Heterochromatin – Abschnitte von Chromosomen, die sich ständig in einem kompakten Zustand befinden.

Euchromatin – schlecht gepackte (dekondensierte) Chromosomenregionen.

In den nahen zentromeren Regionen der Chromosomen und den kurzen Armen der akrozentrischen Chromosomen ist Heterochromatin gefärbt, das als strukturell bezeichnet wird und sowohl während der mitotischen Zellteilung als auch im Interphasekern ständig nachgewiesen wird. Eine andere Art von Heterochromatin, fakultativ, entsteht durch die Verdichtung euchromatischer Regionen und enthält Gene, die am Proteinstoffwechsel beteiligt sind. Die Kondensation des fakultativen Bereichs ist reversibel und führt zur Dekodensation.

Chromosomen bestehen aus DNA (ca. 40 %) und Proteinen (ca. 60 %), die einen Nukleoproteinkomplex bilden. Proteine ​​werden in zwei Gruppen eingeteilt: Histon und Nicht-Histon. Histone werden durch fünf Moleküle dargestellt: H1, H2A, H2B, H3 und H4. Histonproteine ​​machen 40 bis 80 % aller chromosomalen Proteine ​​aus. Sie bestehen aus kleinen (+) geladenen Molekülen. Sie werden von den Hauptaminosäuren Arginin und Lysin dominiert. Aufgrund ihrer Struktur verbinden sich Histonproteine ​​mit (-) geladener DNA und bilden einen DNA-Histon-Komplex. Dieser Komplex wird Chromatin genannt. Gis. Proteine ​​übernehmen die Funktion der spezifischen Verpackung eines riesigen DNA-Moleküls in eine kompakte Struktur des Chromosoms. Histone verhindern das Ablesen der in der DNA enthaltenen biologischen Informationen. Das ist ihre regulatorische Rolle. Darüber hinaus erfüllen diese Proteine ​​eine strukturelle Funktion und sorgen für die räumliche Organisation der DNA in den Chromosomen.

Die Anzahl der Fraktionen von Nicht-Histon-Proteinen übersteigt 100. Darunter sind Enzyme für die Synthese und Verarbeitung von RNA, Reduplikation und DNA-Reparatur. Auch saure Proteine ​​der Chromosomen spielen eine strukturelle und regulatorische Rolle. Neben DNA und Proteinen finden sich in den Chromosomen auch RNA, Lipide, Polysaccharide und Metallionen. Chromosomen-RNA wird teilweise durch Transkriptionsprodukte repräsentiert, die den Syntheseort noch nicht verlassen haben. Einige Fraktionen haben eine regulierende Funktion. Die regulatorische Rolle der Chromosomenbestandteile besteht darin, das Abschreiben von Informationen aus dem DNA-Molekül zu „verbieten“ oder zu „erlauben“.

In verschiedenen Teilen der Chromosomen unterscheidet sich die DNA in Zusammensetzung und Eigenschaften.

Im Bereich der primären Verengungen befindet sich zentromere DNA. Telomere enthalten spezielle DNA, die verhindert, dass sich die Chromosomen während der Replikation verkürzen. In den Zonen sekundärer Verengungen befinden sich DNA-Abschnitte, die für die Synthese von rRNA verantwortlich sind. In den Armen der Chromosomen befindet sich der Hauptteil der DNA, die für die Synthese zahlreicher Boten-RNAs verantwortlich ist.

Chromatin behält seine Kontinuität in mehreren Zellgenerationen bei und verändert es je nach Periode und Phase des Zellzyklus Organisation. In der Interphase mit Lichtmikroskopie wird es in Form von Klumpen nachgewiesen, die im Nukleoplasma des Kerns verstreut sind. Während des Übergangs der Zelle zur Mitose, insbesondere in der Metaphase, nimmt Chromatin die Form gut unterschiedener einzelner intensiv gefärbter Körper an – Chromosomen.

Interphase- und Metaphase-Formen der Chromatin-Existenz werden als zwei polare Varianten seiner strukturellen Organisation angesehen, die im Mitosezyklus durch gegenseitige Übergänge verbunden sind. Die am weitesten verbreitete Ansicht ist, dass Chromatin (Chromosom) ein spiralförmiger Faden ist. Dabei werden mehrere Stufen der Spiralisierung (Verdichtung) des Chromatins unterschieden

Nukleosomenfilament . Diese Ebene der Chromatinorganisation wird durch vier Arten nukleosomaler Histone bereitgestellt: H2A, H2B, H3, H4. Sie bilden puckförmige Proteinkörper – Kortex, bestehend aus acht Molekülen (zwei Moleküle jeder Histonart)

Chromatinfibrille. Für eine weitere Verdichtung des nukleosomalen Strangs sorgt der HI-Kolben, der durch die Verbindung mit der Linker-DNA und zwei benachbarten Proteinkörpern diese einander näher bringt. Dadurch entsteht eine kompaktere Struktur, die möglicherweise wie eine Magnetspule aufgebaut ist. Eine solche Chromatinfibrille, auch elementar genannt, hat einen Durchmesser von 20–30 nm

Interphase-Chromonem . Die nächste Ebene der strukturellen Organisation des genetischen Materials beruht auf der Faltung der Chromatinfibrille in Schleifen. Offenbar sind an ihrer Bildung Nicht-Histon-Proteine ​​beteiligt, die in der Lage sind, spezifische Nukleotidsequenzen extranukleosomaler DNA zu erkennen, die durch mehrere tausend Basenpaare voneinander getrennt sind. Diese Proteine ​​verbinden die angegebenen Bereiche unter Bildung von Schleifen aus den dazwischen liegenden Fragmenten der Chromatinfibrille. Durch eine solche Verpackung wird eine Chromatinfibrille mit einem Durchmesser von 20–30 nm in eine Struktur mit einem Durchmesser von 100–200 nm umgewandelt, die als Interphasenchromonem bezeichnet wird .

Einzelne Abschnitte des Interphase-Chromonems werden weiter verdichtet und bilden Strukturblöcke, die benachbarte Schleifen mit derselben Organisation vereinen.

Lampbrush-Chromosomen kommt in Eizellen von Fischen, Amphibien, Reptilien und Vögeln im Diplotänstadium vor. Jedes der beiden Chromosomen ist zweiwertig und besteht aus zwei Chromatiden, daher entstehen bei der Konjugation ausgedehnte Vierchromatidstrukturen. Jedes Chromatid besteht aus einem eng verdrillten axialen Strang mit davon ausgehenden Seitenschleifen, der von einer einzelnen DNA-Doppelhelix gebildet wird. Diese Schleifen stellen wahrscheinlich DNA dar, die zur Transkription von Proteinen befreit wurde. Chromosomen wie „l. sch.“ werden aktiver transkribiert als gewöhnliche xp-we. Dies ist auf die Notwendigkeit zurückzuführen, erhebliche Mengen an Genprodukten in Eizellen anzusammeln.

Mikrofilamente sind dünne filamentöse Strukturen (5–7 nm), die aus kontraktilen Proteinen bestehen: Aktin, Myosin, Tropomyosin. Sie sind hauptsächlich in der kortikalen Schicht des Zytoplasmas lokalisiert. Mikrofilamente durchdringen die gesamte Zelle und bilden die Basis des Zytoskeletts. An ihnen sind alle Organellen der Zelle befestigt. Aktin macht bis zu 10...15 % aller Zellproteine ​​aus. Globuläres G-Aktin liegt als einzelne Moleküle in Form einer kolloidalen Lösung vor. In Gegenwart von ATP und einigen Proteinfaktoren wird eine filamentöse Struktur aus Sequenzen von Aktinkügelchen (fibrillär oder F-Aktin) gebildet. Myosin liegt immer in Form dicker Filamente vor. Beide Proteine ​​bilden unter Beteiligung anderer Proteine ​​​​einen Aktin-Myosin-Komplex, der sich aufgrund der Verschiebung der Aktin- und Myosin-Mikrofilamente relativ zueinander zusammenziehen kann (in diesem Fall wird Energie aufgrund der ATP-Hydrolyse in bestimmten Bereichen der Myosinmoleküle verbraucht). . Zusammen bilden Mikrofilamente den kontraktilen Apparat der Zelle und sorgen für verschiedene Arten von Bewegungen:

Bewegung von Organellen;

Strom von Hyaloplasma;

Veränderung der Zelloberfläche;

Pseudopodiumbildung und Zellbewegung.

Durch die Ansammlung von Mikrofilamenten in Muskelfasern entstehen spezielle Organellen – Myofibrillen.

