5. Материалы для самоподготовки:

5.1. Вспомогательный учебный материал

Структура хромосом

Хромосомы — структуры клетки, хранящие и передающие наследственную информацию. Хромосома состоит из ДНК и белка. Комплекс белков, связанных с ДНК, образует хроматин. Белки играют важную роль в упаковке молекул ДНК в ядре (рис. 2).

ДНК в хромосомах упакована таким образом, что умещается в ядре, диаметр которого обычно не превышает 5 мкм (5-10^{- 4} см). Строение хромосомы лучше всего видно в метафазе митоза.

Хромосома представляет собой палочковидную структуру и состоит из двух сестринских хроматид, которые удерживаются центромерой в области первичной перетяжки (рис.1). Каждая хроматида построена из хроматиновых петель. Хроматин не реплицируется. Реплицируется ДНК.

Рис 1. Хромосома до и после репликации.

С началом репликации ДНК синтез РНК прекращается. Хромосомы могут находиться в двух состояниях: конденсированном (неактивном) и деконденсированном (активном).

Диплоидный набор хромосом организма называют кариотипом. Современные методы исследования позволяют определить каждую хромосому в кариотипе. Для этого учитывают распределение видимых под микроскопом светлых и темных полос в хромосомах, обработанных специальными красителями. Поперечной исчерченностью обладают хромосомы представителей разных видов. У родственных видов, например у человека и шимпанзе, очень сходный характер чередования полос в хромосомах.

Каждый вид организмов обладает постоянным числом, формой и составом хромосом. В кариотипе человека 46 хромосом — 44 аутосомы и 2 половые хромосомы. Мужчины гетерогаметны (ХУ), а женщины гомогаметны (XX). У-хромосома отличается от Х-хромосомы отсутствием некоторых аллелей (например, аллеля свертываемости крови). Хромосомы одной пары называют гомологичными. Гомологичные хромосомы в одинаковых локусах несут аллельные гены.

Число, величина и форма хромосом в ядрах клеток являются важными знаками каждого вида. Набор хромосом соматических клеток данного вида называется кариотипом.

Хроматиды соединены друг с другом в области первичной перетяжки – центромеры. Центромеры делят хромосомы на два плеча (рис. 2).

Рис. 2. Субмикроскопическое строение хромосомы

В зависимости от места расположения центромеры различают следующие типы хромосом (рис.3):

Рис.3. классификация хромосом по месту расположения первичной перетяжки

1,7 - метацентрические (равноплечие); 2- субметацентрические (неравноплечие); 3,4,5 - акроцентрические (палочковидные); 9- спутничные (имеют вторичную перетяжку, которая отделяет небольшой участок хромосомы, называемый спутником), 6- телоцентирические (перетяжка располагается терминально).

Таб. 1. Денверская классификация хромосом.

Хроматин — это вещество хромосом, представляющее собой комплекс ДНК, РНК и белков

В структуру хроматина входят нуклеосомы. Молекулы ДНК упаковываются при помощи гистонов в спираль меньшей длины. Нуклеосомы — дискообразные частицы диаметром около 11 нм. Каждая нуклеосома состоит из набора 8 молекул гистонов; по две молекулы Н2А, Н2В, Н3, Н4. Эти гистоны образуют протеиновый стержень, вокруг которого обвивается определенный сегмент двуспиральной молекулы ДНК (рис. 4).

Гистон Н1 соединяет нуклеосомы друг с другом. Нить ДНК продолжается от нуклеосомы к нуклеосоме. Каждая нуклеосома отделяется от следующей участком линкерной ДНК, которая представляет собой приблизительно 60 пар азотистых оснований. Приблизительно 200 пар азотистых оснований ДНК располагается на одной нуклеосоме (рис 5).

Хроматин обладает следующими свойствами: высокой стабильностью структуры, что обеспечивает постоянство генома из поколения в поколение; способностью связывать гистоновые и негистоновые белки в зависимости от активности генома; возможностью изменять структуру в различные периоды клеточного цикла; возможностью существовать в виде эухроматина и гетерохроматина; способностью формировать хромосомы при делении клетки.

Хроматин выполняет следующие функции:

1. Хранение генетической наследственной информации в виде строгой последовательности нуклеотидов ДНК, стабилизированной белками и специальной упаковкой.

2. Перенос наследственной характеристики от родителей к потомкам посредством формирования хромосом.

3. Обеспечение роста клеток, поддержание их структуры и функций путем управления синтезом структурных белков.

4. Контроль метаболизма путем регуляции образования необходимых ферментов.

5. Формирование ядрышек, где образуются субъединицы хромосом. В зависимости от степени конденсации (спирализации) хроматин подразделяется на гетерохроматин и эухроматин.

Гетерохроматин сильно уплотнен и генетически неактивен. Обычно 90 % хроматина находится в такой форме. На электронно-микроскопических фотографиях гетерохроматин выглядит как сильноокрашенные темные области ядра. Эухроматин — малоконденсированный, деспирализованный. Поэтому при электронной микроскопии выявляется в виде светлых участков ядра. С этих участков хроматина происходит считывание информации и образование РНК. В клетках с интенсивным синтезом белка эухроматина больше.

