Слайд. Гистоны

СЛАЙД. СТРОЕНИЕ ХРОМАТИНА

Строение Хроматина. Хроматин — основной компонент клеточного ядра; его достаточно легко получить из выделенных интерфазных ядер и из выделенных митотических хромосом.

Главными компонентами хроматина являются ДНК и белки, среди которых основную массу составляют гистоны и негистоновые белки.

В среднем в хроматине около 40% приходится на ДНК и около 60% -на белки, среди которых специфические ядерные белки-гистоны составляют от 40 до 80% от всех белков, входящих в состав выделенного хроматина. Кроме того, в состав хроматиновой фракциии входят мембранные компоненты, РНК, углеводы, липиды, гликопротеиды.

В структурном отношении хроматин представляет собой нитчатые комплексные молекулы дезоксирибонуклеопротеида (ДНП), которые состоят из ДНК, ассоциированной с гистонами. Поэтому укоренилось другое название хроматина — нуклеогистон.

ДНК хроматина. ДНК эукариотических клеток гетерогенна по составу, содержит несколько классов последовательностей нуклеотидов: 1) уникальные нуклеотидные последовательности; 2) среднеповторяющиеся; 3) многократно повторяющиеся. Уникальные последовательности присутствуют в гаплоидном наборе в единственном экземпляре и образуют активно транскрибируемую часть наследственного материа­ла, т. е. основную массу структурных и регуляторных генов. К фракции со средним числом повторов относятся некоторые структурные гены, например кодирующие после­довательность аминокислот в молекулах гистонов или нуклеотидов в рРНК и тРНК. По расчетам в клетке человека находится не менее 450 генов рРНК. Наличие повторов повышает количество единиц тран­скрипции определенной информации и, возможно, служит фактором защиты генов, жизненно важных для всех клеток, против мутаций. В эту же группу входит и часть регуляторных генов. Фракция многократно повторяющихся последователь­ностей образована нетранскрибируемой сателлитной (спутничной) ДНК. Роль ее в физиологии наследственного материала неизвестна. Она, возможно, выполняет функцию спейсеров, т. е. фрагментов, разделяющих структурные и регуляторные гены или обусловливает взаимоузнавание гомологичных хромосом. В ДНК хромосом человека, по ориентировочным данным, уникальные последовательности состав­ляют более 56%, многократно повторяющиеся — 12%, среднеповторяющиеся - 8%.

СЛАЙД. ГИСТОНЫ

Гистоны. Роль ДНК в составе как интерфазных хромосом (хроматин интерфазного ядра), так и митотических хромосом достаточно ясна: хранение и реализация генетической информации. Однако для выполнения этих функций в составе интерфазных ядер необходимо иметь четкую структурную основу, которая позволила бы расположить огромные по длине молекулы ДНК в строгом порядке, чтобы с определенной временной последовательностью протекали процессы как синтеза РНК, так и редупликации ДНК. В клеточном ядре ведущая роль в организации расположения ДНК, в ее компактизации и регулировании функциональных нагрузок принадлежит ядерным белкам. Белки в составе хроматина очень разнообразны, но их можно разделить на две группы: гистоны и негистоновые белки. Гистоны — белки, характерные только для хроматина, — обладают рядом особых качеств. Это основные или щелочные белки, свойства которых определяются относительно высоким содержанием таких основных аминокислот, как лизин и аргинин.

Гистоны — относительно небольшие по молекулярной массе белки. Практически у всех эукариот они обладают сходными свойствами, обнаруживаются одни и те же классы гистонов. Классы гистонов отличаются друг от друга по содержанию разных основных аминокислот. Так, гистоны H 3 и H 4 относят к аргининбогатым из-за относительно высокого содержания в них этой аминокислоты. Эти гистоны являются наиболее консервативными из всех исследованных белков: их аминокислотные последовательности практически одинаковы даже у таких отдаленных видов, как корова и горох (всего две аминокислотные замены).

Два других гистона - H 2 A и H 2 B - относятся к белкам, умеренно обогащенным лизином. У различных объектов внутри этих групп гистонов обнаруживаются межвидовые вариации в их первичной структуре, в последовательности аминокислот.

Гистон H 1. Общим свойством является обогащенность лизином. У гистона H 1 N -конец осуществляет связь с другими гистонами, а C -конец, богатый лизином, взаимодействует с ДНК.

Функции гистонов. Общее содержание гистонов может регулировать уровень транскрипции. Это наблюдение совпадает с тем фактом, что по мере удаления гистонов, особенно H 1, происходит прогрессивная деконденсация - разворачивание фибрилл ДНП, что, возможно, облегчает взаимодействие РНК-полимеразы с матричной ДНК. Также обнаружено, что модификация гистонов приводит к усилению транскрипции и одновременной декомпактизации хроматина.

Негистоновыебелки

Негистоновые белки составляют около 20% всех белков хроматина. По определению, негистоновые белки — это все белки хроматина (кроме гистонов), выделяющиеся с хроматином или хромосомами. Это сборная группа белков, отличающихся друг от друга как по общим свойствам, так и по функциональной значимости. Около 80% негистоновых белков относится к белкам ядерного матрикса, обнаруживаемых как в составе интерфазных ядер, так и митотических хромосом.