Zwischenfilamente sind dünne (10 nm) unverzweigte Filamente, die hauptsächlich in der kortikalen (Submembran-)Schicht des Hyaloplasmas lokalisiert sind. Jedes Zwischenfilament besteht aus 32 Molekülen fibrillärem Protein (in Keratin-Epithelzellen, in Vimentin-Fibroblasten, in Desmin-Muskelzellen). Die funktionelle Rolle der Zwischenfilamente besteht darin, der Zelle Zugfestigkeit zu verleihen. In einigen Zellen (Hautepidermozyten) bündeln sich Zwischenfilamente und bilden Tonofibrillen, die als spezielle Organellen gelten, die eine unterstützende Rolle spielen.

24. Mikrotubuli sind Hohlzylinder; äußerer Durchmesser - 24 nm, innerer - 15 nm, Die Mikrotubuli-Wand besteht aus Untereinheiten des globulären Proteins Tubulin, jede Untereinheit, die wie abgerundete Kügelchen aussieht, hat einen Durchmesser von 5 nm. die Position der Organellen im Zytoplasma und bestimmt auch die Richtung intrazellulärer Bewegungen. Tubulin-Proteine ​​haben keine Kontraktionsfähigkeit und daher kontrahieren Mikrotubuli nicht. In der Zusammensetzung von Zilien und Flagellen gibt es jedoch eine Wechselwirkung zwischen Mikrotubuli und ihrer Verschiebung relativ zueinander, die die Bewegung von Zilien und Flagellen gewährleistet.

Mikrotubuli sind im Zentrum der Zelle und an ihrer Peripherie konzentriert. Sie sind Teil der Zentriolen, Bewegungsorganellen, Teilungsspindeln, bilden das Zytoskelett in den hervorstehenden Teilen der Zellen (zum Beispiel in den Axonen von Nervenzellen). Verschiedene Strukturen (Mitochondrien etc.) können sich entlang von Mikrotubuli bewegen.

25. Zilien und Flagellen.

Bei allen Eukaryoten sind Zilien und Flagellen auf ähnliche Weise angeordnet. Flagellen sind deutlich länger als Zilien und erreichen eine Länge von 150 μm oder mehr. Die Anzahl der Flagellen pro Zelle ist normalerweise gering, selten - mehrere Dutzend oder Hunderte, die Anzahl der Flimmerhärchen ist in der Regel viel größer (bis zu 10-15.000, seltener mehrere Hundert).

Ein typisches Flagellum besteht aus Basalkörper(oder Kinetosomen), Übergangszone, Hauptstange Und Spitze. Der Hauptstab und die Spitze des Flagellums sind mit einer Membran bedeckt, die eine Fortsetzung des Plasmalemmas darstellt.

Basalkörper ist ein Hohlzylinder, dessen Wände geformt sind neun Drillinge Mikrotubuli. Somit haben Basalkörper und Zentriol den gleichen Aufbau.

Übergangszone befindet sich am Schnittpunkt des Flagellums mit dem Plasmalemma. In der Mitte der Übergangszone befindet sich ein axiales Granulat, von dem zwei einzelne Mikrotubuli ausgehen, die entlang der Flagellumsachse bis zum Ende verlaufen. Am Rand der Übergangszone liegt die Basalscheibe, in der einer der drei Mikrotubuli jedes Tripletts verloren geht und die Tripletts sich in Dubletts verwandeln.

Im Kern Hauptstange Flagellum liegt Axonem- ein System parallel ausgerichteter Mikrotubuli. Ein typisches Axonem wird durch einen Zylinder dargestellt, dessen Wände gebildet werden neun Dubletten Mikrotubuli; Zwei einzelne Mikrotubuli erstrecken sich entlang der Achse des Axonems.

Wenn Sie sich nähern Spitze Dubletten verlieren nach und nach einen der beiden Mikrotubuli und verschwinden dann vollständig. Das Flagellum endet mit zwei zentralen Mikrotubuli, die mit einer Membran bedeckt sind.

Die Biegung des Flagellums erfolgt aufgrund einer Änderung des Abstands zwischen Dubletts von Mikrotubuli oder zwischen einzelnen Mikrotubuli. Dies verbraucht die Energie von ATP.

Bei einer Reihe von Organismen wurden einige Abweichungen von der typischen Flagellenorganisation festgestellt: Die zentralen Tubuli fehlen entweder oder es ist nur einer vorhanden. In einigen Gruppen von Eukaryoten fehlen Flagellen und Zilien (Angiospermen, Nematoden, Arthropoden, Teile einzelliger heterotropher Protisten, Algen und die meisten Gymnospermen).

Das genetische Material eukaryotischer Organismen ist sehr komplex organisiert. Im Zellkern befindliche DNA-Moleküle sind Teil einer speziellen Mehrkomponentensubstanz – Chromatin.

Konzeptdefinition

Chromatin ist das Material des Zellkerns, das Erbinformationen enthält. Dabei handelt es sich um einen komplexen Funktionskomplex aus DNA mit Strukturproteinen und anderen Elementen, die für die Verpackung, Lagerung und Implementierung des karyotischen Genoms sorgen. In einer vereinfachten Interpretation ist dies die Substanz, aus der die Chromosomen bestehen. Der Begriff kommt vom griechischen „chrom“ – Farbe, Lack.

Das Konzept wurde bereits 1880 von Fleming eingeführt, es gibt jedoch immer noch Debatten darüber, was Chromatin im Hinblick auf seine biochemische Zusammensetzung ist. Die Unsicherheit betrifft einen kleinen Teil der Komponenten, die nicht an der Strukturierung genetischer Moleküle beteiligt sind (einige Enzyme und Ribonukleinsäuren).

Auf einer Elektronenaufnahme des Interphasenkerns wird Chromatin als zahlreiche Bereiche dunkler Materie dargestellt, die klein und verstreut sein oder sich zu großen, dichten Clustern vereinen können.

Durch die Kondensation von Chromatin während der Zellteilung entstehen Chromosomen, die auch unter einem herkömmlichen Lichtmikroskop sichtbar sind.

Strukturelle und funktionelle Komponenten von Chromatin

Um zu bestimmen, was Chromatin auf biochemischer Ebene ist, extrahierten Wissenschaftler diese Substanz aus Zellen, überführten sie in eine Lösung und untersuchten in dieser Form die Zusammensetzung und Struktur der Bestandteile. Dabei kamen sowohl chemische als auch physikalische Methoden zum Einsatz, darunter auch Elektronenmikroskopie-Technologien. Es stellte sich heraus, dass die chemische Zusammensetzung des Chromatins zu 40 % aus langen DNA-Molekülen und zu fast 60 % aus verschiedenen Proteinen besteht. Letztere werden in zwei Gruppen eingeteilt: Histone und Nichthistone.

Histone sind eine große Familie grundlegender Kernproteine, die fest an die DNA binden und das Strukturgerüst des Chromatins bilden. Ihre Zahl entspricht in etwa dem Anteil genetischer Moleküle.

Der Rest (bis zu 20 %) der Proteinfraktion entfällt auf DNA-bindende und räumlich modifizierende Proteine ​​sowie auf Enzyme, die an den Prozessen des Lesens und Kopierens genetischer Informationen beteiligt sind.

Zusätzlich zu den Hauptelementen finden sich im Chromatin geringe Mengen an Ribonukleinsäuren (RNA), Glykoproteinen, Kohlenhydraten und Lipiden, die Frage nach ihrem Zusammenhang mit dem DNA-Verpackungskomplex ist jedoch noch offen.

Histone und Nukleosomen

Das Molekulargewicht von Histonen variiert zwischen 11 und 21 kDa. Eine große Anzahl von Resten der basischen Aminosäuren Lysin und Arginin verleihen diesen Proteinen eine positive Ladung und tragen so zur Bildung ionischer Bindungen mit entgegengesetzt geladenen Phosphatgruppen der DNA-Doppelhelix bei.

Es gibt 5 Arten von Histone: H2A, H2B, H3, H4 und H1. Die ersten vier Typen sind an der Bildung der Hauptstruktureinheit des Chromatins beteiligt – dem Nukleosom, das aus einem Kern (Proteinkern) und einer darum gewickelten DNA besteht.

Der nukleosomale Kern wird durch einen oktameren Komplex aus acht Histonmolekülen dargestellt, zu dem das H3-H4-Tetramer und das H2A-H2B-Dimer gehören. Ein DNA-Abschnitt mit einer Länge von etwa 146 Nukleotidpaaren wird auf die Oberfläche eines Proteinpartikels gewickelt, bildet 1,75 Windungen und geht in eine Linkersequenz (ungefähr 60 bp) über, die Nukleosomen miteinander verbindet. Das H1-Molekül bindet an die Linker-DNA und schützt sie so vor der Wirkung von Nukleasen.

Histone können verschiedene Modifikationen wie Acetylierung, Methylierung, Phosphorylierung, ADP-Ribosylierung und Wechselwirkung mit dem Ubivictin-Protein durchlaufen. Diese Prozesse beeinflussen die räumliche Konfiguration und Packungsdichte der DNA.

