Ας εξετάσουμε τις λειτουργίες των μη ιστονικών πρωτεϊνών, τη σημασία τους για τον οργανισμό. Αυτό το θέμα παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον και αξίζει λεπτομερούς μελέτης.
Κύριες πρωτεΐνες χρωματίνης
Οι πρωτεΐνες ιστόνης και μη ιστόνης συνδέονται άμεσα με το DNA. Ο ρόλος του στη σύνθεση των μεσοφασικών και μιτωτικών χρωμοσωμάτων είναι αρκετά μεγάλος - η αποθήκευση και η διανομή γενετικών πληροφοριών.
Κατά την εκτέλεση τέτοιων λειτουργιών, είναι απαραίτητο να έχουμε μια σαφή δομική βάση που επιτρέπει στα μακρά μόρια DNA να διατάσσονται με σαφή σειρά. Αυτή η ενέργεια σάς επιτρέπει να ελέγχετε τη συχνότητα της σύνθεσης RNA και της αντιγραφής του DNA.
Η συγκέντρωσή του στον μεσοφασικό πυρήνα είναι 100 mg/ml. Ένας πυρήνας θηλαστικού περιέχει περίπου 2 m DNA, εντοπισμένο σε έναν σφαιρικό πυρήνα με διάμετρο περίπου 10 microns.
Ομάδες πρωτεΐνης
Παρά την ποικιλομορφία, συνηθίζεται να ξεχωρίζουμε δύο ομάδες. Οι λειτουργίες των πρωτεϊνών ιστόνης και μη ιστονικών πρωτεϊνών έχουν ορισμένες διαφορές. Περίπου το 80 τοις εκατό όλων των πρωτεϊνών χρωματίνης είναι ιστόνες. Αλληλεπιδρούν με το DNA μέσω ιοντικών δεσμών και δεσμών αλάτων.
Παρά τη σημαντική ποσότητα, οι ιστόνες και οι μη ιστονικές πρωτεΐνες της χρωματίνηςπου αντιπροσωπεύονται από μια ασήμαντη ποικιλία πρωτεϊνών, τα ευκαρυωτικά κύτταρα περιέχουν περίπου πέντε έως επτά τύπους μορίων ιστόνης.
Οι μη ιστονικές πρωτεΐνες στα χρωμοσώματα είναι ως επί το πλείστον ειδικές. Αλληλεπιδρούν μόνο με ορισμένες δομές μορίων DNA.
Χαρακτηριστικά Histone
Ποιες είναι οι λειτουργίες των πρωτεϊνών ιστόνης και μη ιστόνης στο χρωμόσωμα; Οι ιστόνες συνδέονται με τη μορφή μοριακού συμπλόκου με το DNA, είναι υπομονάδες ενός τέτοιου συστήματος.
Οι ιστόνες είναι πρωτεΐνες χαρακτηριστικές μόνο της χρωματίνης. Έχουν ορισμένες ιδιότητες που τους επιτρέπουν να εκτελούν συγκεκριμένες λειτουργίες σε οργανισμούς. Πρόκειται για αλκαλικές ή βασικές πρωτεΐνες, που χαρακτηρίζονται από αρκετά υψηλή περιεκτικότητα σε αργινίνη και λυσίνη. Λόγω των θετικών φορτίων στις αμινομάδες, ένας ηλεκτροστατικός ή αλατικός δεσμός προκαλείται με αντίθετα φορτία στις φωσφορικές δομές του DNA.
Αυτός ο δεσμός είναι αρκετά ασταθής, καταστρέφεται εύκολα και εμφανίζεται διάσπαση σε ιστόνες και DNA. Η χρωματίνη θεωρείται ένα σύμπλοκο σύμπλοκο νουκλεϊκών πρωτεϊνών, μέσα στο οποίο υπάρχουν πολύ πολυμερή γραμμικά μόρια DNA, καθώς και ένας σημαντικός αριθμός μορίων ιστόνης.
