Упаковка днк у хромосомах. Чотири рівні упаковки ДНК

Хромосоми- структури клітини, що зберігають та передають спадкову інформацію. Хромосома складається з ДНК та білка. Комплекс білків, пов'язаних із ДНК, утворює хроматин. Білки відіграють важливу роль в упаковці молекул ДНК у ядрі.

ДНК у хромосомах упакована таким чином, що вміщується в ядрі, діаметр якого зазвичай не перевищує 5 мкм (5-10 – 4 см). Упаковка ДНК набуває вигляду петельної структури, схожої на хромосоми типулампових щіток амфібій або політенних хромосом комах. Петлі підтримуються за допомогою білків, які впізнають певні послідовності нуклеотидів та зближують їх. Будова хромосоми найкраще видно у метафазі мітозу.

Хромосома є паличкоподібною структурою і складається з двох сестринських хроматид, які утримуються центроміром в області первинної перетяжки. Кожна хроматида побудована з хроматинових петель. Хроматин не реплікується. Реплікується лише ДНК.

Перший рівень компактизації ДНК – нуклеосомний.. Якщо піддати дії нуклеази хроматин, то він і ДНК, піддаються розпаду на структури, що регулярно повторюються. Після нуклеазної обробки хроматину шляхом центрифугування виділяють фракцію частинок зі швидкістю седиментації 11S. Частинки 11S містять ДНК близько 200 нуклеотидних пар та вісім гістонів. Така складна нуклеопротеїдна частка отримала назву Нуклеосоми. У ній гістони утворюють білкову основу-серцевину, по поверхні якої розташовується ДНК. ДНК утворюють ділянку, з білками серцевини не пов'язану, - Лінкер, Який, з'єднуючи дві сусідні нуклеосоми, перетворюється на ДНК наступної нуклеосоми. Вони утворюють «намистинки», глобулярні утворення близько 10 нм, що сидять один за одним на витягнутих молекулах ДНК. Другий рівень компактизації – 30 нм фібрилу. ПЕрвий, нуклеосомний, рівень компактизації хроматину відіграє регуляторну та структурну роль, забезпечуючи щільність упаковки ДНК у 6-7 разів. У мітотичних хромосомах та інтерфазних ядрах виявляються фібрили хроматину з діаметром 25-30 нм. Вирізняють соленоїдний тип укладання нуклеосом: нитка щільно упакованих нуклеосом діаметром 10 нм утворює витки з кроком спіралі близько 10 нм. На один виток такої суперспіралі припадає 6-7 нуклеосів. Внаслідок такої упаковки виникає фібрила спірального типу з центральною порожниною. Хроматин у складі ядер має 25-нм фібрили, яка складається зі зближених глобул того ж розміру. Нуклеомірів. Ці нуклеомери називають надбусинами («супербіди»). Основна фібрила хроматину діаметром 25 нм є лінійним чергуванням нуклеомерів уздовж компактизованої молекули ДНК. У складі нуклеоміра утворюються два витки нуклеосомної фібрили, по 4 нуклеосоми в кожному. Нуклеомерний рівень укладання хроматину забезпечує 40-кратне ущільнення ДНК. Нуклесомний та нуклеомерний (супербідний) рівні компактизації ДНК хроматину здійснюються за рахунок гістонових білків. Петлеві домени ДНК-третій рівень структурної організації хроматину. У вищих рівнях організації хроматину специфічні білки зв'язуються з особливими ділянками ДНК, яка у місцях зв'язування утворює великі петлі або домени. У деяких місцях є згустки конденсованого хроматину, розеткоподібні утворення, що складаються з багатьох петель 30 нм-фібрил, що з'єднуються у щільному центрі. Середній розмір розеток сягає 100-150 нм. Розетки фібрил хроматину Хромоміри. Кожен хромомер складається з декількох петель, що містять нуклеосоми, які пов'язані в одному центрі. Хромомери пов'язані одна з одною ділянками нуклеосомного хроматину. Така петельно-доменна структура хроматину забезпечує структурну компактизацію хроматину і організує функціональні одиниці хромосом - реплікони та гени, що транскрибуються.

