История открытия

Являющиеся основными компонентами ядра клетки, хромосомы были обнаружены в 19 веке сразу несколькими учеными. Российский биолог И. Д Чистяков изучал их процессе митоза (деления клеток), немецкий анатом Вальдейер обнаружил их во время приготовления гистологических препаратов и назвал хромосомами, то есть окрашивающимися тельцами за быструю реакцию этих структур при взаимодействии с органическим красителем фуксином.

Флеминг обобщил научные факты о том, какую функцию выполняют хромосомы в клетках, имеющих оформленное ядро.

Внешнее строение хромосом

Эти микроскопические образования находятся в ядрах — важнейших органеллах клетки, и служат местом хранения и передачи наследственной информации данного организма. Хромосомы содержат особое вещество — хроматин. Оно представляет собой конгломерат из тонких нитей — фибрилл и гранул. С химической точки зрения, это соединение линейных молекул ДНК (их около 40 %) со специфическими белками-гистонами.

Комплексы, в состав которых входит 8 молекул пептидов и нити ДНК, закрученные на белковых глобулах, как на катушках, называются нуклеосомами. Участок дезоксирибонуклеиновой кислоты образует 1,75 оборотов вокруг стержневой части и имеет вид эллипсоида приблизительно 10 нанометров в длину и 5—6 в ширину. Присутствие этих структур (хромосом) в ядре служит систематическим признаком клеток эукариотических организмов. Именно в виде нуклеосом хромосомы выполняют функцию сохранения и передачи всех генетических признаков.

Зависимость строения хромосомы от фазы клеточного цикла

Если клетка находится в состоянии интерфазы, которая характеризуется ее ростом и интенсивным обменом веществ, но отсутствием деления, то хромосомы в ядре имеют вид тонких деспирализованных нитей — хромонем. Обычно они переплетены между собой, и визуально разделить их на отдельные структуры невозможно. В момент наступления клеточного деления, которое у соматических клеток называется митозом, а у половых — мейозом, хромосомы начинают спирализоваться и утолщаться, становясь хорошо различимыми в микроскопе.

Уровни организации хромосом

Единицы наследственности — хромосомы, детально изучает наука генетика. Ученые установили, что нуклеосомная нить, содержащая ДНК и белки-гистоны образуют спираль первого порядка. Плотная упаковка хроматина происходит вследствие образования структуры более высокого порядка — соленоида. Он самоорганизуется и уплотняется в еще более сложную суперспираль. Все вышеперечисленные уровни организации хромосомы проходят в период подготовки клетки к делению.

Именно в митотическом цикле структурные единицы наследственности, состоящие из генов, содержащих ДНК, укорачиваются и утолщаются по сравнению с нитевидными хромонемами периода интерфазы приблизительно в 19 тыс. раз. В таком компактном виде хромосомы ядра, функции которых заключаются в передаче наследственных признаков организма, становятся готовыми к делению соматических или половых клеток.

Морфология хромосом

Функции хромосом можно объяснить, изучив их морфологические особенности, которые наилучшим образом прослеживаются в митотическом цикле. Доказано, что еще в синтетической стадии интерфазы масса ДНК в клетке удваивается, так как каждая из дочерних клеток, образовавшихся в результате деления, должна иметь такой же объем наследственной информации, как и исходная материнская. Это достигается в результате процесса редупликации — самоудвоения ДНК, происходящего при участии фермента ДНК-полимеразы.

В цитологических препаратах, приготовленных в момент метафазы митоза, в растительных или животных клетках под микроскопом хорошо заметно, что каждая хромосома состоит из двух частей, называемых хроматидами. В дальнейших фазах митоза — анафазе и, особенно, телофазе — происходит их полное разделение, в результате чего каждая хроматида становится отдельной хромосомой. Она содержит непрерывно уплотненную молекулу ДНК, а также липиды, кислые белки и РНК. Из минеральных веществ в ней присутствуют ионы магния и кальция.

