Хромосомний рівень організації генетичного матеріалу

Хромосома складається з однієї-єдиної неймовірно довгої молекули ДНК, що містить безліч генів. ДНК еукаріот тісно пов'язана з великою кількістю гістонів, які служать для утворення безлічі часток, що повторюються, які містять гістонові білки і ДНК, і називаються нуклеосомами. Нуклеосоми упаковані разом в регулярну структуру фібрилу діаметром 30 нм.

Хромосоми в залежності від періоду і фази клітинного циклу міняють свою будову. У інтерфазі вони утворять ядерні структури - хроматин. При переході клітки до мітозу, особливо в метафазі, хроматин набуває вигляд добре помітних окремих інтенсивно забарвлених тілець - хромосом.

Кожна інтерфазна хромосома містить одну молекулу ДНК, що містить велику кількість генів. Геном людини містить 3,5х10⁹ нуклеотидних пар, що достатньо для утворення 1,5 млн. генів. Однак, дослідження показують, що організм людини має приблизно 100000 білків, а значить приблизно стільки ж генів. Це означає, що в організмі використовується 1% нуклеотидних послідовностей ДНК - тільки 1% записаної інформації. Значна частина генома використовується на процеси ембріонального розвитку, диференціювання, росту і в подальшому не експресується. Інша значна частина надмірної ДНК входить до складу інтронів. І ще більша частина ДНК представлена багаточисельними родинами, які не мають смислу повторюючих послідовностей (сателітна ДНК).

Хроматин (хромосома) представлений спіралізованими нитками. При цьому виділяється декілька рівнів спіралізації (компактизації) хроматину:

Ø нуклеосомна організація забезпечується чотирма видами нуклеосомних гістонів: Н2А, Н2В, Н3, Н4. Вони утворюють білкові тіла кори, що складаються з 8 молекул (по дві молекули кожного виду гістонів). Молекула ДНК комплексується з білковими корами, спірально накручуючись на них. У контакті з кожним кором виявляється дільниця днк, що складається з 230 пар нуклеотидів. Вільні від контакту з білковими тілами ділянки ДНК називають лінкерними. Вони включають від 15 до 100 п.н. (в середньому 60 п.н.) в залежності від типу клітини. Відрізок молекули ДНК довжиною біля 200 п.н. разом з білковим кором складає нуклеосому.

Рис. 5. Нуклеосомна організація хроматину: молекула ДНК накручена на білкові кори.

Ø Хроматинова фібрила. Подальша компактизація нуклеосомної нитки забезпечується гістоном н1, який, сполучаючись з лінкерною днк і двома сусідніми білковими тілами, зближує їх один з одним. У результаті утворюється більш компактна структура, побудована, можливо, по типу соленоїда.

Ø Інтерфазна хромонема. Даний рівень зумовлений укладанням хроматинової

фібріли в петлі. У їх утворенні, мабуть, беруть участь негістонові білки, які здатні пізнавати специфічні нуклеотидні послідовності позануклеосомної днк, віддалені один від одного на відстань в декілька тисяч пар нуклеотидів. Дільниця днк, відповідна одній петлі, містить від 20 000 до 80 000 п.н. Можливо, кожна петля є функціональною одиницею генома.

Неоднакова ступінь компактизації різних ділянок інтерфазних хромосом має велике функціональне значення. У залежності від стану хроматина виділяють эухроматинові ділянки хромосом, що відрізняються меншою щільністю упаковки в клітинах, що не діляться і потенційно транскрибуючі, і гетерохроматинові ділянки, що характеризуються компактною організацією і генетичною інертністю (так як транскрипції не відбувається).

Хроматинова фібрила 30 нм

Домен в формі петлі

Хроматинова фібрила 30 нм

Домен в формі петлі

Білки, що утворюють хромосомну вісь

Рис. 6. Хроматинова фібрила діаметром 30 нм; можлива модель упаковки ДНК в хроматиновій фібрілі.

 

 

Метафазна хромосома. Вступ клітини з інтерфази в мітоз супроводжується суперспіралізацією хроматина. Цей процес починається в профазі, досягаючи свого максимального вираження в метафазі мейозу та анафазі мітозу.

Ця суперспіралізація, що зменшує лінійні розміри ДНК з 5 см до 5 мкм, супроводжується фосфорилюванням всіх молекул гістону Н1, присутніх в клітині, по п'яти сериновим залишкам. У зв'язку з тим, що гістон Н1 зв'язує між собою нуклеїнові частки, його фосфорилювання може грати ключову роль в конденсації хромосом в процесі мітозу.

На рис. 7 зображена типова митотична хромосома на стадії метафази. Дві дочірні молекули ДНК упаковуються нарізь і утворять сестринскі хроматиди, які утримуються разом з допомогою центроміри. Під електронним мікроскопом видно, що кожна хроматида побудована з хроматинових петель, що відходять від центральної осі. Різні способи упаковки довгої спіралі ДНК представлені на мал. 3. У мітотичній хромосомі хроматин транскрипційно неактивний: синтез РНК з початком конденсації хромосом припиняється. Експериментально доведено, що поперекова смугастість, характерна для мітотичних хромосом, відображає порядок розташування генів в молекулі ДНК. Описана мітотична суперспіралізація полегшує розходження хромосом до полюсів мітотичного веретена в анафазі мітозу.

