Гистоновые і негистоновые білки: види, функції

Розглянемо функції негистонових білків, їх значення для організму. Дана тема представляє особливий інтерес заслуговує детального вивчення.

Головні білки хроматину

Гистоновие і негистоновие білки безпосередньо пов'язані з ДНК. Її роль у складі інтерфазних і мітотичних хромосом досить велика - зберігання і поширення генетичної інформації. При здійсненні таких функцій необхідно мати чіткої структурної базою, що дозволяє розташовувати довгі молекули ДНК в чіткому порядку. Подібна дія дозволяє контролювати періодичність протікання синтезу РНК, редуплікації ДНК.


Її концентрація в интерфазном ядрі становить 100 мг/мл На одне ядро ссавців припадає приблизно 2 м ДНК, локалізованим в сферичному ядрі діаметром близько 10 мкм.

Групи білків

Незважаючи на різноманіття, прийнято виділяти дві групи. Функції гистонових і негистонових білків мають певні відмінності. Близько 80 відсотків усіх білків хроматину складають гистони. Вони взаємодіють з ДНК за рахунок іонних і сольових зв'язків. Незважаючи на значну кількість, гистони і негистоновие білки хроматину представлені несуттєвим різноманітністю білків, эукариотических клітинах міститься близько п'яти-семи типів молекул гистона. Негистоновие білки в хромосомах в основному специфічні. Вони взаємодіють тільки з певними структурами молекул ДНК.

Особливості гістонів

Які функції гистонових і негистонових білків в хромосомі? Гистони зв'язуються у вигляді молекулярного комплексу з ДНК, вони є субодиницями такої системи. Гистони є білками, характерними лише для хроматину. Вони мають певні якості, які дають їм можливість виконувати специфічні функції в організмах. Це лужні або основні білки, що характеризуються досить високим вмістом аргініну і лізину. Завдяки позитивним зарядам на аминогруппах обумовлюється електростатична або сольова зв'язок з протилежними зарядами на фосфатних структурах ДНК.


Така зв'язок є досить лабільною, вона легко руйнується, при цьому відбувається дисоціація на гистони і ДНК. Хроматин вважається складним нуклеиново-білковим комплексом, всередині якого є високополімерні лінійні молекули ДНК, а також значна кількість молекул гістонів.

Властивості

Гистони є досить невеликими білками з молекулярною масою. Вони мають схожі властивості у всіх еукаріотів і виявляються подібними класами гістонів. Наприклад, види H3 і H4 зараховують до багатих аргініном, так як в їх складі достатню кількість цієї амінокислоти.

Різновиди гістонів

Такі гистони вважають консервативними, так як послідовність амінокислоти в них схожа навіть у віддалених видів. H2A і H2B вважають білками, в яких помірний вміст лізину. Різні об'єкти всередині даних груп мають деякі варіації в первинній структурі, а також у послідовності розташування амінокислотних залишків. Гистон H1 є класом білків, в яких амінокислоти розташовуються в подібною послідовності. У них виявляються істотніше межтканевие та міжвидові варіації. В якості загального властивості розглядається значна кількість лізину, в результаті чого саме ці білки можна відокремлювати від хроматину в розбавлених сольових розчинах.
Гистони всіх класів характеризуються кластерним розподілом основних амінокислот: аргініну і лізину на кінцях молекул. H1 відрізняється варіабельним N-кінцем, що здійснює взаємозв'язок з іншими гистонами, а З-кінець збагачений лізином, саме він вступає у взаємодію з ДНК. При життєдіяльності клітин можливі модифікації гістонів:

метилювання;

ацетилування.

Подібні процеси призводять до зміни кількості позитивних зарядів, вони є оборотними реакціями. При фосфорилюванні серинових залишків з'являється надлишковий негативний заряд. Такі модифікації впливають на властивості гістонів, їх взаємодія з ДНК. Наприклад, при ацетилировании гістонів спостерігається активація генів, а дефосфорилирование викликає деконденсацию і конденсацію хроматину.

Особливості синтезу

Процес відбувається в цитоплазмі, далі відбувається транспортування в ядро, зв'язування з ДНК при реплікації у S-періоді. Після припинення синтезу кліткою ДНК протягом декількох хвилин відбувається розпад інформаційних гистонових РНК, процес синтезу припиняється.

Підрозділ на групи

Виділяють різні види негистонових білків. Поділ їх на п'ять груп є умовним, воно ґрунтується на внутрішньому схожості. Істотне кількість відмінних властивостей виявлено у вищих і нижчих эукариотических організмів. Наприклад, замість H1 характерного для тканин нижчих хребетних організмів, виявляють гистон H5 який містить більшу кількість серину і аргініну. Зустрічаються і ситуації, пов'язані з частковим або повним відсутністю у еукаріотів гистонних груп.

Функціональні можливості

Подібні білки були знайдені в складі бактерій, вірусів, мітохондрій. Наприклад, у E. coli в клітці знайдені білки, амінокислотний складу яких аналогічний гістонам. Негистоновие білки хроматину виконують важливі функції в живих організмах. До виявлення нуклеосом використовували дві гіпотези, що стосуються функціонального значення, регуляторної, структурної ролі таких білків.
Вдалося виявити, що при додаванні до виділеного хроматину РНК-полімерази виходить матриця для процесу транскрипції. Але його активність оцінюється лише на 10 відсотків від аналогічного показника для чистої ДНК. Вона зростає при видаленні груп гістонів, а при їх відсутності становить максимальну величину. Це свідчить про те, що сумарний вміст гістонів дозволяє контролювати процес транскрипції. Якісне і кількісно зміна гістонів впливає на активність хроматину, ступінь його компактності. Не до кінця вивчено питання, що стосується специфічності регуляторних характеристик гістонів під час синтезу специфічних і-РНК в різних клітинах. При поступовому додаванні фракції гістонів до розчинів, що містить чисту ДНК, спостерігається випадання осаду у вигляді комплексу ДНП. При виведенні з розчину гістонів хроматину відбувається повний перехід в розчинне основу. Функції негистонових білків не обмежуються побудовою молекул, вони набагато складніший і багатогранніший.