Вспомогательные структурные элементы хромосомы

Чтобы функции хромосом в клетке осуществлялись в полной мере, эти единицы наследственности имеют специальное приспособление — первичную перетяжку (центромеру), которая никогда не спирализуется. Именно она разделяет хромосому на две части, называемые плечами. В зависимости от расположения центромеры, генетики классифицируют хромосомы на равноплечие (метацентричные), неравноплечие (субметацентричные) и акроцентричные. На первичных перетяжках формируются особые образования — кинетохоры, представляющие собой дискообразные белковые глобулы, расположенные по обоим бокам центромеры. Сами кинетохоры состоят из двух участков: внешние контактируют с микрофиламентами (нитями веретена деления), прикрепляясь к ним.

Благодаря сокращению нитей (микрофиламентов), осуществляется строго упорядоченное распределение хроматид, входящих в состав хромосомы, между дочерними клетками. Некоторые хромосомы имеют одну или несколько вторичных перетяжек, которые не участвуют в митозе, так как к ним не могут присоединяться нити веретена деления, но именно эти участки (вторичные перетяжки) обеспечивают контроль над синтезом ядрышек — органелл, которые отвечают за формирование рибосом.

Что такое кариотип

Известные ученые-генетики Морган, Н. Кольцов, Сэттон в начале 20-го столетия скрупулёзно изучили хромосомы, строение и функции их в соматических и половых клетках — гаметах. Ими было установлено, что каждой клетке всех биологических видов свойственно определенное количество хромосом, имеющих специфическую форму и размеры. Было предложено всю совокупность хромосом в ядре соматической клетки назвать кариотипом.

В популярной литературе кариотип часто отождествляют с хромосомным набором. На самом деле это не идентичные понятия. Например, у человека кариотип составляет 46 хромосом в ядрах соматических клеток и обозначается общей формулой 2n. Но такие клетки, как например гепатоциты (клетки печени) имеют несколько ядер, их хромосомный набор обозначается как 2n*2=4n или 2n*4=8n. То есть количество хромосом в таких клетках будет больше чем 46, хотя кариотип гепатоцитов составляет 2n, то есть 46 хромосом.

Число хромосом в половых клетках всегда в два раза меньше, чем в соматических (в клетках тела), такой набор называется гаплоидным и обозначается как n. Все остальные клетки тела имеют набор 2n, который называется диплоидным.

Хромосомная теория наследственности Моргана

Американский генетик Морган открыл закон сцепленного наследования генов, проводя опыты по гибридизации плодовых мушек-дрозофил. Благодаря его исследованиям, были изучены функции хромосом половых клеток. Морган доказал, что гены, расположенные в соседних локусах одной и той же хромосомы, наследуются преимущественно вместе, то есть сцепленно. Если же гены находятся в хромосоме далеко друг от друга, то между сестринскими хромосомами возможен кроссинговер — обмен участками.

Благодаря исследованиям Моргана, были созданы генетические карты, с помощью которых изучают функции хромосом и широко используют их в генетических консультациях для решения вопросов о возможных патологиях хромосом или генов, приводящих к наследственным заболеваниям у человека. Важность выводов, сделанных ученым, сложно переоценить.

В данной статье нами были рассмотрены строение и функции хромосом, которые они выполняют в клетке.

Источник: FB.ru

Хромосомы — это основные органоиды клеточ­ного ядра, являющиеся носителями генов и определяющие наследственные свойства клеток и организмов.

В большинстве случаев хромосомы хорошо видны лишь в делящихся клетках. На стадии метафазы их можно видеть даже в световом микроско­пе. В этот период удается определить число хромосом, их размеры, форму и строение.

Число хромосом обычно постоянно для всех клеток особи любого вида животных и растений; то же и у человека. Но у разных видов количество хромосом не одинаково. Их может быть в ядре от двух до нескольких сотен.

Каждая хромосома образована одной молекулой ДНК и сопутствующи­ми ей белками. В структурной организации ДНК центральную роль играют специфические белки — гистоновые и негистоновые. Считается, что вся ядерная ДНК ассоциирована с этими белками и образует нуклеопротеиновый комплекс, называемый хроматином (греч. chromatos — «цвет», «окраска»).

