Ученый который стал известным благодаря интернету. Звезды, которые прославились благодаря устрашающему образу
Уровни упаковки генетического материала.
Первый уровень упаковки ДНК – нуклеосомный. Нуклеосомная нить хроматина (см. выше) имеет диаметр около 13 нм. После упаковки длина молекулы ДНК уменьшается в 5-7 раз. Нуклеосомный уровень обнаруживается в электронном микроскопе в интерфазе и при митозе.
Второй уровень упаковки – соленоидный (супернуклеосомный). Нуклеосомная нить конденсируется, её нуклеосомы «сшиваются» гистоном Н1 и образуется спираль диаметром около 25 нм. Один виток спирали содержит 6-10 нуклеосом. Нить укорачивается еще в 6 раз. Супернуклеосомный уровень упаковки обнаруживается в электронном микроскопе как в интерфазных, так и в митотических хромосомах.
Третий уровень упаковки – хроматидный (петлевой). Супернуклеосомная нить спирализуется с образованием петель и изгибов. Она составляет основу хроматиды и обеспечивает хроматидный уровень упаковки. Он обнаруживается в профазе. Диаметр петель около 50 нм. Нить ДНП укорачивается в 10-20 раз.
Четвертый уровень упаковки – уровень метафазной хромосомы . Хроматиды в заканчивают спирализацию: происходит укорочение в 20 раз. Метафазные хромосомы имеют длину от 0,2 до 150 мкм и диаметр от 0,2 до 5,0 мкм. Общий итог конденсации – укорочение нити ДНП в 10 000 раз!!!
Хромосомы – плотные, интенсивно окрашивающиеся структуры, единицы морфологической организации генетического материала и обеспечивают его точное распределение при делении клетки. Хромосомы лучше всего различимы (и изучаются) на стадии метафазы митоза.
Метафазные хромосомы имеют вид коротких нитевидных фигур, или изогнутых палочек, состоящих из двух продольных нитей ДНП – хроматид . Хроматиды в точке перегиба (первичная перетяжка ) соединены центромерой, к которой прикрепляются нити веретена деления . Центромера делит тело хромосомы на два плеча. Участок каждого плеча вблизи центромеры называется проксимальным , удаленный от неё – дистальным . Концевые отделы дистальных участков называются теломерами . Теломеры препятствуют соединению концевых участков хромосом. Потеря этих участков может сопровождаться хромосомными перестройками. Кроме первичной перетяжки, отдельные хромосомы имеют вторичные, не вызывающие перегиба хро
мосомы. Положение вторичной перетяжки, ее длина постоянны для каждого вида хромосом. Некоторые хромосомы имеют еще спутник – округлое или
палочковидное тело той же природы. С основным телом хромосомы спутник соединяется тонкой хроматиновой нитью. Иногда спутником считают часть хромосомы, отделенную вторичной перетяжкой. Хромосомы со спутниками характерны для растительных клеток.
Типы хромосом . В зависимости от положения центромеры различают следующие типы хромосом:
- метацентрические (равноплечие) , центромера расположена посередине и плечи примерно одинаковой длины (3);
- субметацентрические (неравноплечие), центромера умеренно смещена от середины хромосомы, плечи имеют разную длину (2);
- акроцентрические (палочковидные) , центромера значительно смещена к одному концу хромосомы, или располагается в ее теломерном участке, в результате одно плечо очень короткое или отсутствует (1).
Рис. Типы хромосом.
Изучение хромосом позволило установить:
Во всех соматических клетках любого организма число хромосом одинаково;
В половых клетках содержится всегда вдвое меньше хромосом, чем в соматических клетках данного вида организмов;
У всех организмов, относящихся к данному виду, число хромосом в клетках одинаково.
В качестве примера ниже приведены диплоидные числа хромосом в ядрах соматических клеток некоторых видов организмов.
Малярийный плазмодий – 2; Лошадиная аскарида – 2; Дрозофила – 8: Вошь головная – 12; Шпинат – 12; Муха домашняя – 12; Окунь – 28; Человек – 46; Ясень – 46; Шимпанзе – 48; Таракан – 48; Перец – 48; Овца – 54; Собака – 78; Голубь – 80; Сазан – 104.