Типи метафазних хромосом, їх будова. Розрізняють чотири типи будови хромосом: тілоцентричні(паличкоподібні хромосоми з центроміром, розташованої на проксимальному кінці); акроцентричні(Паличкоподібні хромосоми з дуже коротким, майже непомітним другим плечем);

субметацентричні(З плечима нерівної довжини, що нагадують за формою букву L); метацентричні(V-подібні хромосоми, що мають плечі рівної довжини). Тип хромосом є постійним для кожної гомологічної хромосоми і може бути постійним у всіх представників одного виду чи роду

Хромосоми синтетично неактивні. Будівлю хромосом найкраще вивчати

в останній момент їх найбільшої конденсації, тобто. у метафазі та на початку анафази мітозу.

Кожна хромосома в метафазі мітозу складається з двох хроматид,

утворених у результаті редуплікації, і з'єднаних центроміром

(Первинною перетяжкою). У центральній частині центроміру знаходяться кінетохори, до яких під час мітозу прикріплюються мікротрубочки ниток веретена. В анафазі хроматиди відокремлені один від одного. З них утворюються дочірні хромосоми, що містять однакову генетичну інформацію. Центромера ділить хромосому на два плечі. Хромосоми з рівними плечима називають рівноплечими або метацентричними, з плечами неоднакової довжини – нерівноплечими – субметацентричними, з одним коротким і другим майже непомітним – паличкоподібними або акроцентричними (рис. 48).

Деякі хромосоми мають вторинну перетяжку, що відокремлює супутник.

Вторинні перетяжки називають ядерцевими організаторами. Вони в інтерфазі

відбувається утворення ядерця. У ядерцевих організаторах знаходиться ДНК, що відповідає за синтез р-РНК. Плечі хромосом закінчуються ділянками,

званими теломерами, не здатними з'єднуватися з іншими хромосомами.

Число, розмір і форма хромосом у наборі різних видів можуть варіювати.

Сукупність ознак хромосомного набору називають каріотипом

Хромосомний набір специфічний та постійний для особин кожного виду. У

людини 46 хромосом, у миші - 40 хромосом і т.д. У соматичних клітинах, що мають диплоїдний набір хромосом, парні хромосоми. Їх називають гомологічними. Одна хромосома у парі походить від материнського організму, інша – від батьківського. Зміни у структурі хромосом чи серед них виникають у результаті мутацій. Кожна пара хромосом у наборі індивідуальна. Хромосоми із різних пар називають негомологічними.

глотку. У цитоплазмі є численні травні вакуолі, на задньому кінці тіла знаходиться порошок. Є дві скорочувальні вакуолі. До великого макронуклеуса впритул прилягає мікронуклеус. Інфузорії здатні інцистуватись. Самі інфузорії та їх цисти можуть тривалий час зберігати життєздатність поза організмом господаря. У водопровідній воді інфузорії виживають до 7 діб. Цисти залишаються живими у вологому середовищі (при кімнатній температурі) до двох місяців. Балантидій локалізується в товстому (іноді в тонкому) кишечнику у людини, викликаючи виразки його стінок. Клінічно це тяжке захворювання виявляється у кривавому проносі, коліках, лихоманці та м'язовій слабкості. Основним джерелом поширення балантидіазу є свині, заражені балантидіями. Балантидій у кишечнику свиней утворюють цисти, які з фекаліями потрапляють у зовнішнє середовище і зберігаються там тривалий час. Зараження людини відбувається при занесенні цист у травний тракт із брудними руками чи їжею.

Часто на балантидіаз хворіють люди, пов'язані з роботою з догляду за

свинями або з обробкою свинини. Діагноз ставлять при знаходженні балантидії у фекаліях.

Квиток 11 Реалізація генетичної інформації у клітині. Регуляція активності генів про- та еукаріотів. 2. Онтогенез, його періодизація. Морфо-функціональні та генетичні особливості статевих клітин.

Реалізація генетичної інформації - процес, що відбувається всередині кожноїживої клітини, під час якогогенетична інформація, записана вДНК, втілюється в біологічно активних речовинах -РНКібілках. Перехід генетичної інформації від ДНК до РНК і від РНК до білка є універсальним для всіх без винятку клітинних організмів. Уявлення про цей інформаційний потік називається центральною догмою молекулярної біології. Принципова схема реалізації генетичної інформації у про-і еукаріотів.
ПРОКАРІОТИ. Упрокаріотсинтезбілка рибосомою(трансляція) просторово не відокремлений відтранскрипціїі може відбуватися ще до завершення синтезумРНК РНК-полімеразою. Прокаріотичні мРНК часто поліцистронні, тобто містять кілька незалежнихгенів.
Еукаріоти. мРНКеукаріотсинтезується у вигляді попередника, пре-мРНК, який зазнає потім складне стадійне дозрівання -процесинг, що включає приєднаннякеп-структури до5" -кінцю молекули, приєднання кількох десятків залишківаденінадо неї3" -кінцю (поліаденілювання), вищеплення незначних ділянок -інтронівта з'єднання один з одним значущих ділянок -екзонів(сплайсинг). При цьому з'єднання екзонів однієї і тієї ж премРНК може проходити різними способами, приводячи до утворення різних зрілих мРНК, і в результаті різних варіантів білка (альтернативний сплайсинг). Тільки мРНК, що успішно пройшла процесинг, експортується з ядра в цитоплазму і залучається до трансляції.