Nicht-Histon-Proteine

Es gibt mehrere hundert Arten von Nicht-Histon-Proteinen mit unterschiedlichen Eigenschaften und Funktionen. Ihr Molekulargewicht variiert zwischen 5 und 200 kDa. Eine besondere Gruppe bilden ortsspezifische Proteine, die jeweils zu einer bestimmten DNA-Region komplementär sind. Zu dieser Gruppe gehören 2 Familien:

• „Zinkfinger“ – erkennen Fragmente mit einer Länge von 5 Nukleotidpaaren;
• Homodimere – gekennzeichnet durch die Struktur „Helix-Turn-Helix“ in dem mit der DNA verbundenen Fragment.

Am besten untersucht sind die sogenannten High Mobility Proteine ​​(HGM-Proteine), die dauerhaft mit Chromatin assoziiert sind. Diesen Namen erhielt die Familie aufgrund der hohen Bewegungsgeschwindigkeit von Proteinmolekülen in einem elektrophoretischen Gel. Diese Gruppe macht den Großteil der Nicht-Histon-Fraktion aus und umfasst vier Haupttypen von HGM-Proteinen: HGM-1, HGM-14, HGM-17 und HMO-2. Sie erfüllen strukturelle und regulatorische Funktionen.

Zu den Nicht-Histon-Proteinen gehören auch Enzyme, die für die Transkription (den Prozess der Boten-RNA-Synthese), die Replikation (Verdoppelung der DNA) und die Reparatur (Beseitigung von Schäden im genetischen Molekül) sorgen.

Ebenen der DNA-Verdichtung

Die Besonderheit der Chromatinstruktur besteht darin, dass DNA-Stränge mit einer Gesamtlänge von mehr als einem Meter in einen Kern mit einem Durchmesser von etwa 10 Mikrometern passen. Dies ist aufgrund des mehrstufigen Verpackungssystems genetischer Moleküle möglich. Das allgemeine Verdichtungsschema umfasst fünf Ebenen:

1. Nukleosomaler Faden mit einem Durchmesser von 10–11 nm;
2. Fibrille 25–30 nm;
3. Schleifendomänen (300 nm);
4. Faser 700 nm dick;
5. Chromosomen (1200 nm).

Diese Organisationsform reduziert die Länge des ursprünglichen DNA-Moleküls um das Zehntausendfache.

Ein Faden mit einem Durchmesser von 11 nm wird aus einer Reihe von Nukleosomen gebildet, die durch Linker-Regionen der DNA verbunden sind. In einer elektronenmikroskopischen Aufnahme ähnelt eine solche Struktur Perlen, die an einer Angelschnur aufgereiht sind. Das nukleosomale Filament ist wie ein Solenoid gewunden und bildet eine 30 nm dicke Fibrille. An seiner Bildung ist Histon H1 beteiligt.

Die Magnetfibrille faltet sich zu Schleifen (mit anderen Worten zu Domänen), die auf der tragenden intranukleären Matrix fixiert sind. Jede Domäne enthält 30 bis 100.000 Basenpaare. Dieser Verdichtungsgrad ist charakteristisch für Interphase-Chromatin.

Bei der Spiralisierung einer Domänenfibrille entsteht eine Struktur mit einer Dicke von 700 nm, die als Chromatid bezeichnet wird. Zwei Chromatiden wiederum bilden die fünfte Ebene der DNA-Organisation – ein Chromosom mit einem Durchmesser von 1400 nm, das im Stadium der Mitose oder Meiose sichtbar wird.

Somit sind Chromatin und Chromosom Verpackungsformen des genetischen Materials, die vom Lebenszyklus der Zelle abhängen.

Chromosomen

Das Chromosom besteht aus zwei identischen Schwesterchromatiden, die jeweils aus einem superknäueligen DNA-Molekül bestehen. Die Hälften sind durch einen speziellen fibrillären Körper namens Zentromer verbunden. Gleichzeitig ist diese Struktur eine Verengung, die jedes Chromatid in Arme unterteilt.

Im Gegensatz zu Chromatin, einem Strukturmaterial, ist ein Chromosom eine diskrete Funktionseinheit, die nicht nur durch Struktur und Zusammensetzung, sondern auch durch einen einzigartigen genetischen Satz sowie eine gewisse Rolle bei der Umsetzung der Vererbungs- und Variabilitätsmechanismen gekennzeichnet ist der zellulären Ebene.

Euchromatin und Heterochromatin

Chromatin im Zellkern kommt in zwei Formen vor: weniger gewunden (Euchromatin) und kompakter (Heterochromatin). Die erste Form entspricht den transkriptionell aktiven Bereichen der DNA und ist daher nicht so dicht strukturiert. Heterochromatin wird in fakultatives (es kann von einer aktiven zu einer dichten inaktiven Form wechseln, abhängig vom Stadium des Lebenszyklus der Zelle und der Notwendigkeit, bestimmte Gene zu realisieren) und konstitutives (ständig verdichtetes) unterteilt. Während der mitotischen oder meiotischen Teilung ist das gesamte Chromatin inaktiv.

Konstitutives Heterochromatin befindet sich in der Nähe des Zentromers und an den Enden des Chromosoms. Die Ergebnisse der Elektronenmikroskopie zeigen, dass solches Chromatin nicht nur im Stadium der Zellteilung, sondern auch während der Interphase einen hohen Kondensationsgrad beibehält.

Die biologische Rolle von Chromatin

Die Hauptfunktion von Chromatin besteht darin, große Mengen genetischen Materials dicht zu verpacken. Für das Leben der Zelle reicht es jedoch nicht aus, nur DNA in den Zellkern einzubauen. Es ist notwendig, dass diese Moleküle richtig „funktionieren“, das heißt, dass sie die in ihnen enthaltenen Informationen über das DNA-RNA-Protein-System übertragen können. Darüber hinaus muss die Zelle während der Teilung genetisches Material verteilen.

Die Struktur des Chromatins erfüllt diese Aufgaben vollständig. Der Proteinteil enthält alle notwendigen Enzyme und ihre Strukturmerkmale ermöglichen ihnen die Interaktion mit bestimmten DNA-Abschnitten. Daher besteht die zweite wichtige Funktion des Chromatins darin, alle Prozesse bereitzustellen, die mit der Implementierung des Kerngenoms verbunden sind.

Chemische Zusammensetzung der Chromosomen

Physikalisch-chemische Organisation eukaryotischer Zellchromosomen

Die Untersuchung der chemischen Organisation der Chromosomen eukaryontischer Zellen zeigte, dass sie hauptsächlich aus DNA und Proteinen bestehen, die einen Nukleoproteinkomplex bilden. Chromatin, Benannt nach seiner Fähigkeit, mit basischen Farbstoffen zu färben.

Wie zahlreiche Studien belegen (siehe § 3.2), ist DNA ein materieller Träger der Eigenschaften Vererbung und Variabilität und enthält biologische Informationen – ein Programm für die Entwicklung einer Zelle, eines Organismus, geschrieben mit einem speziellen Code. Die Menge an DNA in den Zellkernen eines Organismus einer bestimmten Art ist konstant und proportional zu ihrer Ploidie. In diploiden Körperzellen des Körpers ist es doppelt so viel wie in Gameten. Eine Zunahme der Anzahl der Chromosomensätze in polyploiden Zellen geht mit einer proportionalen Zunahme der darin enthaltenen DNA-Menge einher.

Proteine ​​machen einen wesentlichen Teil der Chromosomensubstanz aus. Sie machen etwa 65 % der Masse dieser Bauwerke aus. Alle chromosomalen Proteine ​​werden in zwei Gruppen unterteilt: Histone und Nichthistonproteine.

Histone dargestellt durch fünf Brüche: HI, H2A, H2B, H3, H4. Da es sich um positiv geladene Grundproteine ​​handelt, sind sie ziemlich fest an DNA-Moleküle gebunden, was das Ablesen der darin enthaltenen biologischen Informationen verhindert. Das ist ihre regulatorische Rolle. Darüber hinaus erfüllen diese Proteine ​​eine strukturelle Funktion und sorgen für die räumliche Organisation der DNA in Chromosomen (siehe Abschnitt 3.5.2.2).

Anzahl der Brüche Nichthiston Proteine ​​übersteigt 100. Darunter sind Enzyme für die Synthese und Verarbeitung von RNA, Reduplikation und DNA-Reparatur. Auch saure Proteine ​​der Chromosomen spielen eine strukturelle und regulatorische Rolle. Neben DNA und Proteinen finden sich in den Chromosomen auch RNA, Lipide, Polysaccharide und Metallionen.

