Как «работает» эухроматин
В состав эухроматина входят гены, определяющие в конечном счете структуру белков (структурные гены). Дешифровка нуклеотидной последовательности в белок происходит при помощи посредника, способного, в отличие от хромосом, покинуть ядро — информационной РНК.
В процессе транскрипции РНК синтезируется на матрице ДНК из свободных адениловых, уридиловых, цитидиловых и гуаниловых нуклеотидов. Транскрипцию осуществляет ферментный комплекс РНК-полимераза.
Некоторые гены определяют последовательность других видов РНК (транспортной и рибосомной), необходимых для завершения в цитоплазме процессов синтеза белка из аминокислот.
Гетерохроматин отдельной хромосомы часто бывает собран в хорошо заметный хромоценр. Вокруг него располагаются петли деспирализованного эухроматина. Благодаря такой конфигурации ДНК ядра, к смысловым частям легко подходят ферментные комплексы и свободные нуклеотиды, необходимые для реализации функций эухроматина.
Должность [ править ]
Классификации хромосом
| я | Телоцентрический | Центромеры расположены очень близко к верхушке, p руки едва видны, если видны вообще. |
| II | Акроцентрический | Плечи q по-прежнему намного длиннее, чем плечи p, но плечи p длиннее, чем у телоцентрических. |
| III | Субметацентрический | Плечи p и q очень близки по длине, но не равны. |
| IV | Метацентрический | Плечи p и q равны по длине. |
A : Короткое плечо (p-плечо) B : Центромера C : Длинное плечо (q-плечо) D : Сестринские хроматиды
Каждая хромосома имеет два плеча, обозначенных p (более короткое из двух) и q (более длинное). Многие помнят, что короткая рука «p» названа в честь французского слова «petit», означающего «маленький», хотя это объяснение оказалось апокрифическим. Они могут быть соединены метацентрическим, субметацентрическим, акроцентрическим или телоцентрическим способом.
| Категоризация хромосом по относительной длине плеч | |||
| Положение центромеры | Соотношение длины рук | Знак | Описание |
| Medial sensu stricto | 1,0 — 1,6 | M | Метацентрический |
| Медиальная область | 1,7 | м | Метацентрический |
| Submedial | 3.0 | см | Субметацентрический |
| Субтерминал | 3,1 — 6,9 | ул | Субтелоцентрический |
| Терминальный регион | 7.0 | т | Акроцентрический |
| Terminal sensu stricto | ∞ | Т | Телоцентрический |
| Заметки | — | Метацентрический : M + m | Ателоцентрический : M + m + sm + st + t |
Метацентрический править
Это Х-образные хромосомы с центромерой посередине, так что два плеча хромосом почти равны.
Хромосома является метацентрической, если ее два плеча примерно равны по длине. В нормальном кариотипе человека пять хромосом считаются метацентрическими: хромосомы 1, 3, 16, 19 и 20. В некоторых случаях метацентрическая хромосома образуется путем сбалансированной транслокации: слияния двух акроцентрических хромосом с образованием одной метацентрической хромосомы.
Акроцентрический править
Если p (короткое) плечо настолько короткое, что его трудно наблюдать, но оно все еще присутствует, тогда хромосома акроцентрическая (« акро- » в слове «акроцентрический» относится к греческому слову «пик»). Геном человека включает в себя пять акроцентрической хромосомы: 13 , 14 , 15 , 21 , 22 . Y — хромосома также акроцентрическая.
В акроцентрической хромосоме p-плечо содержит генетический материал, включая повторяющиеся последовательности, такие как ядрышковые организующие области, и может перемещаться без значительного вреда, как при сбалансированной Робертсоновской транслокации . Домашняя лошадь геном включает в себя один метацентрическую хромосому, которая гомологична двум акроцентрических хромосом в конспецифическом но освоене лошади Пржевальского . Это может отражать либо фиксацию сбалансированной робертсоновской транслокации у домашних лошадей, либо, наоборот, фиксацию деления одной метацентрической хромосомы на две акроцентрические хромосомы у лошадей Пржевальского. Похожая ситуация существует между геномами человека и великой обезьяны, с сокращением двух акроцентрических хромосом у человекообразных обезьян до одной метацентрической хромосомы у человека (см. Анеуплоидия и хромосома человека 2 ).