Как видно, число хромосом не зависит от уровня организации и не всегда указывает на филогенетическое родство, поскольку одно и то же число хромосом может встречаться у видов очень далеких в систематическом отношении и сильно отличаться у близких по происхождению организмов. Таким образом, число хромосом не является видоспецифичным признаком. Однако, характеристика хромосомного набора в целом видоспецифична, т.е. свойственна только одному какому-то виду организмов. Совокупность количественных (число) и качественных (форма) признаков хромосомного набора соматической клетки называется кариотипом .
Число хромосом в кариотипе всегда четное. Это объясняется тем, что в соматических клетках всегда находятся две одинаковые по форме и размерам хромосомы: одна происходит от отцовского организма, другая – от материнского. Парные хромосомы, одинаковые по форме и размерам и несущие одинаковые гены, называются гомологичными . Хромосомы из разных пар – называют негомологичными . Хромосомный набор соматической клетки, в котором каждая хромосома имеет себе пару, называют двойным, или диплоидным набором(2n) . В половые клетки из каждой пары гомологичных хромосом попадает только одна, поэтому хромосомный набор гамет называют одинарным, или гаплоидным набором . Количество ДНК, содержащееся в одинарном наборе хромосом – 1с, соответственно в двойном наборе количество ДНК – 2с. Хромосомы в составе кариотипа делят также на аутосомы, или неполовые, одинаковые у особей мужского и женского пола, и гетерохромосомы, или половые, участвующие в определении пола и различающиеся у самцов и самок. Кариотип человека представлен 46 хромосомами (23 пары): 44 аутосомы и 2 половые хромосомы (у женщины две одинаковые Х-хромосомы, у мужчины Х- и Y-хромосомы).
Рис. Кариотип человека.
Правила хромосом.
Правило постоянства числа хромосом: соматические клетки организма каждого вида имеют строго определенное количество хромосом (у человека – 46, у дрозофилы – 8).
Правило парности хромосом: каждая хромосома в диплоидном наборе имеет гомологичную – сходную по размерам, расположению центромеры и содержанию генов.
Правило индивидуальности хромосом : каждая пара хромосом отличается от другой пары размерами, расположением центромеры и содержанием генов.
Правило непрерывности хромосом: в процессе удвоения генетического материала новая молекула ДНК синтезируется на основе информации старой молекулы ДНК (реакция матричного синтеза – каждая хромосома от хромосомы).
Таблица 1
Сравнительная характеристика прокариотической и эукариотической клеток
| ПРОКАРИОТИЧЕСКАЯ КЛЕТКА | ЭУКАРИОТИЧЕСКАЯ КЛЕТКА |
| Цитоплазматическая мембрана | Цитоплазматическая мембрана |
| Клеточная стенка из муреина | Клеточная стенка из целлюлозы (растения) или хитина (грибы) |
| Цитоплазма | Цитоплазма |
| Оформленное ядро отсутствует | Ядро, отграниченное от цитоплазмы ядерной оболочкой |
| Отсутствуют органоиды: митохондрии, комплекс Гольджи, ЭПС, лизосомы, пластиды | Имеются митохондрии, комплекс Гольджи, ЭПС, лизосомы, пластиды. |
| Мезосомы выполняют функции ряда органоидов. | Мезосомы отсутствуют |
| Рибосомы | Рибосомы |
| Генетический аппарат представлен одной кольцевой молекулой ДНК | ДНК линейной структуры в комплексе с гистоновыми белками |
| Набор хромосом гаплоидный | Набор хромосом диплоидный, или у некоторых фаз жизни гаплоидный. |
| Простое бинарное деление | Митоз, мейоз, амитоз, эндомитоз, политения. |
Таблица 2.