2. Онтогенез – індивідуальний розвиток особини – починається з моменту злиття

сперматозоїда з яйцеклітиною та утворення зиготи, що закінчується смертю.

Внутрішньоутробна форма характерна для ссавців та людини. Усе

функції зародка здійснюються за рахунок організму матері, за допомогою

спеціального органу – плаценти.

Яйцеклітина - велика нерухома клітина, що володіє запасом поживних речовин. Розміри жіночої яйцеклітини становлять 150-170 мкм (набагато більше чоловічих сперматозоїдів, розмір яких 50-70 мкм). Функції поживних речовин різні. Їх виконують:

1) компоненти, необхідних процесів біосинтезу білка (ферменти, рибосоми, м-РНК, т-РНК та його попередники);

2) специфічні регуляторні речовини, які контролюють усі процеси, що відбуваються з яйцеклітиною, наприклад, фактор дезінтеграції ядерної оболонки

3) жовток, до складу якого входять білки, фосфоліпіди, різноманітні жири, мінеральні солі. Яйцеклітина зазвичай має кулясту або злегка витягнуту форму, містить набір тих типових органел, що будь-яка клітина. Як і інші клітини, яйцеклітина відмежована плазматичною мембраною, але зовні вона оточена блискучою оболонкою, що складається з мукополісахаридів (отримала свою назву за оптичні властивості). Блискуча оболонка покрита променистим вінцем, або фолікулярною оболонкою, яка є мікроворсинками фолікулярних клітин. Вона грає захисну роль, живить яйцеклітину. Яйцеклітина позбавлена ​​апарату активного руху. За 4–7 діб вона проходить по яйцеводі до порожнини матки відстань, яка становить приблизно 10 см. Для яйцеклітини характерна плазматична сегрегація. Це означає, що після запліднення в яйці, що ще не дробиться, відбувається такий рівномірний розподіл цитоплазми, що надалі клітини зачатків майбутніх тканин отримують її в певній закономірній кількості.

Подібна інформація.

Молекули ДНК у еукаріотичних клітинах дуже великі. Так, довжина молекул ДНК, виділених із клітин людини, сягає кількох сантиметрів. Прийнято вважати, кожна еукаріотична хромосома містить одну - єдину безперервну молекулу ДНК. Враховуючи видову кількість хромосом у ссавців, можна сказати, що в середньому у них на інтерфазне ядро ​​припадає близько 2 м ДНК, що знаходиться у сферичному ядрі діаметром менше 10 мкм. При цьому в ядрі повинен зберігатися певний порядок розташування молекул ДНК, щоб забезпечити впорядковане її функціонування.

Молекули ДНК у ядрах еукаріотичних клітин завжди перебувають у комплексі з білками у складі хроматину, що утворюється з хромосом після закінчення поділу ядер у результаті складного процесу розкручування (деспіралізації) хромосом.

Перед білків припадає близько 60% сухої ваги хроматину. Білки у його складі дуже різноманітні. Зазвичай їх поділяють на дві групи: гістони та негістонові білки. Саме гістони, характерні тільки для еукаріотів, здійснюють перші етапи упаковки ДНК, дуже схожі у більшості вивчених об'єктів. Перед гістонів припадає до 80% всіх білків хроматину. Їхня взаємодія з ДНК відбувається за рахунок іонних зв'язків і не залежить від послідовності нуклеотидів у складі молекули ДНК. Гістони не відрізняються великою різноманітністю. Це глобулярні білки, які представлені 5-7 типами молекул. Найбільш відомі такі класи гістонів: HI, Н2А, Н2В, НЗ та Н4. Їхні основні властивості визначаються відносно високим вмістом основних амінокислот: лізину та аргініну (рис. 3.7). Позитивні заряди на аміногрупах зазначених амінокислот забезпечують електростатичний зв'язок гістонів із негативними зарядами на фосфатних групах ДНК. З усіх ядерних білків гістони вивчені найбільш добре. Їхня молекулярна маса відносно невелика (максимальна - у гістона НЗ - 153 тис. даль-тон). Практично у всіх еукаріотів вони мають подібні властивості і поділяються на одні й ті ж класи. З досліджених ці білки найбільш консервативні: їх амінокислотні послідовності близькі навіть віддалених видів. Виняток становлять гістони HI, для яких характерні значні міжвидові та міжтканинні варіації. У процесі життєдіяльності клітин гістони можуть піддаватися посттрансляційним модифікаціям, що змінює їх властивості та здатність зв'язуватися з ДНК. Гістони синтезуються в

