Материал: Kurs_Lektsiy_po_Biologii (1)

Рис. 8. Хроматиновая петля

На следующем четвёртом уровне компактизации ДНК фибриллы с хроматиновыми петлями многократно складываются и превращаются в хроматиды диаметром 700 нм. Длина молекулы ДНК в хроматиде сокращается в 2-3 тысячи раз от исходной.

На пятом уровне наблюдается максимальная степень компактизации ДНК с образованием метафазных хромосом. Благодаря такой суперспирализации достигается плотная упаковка наследственного материала, что важно при расхождении хромосом в митозе. При такой упаковке происходит укорочение метафазных хромосом по сравнению с размерами заключённой в них молекулы ДНК примерно в 10 тысяч раз.

В метафазу хромосомы имеют вид цилиндрических телец, которые интенсивно окрашиваются основными красителями. В метафазной хромосоме можно выделить центромеру (первичную перетяжку), которая делит хромосому на два плеча (рис. 9).

Рис. 9. Метафазная хромосома

Центромеры, которые разделяют хромосомы на плечи, выполняют важные функции. Они обеспечивают: удержание хромосом; правильность выстраивания хромосом по экватору в метафазу; прикрепление к веретену деления; отвечают за контроль наступления анафазы. В центромерах локализованы повторяющиеся последовательности нуклеотидов генома.

В зависимости от положения центромеры хромосомы человека делятся на четыре типа: 1) метацентрические хромосомы, обладающие плечами примерно равной длины (равноплечные); 2) субметацентрические хромосомы с плечами неравной длины (умеренно неравноплечные); 3) очень субметацентрические хромосомы (выражено неравноплечные); 4) акроцентрические хромосомы с очень коротким вторым плечом. Короткое плечо хромосомы принято обозначать p-, длинное плечо q-.

Некоторые хромосомы содержат вторичные перетяжки. Часть хромосомы, которая отделяется вторичной перетяжкой получила название – спутник. Хромосомы, которые имеют спутник называют спутничными (рис. 10).

Рис. 10. Спутничная хромосома

Спутничными хромосомами у человека являются 13-15, 21-22 хромосомы. В коротких плечах спутничных хромосом локализованы ядрышко-образующие районы хромосом (ЯОР). На препаратах метафазных хромосом активные ЯО-районы выявляются как вторичные перетяжки и окрашиваются азотнокислым серебром. В ЯО-районах хромосом образуются ядрышки.

Особое значение имеют концевые участки хромосом, получившие название теломеры (рис. 11). Они расположены на обоих концах линейной хромосомы. В теломерных районах хромосом локализованы в основном двунитевые некодирующие повторы (ТТАГГГ)n, заканчивающиеся 3′-однонитевым участком. Основными функциями теломер являются: сохранение целостности хромосомы; обеспечение её полной репликации. Кроме того, теломеры: а) участвуют в прикреплении хромосом к ядерному матриксу; б) способствуют конъюгации хромосом и кроссинговеру в профазу мейоза I; в) способствуют удержанию сестринских хроматид в метафазу митоза.

Рис. 11. Теломерные участки хромосом

В интерфазных хромосомах сохраняются только три первых уровня компактизации хроматина, поэтому интерфазный хроматин гораздо более растянут по сравнению с хроматином, который имеется во время митоза. Это связано с некоторой деспирализацией, менее плотной упаковкой хромосом в интерфазу. Нитевидные хромосомы в интерфазу свободно располагаются в ядерном соке, переплетаются между собой и различить каждую хромосому становится невозможным. Однако степень спирализации, уплотнения как отдельных хромосом, так и отдельных участков хромосом не одинакова. Выделяют гетерохроматиновые (гетерохроматин) и эухроматиновые (эухроматин) области хромосом. Гетерохроматин – плотные, компактные (конденсированные) районы хромосом, интенсивно окрашиваются и могут быть видны в световой микроскоп. Выделяют два вида гетерохроматина:

1) структурный (конститутивный) гетерохроматин; 2) факультативный гетерохроматин. Структурный гетерохроматин стабильно выявляется в хромосомах в зоне центромеры. Он в целом генетически инертный, так как не содержит активно транскрибируемых генов.

Факультативный гетерохроматин – это гетерохроматизированные эухроматические районы хромосом. Примером факультативного гетерохроматина является тельце полового хроматина (тельце Барра), которое образуется в клетках гомогаметного пола (у женщин). При этом одна из двух Х-хромосом сворачивается, плотно укладывается и хорошо прокрашивается.

Эухроматин – это менее конденсированные районы хромосом. Обычно эухроматин не виден в световой микроскоп, либо виден в виде слабоокрашенных структур. Эухроматин транскрипционно активен, содержит функционирующие гены.