Сравнительная характеристика клеток растений и животных
Ключевые слова и понятия :
Активный транспорт
Аппарат Гольджи
Аутосомы
Биологическая мембрана
Включения
Гаплоидный набор хромосом
Гетерохромосомы
Гомологичные хромосомы
Диплоидный набор хромосом
Диффузия
Кариоплазма
Кариотип
Лейкопласты
Микротрубочки
Микрофиламенты
Митохондрия
Негомологичные хромосомы
Органоиды
Пассивный транспорт
Пиноцитоз
Пропластида
Реснички
Рибосома
Тилакоид
Фагоцитоз
Хлоропласт
Хроматин
Хромопласт
Хромосома
Центриоль
Центросома
Цитоплазматическая мембрана
Экзоцитоз
Эндоплазматическая сеть агранулярная
Эндоплазматическая сеть гранулярная
Молекулы ДНК в эукариотических клетках очень велики. Так, длина молекул ДНК, выделенных из клеток человека, достигает нескольких сантиметров. Принято считать, что каждая эукариотическая хромосома содержит одну - единственную непрерывную молекулу ДНК. Учитывая видовое количество хромосом у млекопитающих, можно сказать, что в среднем у них на интерфазное ядро приходится около 2 м ДНК, находящейся в сферическом ядре диаметром менее 10 мкм. При этом в ядре должен сохраняться определенный порядок расположения молекул ДНК, чтобы обеспечить ее упорядоченное функционирование.
Молекулы ДНК в ядрах эукариотических клеток всегда находятся в комплексе с белками в составе хроматина, который образуется из хромосом после окончания деления ядер в результате сложного процесса раскручивания (деспирализации) хромосом.
На долю белков приходится около 60% сухого веса хроматина. Белки в его составе очень разнообразны. Обычно их разделяют на две группы: гистоны и негистоновые белки. Именно гистоны, характерные только для эукариотических клеток, осуществляют первые этапы упаковки ДНК, очень схожие у большинства изученных объектов. На долю гистонов приходится до 80% всех белков хроматина. Их взаимодействие с ДНК происходит за счет ионных связей и не зависит от последовательности нуклеотидов в составе молекулы ДНК. Гистоны не отличаются большим разнообразием. Это глобулярные белки, представленные 5-7 типами молекул. Наиболее известны следующие классы гистонов: HI, Н2А, Н2В, НЗ и Н4. Их основные свойства определяются относительно высоким содержанием основных аминокислот: лизина и аргинина (рис. 3.7). Положительные заряды на аминогруппах указанных аминокислот обеспечивают электростатическую связь гистонов с отрицательными зарядами на фосфатных группах ДНК. Из всех ядерных белков гистоны изучены наиболее хорошо. Их молекулярная масса относительно невелика (максимальная - у гистона НЗ - 153 тыс. даль-тон). Практически у всех эукариот они обладают сходными свойствами и подразделяются на одни и те же классы. Из исследованных эти белки наиболее консервативны: их аминокислотные последовательности близки даже у отдаленных видов. Исключение составляют гистоны HI, для которых характерны значительные межвидовые и межтканевые вариации. В процессе жизнедеятельности клеток гистоны могут подвергаться посттрансляционным модификациям, что изменяет их свойства и способность связываться с ДНК. Гистоны синтезируются в
Рис. 3.8. Схема расположения ДМК и гистонов в нуклеосоме
цитоплазме, переносятся в ядро и связываются с ДНК во время ее репликации в S-периоде клеточного цикла. Включившиеся в хроматин гистоны очень стабильны и имеют низкую скорость обмена.
Присутствие гистонов во всех эукариотических клетках, их сходство даже у очень отдаленных видов, обязательность в составе хромосом и хроматина - все это говорит о чрезвычайно важной роли этих белков в жизнедеятельности клеток. Этапным событием в изучении упаковки ДНК в составе хроматина стало открытие нуклеосом - частиц, в которых происходит первый этап упаковки ДНК в хроматине. Сердцевина нуклеосомы всегда консервативна, содержит восемь молекул: по две молекулы гистонов Н4, НЗ, Н2А, Н2В. По поверхности сердцевины располагается участок ДНК из 146 нуклеотидных пар, образующий 1,75 оборота вокруг сердцевины. Небольшой участок ДНК остается несвязанным с сердцевиной, он называется линкером (рис. 3.8). В разных объектах линкерный участок может варьировать от 8 до 114 нуклеотидных пар на нуклеосому. Рассчитано, что на весь гаплоидный геном человека (3 × 10 9 пар оснований) приходится 1,5 × 10 7 нуклеосом. Общий вид хроматина, представленного молекулой ДНК, упакованной с помощью нуклеосомных структур, можно сравнить с бусами на нитке (рис. 3.9). Нуклеосомы способны к самосборке при наличии в пробирке ДНК и гистонов в определенном соотношении. Первый нуклео-сомный уровень компактизации ДНК увеличивает плотность упаковки ДНК в 6-7раз.
