Cos'è la cromatina? Funzioni di cromatina
Il materiale genetico degli organismi eucarioti ha un'organizzazione molto complessa. Molecole di DNA, situato nel nucleo della cellula, fanno parte di una speciale sostanza multicomponente - la cromatina.
Definizione del concetto
La cromatina è il materiale del nucleo cellulare contenente informazioni ereditarie, che è un complesso complesso di DNA funzionale con proteine strutturali e altri elementi che forniscono il confezionamento, la conservazione e la realizzazione del genoma cariotico. In un'interpretazione semplificata, questa è la sostanza che compone i cromosomi. Il termine deriva dal greco "chrome" - colore, vernice.
Il concetto fu introdotto da Fleming nel 1880, ma ci sono ancora dibattiti su ciò che la cromatina è dal punto di vista della sua composizione biochimica. L'incertezza riguarda una piccola parte dei componenti che non sono coinvolti nella strutturazione di molecole genetiche (alcuni enzimi e acidi ribonucleici).
In una fotografia elettronica del nucleo interfase, la cromatina viene visualizzata come numerose macchie di materia oscura, che possono essere piccole e disperse o combinate in grandi gruppi densi.
La condensazione della cromatina durante la divisione cellulare porta alla formazione di cromosomi, che sono visibili anche in un microscopio ottico convenzionale.
Componenti strutturali e funzionali della cromatina
Al fine di determinare quale sia la cromatina a livello biochimico, gli scienziati hanno estratto questa sostanza dalle cellule, l'hanno trasferita in una soluzione e studiato la composizione e la struttura dei componenti in questa forma. Sono stati usati entrambi i metodi chimici e fisici, incluse le tecnologie di microscopia elettronica. Si è scoperto che la composizione chimica della cromatina del 40% è rappresentata da lunghe molecole di DNA e da quasi il 60% da varie proteine. Questi ultimi sono divisi in due gruppi: istoni e non istoni.
Gli istoni sono una grande famiglia di proteine nucleari principali che si legano fortemente al DNA, formando lo scheletro strutturale della cromatina. Il loro numero è approssimativamente uguale alla percentuale di molecole genetiche.
Il resto (fino al 20%) della frazione proteica cade sulle proteine che legano il DNA e che modificano lo spazio, così come gli enzimi coinvolti nel processo di lettura e copia delle informazioni genetiche.
Oltre agli elementi principali, nella composizione degli acidi cromatinici ribonucleici (RNA), glicoproteine, carboidrati e lipidi si trovano in una piccola quantità, ma la questione della loro associazione con il complesso di confezionamento del DNA è ancora aperta.
Istoni e nucleosomi
Il peso molecolare degli istoni varia da 11 a 21 kDa. Un gran numero di residui di lisina e di arginina basici di amminoacidi conferisce a queste proteine una carica positiva, contribuendo alla formazione di legami ionici con gruppi fosfato opposti della doppia elica del DNA.
Esistono 5 tipi di istoni: H2A, H2B, H3, H4 e H1. I primi quattro tipi sono coinvolti nella formazione dell'unità strutturale principale della cromatina - il nucleosoma, che consiste nel nucleo (nucleo proteico) e il DNA avvolto attorno ad esso.
Il nucleo nucleosomiale è rappresentato da un complesso ottomero di otto molecole di istoni, che include il tetramero H3-H4 e il dimero H2A-H2B. Una regione di DNA con una lunghezza di circa 146 coppie nucleotidiche viene avvolta sulla superficie della particella proteica, formando 1,75 bobine e passa in una sequenza di linker (circa 60 bp) che collega i nucleosomi l'una all'altra. La molecola H1 si lega al DNA del linker, proteggendolo dall'azione delle nucleasi.
Gli istoni possono subire varie modifiche, come l'acetilazione, la metilazione, la fosforilazione, la ribosilazione dell'ADP e l'interazione con una proteina ubiquitina. Questi processi influenzano la configurazione spaziale e la densità dell'imballaggio del DNA.
Proteine non istoniche
Esistono diverse centinaia di varietà di proteine non istoniche con proprietà e funzioni diverse. Il loro peso molecolare varia da 5 a 200 kDa. Un gruppo speciale è costituito da proteine site-specific, ognuna delle quali è complementare a una specifica regione di DNA. Questo gruppo comprende 2 famiglie:
- "dita di zinco": riconoscono frammenti di 5 coppie di nucleotidi;
- gli omodimeri sono caratterizzati da una struttura elicoidale-elica in un frammento associato al DNA.