 

Ціла метафазна хромосома

Конденсована ділянка метафазної хромосоми

Частка хромосоми в розтягнутому вигляді

Короткий відрізок подвійної спіралі ДНК

Хроматин в формі „намиста на нитці”

Хроматинова фібрила (30нм), що складається із упакованих нуклеусом

Рис.. 7. Схема, що ілюструє різні рівні упаковки хроматин
хроматида

 

Виконайте завдання:

Завдання 1. Хворому при лікуванні був призначений гормон наднирників кортизон, одним з проявів дії якого є різка стимуляція процесів біосинтезу білка в клітинах. У зв'язку з цим відбуваються структурно-функціональні зміни.

1) які морфологічні зміни можливі з боку ядер клітин (показати на одній з електронних мікрофотографій.

2) з якими функціональними змінами в ядрі будуть пов'язані вказані вами структурні зміни?

3) які морфологічні зміни стануться в цитоплазмі кліток?

Завдання 2. Раніше деякі дослідники вважали, що гетерохроматин - це скупчення найбільш активних в даний момент генів (генів, з яких списується в даний момент інформація). Як можна, користуючись методом електронної мікроскопії, отримати докази неправдивості цього припущення?

Завдання 3. Культивували дві клітинні культури. Після внесення в обидві культури амінокислоти гліцину, міченої радіоактивною міткою, в клітинах цих культур в ділянці рибосом було виявлене скупчення радіоактивних міток, причому в одній з них накопичення міток було більш активним. Ядра клітин якої культури знаходяться в більш активному стані? Які особливості морфології цих ядер можна виявити при електронному микроскопіюванні?

Завдання 4. Скільки генів функціонує на ділянці молекули днк, що містить 10 тис. Пар нуклеотидів, якщо її конденсована частина укладена на 20 нуклеосомах?

Завдання 5. Визначити довжину кожного плеча хромосоми, якщо вся її довжина 0,6 мкм., а центромірний індекс 0,25.

1. Провести лабораторну роботу:

Завдання 1. “Лейкопласти і хлоропласти в клітинах епідермісу листа традесканції”.

Підготовлений лист традесканції обгортають навколо вказівного пальця лівої руки, так щоб нижня шкірка була зовні. Препарувальною голкою надривають шкірку над центральною жилкою і відділяють її. Зірваний шматочок кладуть зовнішньою стороною на предметне скло і накривають покривним. При малому збільшенні виявляють довгасті клітки у вигляді правильних шестикутників. Знаходять клітини з добре помітним ядром. При великому збільшенні звертають увагу на те, що клітини епідерми тонкостінні, щільно зімкнені між собою, клітинні ядра оточені дрібними безбарвними кулеподібними тельцями - лейкопластами. Цитоплазма клітин ледве помітна і має вигляд зернистої кульки і зернистих тяжів, що тягнуться від ядра до стінок клітини. Якщо шкірку зняти з інших ділянок, то серед довгастих кліток видні продихи.

Замалювати 2-3 клітки епідерми і зробити відповідні позначення:

1- Клітинна стінка,

2- Ядро,

3- Лейкопласти,

4- Тяжи цитоплазми,

5- Хлоропласти.

Завдання 2. Приготувати тимчасовий препарат (сінна паличка, синьо-зелені водорості). Вивчити препарати прокаріотичних клітин, відмітити різноманітність форм – паличковидні або круглі, а також розмір клітин. Звернути увагу на морфологічну особливість організації прокаріот – відсутність ядра. Замалювати при великому збільшенні.

Завдання 3. Вивчити будову еукаріотичних клітин в складі тканини при малому і великому збільшенні мікроскопу. Порівняйте будову тваринної клітини епітелію шкіри жаби і рослинної клітини – мікропрепарату луски цибулі. Відмітьте, що вони відріняються розмірами та формою, розташуванням і конфігурацією ядра, будовою оболонок.

Завдання 4. Приготувати тимчасовий препарат луски цибулини, пофарбувавши його розчином йоду. Розглянути препарат при малому збільшенні мікроскопу. На препараті видно групу втягнутих клітин, майже прямокутних. Великі округлі ядра в клітинах пофарбовані в жовто-коричневий колір. Переведіть об’єктив мікроскопу на збільшенні х40 і знайдіть двохконтурну оболонку клітини, зверніть увагу на її товщину. При уважному розгляданні цитоплазми видно зернисту її структуру. Овально-округлі ядра займають звичайно центральне положення клітини. В ядрі знаходиться 1-2 ядерця. Не пофарбовані пустоти в цитоплазмі клітини – це вакуолі. Замалюйте декілька клітин. На рисунку повинні бути позначені: 1) оболонка; 2) цитоплазма; 3) ядро; 4) вакуолі (якщо їх видно).