Мал. 3.8.Схема розташування ДМК та гістонів у нуклеосомі

цитоплазмі, переносяться в ядро ​​і зв'язуються з ДНК під час її реплікації в S-періоді клітинного циклу. Гістони, що включилися в хроматин, дуже стабільні і мають низьку швидкість обміну.

Присутність гістонів у всіх еукаріотичних клітинах, їх схожість навіть у дуже віддалених видів, обов'язковість у складі хромосом та хроматину – все це говорить про надзвичайно важливу роль цих білків у життєдіяльності клітин. Етапною подією до вивчення упаковки ДНК у складі хроматину стало відкриття нуклеосом - частинок, у яких відбувається перший етап упаковки ДНК у хроматині. Серцевина нуклеосоми завжди консервативна, містить вісім молекул: дві молекули гістонів Н4, НЗ, Н2А, Н2В. По поверхні серцевини розташовується ділянка ДНК із 146 нуклеотидних пар, що утворює 1,75 обертів навколо серцевини. Невелика ділянка ДНК залишається непов'язаною із серцевиною, вона називається лінкером (рис. 3.8). У різних об'єктах лінкерна ділянка може варіювати від 8 до 114 пар нуклеотидів на нуклеосому. Розраховано, що на весь гаплоїдний геном людини (3×109 пар основ) припадає 1,5×107 нуклеосом. Загальний вигляд хроматину, представленого молекулою ДНК, упакованою за допомогою нуклеосомних структур, можна порівняти з намистом на нитці (рис. 3.9). Нуклеосоми здатні до самоскладання за наявності у пробірці ДНК та гістонів у певному співвідношенні. Перший нуклеосомний рівень компактизації ДНК збільшує щільність упаковки ДНК в 6-7раз.

У наступний етап упаковки нуклеосомна структура хроматину залучається за допомогою гістону HI,

Мал. 3.9.Електронна мікрофотографія еукаріотичного хроматину,
на якій видно нуклеосоми, з'єднані тяжами вільної ДНК

який зв'язується з лінкерною частиною ДНК та поверхнею нуклеосоми. Завдяки складній взаємодії всіх компонентів виникає упорядкована структура спірального типу, яку часто називають соленоїдом (рис. 3.10). Вона збільшує компактність ДНК ще в 40 разів. Оскільки соленоїдна структура має знижену здатність зв'язуватися з білками, що забезпечують транскрипцію, то вважається, що цей рівень компактизації ДНК може грати роль фактора, що інактивує гени. Деякі автори розглядають соленоїдну структуру як один із можливих варіантів упаковки хроматину за допомогою гістону HI і вважають

Імовірним є існування та інших морфологічних варіантів, наприклад, нуклеомер, або надбусин (рис. 3.11).

Вищі рівні компактизації ДНК у хроматині пов'язані з негістоновими білками. На частку припадає близько 20% всіх білків хроматину. Цю збірну групу білків відрізняє широкий спектр властивостей та функцій. Усього фракція негістонових білків об'єднує близько 450 індивідуальних білків, властивості та конкретні функції яких ще мало вивчені. З'ясовано, що деякі з них специфічно зв'язуються з певними ділянками ДНК, внаслідок чого фібрили хроматину у місцях зв'язування ДНК з негістоновими білками утворюють петлі. Таким чином, вищі рівні упаковки ДНК у складі хроматину забезпечуються не спіралізацією ниток хроматину, а утворенням поперечної петлистої структури вздовж хромосоми (рис. 3.12). На всіх зазначених етапах компактизації ДНК хроматин представлений в активній формі, у ньому відбувається транскрипція, синтез усіх типів РНК молекул. Такий хроматин називають еухроматином. Подальша упаковка хроматину веде до переходу їх у неактивний стан з утворенням гетерохроматину. Цей процес пов'язаний зі спіралізацією груп петель та утворенням з фібрил хроматину розеткоподібних.