Ιδιότητες
Οι ιστόνες είναι σχετικά μικρές πρωτεΐνες όσον αφορά το μοριακό βάρος. Έχουν παρόμοιες ιδιότητες σε όλους τους ευκαρυώτες και βρίσκονται σε παρόμοιες κατηγορίες ιστονών. Για παράδειγμα, οι τύποι Η3 και Η4 θεωρούνται πλούσιοι σε αργινίνη, αφού περιέχουν επαρκή ποσότητα αυτήςαμινοξέα.
Ποικιλίες ιστονών
Τέτοιες ιστόνες θεωρούνται συντηρητικές, καθώς η αλληλουχία αμινοξέων σε αυτές είναι παρόμοια ακόμη και σε απομακρυσμένα είδη.
Οι
H2A και H2B θεωρούνται μέτριες πρωτεΐνες λυσίνης. Διαφορετικά αντικείμενα εντός αυτών των ομάδων έχουν κάποιες παραλλαγές στην πρωτογενή δομή, καθώς και στην αλληλουχία των υπολειμμάτων αμινοξέων.
Η ιστόνη Η1 είναι μια κατηγορία πρωτεϊνών στις οποίες τα αμινοξέα είναι διατεταγμένα σε παρόμοια σειρά.
Εμφανίζουν πιο σημαντικές παραλλαγές μεταξύ ιστών και μεταξύ των ειδών. Μια σημαντική ποσότητα λυσίνης θεωρείται ως γενική ιδιότητα, ως αποτέλεσμα της οποίας αυτές οι πρωτεΐνες μπορούν να διαχωριστούν από τη χρωματίνη σε αραιά αλατούχα διαλύματα.
Οι ιστόνες όλων των τάξεων χαρακτηρίζονται από μια ομαδική κατανομή των κύριων αμινοξέων: αργινίνη και λυσίνη στα άκρα των μορίων.
Το
H1 έχει ένα μεταβλητό Ν-άκρο που αλληλεπιδρά με άλλες ιστόνες και το καρβοξυτελικό άκρο είναι εμπλουτισμένο με λυσίνη, αυτός είναι που αλληλεπιδρά με το DNA.
Τροποποιήσεις ιστόνης είναι δυνατές κατά τη διάρκεια ζωής των κυττάρων:
- μεθυλίωση;
- ακετυλίωση.
Τέτοιες διεργασίες οδηγούν σε αλλαγή στον αριθμό των θετικών φορτίων, είναι αναστρέψιμες αντιδράσεις. Όταν τα υπολείμματα σερίνης φωσφορυλιώνονται, εμφανίζεται ένα υπερβολικό αρνητικό φορτίο. Τέτοιες τροποποιήσεις επηρεάζουν τις ιδιότητες των ιστονών και την αλληλεπίδρασή τους με το DNA. Για παράδειγμα, όταν οι ιστόνες ακετυλιώνονται, παρατηρείται γονιδιακή ενεργοποίηση και η αποφωσφορυλίωση προκαλεί αποσυμπύκνωση και συμπύκνωσηχρωματίνη.
Λειτουργίες σύνθεσης
Η διαδικασία συμβαίνει στο κυτταρόπλασμα, στη συνέχεια μεταφέρεται στον πυρήνα, δεσμεύεται στο DNA κατά τη διάρκεια της αντιγραφής του στην περίοδο S. Μετά τη διακοπή της σύνθεσης του DNA από το κύτταρο, το RNA της ιστόνης πληροφοριών διασπάται μέσα σε λίγα λεπτά, η διαδικασία σύνθεσης σταματά.
Διαίρεση σε ομάδες
Υπάρχουν διαφορετικοί τύποι μη ιστονικών πρωτεϊνών. Η διαίρεση τους σε πέντε ομάδες είναι υπό όρους, βασίζεται σε εσωτερική ομοιότητα. Ένας σημαντικός αριθμός διακριτικών ιδιοτήτων έχει εντοπιστεί σε ανώτερους και κατώτερους ευκαρυωτικούς οργανισμούς.