Поразительно, что вредные транслокации в контексте заболевания, особенно несбалансированные транслокации при раке крови, чаще затрагивают акроцентрические хромосомы, чем неакроцентрические хромосомы. Хотя причина неизвестна, вероятно, это связано с физическим расположением акроцентрических хромосом в ядре . Акроцентрические хромосомы обычно расположены в ядрышке и вокруг него , то есть в центре ядра, где хромосомы имеют тенденцию быть менее плотно упакованными, чем хромосомы на периферии ядра. Соответственно, хромосомные области, которые менее плотно упакованы, также более склонны к хромосомным транслокациям при раке.
Телоцентрический править
Центрера телоцентрической хромосомы расположена на конце хромосомы. Следовательно, у телецентрической хромосомы только одно плечо. Теломеры могут отходить от обоих концов хромосомы, их форма похожа на букву «i» в анафазе. Например, стандартный кариотип домовой мыши имеет только телецентрические хромосомы. Люди не обладают телоцентрическими хромосомами.
Субтелоцентрический править
Если центромера хромосомы расположена ближе к ее концу, чем к ее центру, ее можно охарактеризовать как субтелоцентрическую.
Болезни генетики, связанные с хромосомами
Аномалии могут влиять на любую нитевидную молекулу, включая и половые.
Значительные аномалии можно увидеть под микроскопом. Такой тест называется кариотипирование. Меньшие хромосомные аномалии могут быть идентифицированы с помощью специального генетического теста, который сканирует хромосомы человека на наличие отсутствующих или лишних частей.
Числовые отклонения появляются, если в набор добавляется одна или несколько дополнительных нитевидных молекул (появление одной называется трисомия, а двух копий – тетрасомия) или их недостача (известна как моносомия).
Трисомия может поражать любую пару, но более распространенными являются ошибки в 21 (синдром Дауна), в 13, а также в 18 парах. Эти аномалии видны с помощью микроскопа при кариотипировании.
Чем больший возраст у беременной женщины, тем больше вероятность возникновения у плода каких-то аномалий. Когда мужчина становится старше, вероятность зачатия ребенка с аномалией лишь незначительно увеличивается.
Структурные нарушения происходят, когда есть ошибки в строении какой-то части хромосомы. Бывает, когда часть одной создает неправильное соединение с другой нитевидной молекулой (такое называется транслокацией).
Порой случается так, что части вообще не существует (это называется делеция) или они дублируются.
Одни нарушения являются источником гибели эмбриона еще до его рождения. А некоторые отклонения приводят к проблемам, таким как низкий рост, судороги, отсталость в развитии или проблемы с сердцем.
Незначительные мутации происходят в конкретном гене. Такие аномалии не оказывают влияние на строение и, следовательно, их нельзя увидеть во время проведения анализа кариотипа или другого теста.
Одни изменения в гене не сопровождаются проблемами, а другие могут вызвать мало или только легкие отклонения. Но некоторые мутации приводят к серьезным расстройствам, таким как серповидноклеточная анемия, гипертихоз и мышечная дистрофия.
Благодаря стремительному развитию медицины все чаще ученые и медики устанавливают конкретные причины заболеваний человека, которые основаны на генетике. Но остается загадкой, почему возникает множество мутаций.
Предполагается, что значительная часть заболеваний появляется самопроизвольно. Некоторые факторы в экологии и внешнем мире способны повредить и породить аномалии в генах. Такие факторы называются мутагенами.
Например, такие мутагены, как радиационное излучение, ультрафиолетовое излучение, лекарства, и химические субстанции, могут привести к некоторым врожденным дефектам или даже к раку.
Осмотическое давление в клетке
Осмотическое давление — избыточное гидростатическое давление на раствор, отделённый от чистого растворителя полупроницаемой мембраной, при котором прекращается диффузия растворителя через мембрану (осмос). Это давление стремится уравнять концентрации обоих растворов вследствие встречной диффузии молекул растворённого вещества и растворителя.