Итак, у эукариот ДНК сосредоточена в хромосомах. В ядре клеток человека 46 хромосом, из них 22 пары аутосом и пара половых хромосом. Хромосомы, которые относятся к одной паре называют гомологичными. Гомологичные хромосомы абсолютно аналогичны. Число хромосом в клетках организма – это видовой признак. Кроме количества хромосомы каждого вида характеризуются определенным размером, формой, деталями строения. Хромосомный набор клеток данного вида организмов с характерным числом, морфологическими особенностями отдельных хромосом называется кариотипом.

Хромосомы человека не очень легко отличить одну от другой. С целью унификации методов идентификации хромосом человека в 1960 г на конференции цитогенетиков в г. Денвере (США) была принята классификация, учитывающая величину хромосом и расположение центромер. В том же году К. Патау дополнил эту классификацию и предложил разделить 23 пары хромосом человека на 7 групп от А до G (табл. 1).

Табл. 1. Классификация хромосом человека

Внутри семи этих групп хромосом при обычной окраске на основании лишь внешних различий, видимых в простой микроскоп, провести идентификацию хромосом человека очень трудно. Для более точной идентификации хромосом используют дифференциальную окраску хромосом, основанную на избирательном поглощении разными участками хромосом специальных красителей. В результате дифференциального окрашивания по всей длине хромосомы выявляются темные и светлые полосы (бэнды). Бэнд – это участок хромосомы, отличающийся от соседних по интенсивности окраски при использовании метода дифференциальной окраски (рис. 12).

Рис. 12. Кариотип человека. Хромосомные бэнды

Бэнды определенных участков хромосом объединяются в районы. Нумерация районов и бэндов идет от центромеры в обоих плечах хромосомы. При обозначении места локализации бэнда в хромосоме используется соответствующая символика: первая цифра – номер хромосомы, в которой локализован данный бэнд; второй символ (p или q) – плечо хромосомы; третий символ – номер района, в состав которого входит бэнд; четвертый символ – номер бэнда в составе района. Например, 1p31 – первый бэнд, локализованный в третьем районе короткого плеча хромосомы 1 (читается справа налево).

Лекция 3 Временная организация клетки. Клеточный цикл, его периодизация. Митотический цикл. Репликация днк. Митоз. Механизм регуляции митотической активности.

Для всех клеток характерен жизненный цикл. Жизненный цикл - это период существования клетки от момента её образования вследствие деления материнской клетки до появления следующего поколения или естественной гибели. Жизненный цикл клеток сложен по своей сути и неоднороден на своём протяжении. Для большинства клеток он включает в себя митотический (пролиферативный) цикл (рис. 1). Кроме того, в жизненный цикл ряда клеток входит период выполнения клеткой специальных функций, входит сюда и период покоя. В период покоя клетка выбирает себе дальнейший путь: либо делиться, либо специализироваться в каком-то направлении. Весьма важным для жизненного цикла многих клеток многоклеточного организма является наличие митотического цикла. Понятие митотический цикл клетки непосредственно связано с представлениями о процессах митоза, который обеспечивает преемственность хромосом (и следовательно, геномов, генов) в ряду клеточных поколений. С митозом связано образование клеток равноценных по количеству ДНК и содержанию наследственной информации.

Митотический цикл - это совокупность процессов, которые происходят с клеткой в период подготовки к делению и на протяжении самого деления. Дочерние клетки, которые возникли в результате деления, могут сразу приступать к подготовке к следующему делению. В этом случае митотический цикл клетки совпадает с её жизненным циклом. Хотя наши знания о молекулярных основах митотического цикла довольно фрагментарны, мы постараемся представить основные механизмы этого процесса.

Рис. 1. Митотический цикл

Период подготовки клетки к делению называют интерфазой и он составляет не менее 90% времени митотического цикла. На протяжении всего интерфазного периода синтезируется большая часть компонентов клетки. Это затрудняет выделение различных стадий в интерфазе делящихся клеток. Исключение составляет лишь синтез ДНК, поскольку ДНК клеточного ядра реплицируется в определенный период, составляющий лишь часть интерфазы. Этот период был назван синтетическим (S). Вторая чётко выраженная стадия цикла - это фаза клеточного деления, включающая деление ядра (митоз), а затем и цитоплазмы (цитокинез). Период между митозом и началом синтеза ДНК обозначают как период G1 (пресинтетический), а период между завершением синтеза ДНК и последующим митозом - как период G2 (постсинтетический) (рис. 1).

Таким образом, интерфаза включает пресинтетический, синтетический и постсинтетический периоды. В интерфазу ядро находится в состоянии наивысшей метаболической и синтетической активности. При этом проявляется активность всех генов.

Длительность митотического цикла составляет для разных клеток от 8 до 50 часов, но для большинства делящихся клеток этот период длится 18-24 часа. Различные периоды занимают разное время: G1 занимает до 30-40% всего митотического цикла, S - до 30%, G2 - 10-20% и митоз составляет 5-10%.