Негистоновые белки очень разнообразны. Среди них находятся много­численные ферменты, обеспечивающие процессы репликации ДНК, транскрипции, а также некоторые белки ядерного матрикса. Полагают, что негистоно­вые белки хроматина выполняют и некото­рые регуляторные функции.

Гистоны — это белки, богатые остат­ками аминокислот аргинина и лизина, кото­рые определяют щелочные свойства этих белков. Гистоны являются структурными белками, выполняющими важную роль — упаковку ДНК. Например, в растянутом со­стоянии длина двойной спирали ДНК, со­державшейся в хромосоме человека, соста­вила бы в среднем около 4-5 см, а с помо­щью гистонов такая молекула упакована в хромосоме, измеряемой долями микромет­ра. По сравнению с остальными белками ко­личество гистонов в клетке очень велико — оно почти равно массе ДНК, содержащейся в ядре, что свидетельствует об их большом и активном участии в структурировании хроматина от молекулярного состояния ДНК до её формы в виде хромосомы.

Рис. 46. Различные уровни компак­тизации хроматина в ядре

Молекула ДНК в хромосоме упакована очень компактно. Различают не­сколько уровней компактизации хроматина в ядре клеток эукариот: от двой­ной нитевидной спиралевидной молекулы ДНК до её суперупакованного со­стояния в хромосоме (рис. 46).

Форма хромосом в клетках разных видов различна. Но все они построе­ны по одному плану. На стадии метафазы митоза хромосомы хорошо различи­мы в микроскопе. Они имеют вид двух палочковидных телец — хроматид, скреплённых перетяжкой — центромерой. Центромера — это небольшой уча­сток хромосомы, к которому прикрепляются нити веретена при митозе (и мейозе) и который контролирует движение разделяющихся хромосом при делении клетки. Центромера делит хромосому на два равных по длине плеча. Концевые участки хромосом называют теломерами. Они предохраняют кон­цы хромосом от слипания.

Хромосомы, лишённые центромеры, не способны совершать упорядоченное дви­жение при делении клетки. Обычно центромера у хромосомы занимает опреде­лённое место, и это является одним из признаков, по которому хромосомы разли­чают. Изменение положения центромеры в той или иной хромосоме служит пока­зателем хромосомных перестроек. Материал с сайта http://doklad-referat.ru

Как особенность хромосом следует отметить их способность к удвое­нию (самовоспроизведению). В основе удвоения хромосом лежит процесс репликации молекул ДНК, обеспечивающий точное копирование и передачу генетической информации от поколения к поколению. Удвоение хромосом — это сложный процесс, включающий в себя не только репликацию гигантских молекул ДНК, но также синтез связанных с ДНК хромосомных белков. Конеч­ным этапом хромосомного удвоения является упаковка ДНК и их белков в хромосому.

Белки, окружающие отдельные участки ДНК, принимают участие и в ре­гуляции синтеза РНК. Участки ДНК, прикрытые белками, не способны синте­зировать РНК, т. е. они «нечитаемы», а освобожденные от белков — способны (с них списывается информация, т. е. они «читаемы»). Но в целом хромосомы в живой клетке обеспечивают синтез РНК, необходимый для последующего синтеза белков клетки.

Источник: doklad-referat.ru

Строение хромосомы

Эти плотные структуры имеют палочковидную форму. Хромосомы отличаются друг от друга длиной, которая колеблется от 0,2 до 50 мкм. Ширина обычно имеет постоянное значение и не отличается у разных пар плотных телец.

На молекулярном уровне хромосомы представляют собой сложный комплекс из нуклеиновых кислот и белков гистонов, соотношение которых соответственно 40% на 60% по объему. Гистоны участвуют в компактизации молекул ДНК.

Стоит отметить, что хромосома – это непостоянная структура ядра эукариотической клетки. Такие тельца образуются только в период деления, когда необходимо упаковать весь генетический материал для упрощения его передачи. Поэтому мы рассматриваем строение хромосомы на момент подготовки к митозу/мейозу.