Мера градиента осмотического давления, то есть различия водного потенциала двух растворов, разделённых полупроницаемой мембраной, называется тоничностью. Раствор, имеющий более высокое осмотическое давление по сравнению с другим раствором, называется гипертоническим, имеющий более низкое — гипотоническим.
Тургор тканей — напряжённое состояние оболочек живых клеток. Тургорное давление — внутреннее давление, которое развивается в растительной клетке, когда в неё в результате осмоса входит вода и цитоплазма прижимается к клеточной стенке; это давление препятствует дальнейшему проникновению воды в клетку.
Тургор обуславливается тремя факторами: внутренним осмотическим давлением клетки, которое вызывает напряжение клеточной оболочки, внешним осмотическим давлением, а также упругостью клеточной оболочки.
Рисунок 11. Взаимодействие эритроцитов и растительной клетки с растворами.
История открытия хромосом
Классическая биология подразумевает, что открытие хромосомы неразрывно связано с открытиями клетки и ядра. Все находки стали возможными только после изобретения микроскопа Левенгуком в 1674 году.
В 1831 году Роберт Браун первым определил, что в клетках растений есть клеточное ядро. Он опубликовал множество научных трудов по этому вопросу.
В 1838 М. Дж. Шлейдена выдвинул неверную эпигенетическую теорию. Она утверждает, что клеточное ядро создается из жидкости клетки. Это послужило классической противоположностью открытию Эдуарда ван Бенедена в 1883 году, что нитевидные молекулы – это отдельные объекты.
В 1842 году Карл Вильгельм фон Нагели обнаружил субклеточные структуры. Он наблюдал «идиоплазму», сеть струноподобных тел. Ученый ошибочно предполагал, что они образуют взаимосвязанную сеть во всем организме.
В 1873 году Шнайдер описал косвенное деление ядра с помощью «Kernfigur» (ядерная фигура) и «ахроматического веретена». В 1883 году Эдуард ван Бенеден обнаружил, что после оплодотворения половых клеток нематоды Ascaris megalocephala не сливаются с нитевидными молекулами ядра ооцита. Следовательно, они являются отдельными сущностями.
Правила Менделя были основаны на суждениях Бенедена, но эта связь была обнаружена только через несколько лет.
Определение «хромосома» было придумано Уолдиером в 1888 году. Термин происходит от греческих слов «цвет» и «тело». Термин имеет такое название, потому что хромосома обладает способностью окрашиваться красителями.
А уже в 1960 году была создана первая Денверская международная классификация, которая помогает в построении кариограммы человека — совокупности всех хромосом диплоидного набора клетки.
Набор хромосом
Существует два типа эукариотических клеток – это гаплоидные и диплоидные. Основное отличие заключается в количестве хромосомных наборов, обнаруженных в ядре.
Гаплоидные клетки – это клетки, которые содержат только один полный хромосомный набор. Наиболее распространенным типом гаплоидных клеток являются гаметы или половые клетки. Гаплоидные клетки продуцируются мейозом. Это генетически разнообразные клетки, которые используются при половом размножении.
Когда гаплоидные клетки от родительских доноров собираются и оплодотворяются, потомство имеет полный набор и становится диплоидной клеткой.
Диплоидные клетки имеют две гомологичные (парные) копии каждой нитевидной молекулы, унаследованные от матери и отца. Все млекопитающие являются организмами этого типа, за исключением нескольких видов.
Диплоидные клетки обозначены как 2n = 2x, а гаплоидные клетки обозначены как n, где n – количество нитевидных молекул, а x – число моноплоидов.
Количество, присутствующее в организме, помогает отличить один вид от другого. Например, антилопа, как и человек, имеет 46, а у макаки 42 хромосомы. 48 хромосом имеют гориллы, а также картофель.
Но у кого больше всего нитевидных молекул? Ophioglossum reticulatum из семейства папоротниковых имеет их 1260. Есть даже те, у кого 2 хромосомы – это муравьи и аскариды. Ясно, что количество не коррелирует со сложностью организма.