Για παράδειγμα, αντί για Η1, χαρακτηριστικό των ιστών οργανισμών κατώτερων σπονδυλωτών, βρίσκεται η ιστόνη H5, η οποία περιέχει περισσότερη σερίνη και αργινίνη.
Υπάρχουν επίσης καταστάσεις που σχετίζονται με τη μερική ή πλήρη απουσία ομάδων ιστόνης στους ευκαρυώτες.
Λειτουργικότητα
Παρόμοιες πρωτεΐνες έχουν βρεθεί σε βακτήρια, ιούς, μιτοχόνδρια. Για παράδειγμα, στο E. coli, βρέθηκαν πρωτεΐνες στο κύτταρο, η σύνθεση αμινοξέων των οποίων είναι παρόμοια με τις ιστόνες.
Οι πρωτεΐνες μη ιστονικής χρωματίνης εκτελούν σημαντικές λειτουργίες στους ζωντανούς οργανισμούς. Πριν από την ταυτοποίηση των νουκλεοσωμάτων, χρησιμοποιήθηκαν δύο υποθέσεις σχετικά με τη λειτουργική σημασία, τον ρυθμιστικό και τον δομικό ρόλο τέτοιων πρωτεϊνών.
Βρέθηκε ότι όταν προστίθεται RNA πολυμεράση στην απομονωμένη χρωματίνη, λαμβάνεται ένα πρότυπο για τη διαδικασία μεταγραφής. Η δραστηριότητά του όμως εκτιμάταιμόνο το 10 τοις εκατό αυτού για καθαρό DNA. Αυξάνεται με την αφαίρεση των ομάδων ιστόνης και ελλείψει αυτών είναι η μέγιστη τιμή.
Αυτό υποδηλώνει ότι το συνολικό περιεχόμενο των ιστονών σάς επιτρέπει να ελέγχετε τη διαδικασία μεταγραφής. Ποιοτικές και ποσοτικές αλλαγές στις ιστόνες επηρεάζουν τη δραστηριότητα της χρωματίνης, τον βαθμό συμπαγούς της.
Το ζήτημα της εξειδίκευσης των ρυθμιστικών χαρακτηριστικών των ιστονών κατά τη σύνθεση ειδικών mRNAs σε διαφορετικά κύτταρα δεν έχει μελετηθεί πλήρως.
Με τη σταδιακή προσθήκη ενός κλάσματος ιστόνης σε διαλύματα που περιέχουν καθαρό DNA, παρατηρείται καθίζηση με τη μορφή συμπλόκου DNP. Όταν οι ιστόνες αφαιρούνται από το διάλυμα της χρωματίνης, λαμβάνει χώρα μια πλήρης μετάβαση σε μια διαλυτή βάση.
Οι λειτουργίες των μη ιστονικών πρωτεϊνών δεν περιορίζονται στην κατασκευή των μορίων, είναι πολύ πιο περίπλοκες και πολύπλευρες.
Η δομική σημασία των νουκλεοσωμάτων
Στις πρώτες ηλεκτρομικροσκοπικές και βιοχημικές μελέτες, αποδείχθηκε ότι υπάρχουν νηματοειδείς δομές σε σκευάσματα DPN, η διάμετρος των οποίων κυμαίνεται από 5-50 nm. Με τη βελτίωση των ιδεών σχετικά με τη δομή των μορίων πρωτεΐνης, κατέστη δυνατό να διαπιστωθεί ότι υπάρχει άμεση σχέση μεταξύ της διαμέτρου του ινιδίου της χρωματίνης και της μεθόδου απομόνωσης του φαρμάκου.
Σε λεπτές τομές μιτωτικών χρωμοσωμάτων και μεσοφασικών πυρήνων, μετά από ανίχνευση με γλουταραλδεΰδη, βρέθηκαν χρωματισμένα ινίδια, το πάχος των οποίων είναι 30 nm.
Τα ινίδια έχουν παρόμοια μεγέθηχρωματίνη σε περίπτωση φυσικής στερέωσης των πυρήνων τους: κατά την κατάψυξη, το θρυμματισμό, τη λήψη αντιγράφων από παρόμοια παρασκευάσματα.