Пресинтетический период (G1). В этот период в клетке синтезируются белки, углеводы, липиды, РНК, АТФ, начинается синтез и сборка органелл. К концу этого периода увеличивается уровень дезоксирибонуклеотидов - предшественников ДНК, но синтеза ДНК не происходит. Клетка в этот период содержит диплоидный набор хромосом (2n2c). Некоторые клетки делятся очень медленно, оставаясь в G1 многие дни и даже годы, выполняя специфические функции. Нередко такую часть митотического цикла обозначают как период G0.

Чтобы клетка из G1 периода могла вступить в S период она должна пройти точку рестрикции в конце G1. Это определенный момент в конце периода G1, после прохождения которого возврат в G1 невозможен. После того как клетки минуют точку рестрикции они неизбежно завершат цикл, проходя его с обычной скоростью, независимо от внешних условий. Пока точно не известно от чего зависит прохождение клеткой млекопитающего точки рестрикции в G1. Предполагают, что для прохождения точки рестрикции из цитоплазмы к генам ядра должен поступить сигнал для активирования определенных генов. Считается, что сигнальную функцию при этом выполняют специфические белки цитоплазмы.

Синтетический период (S). Это важнейший этап митотического цикла. В этот период происходит удвоение наследственного материала, авторепродукция хромосом. Генетическая информация двух дочерних клеток, которые возникнут путем деления одной материнской клетки, должна быть полноценной. Это можно достигнуть лишь путем воспроизведения молекулярных структур каждой исходной хромосомы в двух дочерних, что происходит путем их авторепродукции. Непосредственно авторепродукция хромосом происходит в S период. В результате вместо одной хромосомы образуется две дочерних, которые связаны центромерой. Такие дочерние хромосомы, которые являются внешне самостоятельными, но ещё не отделены друг от друга получили название хроматид. В основе авторепродукции хромосом лежит репликация (синтез) ДНК хромосом. При репликации на основе материнской ДНК синтезируются две новых дочерних молекулы ДНК. Каждая из двух старых цепей исходной ДНК служит матрицей для образования новой цепи. Дезоксирибонуклеотиды включаются в синтезируемые новые цепи ДНК по принципу комплементарности. Напротив гуанилового нуклеотида встает цитидиловый, а напротив аденилового - тимидиловый. В конечном итоге будет синтезироваться две молекулы ДНК идентичные по последовательности нуклеотидов исходной (материнской). В каждой новой молекуле ДНК, возникшей в результате репликации, молекула образована одной материнской цепью и одной заново образованной дочерней. Такой способ репликации ДНК получил название полуконсервативный.

Репликация ДНК в клетках эукариот происходит не единым блоком от одного конца молекулы до другого, а начинается одновременно во множестве участков, получивших название репликоны (рис. 2). Таким образом, репликон - это единица репликации ДНК и синтез ДНК начинается одновременно в большом числе репликонов. Например, в ДНК хромосом соматической клетки человека может быть до 50 тысяч репликонов. Каждая эукариотическая хромосома при репликации ДНК представляет собой полирепликон.

Рис. 2. Репликон

Средняя хромосома человека состоит из одной молекулы ДНК, содержащей около 150 млн. пар нуклеотидов. Если бы ДНК удваивалась единым блоком от начала молекулы до ее конца, то на репликацию такой хромосомы потребовалось 800 часов. В действительности S период продолжается 8-10 часов.

Механизм репликации ДНК процесс сложный, в нем участвует комплекс различных белков, получивший название репликационный комплекс. В клетках человека процесс репликации контролируют сотни генов. В этом процессе выделяют три стадии: инициация (начало репликации), элонгация (наращивание полинуклеотидной цепи) и терминация (окончание репликации).

Репликация в каждом репликоне начинается с точки инициации репликации (точка ori). В этом месте происходит расплетание и разделение закрученных в биспираль полинуклеотидных цепей материнской ДНК, чтобы дезоксирибонуклеотиды при синтезе ДНК могли комплементарно спариваться с родительской матричной цепью. Эту функцию расплетания выполняют белки-ферменты ДНК-геликазы. ДНК-геликаза раскручивает двойную спираль, разрывая водородные связи между основаниями. Местное разделение полинуклеотидных цепей ДНК при сохранении двуцепочной структуры на остальном протяжении биспирали должно было приводить к быстрому вращению всей хромосомы, а это для длинных хромосом потребовало бы большой затраты энергии. Эту проблему природа решила следующим образом. Есть фермент ДНК-топоизомераза, которая временно разрывает одну цепь ДНК, что дает возможность спирали ДНК вращаться вокруг фосфодиэфирной связи, находящейся напротив разрыва, и тем самым ослаблять напряжение. Реакция, приводящая к разрыву цепи, обратима и разорванные цепи затем соединяются вновь при участии того же фермента. Активная зона, где происходит репликация, была названа репликационной вилкой, из-за своей Y- образной формы (рис. 3).