Фактически количество нитевидных молекул у животных или растений определяется случайно. Количество может уменьшаться в результате слияния или увеличиваться в результате полиплоидии.
Структурные и функциональные компоненты хроматина
С целью определить, что такое хроматин на биохимическом уровне, ученые экстрагировали это вещество из клеток, переводили в раствор и в таком виде изучали компонентный состав и структуру. При этом использовались как химические, так и физические методы, включая технологии электронной микроскопии. Выяснилось, что химический состав хроматина на 40% представлен длинными молекулами ДНК и почти на 60% – различными белками. Последние подразделяются на две группы: гистоны и негистоновые.
Гистонами называют большое семейство основных ядерных белков, которые прочно связываются с ДНК, формируя структурный скелет хроматина. Их количество примерно равно процентному содержанию генетических молекул.
Остальная часть (до 20%) протеиновой фракции приходится на ДНК-связывающие и пространственно-модифицирующие белки, а также ферменты, принимающие участие в процессах считывания и копирования генетической информации.
Помимо основных элементов, в составе хроматина в небольшом количестве обнаруживаются рибонуклеиновые кислоты (РНК), гликопротеиды, углеводы и липиды, однако вопрос об их ассоциации с ДНК-упаковочным комплексом до сих пор открыт.
Из чего состоит хромосома
У хромосом выявлено нитевидное строение, обнаруженное в ядрах как животных, так и растений. Они сделаны из белка и одной молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты.
ДНК – это хранилище генетических инструкций, позволяющее производить белки и клеточные процессы, которые необходимы для жизни и передаются из поколения в поколение. Все фрагменты ДНК состоят из последовательностей генов, содержащих инструкции для развития, размножения и, в конечном итоге, гибели каждой клетки. Каждая из цепей ДНК может содержать от 10000 до 100000000 нуклеотидов.
ДНК разбивается на одноцепочечные полинуклеотидные цепи, чтобы обнажить генные последовательности, которые можно скопировать в РНК (мРНК, рибонуклеиновая кислота). Эта мРНК имеет четыре нуклеотидных основания, расположенных в различных комбинациях из трех, и похожа на ДНК.
Рибосомы читают эти три основанные на нуклеотиде последовательности и переводят их, чтобы сформировать аминокислотную последовательность белка. Каждая последовательность кодирует одну из 20 аминокислот.
Сначала аминокислоты образуют длинную цепь, называемую полипептидной цепью. Затем эта цепь претерпевает конформационные и структурные изменения, сворачиваясь и складываясь над собой, пока не будет достигнута окончательная сложная структура белка.
Нитевидные молекулы также содержат ДНК-связанные белки или гистоны, которые консолидируют и стабилизируют ДНК и регулируют ее функции.
Они могут иметь конденсированную ДНК, организованную вокруг гистоновых белков с образованием хроматина. Хроматин позволяет встраивать длинные цепи ДНК в ядро. При делении они образуют плотные небольшие нитевидные структуры, которые необходимо реплицировать, прежде чем они будут равномерно разделены на две новые клетки, чтобы каждая из них имела одинаковое количество нитевидных молекул.
Детальный процесс образования и структура представлена на рисунке ниже.
Когда клетки тела делятся (митоз), образуется метафазная нитевидная молекула (у строения дополнительно имеется вторичная перетяжка и спутник). Две копии 23 хромосом передаются на каждую дочернюю клетку, давая им обоим полный набор из 46 хромосом.
Когда гаметы (яйцеклетки или сперматозоиды) делятся (мейоз), только половина передается на дочерние, так как они образуют полный набор при слиянии с другой гаметой во время оплодотворения, после чего полученная зигота будет иметь 23 пары нитевидных молекул с половиной от каждого родителя.
Эухроматин и гетерохроматин
Хроматин внутри клетки может быть уплотнен в различной степени в зависимости от стадии клетки в клеточном цикле. Хроматин в ядре содержится в виде эухроматина или гетерохроматина. Во время интерфазы, клетка не делится, а подвергается периоду роста. Большая часть хроматина находится в менее компактной форме, известной как эухроматин.
