Что представляет собой хроматин

Хроматин — что это в биологии

Хроматин может быть разделен на два типа: гетерохроматин и эухроматин.

Таблица, демонстрирующая разницу между хроматином и хромосомой:

Хроматин и хромосомы имеют различную структуру, компактизацию, состояние в клетке и роль в клеточных процессах.

Где находится

Хроматин находится в ядре клетки. Ядро является мембранным органеллом, содержащим генетическую информацию в виде ДНК, упакованной в хромосомы. Хроматин составляет основную структуру хромосом и занимает большую часть объема ядра.

Внутри ядра клетки он организован в виде хромосом, которые являются видимыми структурами во время клеточного деления. В интерфазе, когда клетка не делится, хроматин развернут и образует мелкое волокнистое вещество внутри ядра, которое может быть видно с помощью микроскопа. В этом состоянии он доступен для транскрипции генов и других клеточных процессов. Отметим, что распределение хроматина в ядре неоднородно.

Функции

Хроматин выполняет несколько важных функций в клетке. Вот некоторые из них:

1. Упаковка ДНК: обеспечивает упаковку и организацию длинной молекулы ДНК внутри ядра клетки. ДНК сворачивается вокруг гистонов, формируя нуклеосомы, а затем организуется в более плотные структуры, называемые хромосомами. Упаковка ДНК в хромосомы позволяет эффективно уместить геном внутри ядра клетки.

2. Регуляция генной экспрессии: играет ключевую роль в регуляции генной экспрессии, то есть в том, какие гены активны или подавлены в определенных типах клеток или в определенные моменты времени. Упаковка хроматина в гетерохроматин может подавлять экспрессию генов, делая их недоступными для транскрипции. Наоборот, разворачивание хроматина, особенно в эухроматин, может сделать гены доступными для активации и экспрессии.

3. Защита ДНК: служит защитной оболочкой для ДНК, помогая предотвратить ее повреждение. Упаковка ДНК внутри хроматина помогает защитить ее от воздействия окружающей среды и потенциально вредных факторов, таких как радиация и химические вещества.

4. Репликация и ремонт ДНК: во время клеточного деления и репликации ДНК хроматин динамически изменяется, чтобы обеспечить доступность и позволить ферментам, ответственным за репликацию и ремонт ДНК, свободный доступ к соответствующим участкам генома. Хроматинные модификации и структурные изменения способствуют точному копированию ДНК и исправлению повреждений.

5. Регуляция развития и дифференциации клеток: хроматин играет важную роль в процессе развития и дифференциации клеток. Разные типы клеток имеют различные паттерны хроматинной организации и уровни генной экспрессии, что определяет их специфические функции и характеристики.

В целом, хроматин является ключевым компонентом ядра клетки, который обеспечивает упаковку, организацию и регуляцию генома. Это позволяет клеткам эффективно управлять генной экспрессией, обеспечивать структурную целостность ДНК и поддерживать разнообразные клеточные процессы.

Уровни компактизации хроматина

Хроматин может принимать различные уровни компактизации, которые определяют доступность генетической информации и уровень активности генов. Вот основные уровни компактизации хроматина:

1. Нуклеосомная компактизация: на самом первом уровне компактизации ДНК образует нуклеосомы, которые состоят из восьми гистонов (H2A, H2B, H3 и H4). Длинная молекула ДНК обмотывается вокруг нуклеосомов, образуя бисферные структуры. Нуклеосомы смежных участков ДНК связаны между собой связующими участками ДНК.

2. 30-нм компактизация: нуклеосомы могут быть дальше упакованы в 30-нм волокна, которые представляют собой спиральную структуру. Этот уровень компактизации включает взаимодействия между нуклеосомами и присутствие специфических хроматинных белков.

3. Петли и домены: на более высоких уровнях компактизации, 30-нм волокна организуются в более сложные структуры. В хромосомах формируются петли (loops), где отдельные участки ДНК формируют петли и связываются с белками матрикса. Петли вместе с связующими участками ДНК образуют структуру из петлей и доменов.

4. Конденсин: во время деления клетки хроматин еще более компактизируется, образуя плотные структуры хромосом. В этом процессе активно участвует белок конденсин, который помогает сформировать видимые хромосомы и разделить их равномерно между дочерними клетками.

