4.2.3.Третичная структура днк (суперспирализация днк)
В клетках не бывает чистой ДНК. На разных этапах клеточного цикла молекулы ДНК в той или иной степени упакованы в нуклео- протеиновые структуры – хроматин, представляющий собой третичную структуру ДНК.
Общая длина ядерной ДНК одной клетки составляет ~190 см. Она упакована в ядре, диаметр которого в миллион раз меньше её размеров. Поэтому молекула ДНК в ядре должна представлять весьма компактную структуру. Компактизация путем суперспирализации ДНК осуществляется с помощью белков, взаимодействующих с определёнными последова- тельностями в структуре ДНК. Эти белки можно подразделить на 2 группы: гистоновые и не гистоновые белки.
Рис.81. Полиморфизм молекул ДНК: А – модели Z-формы (1) и В-формы (2) молекулы ДНК ; Б - схемы двойной спирали ДНК: по Уотсону и Крику (1); А-форма(2); В-форма(3).
Комплекс ядерной ДНК с этими белками называется хроматин. Состояние хроматина изменяется в течение клеточного цикла. В интерфазе он распределен равномерно по всему объему ядра и не выявляется обычными микроскопическими методами. В фазе деления ядра хроматин образует компактные структуры – хромосомы, видимые в обычный световой микроскоп. Термин “хромосомы“ также употребля- ют в более широком смысле, для обозначения генетического материала вообще. В этом смысле хроматин называют интерфазной хромосомой, а в фазе деления ядра – метафазной хромосомой. В составе хроматина около 2/3составляют белки, 1/3 - ДНК и некоторое количество РНК.
В процессе клеточного цикла хроматин претерпевает несколько уровней спирализации (компактизации): нуклеосомная нить, хромати- новая фибрилла, хромомеры, хромонемы.
4.2.3.1. Нуклесомная нить.
Белки хроматина - гистоны - представляют собой белки небольшого размера (11-21кДа), содержащие большое количество остатков аргинина и лицина с основными радикалами и валина с гидрофобными радикалами. Благодаря основным радикалам, гистоны взаимодействуют с молекулой ДНК; благодаря гидрофобным радикалам – друг с другом. Различают 5 типов гистонов: Н1;Н2А;Н2В;Н3;Н4. Молекулы гистонов: Н2А, Н2В, Н3, Н4 образуют белковые тела – коры, состоящие из 8 молекул (по 2 каждого вида) и имеющие форму цилиндра (рис.82-83).
Рис.82. Структура кора
Гистоны, образующие кор, называются сердцевинными или коровыми. На кор «накручивается» молекула ДНК, делая вокруг цилиндра около двух оборотов (рис.83). На один оборот вокруг кора уходит 80 н.п. ДНК, в ре-
Рис.83. Схема расположения ДНК (нить темного цвета) на белковой глобуле (коре)
Рис.84. Участок молекулы ДНК с нуклео-
сомами
зультате чего, сайты, удаленные друг от друга на 80 н.п. в линейной ДНК, на поверхности кор лежат рядом. Участок ДНК накрученный на кор составляет 150 н.п. и называется коровым (corДНК, или nDNA). Комплекс коровых гистонов и коровых ДНК называется нуклеосома. Участки ДНК между нуклеосомами называются линкерными и состоят из 15-100 н.п. в разных клетках (в среднем 60н.п.). Линкерные участки связаны с еще одним гистоном Н1, который защищает эти участки от действия нуклеаз (рис.84). Благодаря такой организации хроматин представляет собой нить, с нанизанными на нее бусинами, где каждая бусина является нуклео- сомой. Более 90% ДНК в клетке присутствуют в составе нуклеосом. Ещё 10% приходится на линкерные участки и области ДНК ( в несколько тысяч пар нуклеотидов), свободные от нуклеосом. Эти участки играют важную роль в дальнейшей спирализации ДНК и содержат сайты, специ- фически узнаваемые различными негистоновыми белками. После упаковки элементарной уотсон-криковской спирали ДНК, диаметром 2нм в нуклеосомные структуры, линейная длина молекулы ДНК уменьшается в 6 раз; диаметр её увеличивается до 10 нм; длина составляет 2мм. Гистоновые белки ядра по массе равны содержанию ДНК. Их аминокис- лотные остатки могут подвергаться модификации: ацетилированию, фосфорилированию и метилированию. Модификации изменяют заряд и конформацию гистонов,что влияет на взаимодействие гистонов между собой и молекулой ДНК, в результате чего и происходят конформа- ционные перестройки хроматина. В ядре эукариот присутствуют также сотни разнообразных негистоновых белков:
1 - структурных, обеспечивающих компактизацию ДНК наряду с гистоновыми;
2- регуляторных, к которым относится множество ферментов и не ферментных белков, участвующих в синтезе ДНК и регуляции действия генов, а именно, ферментов репликации, транскрипции и репарации.
Все вместе они обеспечивают преобразование нуклеосомной нити в высококонденсированный комплекс белков и ДНК, который делает нить ДНК в 1000 раз короче.
Негистоновые белки комплементарны определённой последо- вательности нуклеотидов ДНК (сайту ДНК). К ним относятся белки с осо-быми структурными мотивами , обеспечивающими их связывание с ДНК: белки типа «цинковые пальцы», гомодимеры с структурой «спираль-поворот-спираль», белки с «лейциновой застежкой-молнией» (подробнее см. Белки). К группе структурных и регуляторных белков также относят белки высокой подвижности (HMG-белки). Они имеют молекулярную массу менее 30кДа и характеризуются высоким содержанием заряженных аминокислот.