В следующий этап упаковки нуклеосомная структура хроматина вовлекается с помощью гистона HI,
Рис. 3.9.
Электронная микрофотография эукариотического хроматина,
на которой видны нуклеосомы, соединенные тяжами свободной ДНК
который связывается с линкерной частью ДНК и поверхностью нуклеосомы. Благодаря сложному взаимодействию всех компонентов возникает упорядоченная структура спирального типа, которую часто называют соленоидом (рис. 3.10). Она повышает компактность ДНК еще в 40 раз. Поскольку соленоидная структура имеет сниженную способность связываться с белками, обеспечивающими транскрипцию, то считается, что этот уровень компактизации ДНК может играть роль фактора, инактивирующего гены. Некоторые авторы рассматривают соленоидную структуру как один из возможных вариантов упаковки хроматина с помощью гистона HI и полагают
|
|
Рис. 3.11.
Нуклеомерный тип укладки |
вероятным существование и других морфологических вариантов, например, нуклеомер, или сверхбусин (рис. 3.11).
Более высокие уровни компактизации ДНК в хроматине связаны с негистоновыми белками. На их долю приходится около 20% всех белков хроматина. Эту сборную группу белков отличает широкий спектр свойств и функций. Всего фракция негистоновых белков объединяет около 450 индивидуальных белков, свойства и конкретные функции которых еще не достаточно изучены. Выяснено, что некоторые из них специфично связываются с определенными участками ДНК, в результате чего фибриллы хроматина в местах связывания ДНК с негистоновыми белками образуют петли. Таким образом, более высокие уровни упаковки ДНК в составе хроматина обеспечиваются не спирализацией нитей хроматина, а образованием поперечной петлистой структуры вдоль хромосомы (рис. 3.12). На всех указанных этапах компактизации ДНК хроматин представлен в активной форме, в нем происходит транскрипция, синтез всех типов молекул РНК. Такой хроматин называют эухроматином. Дальнейшая упаковка хроматина ведет к переходу его в неактивное состояние с образованием гетерохроматина. Этот процесс связан со спирализацией групп петель и образованием из фибрилл хроматина розеткоподобных
Рис. 3.12.
Петлеобразная и хромомерная компактизация хроматина
структур, которые обладают оптической и электронной плотностью и называются хромомерами (рис. 3.12). Предполагается, что вдоль хромосомы расположено большое количество хромомер, соединенных между собой в единую структуру участками хроматина с нуклеосомной или соленоидной упаковкой ДНК. Каждая пара гомологичных хромосом имеет свой хромомерный рисунок, который можно выявить с помощью специальных методов окрашивания при условии спирализации хроматина и перехода его в состояние хромосом.
Петельно-розеточная структура хроматина обеспечивает не только упаковку ДНК, но и организует функциональные хромосом, поскольку в своих основаниях петли ДНК связаны с негистоновыми белками, в состав которых могут входить ферменты репликации, обеспечивающие удвоение ДНК, и ферменты транскрипции, благодаря которым происходит синтез всех типов РНК.
Участки ДНК, упакованные в виде гетерохроматина, могут иметь двоякую природу. Различают два типа гетерохроматина: факультативный и конститутивный (структурный). Факультативный гетерохроматин представляет собой участки генома, временно инактивированные в тех или иных клетках. Примером такого хроматина служит половой гетерохроматин инактивированной Х-хромосомы в соматических клетках женщин. Структурный гетерохроматин во всех клетках постоянно находится в неактивном состоянии и, вероятно, выполняет структурные или регуляторные функции.
