Функция гистонов, как регуляторов транскрипции и укладки молекул ДНК. Структурная организация хроматина.

Основные белки хроматина – гистоны.

 

На долю гистонов приходит 5 типов белков. Гистоны связаны с ДНК в виде субъединиц нуклеосомы. Гистоны характерны только для хроматина. Они обладают щелочными свойствами, которые определяются высоким содержанием аминокислот лизина и аргенина. Положительные заряды на аминогруппах этих кислот обуславливают солевую или электростатическую связь этих белков с отрицательными зарядами на фосфатных группах молекулы ДНК.

Гистоны имеют сродство к молекуле ДНК. Но эта связь нестабильная, легко разрушается. В этом случае может происходить диссоциация на свои составляющие структуры.

Гистоны имеют относительно небольшую молекулярную массу. Они подразделяются на 5 групп: H₁, H_2a, H_2b, H₃, H₄. Гистоны всех классов кроме H₁ в равных количествах. У 3 и 4 большое количество аргенина и они наиболее консерватины по отношению к другим. H_2a и H_2b – умеренно обогащенные лизином белки. У разных объектов внутри группы образуются межвидовые вариации. Гистон H₁ – уникальная молекула. Класс белков, который состоит из нескольких достаточно близкородственных белков. У этого гистона обнаружены очень большие межвидовые и межтканевые вариации. Наиболее вариабельным участком имеется N-конец, который осуществляет связь с другими гистонами. И С-конец, богатый лизином, который взаимодействует с ДНК. По количеству всех гистонов примерно одинаковое количество, кроме Н₁, его примерно в 2 раза больше.

В процессе жизнедеятельности клеток с гистонами происходят модификации. Главными из которых является ацетилирование и метилирование остатков лизина, что приводит к потере положительного заряда.

Фосфолирирование сириновых остатков, которое приводит к появлению отрицательного заряда.

Эти модификации гистонов существенно сказываются на фукциях белков и их способностью взаимодействовать с молекулой ДНК. Так, например, повышенное ацетилирование гистонов предшествует активации генов, а фосфолирирование или наоборот дефосфолирирование связано с конденсацией или деконденсацией хроматина.

Все типы гистонов синтезируются в цитоплазме на рибосомах, транспортируются в ядро через поровые комплексы и связываются с ДНК во время ее репликации в S-периоде клеточного цикла. Т.е синтез гистонов и синтез ДНК синхронизированы.

Включившись в состав хроматина, гистоны становятся очень стабильными, имеют низкую скорость замены и примерно в течение 4 – 5 циклов клетки не выходят из состава.

 

Функции:

1) Упаковка ДНК;

2) Структурная роль в организации хроматина;

3) Регуляция уровня транскрипции;

4) Регуляторная функция. Определяет степень компактности и активности хроматина.

Хроматин. Термин предложен Флемингом в 1880 году. По биохимическим характеристикам хроматин имеет кислые свойства, которые связаны с тем, что в состав хроматина входит ДНК в комплексе с белками. Белки подразделяются на два типа: гистоны (60%) и негистоновые белки.

Кроме того, в состав хроматиновой фракции входят мембранные компоненты – углеводы, липиды, гликопротеины, РНК. Нитчатые комплексные молекулы дезоксирибонуклеопротеинов. За счет ассоциации гистонов с ДНК образуются лабильные нуклеогистоновые нити, толщиной 10-30нм.

Хроматин может находиться в двух альтернативных состояниях: в деконденсированном, соответствующим интерфазе, и конденсированным, т.е. максимально уплотненным во время митоза. Хроматин интерфазных ядер представляет собой рыхлую деконденсированную структуру, которая имеет разную степень этой разрыхленности. Когда хромосома или ее участок полностью деконденсирован, такие зоны называют диффунзным хроматином. Он характерен для интенсивно делящихся и мало специализированных клеток.

При неполном разрыхлении хромосом в составе интерфазного ядра видны участки конденсированного хроматина. Это высоко специализированные клетки или клетки, заканчивающие свой жизненный цикл, где хроматин выглядит массивным темным периферическим слоем, имеет крупные белки хромоцентры. Чем более диффузен хроматин, тем выше в нем идут синтетические процессы и наоборот.

Максимально конденсированный хроматин наблюдается во время митотического деления клетки, когда он обнаруживается в виде хромосом. В это время хромосомы не несут никаких синтетических нагрузок, и такой конденсированный хроматин выполняет функцию перераспределения генетического материала.

Исходя из этих наблюдений, принято считать, что хроматин ядра находится в двух структурно-функциональных состояниях: в рабочем, под которым понимают полную или частичную деконденсацию хроматина, когда происходят процесы транскрипции и редупликации. Или в нерабочем – в состоянии метаболического покоя при максимальной конденсации, когда хроматин перераспределяется между клетками.

 

34) Основные компаненты поверхностного ядерного аппарата клетки: ядерная оболочка, периферическая плотная пластинка (ламина) и поровые комплексы.

Поверхностный аппарат ядра

 

Он состоит из трех основных компонентов. Ядерных оболочек, периферической плотной пластины ламины и поровых комплексов. В ядерной оболочке два компартмента разделяют гиалоплазму от ядра, что приводит к обособлению процессов биосинтеза и процесса синтеза нуклеиновых кислот и предоставляет дополнительные возможности для регуляции генной активности и ее реализации в виде синтеза специфических белков. Ядерные оболочки благодаря своей избирательности регулируют потоки ядерного импорта и экспорта. Кроме того ядерная оболочка имеет важную роль в создании трехмерной структуры ядра.