Οι μη ιστονικές πρωτεΐνες της χρωματίνης έχουν ανακαλυφθεί με δύο διαφορετικούς τρόπους από τα νουκλεοσώματα των σωματιδίων της χρωματίνης.
Έρευνα
Όταν παρασκευάσματα χρωματίνης εναποτίθενται σε υπόστρωμα για ηλεκτρονική μικροσκοπία υπό αλκαλικές συνθήκες με ασήμαντη ιοντική ισχύ, λαμβάνονται κλώνοι χρωματίνης παρόμοιοι με τα σφαιρίδια. Το μέγεθός τους δεν υπερβαίνει τα 10 nm και τα σφαιρίδια διασυνδέονται με τμήματα DNA, το μήκος των οποίων δεν υπερβαίνει τα 20 nm. Κατά τη διάρκεια των παρατηρήσεων, κατέστη δυνατό να δημιουργηθεί μια σύνδεση μεταξύ της δομής του DNA και των προϊόντων αποσύνθεσης.
Ενδιαφέρουσες πληροφορίες
Οι μη ιστονικές πρωτεΐνες αποτελούν περίπου το είκοσι τοις εκατό των πρωτεϊνών χρωματίνης. Είναι πρωτεΐνες (εκτός από αυτές που εκκρίνονται από τα χρωμοσώματα). Οι μη ιστονικές πρωτεΐνες είναι μια συνδυασμένη ομάδα πρωτεϊνών που διαφέρουν μεταξύ τους όχι μόνο σε ιδιότητες, αλλά και σε λειτουργική σημασία.
Οι περισσότερες από αυτές αναφέρονται σε πρωτεΐνες πυρηνικής μήτρας, οι οποίες βρίσκονται τόσο στη σύνθεση των πυρήνων μεσοφάσης όσο και στα μιτωτικά χρωμοσώματα.
Οι μη ιστονικές πρωτεΐνες μπορούν να περιλαμβάνουν περίπου 450 μεμονωμένα πολυμερή με διαφορετικά μοριακά βάρη. Μερικά από αυτά είναι διαλυτά στο νερό, ενώ άλλα είναι διαλυτά σε όξινα διαλύματα. Λόγω της ευθραυστότητας της σύνδεσης με τη χρωματίνη της συνεχιζόμενης διάστασης παρουσία μετουσιωτικών παραγόντων, υπάρχουν σημαντικά προβλήματα με την ταξινόμηση και την περιγραφή αυτών των πρωτεϊνικών μορίων.
Οι μη ιστονικές πρωτεΐνες είναι ρυθμιστικά πολυμερή,διεγερτική μεταγραφή. Υπάρχουν επίσης αναστολείς αυτής της διαδικασίας που συνδέονται με μια συγκεκριμένη αλληλουχία στο DNA.
Οι μη ιστονικές πρωτεΐνες μπορούν επίσης να περιλαμβάνουν ένζυμα που εμπλέκονται στο μεταβολισμό των νουκλεϊκών οξέων: μεθυλάσες RNA και DNA, DNases, πολυμεράσες, πρωτεΐνες χρωματίνης.
Το περιβάλλον πολλών παρόμοιων πολυμερικών ενώσεων θεωρείται ότι είναι οι πιο μελετημένες μη ιστονικές πρωτεΐνες με υψηλή κινητικότητα. Χαρακτηρίζονται από καλή ηλεκτροφορητική κινητικότητα, εκχύλιση σε διάλυμα κοινού αλατιού.
Οι πρωτεΐνες HMG διατίθενται σε τέσσερις τύπους:
- HMG-2 (m.w.=26.000),
- HMG-1 (m.w.=25.500),
- HMG-17 (m.w.=9247),
- HMG-14 (m.w.=100.000).
Ένα ζωντανό κύτταρο τέτοιων δομών δεν περιέχει περισσότερο από το 5% της συνολικής ποσότητας ιστονών. Είναι ιδιαίτερα κοινά στην ενεργή χρωματίνη.
