется в качестве матрицы для синтеза RNA. Другая цепь остается нетранскрибируемой. RNA-полимераза вместе с растущей цепью RNA перемещается по матрице, пока не достигнет терминирующего кодона. В эукариотической DNA информация, необходимая для синтеза белка хранится на участках - экзонах, разделенных интронами - участками не содержащими генетической информации (некодирующие участки). При транскрипции гена сначала образуется первичный транскрипт, который затем подвергается «доработке» - процессингу. Суть доработки заключается в вырезании интронов (сплайсинг) из mRNA перед трансляцией и в присоединении характерных для mRNA концевых последовательностей.

Удаление интронов из mRNA