Химический состав

1. ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота): ДНК является основным компонентом хроматина. Она представляет собой длинную молекулу, состоящую из последовательности нуклеотидов, которые включают азотистые основания (аденин, тимин, гуанин, цитозин), дезоксирибозу (пятиуглеродный сахар) и фосфатные группы. ДНК содержит генетическую информацию, которая определяет строение и функции клетки.

2. Гистоны: являются основными белками хроматина. Они упаковывают и организуют ДНК в нуклеосомы, что обеспечивает первичную структуру хроматина. Главные классы гистонов включают истоны H2A, H2B, H3 и H4. Каждый нуклеосом состоит из двух молекул каждого из этих гистонов, образуя октамер, вокруг которого обмотана ДНК.

3. Гистон H1: гистон H1 является дополнением, он связывается с ДНК между нуклеосомами. Помогает укрепить гистонные основы вокруг ДНК, способствуя еще большей компактизации хроматина.

4. Нехроматиновые белки: хроматин содержит различные другие белки, которые взаимодействуют с ДНК и гистонами, влияя на структуру и функции хроматина. Некоторые из этих белков включают регуляторы транскрипции, хроматиновые ремоделировщики, белки матрикса и другие.

5. Химические модификации: хроматин также содержит различные химические модификации на ДНК и гистонах, такие как метилирование, ацетилирование, фосфорилирование и другие. Эти модификации могут влиять на уровень компактизации хроматина и регуляцию генной экспрессии.

Хроматин состоит из ДНК (30-40%), РНК (1-10%) и белков (50-60%). Эти составляющие варьируют в разных организмах и даже в разных тканях одного вида. Даже в одной и той же клетке пропорции ДНК, РНК и белков меняются в зависимости от стадии клеточного цикла.

Строение

Источник: vk.com

Структура хроматина регулируется рядом факторов. Полная структура в основном зависит от фаз клеточного цикла. Во время деления клетки они претерпевают различные структурные изменения. Структура хромосом хорошо видна под световым микроскопом во время метафазы, когда они меняют свою форму, а ДНК дублируется и делится на две клетки.

Связь хроматина с фракциями ДНК

Одной из основных фракций ДНК, выделяемой из хроматина, является геномная ДНК. Она представляет собой полную последовательность ДНК организма и содержит информацию обо всех генах и негенных участках.

Кроме геномной ДНК существуют другие фракции, которые связаны с различными аспектами структуры хроматина и его функций. Например:

1. Интергеномная ДНК: это участки ДНК, которые расположены между генами. Они не кодируют прямо функциональные белки, но могут содержать регуляторные элементы, такие как промоторы, энхансеры и силосы.

2. Транскрипционно активная ДНК: эта фракция относится к участкам хроматина, которые активно транскрибируются в РНК. Она включает транскрибируемые гены и их регуляторные участки.

3. Гетерохроматин: это плотно упакованная форма хроматина, которая обычно не транскрибируется. Гетерохроматин может быть разделен на две фракции: конститутивный гетерохроматин, который составляет постоянную часть хромосом, и факультативный гетерохроматин, который может менять свою структуру и активность в различных типах клеток.

Выделение и изучение этих фракций ДНК позволяет углубленно исследовать структуру и функцию хроматина, а также механизмы генной регуляции и эпигенетические изменения, которые могут влиять на активность генов.

Значение

Роль хроматина в эволюции является важным аспектом, поскольку изменения в его структуре и компактизации могут приводить к генетическим изменениям и разнообразию в популяциях. Какую роль он играет:

1. Регуляция генной экспрессии: изменения в хроматинной структуре и хроматинных модификациях могут приводить к изменению уровня и времени экспрессии генов. Это может иметь значительное влияние на фенотип и способность организмов адаптироваться к изменяющейся среде.

2. Эпигенетические изменения: хроматинные модификации, такие как метилирование ДНК и модификации гистонов, могут быть унаследованы и сохраняться в следующих поколениях. Это приводит к эпигенетическим изменениям, которые могут влиять на активность генов и фенотипы потомков. Эпигенетические изменения могут быть ключевым фактором в эволюции, позволяя организмам быстро адаптироваться к новым условиям среды.

3. Рекомбинация и мутации: хроматинная структура влияет на частоту и места рекомбинации между хромосомами во время мейоза. Это способствует обмену генетическим материалом между хромосомами и созданию новых комбинаций аллелей, что является основой для генетического разнообразия в популяциях. Кроме того, изменения в хроматине могут влиять на вероятность возникновения мутаций и их местоположение в геноме.

4. Контроль элементов перемещения: например, транспозонов в геноме.