Οι πρωτεΐνες HMG-2 και HMG-1 δεν περιλαμβάνονται στα νουκλεοσώματα, δεσμεύονται μόνο σε θραύσματα συνδετικού DNA.
Οι πρωτεΐνες HMG-14 και HMG-17 είναι σε θέση να συνδέονται με καρδιοειδή πολυμερή νουκλεοσωμάτων, με αποτέλεσμα μια αλλαγή στο επίπεδο συναρμολόγησης των ινιδίων DNP, και θα είναι πιο προσιτές για αντίδραση με RNA πολυμεράση. Σε μια τέτοια κατάσταση, οι πρωτεΐνες HMG παίζουν το ρόλο των ρυθμιστών της μεταγραφικής δραστηριότητας. Βρέθηκε ότι το κλάσμα χρωματίνης, το οποίο έχει αυξημένη ευαισθησία στη DNase I, είναι κορεσμένο με πρωτεΐνες HMG.
Συμπέρασμα
Το τρίτο επίπεδο δομικής οργάνωσης της χρωματίνης είναι οι τομείς βρόχου του DNA. Στην πορεία της έρευνας διαπιστώθηκε ότι μόνοαποκρυπτογραφώντας την αρχή των χρωμοσωμικών στοιχειωδών συστατικών, είναι δύσκολο να έχουμε μια πλήρη εικόνα των χρωμοσωμάτων στη μίτωση, στη μεσοφάση.
Πύκνωση DNA κατά 40 φορές επιτυγχάνεται λόγω της μέγιστης σπειροειδοποίησης. Αυτό δεν αρκεί για να έχετε μια πραγματική ιδέα για το μέγεθος και τα χαρακτηριστικά των χρωμοσωμάτων. Μπορεί να συναχθεί λογικά το συμπέρασμα ότι πρέπει να υπάρχουν ακόμη υψηλότερα επίπεδα συναρμολόγησης DNA, με τη βοήθεια των οποίων θα ήταν δυνατός ο ξεκάθαρος χαρακτηρισμός των χρωμοσωμάτων.
Οι επιστήμονες μπόρεσαν να ανιχνεύσουν παρόμοια επίπεδα οργάνωσης της χρωματίνης ως αποτέλεσμα της τεχνητής αποσυμπύκνωσης της. Σε μια τέτοια κατάσταση, συγκεκριμένες πρωτεΐνες θα δεσμευτούν σε ορισμένα τμήματα του DNA που έχουν τομείς στα σημεία συσχέτισης.
Η αρχή της συσσώρευσης βρόχου DNA ανακαλύφθηκε επίσης σε ευκαρυωτικά κύτταρα.
Για παράδειγμα, εάν οι απομονωμένοι πυρήνες υποβληθούν σε επεξεργασία με διάλυμα επιτραπέζιου αλατιού, η ακεραιότητα του πυρήνα θα διατηρηθεί. Αυτή η δομή έγινε γνωστή ως νουκλεοτίδιο. Η περιφέρειά του περιλαμβάνει έναν σημαντικό αριθμό κλειστών βρόχων DNA, το μέσο μέγεθος των οποίων είναι 60 kb.
Με την προπαρασκευαστική απομόνωση των χρωμομερών, ακολουθούμενη από εξαγωγή ιστονών από αυτά, δομές που μοιάζουν με βρόχους θα είναι ορατές κάτω από ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Ο αριθμός των βρόχων σε μία υποδοχή είναι από 15 έως 80, το συνολικό μήκος του DNA φτάνει τα 50 μικρά.
Οι ιδέες για τη δομή και τα κύρια λειτουργικά χαρακτηριστικά των μορίων πρωτεΐνης, που λαμβάνονται κατά τη διάρκεια πειραματικών δραστηριοτήτων, επιτρέπουν στους επιστήμονες να αναπτύξουν φάρμακα, να δημιουργήσουν καινοτόμαμέθοδοι αποτελεσματικής καταπολέμησης γενετικών ασθενειών.