Среди негистоновых белков обнаруживается целый ряд регуляторных белков, как стимулирующих инициацию транскрипции, так и ингибирующих ее, а также белки, специфически связывающиеся с определенными последовательностями на ДНК. К негистоновым белкам относят также ферменты, участвующие в метаболизме нуклеиновых кислот (ДНК-полимеразы, ДНК-топоизомеразы, метилазы ДНК и РНК, РНК-полимеразы, РНКазы и ДНКазы и т.д.), белков хроматина (протеинкиназы, метилазы, ацетилазы, протеазы и др.) и многие другие.

ВЫВОД: Гистоны принимают участие в структурной организации хроматина, нейтрализуя за счёт положительных зарядов аминокислотных остатков отрицательно заряженные фосфатные группы ДНК, что делает возможной плотную упаковку ДНК в ядре.

28-30 СЛАЙДЫ: Типы связей стабилизирующих уровни структурной организации ДНК

28 СЛАЙД. Взаимодействие азотистых оснований с пентозой приводит к образованию нуклеозида. Нуклеозиды, содержащие рибозу, называются рибонуклеозидами, а нуклеозиды, содержащие дезоксирибозу – дезоксирибонуклеозидами. Пентоза углеродным атомом в первом положении связывается N-гликозидной связью с атомом азота в 9 положении пурина или атомом азота в 1 положении пиримидина. Так, аденин, соединяясь с рибозой, образует аденозин, гуанин дает гуанозин, из цитозина образуется цитидин, из урацила – уридин, из тимина – риботимидин. Приставка «дезокси» указывает на наличие дезоксирибозы в составе нуклеозида: дезоксиаденозин, дезоксигуанозин и т.д.

29 СЛАЙД. Нуклеотидами называют фосфорные эфиры нуклеозидов. К одному атому пентозы может присоединяться от одного до трех остатков фосфорной кислоты. Название мононуклеотида состоит из названия нуклеозида, указания места присоединения и числа остатков фосфорной кислоты. Например, если к аденозину присоединить один остаток фосфорной кислоты в положении С5', то такой мононуклеотид будет называться аденозин-5'-монофосфорная кислота (адениловая кислота) или аденозин-5'-монофосфат (АМФ). Если к АМФ присоединить еще один остаток фосфорной кислоты, то образуется аденозин-5'-дифосфат (АДФ). И, наконец, добавление третьего остатка приведет к образованию аденозин-5'- трифосфата (АТФ). В молекулах нуклеозиддифосфатов и нуклеозидтрифосфатов остатки фосфорной кислоты соединены ангидридной связью (обозначается знаком “~” - тильда), обладающей большим запасом потенциальной энергии. Такие связи называют макроэргическими. Если один остаток фосфорной кислоты соединен сложноэфирной связью с С5'-атомом рибозы, то нуклеотиды принято обозначать АМФ, ГМФ, ЦМФ, УМФ, или с С5'-атомом дезоксирибозы – дАМФ, дГМФ, дЦМФ, ТМФ. Если один остаток фосфорной кислоты соединен эфирной связью с С3'-атомом пентозы, то нуклеотиды обозначают: А-3'-МФ, дА-3'-МФ, и т.д.

30 СЛАЙД. Внутри одной цепи ДНК соседние нуклеотиды соединены фосфодиэфирными связями, которые формируются в результате взаимодействия между 3'-гидроксильной (3'—ОН) группой молекулы дезоксирибозы одного нукдеотида и 5'-фосфатной группой (5'—РО3) другого. Асимметричные концы цепи ДНК называются 3' (три прим) и 5' (пять прим). Полярность цепи играет важную роль при синтезе ДНК (удлинение цепи возможно только путём присоединения новых нуклеотидов к свободному 3'-концу).

Фосфодиэфирная связь — высокоэнергетическая совокупность ковалентных связей, образуемая атомом фосфора в фосфатной группе и двумя молекулами посредством двух эфирных связей. Фосфодиэфирные связи играют ключевую роль во всех биологических системах, образуя остов нуклеиновых кислот ДНК и РНК.

ВЫВОД:

31 СЛАЙД: ФИЗИКО -ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДНК.

31 СЛАЙД. Денатурация и ренатурация. Полная денатурация ДНК – это расхождение комплементарных цепей. При быстром охлаждении раствора денатурированной ДНК цепи остаются в разделенном состоянии. При температуре 85-95 °С происходит разделение цепей ДНК. Это называется точкой плавления ДНК.Однако если охлаждение проводить медленно, поддерживая в течение некоторого времени температуру немного ниже Tпл(этот прием называют отжигом), может восстановиться нативная структура. Восстановление первоначальной структуры нуклеиновой кислоты с более или менее полным восстановлением физических показателей и биологических свойств получило название ренатурации. Это процесс, противоположный денатурации.

32 СЛАЙД. Вязкость. В воде ДНК образует вязкие растворы, при нагревании таких растворов до 60° С или при действии щелочей двойная спираль распадается на две составляющие цепи, которые вновь могут объединиться, если вернуться к исходным условиям. В слабокислых условиях происходит гидролиз, в результате частично расщепляются фрагменты –Р-О-СН2- с образованием фрагментов –Р-ОН и НО-СН2, соответственно результате образуются мономерные, димерные (сдвоенные) или тримерные (утроенные) кислоты, представляющие собой звенья, из которых была собрана цепь ДНК. Растворы ДНК имеют исключительно высокую вязкость, что позволяет определять молекулярную массу. Для определения молекулярной массы ДНК измеряют вязкость разбавленных растворов ДНК с помощью вискозиметра.