Мал. 3.12.Петлеподібна та хромомірна компактизація хроматину

структур, які мають оптичну та електронну щільність і називаються хромомірами (рис. 3.12). Передбачається, що вздовж хромосоми розташована велика кількість хромомірів, з'єднаних між собою в єдину структуру ділянками хроматину з нуклеосомною або соленоїдною упаковкою ДНК. Кожна пара гомологічних хромосом має свій хромомірний малюнок, який можна виявити за допомогою спеціальних методів фарбування за умови спіралізації хроматину та переходу його у стан хромосом.

Петельно-розеточная структура хроматину забезпечує як упаковку ДНК, а й організує функціональні хромосом, оскільки у своїх підставах петлі ДНК пов'язані з негістоновими білками, до складу яких можуть входити ферменти реплікації, що забезпечують подвоєння ДНК, і ферменти транскрипції, завдяки яким відбувається синтез всіх типів РНК.

Ділянки ДНК, упаковані у вигляді гетерохроматину, можуть мати подвійну природу. Розрізняють два типи гетерохроматину: факультативний та конститутивний (структурний). Факультативний гетерохроматин є ділянками геному, тимчасово інактивовані в тих чи інших клітинах. Прикладом такого хроматину є статевий гетерохроматин інактивованої Х-хромосоми в клітинах соматичних жінок. Структурний гетерохроматин у всіх клітинах постійно перебуває у неактивному стані та, ймовірно, виконує структурні або регуляторні функції.

Молекули ДНК у еукаріотичних хромосомах дуже великі. Довжина молекул ДНК, виділених із клітин дрозофіли, досягає 1,2 см, і прийнято вважати, що кожна еукаріотична хромосома містить одну єдину безперервну молекулу ДНК. Упаковка таких величезних молекул у ядрах клітин є основною функцією гістонів, білків, характерних саме для еукаріотів.

Основна структурна одиниця еукаріотичної клітини – це нуклеосома(Рис. 4.18). Нуклеосома містить дві молекули кожного з чотирьох гістонів, Н2А, Н2В, НЗ і Н4, з'єднаних у формі октамера. Кожен октамер пов'язаний з послідовністю приблизно 200 нуклеотидних пар довжиною близько 700 А. Точне взаємне розташування

4. Природа генетичного матеріалу 117

гістону та ДНК у нуклеосомі невідомо, але вважається, що ДНК якимось чином намотується на октамери гістону. Нуклеосома має діаметр близько 100 Å, і таким чином ДНК в нуклеосомі повинна бути складена приблизно в сім разів. Інший гістон, HI забезпечує зв'язок між нуклеосомами, послідовність яких утворює подібність гвинта (рис. 4.19). Діаметр цього гвинта (званого соленоїдом)становить за одними оцінками близько 300 Å, за іншими -близько 500 Å. Ця відмінність, мабуть, зумовлена ​​тим, що з приготування електронно-микроскопических препаратів використовували різні методи. Якщо прийняти діаметр соленоїда рівним 300 Å, упаковка послідовності нуклеосом у формі соленоїда дає додаткове зменшення лінійних розмірів структури в цілому ще в 6 разів. В інтерфазних хромосомах сам соленоїд закручений гвинтом, утворюючи при цьому порожню трубку діаметром близько 2000 Å, що дає чергове скорочення лінійних розмірів структури ДНК містить ще приблизно в 18 разів (рис. 4.20).

Перехід від інтерфазної хромосоми до метафазної хроматиди, ймовірно, пов'язаний з ще одним аналогічним закручуванням тепер трубки діаметром 2000 Å в гвинтову структуру діаметром близько 6000 Å (рис. 4.20). Ця загальна схема організації ДНК у ядрах клітин ігнорує відмінності у ступені спіралізації, які майже напевно існують між тими ділянками хромосом, які беруть участь у синтезі РНК та реплікації ДНК, і тими, що у цих процесах не беруть участь. Крім того, гетерохроматинові ділянки хромосом компактніші, ніж еухроматинові. У будь-якому разі ДНК у ядрах еукаріотичних клітин утворює ієрархічну систему спіралей, основною одиницею якої є нуклеосома.

Хромосоми прокаріотичних клітин є кільцевими молекулами ДНК; у Е. coliдовжина кільця становить 10 7 Å, тобто. близько 1 мм. Ця величезної довжини кільцева нитка міститься в клітці