Структурний значення нуклеосом

У перших электромикроскопических і біохімічних роботах було доведено, що в препаратах ДПН є нитчасті структури, діаметр яких знаходиться в інтервалі 5-50 нм. По мірі вдосконалення уявлень про будову білкових молекул вдалося з'ясувати, що існує пряма залежність між діаметром фибрилла хроматину і способом виділення препарату. На тонких зрізах мітотичних хромосом і інтерфазних ядер після виявлення глутаровим альдегидом були виявлені хроматированние фібрили, товщина яких складає 30 нм. Аналогічними розмірами володіють фібрили хроматину в разі фізичної фіксації їх ядер: при заморожуванні, сколюванні, взяття реплік з подібних препаратів. Негистоновие білки хроматину були відкриті двома різними способами нуклеосом-частинок хроматину.

Дослідження

При осадженні препаратів хроматину на підкладку для електронної мікроскопії в лужних умовах несуттєвою при іонній силі виходять нитки хроматину, схожі на намисто. Їх розмір не перевищує 10 нм, а глобули пов'язані між собою відрізками ДНК, довжина яких не перевищує 20 нм. У ході спостережень вдалося встановити зв'язок між структурою ДНК і продуктами розпаду.

Цікаві відомості

Негистоновие білки складають близько двадцяти відсотків білків хроматину. Вони є білками (крім тих, що виділяються хромосомами). Негистоновие білки - це комбінована група білків, які між собою відрізняються не тільки за властивостями, але і з функціональної важливості. Велика частина їх відноситься до білків ядерного матриксу, які виявляються і в складі інтерфазних ядер, та в мітотичних хромосомах. Негистоновие білки можуть включати близько 450 індивідуальних полімерів, що мають різну молекулярну масу. Деякі з них розчинні у воді, є й такі, які розчиняються в кислих розчинах. Через неміцність зв'язку з хроматином протікає дисоціації при наявності денатуруючих агентів виникають суттєві проблеми з класифікацією та описом даних білкових молекул. Негистоновие білки - це регуляторні полімери, що стимулюють транскрипцію. Є й інгібітори даного процесу, які зв'язуються в специфічної послідовності ДНК. До негистоновим білків можуть ставитися і ферменти, що беруть участь у метаболізмі нуклеїнових кислот: метилази РНК і ДНК, Днкази, полімерази, білки хроматину. Середа безлічі подібних полімерних сполук максимально вивченими вважають негистоновие білки, що володіють високою рухливістю. Для них властива непогана електрофоретична рухливість, екстрагування в розчині кухонної солі. HMG-білки представлені у чотирьох видах:

HMG-2 (м. в. = 26000),

HMG-1 (м. в. = 25500),

HMG-17 (м. в. = 9247),

HMG-14 (м. в. = 100000).

У живій клітині таких структур міститься не більше 5 % від сумарної кількості гістонів. Вони особливо поширені в активному хроматині. Білки HMG-2 та HMG-1 не включені до складу нуклеосом, вони зв'язуються тільки з линкерними фрагментами ДНК. Білки HMG-14 та HMG-17 здатні зв'язуватися з сердцеподобними полімерами нуклеосом, в результаті чого відбувається зміна рівня збірки фібрил ДНП, вони будуть більш доступні для реакції з РНК-полімеразою. У подібній ситуації HMG-білки виконують роль регуляторів транскрипционной активності. Вдалося виявити, що фракція хроматину, яка володіє підвищеною чутливістю до ДНКазе I, насичена HMG-білки.

Висновок

Третім рівнем структурної організації хроматину є петльові домени ДНК. В ході досліджень було встановлено: тільки при розшифровці принципу хромосомних елементарних компонентів складно отримати повне уявлення про хромосомах в митозе, в інтерфазі. Ущільнення ДНК в 40 разів отримують завдяки максимальній спіралізаціі. Цього недостатньо для того, щоб отримати реальне уявлення про розмірах і характеристиках хромосом. Можна зробити закономірний висновок про те, що повинні бути ще більш високі рівні складання ДНК, з допомогою яких можна було б однозначно дати загальну характеристику хромосомами. Вченим вдалося виявити подібні рівні організації хроматину в результаті його штучної деконденсации. У подібній ситуації специфічні білки будуть зв'язуватися з деякими ділянками ДНК, що мають у місцях об'єднання домени. Принцип петлевий упаковки ДНК був виявлений і у эукариотических кліток. Наприклад, якщо провести обробку виділених ядер розчином кухонної солі, буде збережена цілісність ядра. Подібна структура стала називатися нуклеотидом. Його периферія включає в себе значну кількість замкнутих петель ДНК, середній розмір яких становить 60 т. п. н. При препаративном виділення хромомеров, подальшому экстрагировании гістонів з них під електронним мікроскопом видно петлясті розеткообразние структури. Число петель в одній розетці становить від 15 до 80 сумарна довжина ДНК доходить дл 50 мкм. Уявлення про будову і основних функціональних характеристиках білкових молекул, отримані в ході експериментальної діяльності, дозволяють вченим вести розробку лікарських препаратів, створювати інноваційні методики ефективної боротьби з генетичними захворюваннями.