В ядерную оболочку входят две мембраны, наружная и внутренняя, между которыми располагается перинуклеарное пространство. Ширина этого пространства превышает толщину каждой отдельной мембраны. Наружная непосредственно контактирует с гиалоплазмой клетки. Имеет структурные особенности, которые позволяют отнести ее к собственной мембранной системе ЭПР, поскольку на внешней ядерной мембране в том или ином количестве располагаются рибосомы. Они секретируют как мембранные, так и секреторные белки, которые транспортируются в перинуклеарное пространство, а значит здесь проходит первичное гликозилирование, а затем направляются в цистерны ЭПР.

У большинства животных и растительных клетках внешняя мембрана ядра не имеет идеально ровной поверхности. Она образует различные впячивания в сторону гиалоплазмы. Кроме рибосом, на наружной мембране располагаются белки-рецепторы для информационных РНК, которые кодируют гистоновые белки и белки-переносчики гистонов, которые обеспечивают транспорт синтезированных в цитоплазме гистонов в перинуклеарное пространство.

Внутренняя мембрана рибосом на своей поверхности не имеет, но связана со скелетом ядра – ядерной ламиной через систему специальных интегральных белков. Эти интегральные белки взаимодействуют с белками ламины, что обеспечивает фиксацию хроматина в трехмерном пространстве ядра.

Белки скелетной пластинки ламины являются фибриллярными белками. Они не формируют неизменную структуру. Они постоянно перестраиваются, особенно при росте поверхностного аппарата ядра во время клеточного цикла. Ламина может быть едва заметной или мощной. Ламина представлена тремя белками: А, В и С. По сути своей – это белки промежуточных филаментов. Фибриллярные мономеры белков могут образовывать димеры, которые объединяются в тетрамеры и далее опять попарно. Ламины А и С очень близки к друг-другу, а ламин В отличается от них тем, что является липопротеином и поэтому он более прочно связывается с ядерной мембраной. Ламин В остается в составе мембраны даже во время митоза, тогда когда ламины А и С освобождаются от мембраны и диффузно распределяются по клетке. При полимеризации, в отличие от промежуточных филаментов, они не формируют нитчатые структуры, зато формируют сети. Как бы решетку, подстилающую внутреннюю мембрану ядра (кроме пор). Такие сплошные решетчатые участки могут разбираться и собираться и ведущим фактором в этом процессе является реакция фосфолирирования. При фосфолирировании они разбираются, а при дефосфолирировании они вновь полимеризуются, что обеспечивает динамичность всего поверхностного аппарата.

В тех участках, где происходит слияние наружной и внутренней мембраны, формируются ядерные поры. Это округлые отверстия, но закрытые диафрагмой, с диаметром около 100 нм и высотой примерно 75 нм. Все компоненты порового комплекса ядерных пор имеют белковую природу. Более 100 видов белков принимают участие в формировании пор. Белки – нуклеопорины. 100 видов разбиты на 12 субкомплексов. Пора представляет собой цилиндрическую структуру из восьми блоков. По периферии белковые глобулы, а в центре – центральная гранула. Они соединяются с ней системой фибрилл. Весь этот цилиндрический комплекс закрепляется интегральными белками и гликопротеидами ядерных мембран.

Размер пор и их структура одинаковы для всех эукариот, а число ядерных пор зависит от метаболической активности клеток. Чем выше синтетические процессы в клетке, тем больше пор на единицу поверхности клетки. Например, на эритроцитах во время интенсивного синтеза и накопления гемоглобина, находится примерно 30 поровых комплексов на 1 мкм². А после завершения созревания эритроцитов число пор сокращается в 6-7 раз. На поверхности ядра поры располагаются более-менее равномерно. Роль поровых комплексов заключается в контроле ядерно-цитоплазматическими связями, т.е. обмен продуктами между ядром и цитоплазмой, т.к. поток этих продуктов очень мощный. Все ядерные белки поступают из цитоплазмы, а все формы РНК выходят из ядер. Поры функционируют как некое молекулярное сито, которое пропускает частицы как пассивно, так и активно, т.е. против градиента концентрации. Пассивный транспорт безусловно ограничен молекулярной массой. Ионы, сахара, нуклеотиды, АТФ, некоторые гормоны могут проходить пассивно.

Активный транспорт обеспечивает прохождение и более крупных частиц. Ядерные белки из цитоплазмы проходят через поровые комплексы с помощью специальных механизмов в несколько этапов, включающих узнавание, связывание и только затем транслокацию. Белки, транспортируемые в ядро, имеют определенные маркеры – последовательности ядерной локализации. Именно эти последовательности узнаются белками ядерных пор. Транспорт в цитоплазму крупных комплексов, которые являются субчастицами рибосом, осуществляется с помощью другого механизма, который имеет длинное название: система избирательного активного переноса с изменением конформации переносимых частиц. В этом транспорте принимают участие сам поровый комплекс, а затем транскрипт, который заставляет расширяться центральную пору, а сам транскрипт приобретает палочковидную форму. Если бы не было этого механизма, то крупные частицы никогда бы не смогли выйти из белкового ободка. Из ядра в цитоплазму также существует поток, как белков, так и ядерных транскриптов транспортных РНК. Ядерные поры узнают и не пропускают в цитоплазму короткие транспортные РНК, незрелые формы информационной РНК, имеющие вставочные участки.