Chromosomen-RNA teilweise repräsentiert durch Transkriptionsprodukte, die den Ort der Synthese noch nicht verlassen haben. Einige Fraktionen haben eine regulierende Funktion.

Die regulatorische Rolle der Chromosomenbestandteile besteht darin, das Abschreiben von Informationen aus dem DNA-Molekül zu „verbieten“ oder zu „erlauben“.

Die Massenverhältnisse von DNA: Histone: Nichthiston-Proteine: RNA: Lipide betragen 1:1:(0,2–0,5):(0,1–0,15):(0,01–0,03). Andere Komponenten kommen in geringen Mengen vor.

Während die Kontinuität in mehreren Zellgenerationen erhalten bleibt, verändert Chromatin seine Organisation je nach Zeitraum und Phase des Zellzyklus. In der Interphase mit Lichtmikroskopie wird es in Form von Klumpen nachgewiesen, die im Nukleoplasma des Kerns verstreut sind. Während des Übergangs der Zelle zur Mitose, insbesondere in der Metaphase, nimmt Chromatin die Form gut unterschiedener einzelner intensiv gefärbter Körper an – Chromosomen.

Interphase- und Metaphase-Formen der Chromatin-Existenz werden als zwei polare Varianten seiner strukturellen Organisation angesehen, die im Mitosezyklus durch gegenseitige Übergänge verbunden sind. Diese Einschätzung wird durch elektronenmikroskopische Daten gestützt, die belegen, dass sowohl die Interphase- als auch die Metaphasenform auf derselben elementaren Filamentstruktur basieren. Im Rahmen elektronenmikroskopischer und physikalisch-chemischer Untersuchungen wurden Filamente (Fibrillen) mit einem Durchmesser von 3,0–5,0, 10, 20–30 nm in der Zusammensetzung von Interphase-Chromatin und Metaphase-Chromosomen nachgewiesen. Es ist nützlich, sich daran zu erinnern, dass der Durchmesser der DNA-Doppelhelix etwa 2 nm beträgt, der Durchmesser der filamentösen Struktur des Interphase-Chromatins 100–200 nm beträgt und der Durchmesser eines der Schwesterchromatiden des Metaphase-Chromosoms beträgt 500–600 nm.

Die am weitesten verbreitete Ansicht ist, dass Chromatin (Chromosom) ein spiralförmiger Faden ist. Dabei werden mehrere Stufen der Spiralisierung (Kompaktisierung) des Chromatins unterschieden (Tabelle 3.2).

Tabelle 3.2. Aufeinanderfolgende Stufen der Chromatinverdichtung

Reis. 3.46. Nukleosomale Organisation von Chromatin.

A - dekondensierte Form von Chromatin;

B - Elektronenmikroskopische Aufnahme von eukaryotischem Chromatin:

A - das DNA-Molekül ist um die Proteinkerne gewickelt;

B - Chromatin besteht aus Nukleosomen, die durch Linker-DNA verbunden sind

Nukleosomenfaden. Diese Ebene der Chromatinorganisation wird durch vier Arten nukleosomaler Histone bereitgestellt: H2A, H2B, H3, H4. Sie bilden puckförmige Eiweißkörper – bellen, bestehend aus acht Molekülen (zwei Moleküle jeder Histonart) (Abb. 3.46).

Das DNA-Molekül wird durch Proteinkerne vervollständigt, die sich spiralförmig um sie winden. In diesem Fall steht mit jedem Kern ein DNA-Segment bestehend aus 146 Basenpaaren (bp) in Kontakt. Als DNA-Segmente werden bezeichnet, die keinen Kontakt mit Proteinkörpern haben Bindemittel oder Linker. Sie umfassen 15 bis 100 bp. (durchschnittlich 60 bp) abhängig vom Zelltyp.

Ein etwa 200 bp langer Abschnitt eines DNA-Moleküls. zusammen mit dem Proteinkern ist Nukleosom. Dank dieser Organisation basiert die Struktur des Chromatins auf einem Faden, der eine Kette sich wiederholender Einheiten – Nukleosomen – darstellt (Abb. 3.46, B). In dieser Hinsicht wird das menschliche Genom, bestehend aus 3 × 10 9 bp, durch eine DNA-Doppelhelix dargestellt, die in 1,5 × 10 7 Nukleosomen verpackt ist.

Entlang des nukleosomalen Fadens, der einer Perlenkette ähnelt, befinden sich DNA-Bereiche, die frei von Proteinkörpern sind. Diese im Abstand von mehreren tausend Basenpaaren liegenden Regionen spielen eine wichtige Rolle bei der weiteren Verpackung des Chromatins, da sie Nukleotidsequenzen enthalten, die von verschiedenen Nicht-Histon-Proteinen spezifisch erkannt werden.

Durch die nukleosomale Organisation des Chromatins erhält die Doppelhelix der DNA mit einem Durchmesser von 2 nm einen Durchmesser von 10–11 nm.

Chromatinfibrille. Für eine weitere Verdichtung des nukleosomalen Strangs sorgt der HI-Kolben, der durch die Verbindung mit der Linker-DNA und zwei benachbarten Proteinkörpern diese einander näher bringt. Dadurch entsteht eine kompaktere Struktur, die möglicherweise wie eine Magnetspule aufgebaut ist. Diese Chromatinfibrille, auch genannt elementar, hat einen Durchmesser von 20-30 nm (Abb. 3.47).

Interphase-Chromonem. Die nächste Ebene der strukturellen Organisation des genetischen Materials beruht auf der Faltung der Chromatinfibrille in Schleifen. Offenbar sind an ihrer Bildung Nicht-Histon-Proteine ​​beteiligt, die in der Lage sind, spezifische Nukleotidsequenzen extranukleosomaler DNA zu erkennen, die durch mehrere tausend Basenpaare voneinander getrennt sind. Diese Proteine ​​verbinden die angegebenen Bereiche unter Bildung von Schleifen aus den dazwischen liegenden Fragmenten der Chromatinfibrille (Abb. 3.48). Der einer Schleife entsprechende DNA-Abschnitt enthält 20.000 bis 80.000 bp. Möglicherweise ist jede Schleife eine funktionelle Einheit des Genoms. Durch eine solche Packung wird eine Chromatinfibrille mit einem Durchmesser von 20–30 nm in eine Struktur mit einem Durchmesser von 100–200 nm umgewandelt, genannt Interphase-Chromonem.

Einzelne Bereiche des Interphase-Chromonems werden weiter verdichtet und bilden sich Strukturblöcke, Vereinigung benachbarter Schleifen mit derselben Organisation (Abb. 3.49). Sie befinden sich im Interphasekern in Form von Chromatinklumpen. Es ist möglich, dass das Vorhandensein solcher Strukturblöcke das Muster der ungleichmäßigen Verteilung einiger Farbstoffe in Metaphase-Chromosomen bestimmt, das in zytogenetischen Studien verwendet wird (siehe Abschnitte 3.5.2.3 und 6.4.3.6).

Der ungleiche Grad der Verdichtung verschiedener Teile der Interphase-Chromosomen ist von großer funktioneller Bedeutung. Abhängig vom Zustand des Chromatins gibt es euchromatisch Abschnitte von Chromosomen, die in sich nicht teilenden Zellen weniger dicht gepackt sind und möglicherweise transkribiert werden, und heterochromatisch Bereiche, die durch kompakte Organisation und genetische Trägheit gekennzeichnet sind. Innerhalb ihrer Grenzen findet keine Transkription biologischer Informationen statt.

Es gibt konstitutives (strukturelles) und fakultatives Heterochromatin.

konstitutiv Heterochromatin kommt in den perizentromeren und telomeren Regionen aller Chromosomen sowie in einigen inneren Fragmenten einzelner Chromosomen vor (Abb. 3.50). Es wird nur durch nicht transkribierte DNA gebildet. Wahrscheinlich besteht seine Aufgabe darin, die Gesamtstruktur des Zellkerns aufrechtzuerhalten, Chromatin an die Kernhülle zu binden, homologe Chromosomen während der Meiose gegenseitig zu erkennen, benachbarte Strukturgene zu trennen und an der Regulierung ihrer Aktivität beteiligt zu sein.

Reis. 3.49. Strukturblöcke in der Organisation des Chromatins.

