Г. Укажите тип связей между гистонами и ДНК в норме.

А. Уменьшится скорость синтеза ДНК и РНК, возрастет число ошибок в механизмах матричного синтеза, что приведет к образованию белков с измененной структурой, а значит – с нарушенной функцией. Гистоны являются положительно заряженными белками, благодаря этому при формировании третичной структуры ДНК. Между ДНК и гистонами возникают связи за счет электостатического притяжения. Эти связи слабые и легко разрываются в процессах репликации и транскрипции. Гистоны имеют сродство к молекуле ДНК. В процессе жизнедеятельности клеток с гистонами происходят модификации. Главными из которых является ацетилирование и метилирование остатков лизина, что приводит к потере положительного заряда. Фосфолирирование сириновых остатков, которое приводит к появлению отрицательного заряда.Эти модификации гистонов существенно сказываются на фукциях белков и их способностью взаимодействовать с молекулой ДНК. Так, например, повышенное ацетилирование гистонов предшествует активации генов (с возрастом снижается уровень ацетилирования гистонов), а фосфолирирование или наоборот дефосфолирирование связано с конденсацией или деконденсацией хроматина.

Б. Гистоны – внутриядерные белки массой около 24 кДа. Обладают выраженными основными свойствами, поэтому при физиологических значениях рН заряжены положительно и связываются с дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК). Существуют 5 типов гистонов –

очень богатый лизином (29%) гистон Н1, Н2А, Н2В - богатые лизином и аргинином, НЗ и Н4 – богатые аргинином(в сумме до 25%). Радикалы аминокислот в составе гистонов могут быть метилированы, ацетилированы или фосфорилированы. Это изменяет суммарный заряд и другие свойства белков.

Можно выделить две функции гистонов:

1. Регулируют активность генома, а именно препятствуют транскрипции.

2. Структурная – стабилизируют пространственную структуру ДНК.

Гистоны образуют нуклеосомы.  Нуклеосома – это комплекс двухцепочечной молекулы ДНК с гистонами, где около 200 пар нуклеотидов делает два оборота вокруг 8 молекул гистонов (Н2А, Н2В, НЗ и Н4 по две молекулы). Между нуклеосомами расположена соединительная (линкерная) ДНК из 20-120 пар нуклеотидов, связанная с гистоном H1. Образуя нуклеосому, гистоны вступают во взаимодействие с ДНК:

1) положительно заряженные спирали H2b, H3, и H4 взаимодействуют с отрицательно заряженными фосфатными группами молекулы ДНК

2) Водородные связи между остовом ДНК и амидными группами цепей гистонов

3) Неполярные связи между гистонами и дезоксирибозой ДНК

4) Водородные связи между боковыми цепями основных аминокислот гистонов (в основном лизина и аргинина) и кислородом фосфатных групп ДНК

5) Неспецифическое взаимодействие N-концевых "хвостов" H3 и H2b гистонов с малой бороздкой молекулы ДНК.

Нуклеосомы соединяются между собой через гистон H1. Благодаря такой структуре достигается уменьшение размеров ДНК в 7 раз. Далее нить ДНК с нуклеосомами складывается в суперспираль и "суперсуперспираль". Таким образом, гистоны участвуют в плотной упаковке ДНК при формировании хромосом. Взаимодействуя с ДНК, гистоны выполняют свои функции. Кроме рассмотренной выше структурной функции (участие в компактизации), гистоны участвуют в регуляции активности генов, репликации, репарации, рекомбинации ДНК. Гистоны подвергаются посттрансляционной модификации, что изменяет их взаимодействие с ДНК и ядерными белками. В основном модифицируются "хвосты", но могут модифицироваться и основные части белков (H2а и H3). Комбинация модификаций составляет "гистоновый код".

В. Первичная структура ДНК – оследовательность нуклеотидов, образуется благодаря сложноэфирной связи, возникающей между остатками фосфорной кислоты у 3' углерода дезоксирибозы одного мононуклеотида с 5'углеродом дезоксирибозы другого мононуклеотида.

Вторичная структура ДНК – правозакрученная спираль, образованная двумя полинуклеотидными цепями, закрученными относительно друг друга и вокруг общей оси. Удерживаются цепи благодаря водородным связям, образующимся между их азотистыми основаниями.Полинуклеотидные цепи в спирали антипараллельны, т.е. если одна ориентирована в направлении 3´→5´, то вторая в направлении 5´→3´. Подобная направленность цепей имеет важное биологическое значение при репликации и транскрипции молекулы ДНК.Обе цепи полинуклеотидов в биспиральной молекуле ДНК имеют строго определенное пространственное расположение, при котором азотистые основания находятся внутри, а фосфорильные и углеводные компоненты (пентозофосфатный остов) – снаружи. Избирательность взаимодействия пар А–Т и Г–Ц принято выражать термином «комплементарность», а соответствующие азотистые основания называют комплементарными. Стабильность А–Т оснований обеспечивается двумя водородными связями, а пар Г–Ц – тремя, что в свою очередь определяется особенностями расположения функциональных групп азотистых оснований.

Третичная структура ДНК (суперспирализация ДНК). плотно упакованная сложная структура. Может существовать в нескольких формах:

1) Прокариоты: ДНК вирусов, бактериофагов, плазмид и митохондрий представлена кольцевой ДНК - линейные двухцепочечные молекулы, на концах которых расположены одноцепочечные участки полностью комплементарные друг другу (липкие концы). Эти участки соединяются друг с другом за счет комплементарного спаривания оснований, и линейная молекула превращается в кольцевую.

2) Эукариоты: В клетках эукариот ДНК находится в комплексе с белками в суперспирализованном виде. Почти вся ДНК эукариот находится в хромосомах ядра, и лишь небольшая часть содержится в митохондриях.

Каждая молекула ДНК упакована в отдельную хромосому. В диплоидных клетках человека содержится 46 хромосом. Общая длина ДНК всех хромосом клетки составляет 1,74 м, но она упакована в ядре, диаметр которого в миллионы раз меньше. Чтобы расположить ДНК в ядре клетки, должна быть сформирована очень компактная структура. Компактизация и суперспирализация ДНК осуществляются с помощью разнообразных белков, взаимодействующих с определёнными последовательностями в структуре ДНК. Все связывающиеся с ДНК эукариотов белки можно разделить на 2 группы: гистоновые и негистоновые белки. Комплекс белков с ядерной ДНК клеток называют хроматином.

Г. Взаимодействие ДНК с гистонами происходит главным образом путем образования ионных связей отрицательно заряженных фосфатных групп участка ДНК длиной около 146 нуклеотидных пар (примерно 1,75 витка вокруг кора) с паюжительно заряженными аминокислотными остатками гистонов, при этом образуется структура, называемая нуклеосомой. Поэтоэму комплексы ДНК с гистонами легко диссоциируют при высокой концентрации соли. В то же время центральные гидрофобные участки гистонов взаимодействуют между собой. Гистоны НЗ, Н4 располагаются в центре нуклеосомной ДНК, в то время как гистоны Н2А, Н2В локализованы на периферии. Гистон НЗ взаимодействует с центральным и концевым участками нуклеосомной ДНК. Хотя эти участки на развернутой ДНК расположены далеко друг от друга, они сближаются на свернутой в нуклеосому ДНК и с ними взаимодействует одна и та же молекула гистона НЗ.

 

11