Хромосоми і хроматин

Хромосоми — це одна з форм зберігання та передачі спадкової інформації. Саме в них зосереджено спадкову інформацію. Вони регулярно виявляються під час поділу клітини. Їх було названо хромосомами за здатність забарвлюватися основними барвниками (від грец. chroma — колір). Під час поділу клітини нові хромосоми утворюються лише як копії наявних хромосом, причому відбувається це за матричним принципом. Утрачені фрагменти хромосом не відновлюються.

Хромосоми утворюються під час метафази мітозу внаслідок суперспіралізації хроматину. Один гаплоїдний хромосомний набір людини містить 3∙109 пар нуклеотидів завдовжки близько. В одній хромосомі міститься приблизно 4–4,5 см ДНК, але довжина власне хромосоми практично ніколи не перевищує 4 мкм. довжина ДНК у найбільшій хромосомі дрозофіли становить. Водночас розміри мітотичних хромосом дуже малі: завдовжки декілька мікрометрів і заввишки 0,5–1 мкм. Рівень компактизації ДНК у мітотичній хромосомі становить 10 000. Звідси стає зрозумілим, що ДНК у складі метафазних хромосом є надзвичайно щільно компактизованою.

У складі хроматину виявлено фракції ДНК, гістонів, негістонових білків, РНК і ліпідів, кількісне співвідношення яких становить 1: 1: (0,2–0,5): (0,1–0,15): (0,01–0,03) відповідно. ДНК і білок є компонентами однієї структури — дезоксирибонуклеопротеїду (ДНП). Відносно РНК немає однозначної думки. Вона може бути фракцією РНК, що синтезується та частково пов’язана з ДНК. Проте можливо також, що це особливий вид РНК, що є компонентом хроматину.

Гістони — основні білки хроматину. Їх лужні властивості зумовлені наявністю в їхньому складі великої кількості основних амінокислот, переважно лізину й аргініну. Ці амінокислоти становлять 20–30 % молекулярної маси гістонів.

У складі гістонових білків виявлено 5 фракцій: Н1, Н2а, H2b, Н3, Н4. У молярних співвідношеннях 4 фракції — H2b, Н2а, Н3 і Н4 — містяться в хроматині приблизно в рівних кількостях. Вміст гістону Н1 приблизно у 2 рази менший, але його молекулярна маса у два рази більша, ніж у решти гістонів, тому їх масові відношення однакові.

На відміну від хромосом еукариотів, у складі бактеріальних хромосом немає сильноосновних білків, аналогічних гістонам.

Функціональна роль гістонів пов’язана із забезпеченням структури хроматину, специфічним укладанням хромосомної ДНК, зміни якої відіграють важливу роль у регуляції транскрипції генів.

Негістонові білки хроматину становлять близько 20 % від маси гістонів. Цю фракцію хроматину вивчено недостатньо. Відомо, що це дуже різноманітні (декілька сотень) кислі білки. Серед них виявлено структурні компоненти хроматину, що забезпечують вищі рівні упаковки генетичного матеріалу; ряд ферментів, відповідальних за реплікацію, транскрипцію, репарацію та модифікації ДНК; ферменти модифікації гістонів, а також багато інших білків. Очевидно, деякі з негістонових білків є регуляторними білками, що зв’язуються з певними нуклеотидними послідовностями в молекулі ДНК.

У фракції РНК хроматину виявлено всі відомі види клітинної РНК, що синтезуються або дозрівають і пов’язані з ДНК.

Роль ліпідів у складі та функціонуванні хромосом поки що не з’ясовано.

Отже, довжина молекули ДНК в одній еукаріотичній хромосомі становить кілька сантиметрів, а розміри самої хромосоми значно менші. Це досягається завдяки взаємодії ДНК з білками хроматину та утворенню структури, у якій можна виділити декілька рівнів організації.

Перший рівень — це 100 Å-нуклеосомна фібрила, або нуклеосома. Кожна нуклеосома є комплексом, що складається з відрізка ДНК завдовжки 200 пар нуклеотидів і восьми молекул гістонів (по дві молекули гістонів Н2a, Н2b, Н3 і Н4). Її діаметр становить ≈10 нм, або 100 Å, що й покладено в основу назви цього рівня організації хроматину. ДНК у складі нуклеосоми намотується на поверхню білкового октамеру, утворюючи при цьому 1,5 витка.