A - Schleifenstruktur von Chromatin;

B - weitere Kondensation von Chromatinschleifen;

IN - Zusammenfügung von Schleifen mit ähnlicher Struktur zu Blöcken mit der Bildung der endgültigen Form des Interphase-Chromosoms

Reis. 3,50. Konstitutives Heterochromatin in menschlichen Metaphase-Chromosomen

Ein Beispiel Optional Heterochromatin dient als Körper des Geschlechtschromatins, das normalerweise in den Zellen von Organismen des homogametischen Geschlechts (beim Menschen ist das weibliche Geschlecht homogametisch) eines der beiden X-Chromosomen gebildet wird. Die Gene auf diesem Chromosom werden nicht transkribiert. Die Bildung von fakultativem Heterochromatin auf Kosten des genetischen Materials anderer Chromosomen begleitet den Prozess der Zelldifferenzierung und dient als Mechanismus zum Ausschalten aktiver Funktionsgruppen von Genen, deren Transkription in Zellen einer bestimmten Spezialisierung nicht erforderlich ist. In dieser Hinsicht variiert das Muster des Chromatins von Zellkernen verschiedener Gewebe und Organe in histologischen Präparaten. Ein Beispiel ist die Chromatin-Heterochromatisierung in den Kernen reifer Vogelerythrozyten.

Die aufgeführten Ebenen der strukturellen Organisation des Chromatins werden in einer sich nicht teilenden Zelle gefunden, wenn die Chromosomen noch nicht ausreichend verdichtet sind, um im Lichtmikroskop als separate Strukturen sichtbar zu sein. Nur ein Teil ihrer Bereiche mit höherer Packungsdichte wird in den Kernen in Form von Chromatinklumpen nachgewiesen (Abb. 3.51).

Reis. 3.51. Heterochromatin im Interphasekern

Kompakte Heterochromatin-Flecken, die sich um den Nukleolus und die Kernmembran gruppieren

Metaphase-Chromosom. Der Eintritt einer Zelle von der Interphase in die Mitose geht mit einer Superkompaktisierung des Chromatins einher. Einzelne Chromosomen werden deutlich unterscheidbar. Dieser Prozess beginnt in der Prophase und erreicht seinen maximalen Ausdruck in der Metaphase von Mitose und Anaphase (siehe Abschnitt 2.4.2). In der Telophase der Mitose kommt es zu einer Dekompaktisierung der Chromosomensubstanz, die die Struktur des Interphase-Chromatins annimmt. Die beschriebene mitotische Superkompaktisierung erleichtert die Verteilung der Chromosomen auf die Pole der mitotischen Spindel in der Anaphase der Mitose. Der Grad der Chromatinverdichtung in verschiedenen Perioden des Mitosezyklus der Zelle kann anhand der in Tabelle 1 angegebenen Daten abgeschätzt werden. 3.2.

Chromatin ist ein komplexes Stoffgemisch, aus dem eukaryontische Chromosomen aufgebaut sind. Die Hauptbestandteile des Chromatins sind DNA und chromosomale Proteine, zu denen Histone und Nicht-Histon-Proteine ​​gehören, die im Raum hochgeordnete Strukturen bilden. Das Verhältnis von DNA und Protein im Chromatin beträgt etwa 1:1, und der Großteil des Chromatinproteins wird durch Histone repräsentiert. Der Begriff „X“ wurde 1880 von W. Flemming eingeführt, um mit speziellen Farbstoffen gefärbte intranukleäre Strukturen zu beschreiben.

Chromatin- der Hauptbestandteil des Zellkerns; Es lässt sich relativ leicht aus isolierten Interphasekernen und isolierten mitotischen Chromosomen gewinnen. Hierzu nutzt man seine Eigenschaft, bei der Extraktion mit wässrigen Lösungen geringer Ionenstärke oder einfach entionisiertem Wasser in einen gelösten Zustand überzugehen.

Aus verschiedenen Objekten gewonnene Chromatinfraktionen weisen einen ziemlich einheitlichen Satz an Komponenten auf. Es wurde festgestellt, dass sich Chromatin aus Interphase-Kernen hinsichtlich der gesamten chemischen Zusammensetzung kaum vom Chromatin aus mitotischen Chromosomen unterscheidet. Die Hauptbestandteile des Chromatins sind DNA und Proteine, darunter Histone und Nicht-Histon-Proteine.

Folie 3. Es gibt zwei Arten von Chromatin: Heterochromatin und Euchromatin. Der erste entspricht den Abschnitten der Chromosomen, die während der Interphase kondensiert werden, er ist funktionell inaktiv. Dieses Chromatin lässt sich gut färben; es ist dieses Chromatin, das auf dem histologischen Präparat zu sehen ist. Heterochromatin wird in strukturelles (dies sind Abschnitte von Chromosomen, die ständig kondensiert werden) und fakultatives (es kann dekondensieren und in Euchromatin umgewandelt werden) unterteilt. Euchromatin entspricht der Dekodensation in Interphasenregionen der Chromosomen. Dies ist ein funktionierendes, funktionell aktives Chromatin. Es hinterlässt keine Flecken und ist auf dem histologischen Präparat nicht sichtbar. Während der Mitose wird das gesamte Euchromatin kondensiert und in die Chromosomen eingebaut.

Im Durchschnitt bestehen etwa 40 % des Chromatins aus DNA und etwa 60 % aus Proteinen, wobei spezifische Kernhistonproteine ​​40 bis 80 % aller Proteine ​​ausmachen, aus denen isoliertes Chromatin besteht. Darüber hinaus umfasst die Zusammensetzung der Chromatinfraktionen Membrankomponenten, RNA, Kohlenhydrate, Lipide und Glykoproteine. Die Frage, wie diese Nebenbestandteile in die Struktur des Chromatins eingebunden sind, ist noch nicht geklärt. Daher kann es sich bei der RNA um eine transkribierte RNA handeln, die ihre Assoziation mit der DNA-Matrize noch nicht verloren hat. Andere Nebenbestandteile können sich auf die Substanzen der mitgefällten Fragmente der Kernhülle beziehen.

PROTEINE sind eine Klasse biologischer Polymere, die in jedem lebenden Organismus vorkommen. Unter Beteiligung von Proteinen finden die Hauptprozesse statt, die die lebenswichtige Aktivität des Körpers sicherstellen: Atmung, Verdauung, Muskelkontraktion, Übertragung von Nervenimpulsen.

Proteine ​​sind Polymere und Aminosäuren sind ihre Monomereinheiten.

Aminosäuren - Dies sind organische Verbindungen, die in ihrer Zusammensetzung (entsprechend dem Namen) eine Aminogruppe NH2 und eine organische Säure enthalten, d.h. Carboxyl, COOH-Gruppe.

Durch die sequentielle Verbindung von Aminosäuren entsteht ein Proteinmolekül, während die Carboxylgruppe einer Säure mit der Aminogruppe des benachbarten Moleküls interagiert, wodurch eine Peptidbindung – CO-NH- und ein Wasser – gebildet wird Molekül wird freigesetzt. Folie 9

Proteinmoleküle enthalten 50 bis 1500 Aminosäurereste. Die Individualität eines Proteins wird durch den Satz an Aminosäuren bestimmt, aus denen die Polymerkette besteht, und, nicht weniger wichtig, durch die Reihenfolge ihrer Abwechslung entlang der Kette. Beispielsweise besteht das Insulinmolekül aus 51 Aminosäureresten.

Chemische Zusammensetzung von Histonen. Merkmale physikalischer Eigenschaften und Interaktion mit DNA

Histone- relativ kleine Proteine ​​mit einem sehr großen Anteil an positiv geladenen Aminosäuren (Lysin und Arginin); Die positive Ladung hilft den Histonen, sich unabhängig von der Nukleotidsequenz eng an die DNA (die stark negativ geladen ist) zu binden. Der Komplex beider Proteinklassen mit der Kern-DNA eukaryotischer Zellen wird Chromatin genannt. Histone sind ein einzigartiges Merkmal von Eukaryoten und kommen in großer Zahl pro Zelle vor (etwa 60 Millionen Moleküle jedes Typs pro Zelle). Histontypen lassen sich in zwei Hauptgruppen einteilen: nukleosomale Histone und H1-Histone. Sie bilden eine Familie hochkonservierter Grundproteine, die aus fünf großen Klassen besteht: H1 und H2A, H2B, H3 und H4. H1-Histone sind größer (etwa 220 Aminosäuren) und es wurde festgestellt, dass sie im Laufe der Evolution weniger konserviert sind. Die Größe der Histonpolypeptidketten reicht von 220 (H1) bis 102 (H4) Aminosäureresten. Histon H1 ist stark an Lys-Resten angereichert, die Histone H2A und H2B zeichnen sich durch einen moderaten Gehalt an Lys aus, die Polypeptidketten der H3- und H4-Histone sind reich an Arg. Innerhalb jeder Histonklasse (mit Ausnahme von H4) werden mehrere Subtypen dieser Proteine ​​anhand der Aminosäuresequenzen unterschieden. Diese Vielfalt ist besonders charakteristisch für Histone der H1-Klasse von Säugetieren. Dabei werden sieben Subtypen mit den Namen H1.1-H1.5, H1o und H1t unterschieden. Die Histone H3 und H4 gehören zu den am stärksten konservierten Proteinen. Dieser evolutionäre Konservatismus legt nahe, dass fast alle ihrer Aminosäuren für die Funktion dieser Histone wichtig sind. Der N-Terminus dieser Histone kann in der Zelle durch Acetylierung einzelner Lysinreste reversibel verändert werden, wodurch die positive Ladung der Lysine entfernt wird.