Половой хроматин (тельца Барра) — небольшое хроматиновое тельце, определяющееся в 70 % интерфазных ядер соматических клеток особей женского пола. Образуется в результате стойкой спирализации и инактивации одной из двух Х-хромосом. Исследование полового хроматина имеет диагностическое значение.

Рис. 4. Упаковка ДНК в хромосому.

Рис. 5. Взаимное расположение ДНК и гистоновых белков в структуре хроматина.

Правила хромосом.

1. Правило постоянства числа хромосом — соматические клетки организма каждого вида имеют строго определенное число хромосом (у человека — 46, у кошки — 38, у мушки дрозофилы — 8, у собаки — 78, у курицы — 78).

2. Правило парности хромосом — каждая хромосома в соматических клетках имеет такую же идентичную по размерам, форме, но не одинаковую по происхождению хромосому: одну — от отца, другую — от матери.

3. Правило индивидуальности хромосом — каждая пара хромосом отличается от другой пары размером, формой, которая зависит от расположения центромеры,чередованием светлых и темных полос, которые выявляются при дифференциальной окраске.

4. Правило непрерывности хромосом — перед делением клетка ДНК удваивается и к каждой из двух исходных нитей достраивается по принципу комплементарности новые нити ДНК, в результате образуются две молекулы ДНК, из которых получаются две сестринские хроматиды. Комплементарные нуклеотидные последовательности — это полинуклеотидные последовательности, которые взаимодействуют между собой в соответствии с правилом спаривания азотистых оснований: аденин (А) образует пару с тимином (Т) и т. д. После деления в дочерние клетки попадает по одной хроматиде, таким образом, хромосомы непрерывны: хромосомы от хромосом.

Хромосомный анализ основан на подсчете количества хромосом. Хромосомные аномалии характеризуются большим или меньшим их числом. Второй тип хромосомных аномалий связан с нарушениями структуры хромосом. Исследование кариотипа производится на препаратах метафазных хромосом, получаемых из культуры лимфоцитов периферической крови, костного мозга, кожи.

Идиограмма (idiogram) [греч. idio — особый, свой, собственный и gramma — буква, запись] — графическое изображение кариотипа или отдельных хромосом со всеми структурными характеристиками: положение центромеры, спутников, хромомер и гетерохроматина, абсолютная длина плеч и др.

Рис 7. Идиограммы мужчины

Рис 8. Идиограммы женщины.

Тесты:

1. Ядра клеток обработали препаратом, который разрушил структуру гистона. Какие компоненты клетки изменятся вследствие этого в первую очередь

А. Рибосомы

Б.Ядерная оболочка

В. Хромосомы

Г. Митохондрии

Д. Плазматическая мембрана

2. Анализируется идиограмма кариотипа мужского организма. В диплоидном наборе нормальной соматической клетки обнаружены хромосомы. При подсчете их оказалось…

А.22 пары.

Б.23 пары.

В.24 пары.

Г.46 пар.

Д.44 пары.

3. Анализ идиограммы кариотипа женщины позволил установить, что в Х-хромосоме центромера расположена почти посередине. Такая хромосома имеет название:

А. Спутничная.

Б. Субакроцентрическая

В. Телоцентрическая.

Г. Акроцентрическая.

Д. Субметацентрическая.

4. Среди органических веществ клетки найден полимер, который состоит из десятков, сотен и тысяч мономеров. Молекула способна самовоспроизводиться и быть носителем информации. С помощью рентгеноструктурного анализа обнаружено, что молекула состоит из двух спирально закрученных нитей. Укажите это органическое соединение:

А. Целлюлоза

Б.РНК

В. ДНК

Г.Углевод

Д.Гормон

5. На электронной микрофотографии научный работник обнаружил структуру, образованную восемью молекулами белков и участком молекулы ДНК, которая делает около 1,75 оборотов вокруг них. Какую структуру обнаружил исследователь

А. Нуклеосому

Б. Элементарную фибриллу

В. Полухроматиду

Г. Хроматиду

Д. Хромосому

6. Ядрышко в ядре обеспечивает: А. Образование субъединиц рибосом

Б. Образование молекул т-РНК

В. Образование молекул только и-РНК

Г. Образование структур одномемранных органелл

Д. Образование структур одномемранных органелл и рибосом

7. Что такое идиограмма?

А. Схематичное изображение всех субметацентрических хромосом клетки

Б. Схематичное изображение всех метацентрических хромосом клетки

В. Схематичное изображение всех акроцентрических хромосом клетки

Г. Графическое изображение кариотипа

Д. Графическое изображение ядрышка.

Задачи для контроля знаний:

Задача 1. Определить длину каждого плеча хромосомы, если вся ее длина 0,6 мкм., а центромерний индекс 0,25.

Задача 2. Ранее некоторые исследователи считали, что гетерохроматин - это скопление наиболее активных в данный момент генов (генов, с которых списывается в данный момент информация). Как можно, пользуясь методом электронной микроскопии, получить доказательства неверности данного предположения?