ДНК подвергается воздействию эухроматина, что позволяет проводить репликацию и транскрипцию ДНК. Во время транскрипции двойная спираль ДНК разматывается и открывается, чтобы можно было скопировать гены, кодирующие белки. Репликация и транскрипция ДНК необходимы для того, чтобы клетка синтезировала ДНК, белки и органеллы при подготовке к делению клеток (митоз или мейоз).
Небольшой процент хроматина существует как гетерохроматин во время интерфазы. Этот хроматин плотно упакован, что не позволяет проводить транскрипцию гена. Гетерохроматин окрашивается красителями в более темный цвет, чем эухроматин.
Функции органоидов клетки
Каждый органоид выполняет определённые функции, совместная их работа составляет единый сплочённый организм. Так, например:
- клеточная мембрана обеспечивает транспортирование веществ внутрь клетки и из неё;
- внутри ядра находится генетический код, который передаётся из поколения в поколение. Именно ядро регулирует работу других органелл клетки;
- энергетическими станциями организма являются митохондрии. Именно здесь образуется вещество АТФ, при расщеплении которого выделяется большое количество энергии.
Рис. 2. Строение митохондрий
- на стенках аппарата Гольджи синтезируются жиры и углеводы, которые необходимы для построения мембран других органоидов;
- лизосомы расщепляют ненужные жиры и углеводы, а также вредные вещества;
- рибосомы синтезируют белок;
- клеточный центр (центриоли) играют важную роль в образовании веретена деления во время митоза клетки.
Рис. 3. Центриоли.
В отличие от растительной клетки у животной отсутствуют вакуоли. Однако могут образовываться временные маленькие вакуоли, которые содержат вещества для удаления из организма.
От констатации фактов к раскрытию механизмов
Учитывая очевидную функциональную роль 3D-организации генома, важно понять, как эта организация складывается и какие силы ее поддерживают. Что касается ТАДов, то существуют две не исключающие друг друга модели
Одна из них, которую можно назвать моделью динамического выпетливания ДНК (DNA loop extrusion), постулирует, что в сегментах генома, ограниченных конвергентными сайтами связывания архитектурного белка CTCF, происходит динамическое выпетливание хроматиновой фибриллы, которое может начаться в любой точке и продолжается до сайта связывания CTCF. В результате в разных клетках рядом оказываются разные участки данной области генома. При интеграции данных по клеточной популяции получается домен, внутри которого предпочтительно реализуются пространственные контакты ДНК. Эта модель подробно обсуждается в недавней статье на «Биомолекуле»: «Организовать геном: запутанная история гипотез и экспериментов» .
У всех ли есть ядро?
Все живые существа, от самых мелких до гигантских, снабжены генетической информацией в виде дезоксирибонуклеиновой кислоты. Существуют две принципиально отличные формы представления ее в клетках:
- Прокариотические организмы (доядерные) имеют не разделенные на компартменты клетки. Хранилище их единственной кольцевой ДНК, не соединенной с белками, это просто участок цитоплазмы, называемый нуклеоидом. Репликация нуклеиновой кислоты и синтез белков проходят у прокариот в едином пространстве клеток. Мы не увидим их невооруженным глазом, ведь представителями этой группы организмов являются микроскопические, размером до 3 мкм, бактерии.
- Эукариотические организмы характеризуются более сложным устройством клетки, где наследственная информация защищена двойной мембраной ядра. Линейные молекулы ДНК совместно с белками-гистонами образуют хроматин, активно продуцирующий РНК при помощи полиферментных комплексов. Синтез белка происходит в цитоплазме на рибосомах.
Оформленное ядро в клетках эукариот можно увидеть в период интерфазы. В кариоплазме содержится белковый остов (матрикс), ядрышки и нуклеопротеиновые комплексы, состоящие из участков гетерохроматина и эухроматина. Это состояние ядра сохраняется до момента начала деления клетки, когда оболочка и ядрышки исчезают, а хромосомы приобретают компактную палочковидную форму.