Der Kern ist die Region des Histonschwanzes.

Perlen auf der A-Saite

Kurze Interaktionsreichweite

Linker-Histone

Faser bei 30 nm

Chromonema-Faser

Langstreckenfaserinteraktionen

Nukleosom-Chromatin-Histon

Die Rolle von Histonen bei der DNA-Faltung ist aus folgenden Gründen wichtig:

• 1) Wenn Chromosomen nur gestreckte DNA wären, wäre es schwer vorstellbar, wie sie sich vermehren und in Tochterzellen trennen könnten, ohne sich zu verheddern oder zu zerbrechen.
• 2) In einem ausgedehnten Zustand würde die DNA-Doppelhelix jedes menschlichen Chromosoms den Zellkern tausende Male durchqueren; So verpacken Histone ein sehr langes DNA-Molekül geordnet in einen Kern mit einem Durchmesser von mehreren Mikrometern.
• 3) Nicht jede DNA ist auf die gleiche Weise gefaltet, und die Art der Verpackung einer Region des Genoms in Chromatin beeinflusst wahrscheinlich die Aktivität der in dieser Region enthaltenen Gene.

Im Chromatin erstreckt sich die DNA als kontinuierlicher Doppelstrang von einem Nukleosom zum nächsten. Jedes Nukleosom ist vom nächsten durch ein Segment der Linker-DNA getrennt, dessen Größe zwischen 0 und 80 bp variiert. Im Durchschnitt haben repetitive Nukleosomen einen Nukleotidabstand von etwa 200 Nukleotidpaaren. In elektronenmikroskopischen Aufnahmen verleiht dieser Wechsel des Histonoktamers mit gewickelter DNA und Linker-DNA dem Chromatin das Aussehen von „Perlen auf einer Schnur“ (nach der Verarbeitung, die die Verpackung höherer Ordnung entfaltet).

Methylierung wie die kovalente Modifikation von Histonen komplexer ist als jede andere, da sie sowohl bei Lysinen als auch bei Argininen auftreten kann. Darüber hinaus können die Folgen der Methylierung im Gegensatz zu jeder anderen Modifikation in Gruppe 1 je nach Position des Rests im Histon entweder positiv oder negativ in Bezug auf die Transkriptionsexpression sein (Tabelle 10.1). Ein weiterer Grad an Komplexität ergibt sich aus der Tatsache, dass es für jeden Rest mehrere methylierte Zustände geben kann. Lysine können mono- (me1), di- (me2) oder tri- (me3) methyliert sein, während Arginine mono- (me1) oder di- (me2) methyliert sein können.

Phosphorylierung RTM ist vor allem deshalb bekannt, weil seit langem bekannt ist, dass Kinasen die Signalübertragung von der Zelloberfläche durch das Zytoplasma und in den Zellkern regulieren, was zu Veränderungen in der Genexpression führt. Histone gehörten zu den ersten Proteinen, die phosphoryliert wurden. Im Jahr 1991 wurde entdeckt, dass bei der Stimulierung von Zellen zur Proliferation sogenannte „Immediate-Early“-Gene induziert werden, die transkriptionell aktiv werden und den Zellzyklus stimulieren. Diese erhöhte Genexpression korreliert mit der H3-Histonphosphorylierung (Mahadevan et al., 1991). H3-Histon Serin 10 (H3S10) hat sich als wichtige Phosphorylierungsstelle für die Transkription von Hefe auf Menschen erwiesen und scheint in Drosophila besonders wichtig zu sein (Nowak und Corces, 2004).

Ubiquitinierung der Prozess der Bindung einer „Kette“ von Ubiquitin-Molekülen an ein Protein (siehe Ubiquitin). Bei U. kommt es zu einer Verbindung des C-Terminus von Ubiquitin mit den Nebenresten von Lysin in einem Substrat. Die Polyubiquitinkette hängt zu einem genau definierten Zeitpunkt und ist ein Signal dafür, dass dieses Protein einem Abbau unterliegt.

Die Histonacetylierung spielt eine wichtige Rolle bei der Modulation der Chromatinstruktur während der Transkriptionsaktivierung und erhöht die Zugänglichkeit des Chromatins zur Transkriptionsmaschinerie. Es wird angenommen, dass acetylierte Histone weniger stark an die DNA gebunden sind und es daher für die Transkriptionsmaschine einfacher ist, den Widerstand der Chromatinpackung zu überwinden. Insbesondere kann die Acetylierung den Zugang und die Bindung von Transkriptionsfaktoren an ihre Erkennungselemente auf der DNA erleichtern. Mittlerweile wurden Enzyme identifiziert, die den Prozess der Histonacetylierung und -deacetylierung durchführen, und wir werden wahrscheinlich bald mehr darüber erfahren, wie dies mit der Transkriptionsaktivierung zusammenhängt.

Es ist bekannt, dass acetylierte Histone ein Zeichen für transkriptionell aktives Chromatin sind.

Histone sind die biochemisch am besten untersuchten Proteine.

Organisation von Nukleosomen

Das Nukleosom ist die Grundeinheit der Chromatinverpackung. Es besteht aus einer DNA-Doppelhelix, die um einen spezifischen Komplex aus acht Nukleosomenhistonen (das Histonoktamer) gewickelt ist. Das Nukleosom ist ein scheibenförmiges Partikel mit einem Durchmesser von etwa 11 nm, das jeweils zwei Kopien der nukleosomalen Histone (H2A, H2B, H3, H4) enthält. Das Histon-Octamer bildet einen Proteinkern, um den sich doppelsträngige DNA befindet (146 DNA-Nukleotidpaare pro Histon-Octamer).

Die Nukleosomen, aus denen die Fibrillen bestehen, sind mehr oder weniger gleichmäßig entlang des DNA-Moleküls in einem Abstand von 10–20 nm voneinander angeordnet.

Daten zur Struktur von Nukleosomen wurden mithilfe einer niedrig- und hochauflösenden Röntgenbeugungsanalyse von Nukleosomenkristallen, intermolekularen Protein-DNA-Vernetzungen und DNA-Spaltung in Nukleosomen mithilfe von Nukleasen oder Hydroxylradikalen gewonnen. A. Klug baute ein Modell des Nukleosoms, nach dem DNA (146 bp) in der B-Form (rechtshändige Helix mit einer Stufe von 10 bp) auf ein Histonoktamer gewickelt ist, in dessen zentralem Teil sich die Histone befinden H3 und H4 befinden sich und an der Peripherie H2a und H2b. Der Durchmesser einer solchen Nukleosomenscheibe beträgt 11 nm und ihre Dicke beträgt 5,5 nm. Die Struktur, die aus einem Histonoktamer und darum gewickelter DNA besteht, wird als nukleosomales Kernpartikel bezeichnet. Kernpartikel sind durch Linker-DNA-Segmente voneinander getrennt. Die Gesamtlänge des im tierischen Nukleosom enthaltenen DNA-Segments beträgt 200 (+/-15) bp.

Histon-Polypeptidketten enthalten verschiedene Arten von Strukturdomänen. Die zentrale globuläre Domäne und die flexiblen hervorstehenden N- und C-terminalen Regionen, die mit basischen Aminosäuren angereichert sind, werden Arme (Arm) genannt. Die C-terminalen Domänen von Polypeptidketten, die an Histon-Histon-Wechselwirkungen innerhalb des Kernpartikels beteiligt sind, haben überwiegend die Form einer Alpha-Helix mit einem verlängerten zentralen Helixbereich, entlang dem auf beiden Seiten eine kürzere Helix gelegt ist. Alle bekannten Stellen reversibler posttranslationaler Histonmodifikationen, die während des Zellzyklus oder während der Zelldifferenzierung auftreten, befinden sich in den flexiblen Rückgratdomänen ihrer Polypeptidketten (Tabelle I.2). Gleichzeitig sind die N-terminalen Arme der H3- und H4-Histone die am stärksten konservierten Regionen der Moleküle, und Histone als Ganzes gehören zu den evolutionär am stärksten konservierten Proteinen. Mithilfe genetischer Untersuchungen der Hefe S. cerevisiae wurde festgestellt, dass kleine Deletionen und Punktmutationen in den N-terminalen Teilen von Histon-Genen mit tiefgreifenden und vielfältigen Veränderungen im Phänotyp von Hefezellen einhergehen, was auf die Bedeutung der Integrität von Hefezellen hinweist Histonmoleküle tragen dazu bei, das ordnungsgemäße Funktionieren eukaryotischer Gene sicherzustellen. In Lösung können die Histone H3 und H4 als stabile Tetramere (H3) 2 (H4) 2 vorliegen, während die Histone H2A und H2B als stabile Dimere vorliegen können. Eine allmähliche Erhöhung der Ionenstärke in Lösungen, die natives Chromatin enthalten, führt zunächst zur Freisetzung von H2A/H2B-Dimeren und dann von H3/H4-Tetrameren.