Le più studiate sono le cosiddette proteine ad alta mobilità (proteine HGM), che sono permanentemente associate alla cromatina. Questo nome della famiglia ricevuto a causa dell'elevata velocità di movimento delle molecole proteiche nel gel elettroforetico. Questo gruppo occupa la maggior parte della frazione non histon e comprende quattro tipi principali di proteine HGM: HGM-1, HGM-14, HGM-17 e HMO-2. Svolgono funzioni strutturali e normative.
Le proteine non istoniche includono anche enzimi che forniscono la trascrizione (sintesi dell'RNA messaggero), la replicazione (duplicazione del DNA) e la riparazione (riparazione del danno nella molecola genetica).
Livelli di compattazione del DNA
La particolarità della struttura della cromatina è tale da consentire ai filamenti di DNA con una lunghezza totale di oltre un metro di inserirsi in un nucleo con un diametro di circa 10 micron. Questo è possibile grazie ad un sistema di confezionamento multistadio di molecole genetiche. Lo schema generale di compattazione comprende cinque livelli:
- filamento nucleosomale con un diametro di 10-11 nm;
- fibrilla 25-30 nm;
- domini di loop (300 nm);
- Fibra spessa 700 nm;
- cromosomi (1200 nm).
Questa forma di organizzazione fornisce una riduzione della lunghezza della molecola di DNA originale di 10 mila volte.
Una filettatura di 11 nm è formata da una serie di nucleosomi collegati da regioni di DNA del linker. Nelle microfotografie elettroniche una tale struttura assomiglia a perle infilate su una lenza. Il filamento nucleosomale è piegato in una spirale come un solenoide, formando una fibrilla a 30 nm di spessore. L'istone H1 è coinvolto nella sua formazione.
La fibrilla solenoide si piega in loop (detti anche domini), che sono fissati sulla matrice intranucleare di supporto. Ogni dominio contiene da 30 a 100 mila paia di nucleotidi. Questo livello di compattazione è caratteristico della cromatina interfase.
La struttura di 700 nm di spessore è formata dalla spirale della fibrilla del dominio e viene chiamata cromatide. A loro volta, due cromatidi formano il quinto livello di organizzazione del DNA - un cromosoma con un diametro di 1400 nm, che diventa visibile nella fase di mitosi o meiosi.
Pertanto, la cromatina e il cromosoma sono forme di imballaggio per materiale genetico che dipendono dal ciclo di vita di una cellula.
cromosoma
Il cromosoma è costituito da due cromatidi fratelli identici tra loro, ciascuno dei quali è formato da una molecola di DNA supercoiled. Le due metà sono collegate da un corpo fibrillare speciale, chiamato centromero. Allo stesso tempo, questa struttura è una costrizione che separa ciascun cromatide sulle spalle.
In contrasto con la cromatina, che è un materiale strutturale, il cromosoma è un'unità funzionale discreta, caratterizzata non solo dalla struttura e dalla composizione, ma anche da un unico set genetico, nonché da un certo ruolo nell'attuazione dei meccanismi di ereditarietà e variabilità a livello cellulare.
Euchromatin ed eterocromatina
La cromatina nel nucleo esiste in due forme: meno spirale (eucromatina) e più compatta (eterocromatina). La prima forma corrisponde alle sezioni di DNA trascrizionalmente attive e quindi non è strutturata in modo così stretto. L'eterocromatina è suddivisa in facoltativo (può passare dalla forma attiva a quella densa inattiva a seconda dello stadio del ciclo di vita della cellula e della necessità di implementare determinati geni) e costitutiva (costantemente condensata). Durante la divisione mitotica o meiotica, tutta la cromatina è inattiva.
L'eterocromatina costitutiva è stata trovata vicino ai centromeri e nelle regioni terminali del cromosoma. I risultati della microscopia elettronica mostrano che tale cromatina mantiene un alto grado di condensazione non solo allo stadio della divisione cellulare, ma anche durante l'interfase.
Il ruolo biologico della cromatina
La funzione principale della cromatina è densamente ricca di una grande quantità di materiale genetico. Tuttavia, il semplice posizionamento del DNA nel nucleo non è sufficiente per il funzionamento della cellula. È necessario che queste molecole "funzionino" correttamente, cioè possano trasferire le informazioni contenute in esse attraverso il sistema DNA-RNA-proteina. Inoltre, la cellula ha bisogno di distribuire materiale genetico durante la divisione.
Il dispositivo della cromatina soddisfa pienamente questi obiettivi. La parte proteica contiene tutti gli enzimi necessari e le peculiarità della struttura consentono loro di interagire con alcune sezioni del DNA. Pertanto, la seconda funzione importante della cromatina è garantire tutti i processi associati all'implementazione del genoma nucleare.