Четвертичная структура ДНК. Хромосомы
Четвертичная структура ДНК – это укладка нуклеосом в хроматин, так что молекула ДНК длинной в несколько сантиметров складывается до 5 нм. Хроматин на окрашенных препаратах клетки представляет собой сеть тонких тяжей (фибрилл), мелких гранул или глыбок. Основу хроматина составляют нуклеопротеины – длинные нитевидные молекулы ДНК (40%), соединенные со специфическими белками – гистонами (40%). Гистоны – это основной класс нуклеопотеинов, ядерных белков, необходимых для сборки и упаковки нитей ДНК в хромосомы. Существует пять различных видов гистонов: Н1, Н2А, Н2В, Н3, Н4. Гистоны обогащены аминокислотами с положительно заряженными (аргинин, лизин) и гидрофобными (валин и т.п.) радикалами. При этом благодаря радикалам аргинина и лизина гистоны взаимодействуют с ДНК, а благодаря гидрофобным радикалам друг с другом. Гистоны выполняют важную структурообразующую функцию.
В состав хроматина входит также РНК, кислые белки (вероятно кислые белки тоже играют структурную роль, участвуя в образовании высших, наднуклеомерных, уровней укладки хромосом), липиды и минеральные вещества (Ca²+ и Mg²+), а также фермент ДНК-полимераза, необходимый для репликации ДНК. В процессе деления ядра нуклеопротеины спирализуются, укорачиваются, в результате уплотняются и формируются в компактные палочковидные хромосомы, которыестановятся заметны при наблюдении в световой микроскоп. Хромосома – это наиболее компактная форма наследственного материала клетки (по сравнению с нитью ДНК укорочение составляет примерно 1600 раз). У большинства эукариот ДНК скручивается до такой степени только на время деления.
Строение хромосом. У каждой хромосомы имеется первичная перетяжка – центромера (утонченный неспирализованный участок), которая делит хромосому на два плеча. В области первичной перетяжки располагается фибриллярное тельце – кинетохор, который регулирует движение хромосом при клеточном делении: к нему прикрепляются нити веретена деления, разводящие хромосомы к полюсам.
Рис. 1. Строение хромосомы: 1 – первичная перетяжка (ценромера); 2 – плечи хромосомы; 3 – молекулы ДНК; 4 – теломеры
В зависимости от расположения перетяжки выделяют три основные вида хромосом:
1. Равноплечие – с плечами равной длины;
2. Неравноплечие – с плечами неравной длины;
3. Одноплечие (палочковидные) – с одним длинным и другим очень коротким, едва заметным плечом.
Рис. 2. Основные виды хромосом: 1 − равноплечие хромосомы; 2 – неравноплечие хромосомы; 3 – одноплечие хромосомы
Вторичная перетяжка – ядрышковый организатор, содержит гены рРНК, имеется у одной – двух хромосом в геноме. Этот участок хромосомы контролирует синтез ядрышка.
Теломеры – концевые участки хромосом, содержащие до 10 тысяч пар нуклеотидов с повторяющейся последовательностью ТТАГГГ. Теломеры не содержат генов, они:
· защищают концы хромосом он действия нуклеаз – ферментов, разрушающих ДНК.
· обеспечивают прикрепление концов хромосом изнутри к ядерной оболочке.
· защищают гены от концевой недорепликации.
Каждой клетке того или иного вида живых организмов свойственны определенные число, размеры и форма хромосом. Совокупность хромосом соматической клетки, типичной для данной систематической группы грибов, животных или растений, называют хромосомным набором или кариотипом.
Число хромосом в зрелых половых клетках называют гаплоидным набором и обозначают буквой n . Соматические клетки содержат двойное число хромосом (диплоидный набор), обозначаемое как 2n . Клетки, имеющие более двух наборов хромосом, являются полиплоидными (4n, 8n и т.д.). Парные хромосомы, то есть одинаковые по форме, структуре и размерам, но имеющие разное происхождение (одна материнская, другая отцовская), называются гомологичными.