Die Verfeinerung der Feinstruktur von Nukleosomen in Kristallen wurde von K. Luger et al. durchgeführt. (1997) mittels hochauflösender Röntgenbeugungsanalyse. Es wurde festgestellt, dass die konvexe Oberfläche jedes Histon-Heterodimers im Oktamer von 27–28 bp langen DNA-Segmenten umwickelt ist, die in einem Winkel von 140 Grad zueinander angeordnet sind und durch 4 bp lange Linkerregionen getrennt sind.

Ebenen der DNA-Verdichtung: Nukleosomen, Fibrillen, Schleifen, mitotische Chromosome

Die erste Ebene der DNA-Verdichtung ist das Nukleosom. Wenn Chromatin der Wirkung von Nuklease ausgesetzt wird, zerfallen es und die DNA in regelmäßig wiederkehrende Strukturen. Nach der Nukleasebehandlung wird eine Fraktion der Partikel durch Zentrifugation mit einer Sedimentationsrate von 11S aus dem Chromatin isoliert. Die 11S-Partikel enthalten etwa 200 Basenpaare DNA und acht Histone. Ein solch komplexes Nukleoproteinpartikel wird Nukleosomen genannt. Darin bilden Histone einen Proteinkern, auf dessen Oberfläche sich DNA befindet. DNA bildet eine Stelle, die nicht mit Kernproteinen verbunden ist – einen Linker, der zwei benachbarte Nukleosomen verbindet und in die DNA des nächsten Nukleosoms übergeht. Sie bilden „Beads“, kugelförmige Gebilde von etwa 10 nm, die nacheinander auf länglichen DNA-Molekülen sitzen. Die zweite Verdichtungsstufe besteht aus 30-nm-Fibrillen. Die erste, nukleosomale Ebene der Chromatinverdichtung spielt eine regulatorische und strukturelle Rolle und sorgt für eine 6- bis 7-fache DNA-Packungsdichte. In mitotischen Chromosomen und in Interphasekernen werden Chromatinfibrillen mit einem Durchmesser von 25–30 nm nachgewiesen. Man unterscheidet den Solenoid-Typ der Nukleosomenpackung: Ein Faden aus dicht gepackten Nukleosomen mit einem Durchmesser von 10 nm bildet Spulen mit einer Helixsteigung von etwa 10 nm. Pro Windung einer solchen Superhelix gibt es 6-7 Nukleosomen. Als Ergebnis einer solchen Packung entsteht eine helikale Fibrille mit einem zentralen Hohlraum. Chromatin in den Kernen hat eine 25 nm große Fibrille, die aus aneinandergrenzenden Kügelchen gleicher Größe – Nukleomeren – besteht. Diese Nukleomere werden Superbeads („Superbids“) genannt. Die Hauptchromatinfibrille mit einem Durchmesser von 25 nm ist eine lineare Abfolge von Nukleomeren entlang eines kompakten DNA-Moleküls. Als Teil des Nukleomers werden zwei Windungen der nukleosomalen Fibrille mit jeweils 4 Nukleosomen gebildet. Die nukleomere Ebene der Chromatinpackung sorgt für eine 40-fache Verdichtung der DNA. Die nuklesomale und nukleomere (superbide) Verdichtung der Chromatin-DNA wird durch Histonproteine ​​durchgeführt. Schleifendomänen der DNA-drittes Level Strukturelle Organisation des Chromatins. Auf höheren Ebenen der Chromatin-Organisation binden bestimmte Proteine ​​an bestimmte DNA-Regionen, die an den Bindungsstellen große Schleifen oder Domänen bilden. An einigen Stellen gibt es Klumpen aus kondensiertem Chromatin, rosettenförmige Gebilde, die aus vielen Schleifen von 30 nm großen Fibrillen bestehen, die in einem dichten Zentrum verbunden sind. Die durchschnittliche Rosettengröße beträgt 100–150 nm. Rosetten aus Chromatinfibrillen-Chromomeren. Jedes Chromomer besteht aus mehreren Schleifen, die Nukleosomen enthalten und in einem Zentrum verbunden sind. Chromomere sind durch Regionen nukleosomalen Chromatins miteinander verbunden. Eine solche Schleifendomänenstruktur des Chromatins sorgt für eine strukturelle Verdichtung des Chromatins und organisiert die funktionellen Einheiten der Chromosomen – Replikons und transkribierte Gene.

Mit der Methode der Neutronenstreuung konnten die Form und die genauen Abmessungen von Nukleosomen ermittelt werden; In grober Näherung handelt es sich um einen flachen Zylinder oder eine Scheibe mit einem Durchmesser von 11 nm und einer Höhe von 6 nm. Auf einem Substrat für die Elektronenmikroskopie angeordnet, bilden sie „Kügelchen“ – kugelförmige Gebilde von etwa 10 nm, die in einer Reihe nebeneinander auf länglichen DNA-Molekülen sitzen. Tatsächlich sind nur die Linkerregionen verlängert; die restlichen drei Viertel der DNA-Länge sind helikal entlang der Peripherie des Histon-Octamers gestapelt. Es wird angenommen, dass das Histonoktamer selbst die Form eines Rugbyballs hat und aus einem (H3·H4) 2 -Tetramer und zwei unabhängigen H2A·H2B-Dimeren besteht. Auf Abb. 60 zeigt die Anordnung der Histone im Kernteil des Nukleosoms.

Zusammensetzung von Zentromeren und Telomeren

Was Chromosomen sind, weiß heute fast jeder. Diese Kernorganellen, in denen alle Gene lokalisiert sind, bilden den Karyotyp einer bestimmten Art. Unter dem Mikroskop sehen Chromosomen wie gleichmäßige, längliche, dunkle, stäbchenförmige Strukturen aus, und das Bild, das man sieht, dürfte kaum ein faszinierender Anblick sein. Darüber hinaus unterscheiden sich die Chromosomenpräparate vieler auf der Erde lebender Lebewesen nur durch die Anzahl dieser Stäbchen und Veränderungen ihrer Form. Es gibt jedoch zwei Eigenschaften, die den Chromosomen aller Arten gemeinsam sind.

Üblicherweise werden fünf Stadien der Zellteilung (Mitose) beschrieben. Der Einfachheit halber konzentrieren wir uns auf drei Hauptstadien im Verhalten der Chromosomen einer sich teilenden Zelle. Im ersten Stadium kommt es zu einer allmählichen linearen Kontraktion und Verdickung der Chromosomen, dann wird eine Zellteilungsspindel gebildet, die aus Mikrotubuli besteht. Im zweiten Schritt bewegen sich die Chromosomen allmählich in Richtung der Mitte des Zellkerns und richten sich entlang des Äquators aus, wahrscheinlich um die Anheftung der Mikrotubuli an die Zentromere zu erleichtern. In diesem Fall verschwindet die Kernhülle. Im letzten Stadium divergieren die Chromosomenhälften – die Chromatiden. Es scheint, dass Mikrotubuli, die an den Zentromeren befestigt sind, die Chromatiden wie ein Schlepper zu den Polen der Zelle ziehen. Ab dem Zeitpunkt der Divergenz werden die ehemaligen Schwesterchromatiden Tochterchromosomen genannt. Sie erreichen die Spindelpole und laufen parallel zusammen. Die Kernhülle entsteht.

Ein Modell, das die Evolution von Zentromeren erklärt.

Hoch- Zentromere (graue Ovale) enthalten einen speziellen Satz von Proteinen (Kinetochore), einschließlich der Histone CENH3 (H) und CENP-C (C), die wiederum mit Spindelmikrotubuli (rote Linien) interagieren. In verschiedenen Taxa entwickelt sich eines dieser Proteine ​​adaptiv und im Einklang mit der Divergenz der primären Zentromer-DNA-Struktur.

Ganz unten- Veränderungen in der Primärstruktur oder Organisation der zentromeren DNA (dunkelgraues Oval) können zu stärkeren Zentromeren führen, was dazu führt, dass mehr Mikrotubuli anhaften.