Другий рівень організації хроматину — соленоїд, або нуклеомер. Річ у тім, що в ядрах ДНК входить до складу фібрил діаметром до 300 Å. Один з видів гістонів (Н1) викликає згортання 100 Å-нуклеосомної фібрили в 300 Å-нуклеосомну, причому в одному нуклеомері міститься по 7–8 нуклеосом. Третій рівень організації хроматину — петлі — виникає в процесі подальшого згортання 300 Å- нуклеосомної фібрили. Метафазні хромосоми мають деякий білковий остов, від якого 300 Å-нуклеосомні фібрили відходять, утворюючи петлі. І нарешті, четвертий рівень організації хроматину — це вкладання його вметафазну хромосому. Ультратонку будову хромосом до кінця ще не вивчено, але припускають, що найімовірнішим є спіральне вкладання ниток з утворенням соленоїда. Діаметр такого соленоїда має становити близько 2 мкм, а на кожен його виток припадає приблизно 10 петель. Отже, формування хромосом у метафазі мітозу відбувається за рахунок спіралізації білкового остову хромосом.

Процес цієї спіралізації є нерівномірним за довжиною та несинхронним у часі для різних ділянок хромосом. Через це деякі ділянки хромосом виявляються більшою мірою компактизованими: під час забарвлювання вони мають вигляд темніших. Ці ділянки називають гетерохроматичними, тобто такими, що складаються з гетерохроматину. Водночас інші ділянки мають більш рихлу структуру, оскільки є менш компактизованими, тому вони забарвлюються значно менше. Ці ділянки називають еухроматичними (вони складаються з еухроматину). Розподіл гетерохроматичних і еухроматичних ділянок є найважливішою характеристикою хромосом. Гетерохроматичні ділянки залишаються щільнішими не тільки під час поділу клітини й виявляються навіть у світловий мікроскоп в інтерфазному ядрі. Часто саме як ділянку гетерохроматину в ядрі видно одну з хромосом, за якою розрізняються особини різної статі (наприклад, Y-хромосома у самців XY). Припускають, що гетерохроматичні ділянки виконують структурну функцію. Інколи деякі ділянки еухроматину можуть спіралізуватися й виявляти властивості гетерохроматину. Саме так у самиць ссавців виявляється спіралізованою одна з Х-хромосом. Її спостерігають у світловий мікроскоп як ділянку гетерохроматину й називають тільце Барра. Мабуть, еухроматичні ділянки містять гени.

У макроскопічній будові хромосом виділяють кілька ділянок. Насамперед це первинна перетяжка — центромера, яка ділить хромосому на два плечі. За відносними розмірами плечей хромосоми ділять на метацентричні (з рівними плечима), субметацентричні (з різними плечима) й акроцентричні (хромосоми палочкоподібної форми з дуже коротким другим плечем). У ділянці первинної перетяжки з’єднуються дві хроматиди — подовжні частини хромосоми (до складу кожної хромосоми входить дві хроматиди). Тут же розташовано кінетохор — пластинчасте утворення, до якого приєднуються нитки веретена поділу. Цю структуру хромосоми ще вивчено недостатньо. Відомо, що кінетохор може ініціювати полімеризацію тубулінів та утворення мікротрубочок веретена поділу. Ділянки хромосом, що прилягають до центромери, містять фракції ДНК сателіта з послідовностями нуклеотидів, що часто повторюються.

Деякі хромосоми мають вторинну перетяжку. У місці вторинної перетяжки розташовані гени, що відповідають за утворення ядерця, і гени рибосомних РНК. Хромосоми, що мають вторинні перетяжки, можуть об’єднуватися між собою цими ділянками. Саме тут утворюються ядерця, тому ділянку вторинної перетяжки називають зоною ядерцевого організатора. Дистальну ділянку плеча, відокремлювану вторинною перетяжкою, називають супутником (сателітом). Ділянки хромосом, що прилягають до зони вторинної перетяжки та розташовані на кінцях плечей (у зоні теломер), складаються, як правило, з гетерохроматину. Теломери мають бути дуже щільними, оскільки перешкоджають з’єднанню хромосом між собою. Хромосоми без теломер називають «липкими»: вони можуть легко приєднуватися одна до одної. Таким чином, функція теломер полягає в підтримуванні цілісності та індивідуальності хромосом.

Особини кожного виду мають постійну кількість хромосом, але вона варіює від одного виду до іншого. Згідно з теорією індивідуальності хромосом Бовері, окремі хромосоми в клітинному ядрі розрізняються за формою, розмірами та функціональним значенням. Статеві клітини містять один набір хромосом, їхні ядра гаплоїдні. Унаслідок злиття статевих клітин (запліднення) кількість хромосом подвоюється. Ядра зиготи й усіх клітин, які з неї утворюються, диплоїдні. Диплоїдний набір хромосом, їх будова та індивідуальні особливості становлять зміст терміна каріотип.

Дата добавления: 2014-11-20