Telomere

Der Begriff „Telomer“ wurde bereits 1932 von G. Möller vorgeschlagen. Seiner Ansicht nach bedeutete dies nicht nur das physische Ende des Chromosoms, sondern auch das Vorhandensein eines „terminalen Gens mit der besonderen Funktion der Versiegelung (Versiegelung) des Chromosoms“, das es schädlichen Einflüssen (Chromosomenumlagerungen, Deletionen, Nukleasen usw.). Das Vorhandensein des terminalen Gens wurde in späteren Studien nicht bestätigt, die Funktion des Telomers wurde jedoch genau bestimmt.

Später wurde eine weitere Funktion enthüllt. Da der übliche Replikationsmechanismus an den Enden der Chromosomen nicht funktioniert, gibt es in der Zelle einen anderen Weg, der die Chromosomengröße während der Zellteilung stabil hält. Diese Rolle übernimmt ein spezielles Enzym, die Telomerase, das wie ein anderes Enzym, die Reverse Transkriptase, wirkt: Es verwendet eine einzelsträngige RNA-Vorlage, um den zweiten Strang zu synthetisieren und die Enden der Chromosomen zu reparieren. Somit erfüllen Telomere in allen Organismen zwei wichtige Aufgaben: Sie schützen die Enden der Chromosomen und bewahren ihre Länge und Integrität.

Es wird ein Modell eines Proteinkomplexes aus sechs Telomer-spezifischen Proteinen vorgeschlagen, der auf den Telomeren menschlicher Chromosomen gebildet wird. Die DNA bildet eine T-Schleife und der einzelsträngige Vorsprung wird in den distal gelegenen doppelsträngigen DNA-Bereich eingefügt (Abb. 6). Der Proteinkomplex ermöglicht es Zellen, zwischen Telomeren und Chromosomenbruchstellen (DNA) zu unterscheiden. Nicht alle Telomerproteine ​​sind Teil des Komplexes, der auf Telomeren redundant vorhanden ist, in anderen Regionen der Chromosomen jedoch fehlt. Die schützenden Eigenschaften des Komplexes beruhen auf seiner Fähigkeit, die Struktur der Telomer-DNA auf mindestens drei Arten zu beeinflussen: die Struktur der äußersten Spitze des Telomers zu bestimmen; an der Bildung einer T-Schleife teilnehmen; steuern die Synthese telomerer DNA durch Telomerase. Ähnliche Komplexe wurden auch auf den Telomeren einiger anderer eukaryontischer Arten gefunden.

Hoch -Telomer zum Zeitpunkt der Chromosomenreplikation, wenn sein Ende für den Telomerasekomplex zugänglich ist, der die Replikation durchführt (Verdoppelung der DNA-Kette an der äußersten Spitze des Chromosoms). Nach der Replikation bildet telomere DNA (schwarze Linien) zusammen mit darauf befindlichen Proteinen (dargestellt als mehrfarbige Ovale) eine T-Schleife ( Unten im Bild).

Der Zeitpunkt der DNA-Verdichtung im Zellzyklus und die wichtigsten Faktoren, die Prozesse stimulieren

Erinnern Sie sich an die Struktur von Chromosomen (aus einem Biologiekurs) – sie werden normalerweise als Buchstabenpaar X dargestellt, wobei jedes Chromosom ein Paar ist und jedes aus zwei identischen Teilen besteht – linken und rechten Chromatiden. Ein solcher Chromosomensatz ist typisch für eine Zelle, die bereits mit der Teilung begonnen hat, d. h. Zellen, die den Prozess der DNA-Duplikation durchlaufen haben. Die Verdoppelung der DNA-Menge wird als Syntheseperiode oder S-Periode des Zellzyklus bezeichnet. Sie sagen, dass die Anzahl der Chromosomen in einer Zelle gleich bleibt (2n) und die Anzahl der Chromatiden in jedem Chromosom verdoppelt wird (4c – 4 Chromatiden pro Chromosomenpaar) – 2n4c. Bei der Teilung gelangt ein Chromatid von jedem Chromosom in die Tochterzellen und die Zellen erhalten einen vollständigen diploiden Satz von 2n2c.

Der Zustand einer Zelle (genauer gesagt ihres Zellkerns) zwischen zwei Teilungen wird als Interphase bezeichnet. In der Interphase werden drei Teile unterschieden – die präsynthetische, synthetische und postsynthetische Phase.

Somit besteht der gesamte Zellzyklus aus vier Zeitintervallen: der eigentlichen Mitose (M), der präsynthetischen (G1), der synthetischen (S) und der postsynthetischen (G2) Interphase (Abb. 19). Der Buchstabe G – vom englischen Gap – Intervall, Intervall. In der G1-Periode unmittelbar nach der Teilung haben Zellen einen diploiden DNA-Gehalt pro Zellkern (2c). Während der G1-Periode beginnt das Zellwachstum hauptsächlich aufgrund der Ansammlung zellulärer Proteine, die durch eine Zunahme der RNA-Menge pro Zelle bestimmt wird. Während dieser Periode beginnt die Vorbereitung der Zelle auf die DNA-Synthese (S-Periode).

Es wurde festgestellt, dass die Unterdrückung der Protein- oder mRNA-Synthese in der G1-Periode den Beginn der S-Periode verhindert, da während der G1-Periode die Synthese von Enzymen erfolgt, die für die Bildung von DNA-Vorläufern (z. B. Nukleotidphosphokinasen) und RNA-Enzymen erforderlich sind und der Proteinstoffwechsel findet statt. Dies geht mit einer Steigerung der RNA- und Proteinsynthese einher. Dadurch wird die Aktivität von Enzymen, die am Energiestoffwechsel beteiligt sind, stark erhöht.

In der nächsten S-Periode verdoppelt sich die DNA-Menge pro Kern und dementsprechend auch die Anzahl der Chromosomen. In verschiedenen Zellen der S-Periode findet man unterschiedliche Mengen an DNA – von 2c bis 4c. Dies liegt daran, dass Zellen in verschiedenen Stadien der DNA-Synthese untersucht werden (solche, die gerade erst mit der Synthese begonnen haben, und solche, die sie bereits abgeschlossen haben). Die S-Periode ist der Knotenpunkt im Zellzyklus. Es ist kein einziger Fall bekannt, in dem Zellen in die mitotische Teilung eintreten, ohne eine DNA-Synthese zu durchlaufen.

Die postsynthetische (G2) Phase wird auch prämitotisch genannt. Der letzte Begriff unterstreicht seine große Bedeutung für den Durchgang der nächsten Stufe – der Stufe der mitotischen Teilung. In dieser Phase findet die mRNA-Synthese statt, die für den Durchgang der Mitose notwendig ist. Etwas früher wird die Ribosomen-rRNA synthetisiert, die die Zellteilung bestimmt. Unter den zu dieser Zeit synthetisierten Proteinen nehmen Tubuline – Proteine ​​​​der Mikrotubuli der Mitosespindel – einen besonderen Platz ein.

Am Ende der G2-Periode oder während der Mitose, wenn mitotische Chromosomen kondensieren, sinkt die RNA-Synthese stark und kommt während der Mitose vollständig zum Stillstand. Die Proteinsynthese während der Mitose sinkt auf 25 % des ursprünglichen Niveaus und erreicht dann in den folgenden Perioden ihr Maximum in der G2-Periode, wobei sie im Allgemeinen die Natur der RNA-Synthese wiederholt.

In den wachsenden Geweben von Pflanzen und Tieren gibt es immer Zellen, die sozusagen außerhalb des Zyklus stehen. Solche Zellen werden üblicherweise als G0-Periodenzellen bezeichnet. Bei diesen Zellen handelt es sich um die sogenannten ruhenden, sich vorübergehend oder endgültig nicht mehr vermehrenden Zellen. In einigen Geweben können solche Zellen lange Zeit verbleiben, ohne ihre morphologischen Eigenschaften besonders zu verändern: Sie behalten grundsätzlich die Fähigkeit zur Teilung und verwandeln sich in kambiale Stammzellen (z. B. in hämatopoetischem Gewebe). Häufiger geht der (wenn auch vorübergehende) Verlust der Fähigkeit zum Teilen mit dem Auftreten der Fähigkeit zur Spezialisierung und Differenzierung einher. Solche sich differenzierenden Zellen verlassen den Zyklus, können aber unter besonderen Bedingungen wieder in den Zyklus eintreten. Beispielsweise befinden sich die meisten Leberzellen in der G0-Periode; Sie nehmen nicht an der DNA-Synthese teil und teilen sich nicht. Wenn jedoch bei Versuchstieren ein Teil der Leber entfernt wird, beginnen viele Zellen mit der Vorbereitung auf die Mitose (G1-Periode), fahren mit der DNA-Synthese fort und können sich mitotisch teilen. In anderen Fällen, zum Beispiel in der Epidermis der Haut, funktionieren die Zellen nach Verlassen des Reproduktions- und Differenzierungszyklus noch einige Zeit und sterben dann ab (verhornte Zellen des Hautepithels).