Первичная перетяжка представляет собой фибриллярное тельце, которое делит хромосому на два плеча. В зависимости от соотношения длины этих плеч, различают хромосомы:

1. Метацентрические, когда первичная перетяжка находится ровно по центру.
2. Субметацентрические: длина плеч отличается незначительно.
3. У акроцентрических первичная перетяжка сильно смещена к одному из концов хромосомы.
4. Телоцентрические, когда одно из плеч полностью отсутствует (у человека не встречаются).

Еще одна особенность строения хромосомы эукариотической клетки – это наличие вторичной перетяжки, которая обычно сильно смещена к одному из концов. Ее главная функция заключается в синтезе рибосомальных РНК на матрице ДНК, которые потом формируют немембранные органеллы клетки рибосомы. Также вторичные перетяжки называют ядрышковыми организаторами. Располагаются эти образования у дистального отдела хромосомы.

Несколько организаторов формируют целостную структуру – ядрышко. Число таких образований в ядре может разниться от 1 до нескольких десятков, и обычно их видно даже в световом микроскопе.

Во время синтетической фазы митоза строение хромосомы меняется в результате удвоения ДНК в процессе репликации. При этом формируется привычная форма, напоминающая букву Х. Именно в таком виде часто можно застать хромосомы и сделать качественный снимок на специальных микроскопах.

Стоит отметить, что количество хромосом у разных видов никак не показывает степень их эволюционного развития. Вот несколько примеров:

1. У человека 46 хромосом.
2. У кошки 60.
3. У карася 100.
4. У крысы 42.
5. У лука 16.
6. У мушки дрозофилы 8.
7. У мыши 40.
8. У кукурузы 20.
9. У абрикоса 16.
10. У краба 254.

Функции хромосом

Ядро является центральной структурой любой эукариотической клетки, т. к. оно содержит всю генетическую информацию. Хромосомы выполняют ряд важных функций, а именно:

1. Хранение собственно генетической информации в неизменном виде.
2. Передача этой информации путем репликации молекул ДНК в процессе деления клетки.
3. Проявление характерных признаков организма за счет активации генов, отвечающих за синтез тех или иных белков.
4. Сборка рРНК в ядрышковых организаторах для построения малой и большой субъединиц рибосом.

Важная роль при делении клетки отводится первичной перетяжке, к белкам которой присоединяются нити веретена деления в метафазу митоза или мейоза. При этом Х-строение хромосомы разрывается на два палочковидных тельца, которые доставляются к разным полюсам и будут в дальнейшем заключены в ядра дочерних клеток.

Уровни компактизации

Первый уровень называется нуклеосомным. ДНК при этом обкручивается вокруг гистоновых белков, образуя «бусинки на нитке».

Второй уровень – нуклеомерный. Здесь «бусинки» сближаются и формируют нити толщиной до 30 нм.

Третий уровень получил название хромомерный. При этом нити начинают образовывать петли нескольких порядков, тем самым во много раз укорачивая начальную длину ДНК.

Четвертый уровень – хромонемный. Компактизация достигает своего максимума, а полученные палочковидные образования уже видны в световом микроскопе.

Особенности генетического материала прокариот

Отличительной особенностью бактерий является отсутствие ядра. Генетическая информация также хранится с помощью ДНК, которые разбросаны по всей клетке в составе цитоплазмы. Среди молекул нуклеиновых кислот выделятся одна кольцевая. Она обычно располагается в центре и отвечает за все функции прокариотической клетки.

Иногда эту ДНК называют хромосомой бактерии, строение которой, конечно же, никак не совпадает с таковой у эукариота. Поэтому подобное сравнение носит относительный характер и просто упрощает понимание некоторых биохимических механизмов.

Источник: www.syl.ru

ГЕНЫ И ХРОМОСОМЫ

 

Клетки живых организмов содержат генетический материал в виде гигантских молекул, которые называются нуклеиновыми кислотами. С их помощью генетическая информация передаётся из поколения в поколение. Кроме того, они регулируют большинство клеточных процессов, управляя синтезом белков.

 

Существует два типа нуклеиновых кислот: ДНК и РНК. Они состоят из нуклеотидов, чередование которых позволяет кодировать наследственную информацию о самых различных признаках организмов разных видов. ДНК «упакована» в хромосомы. Она несёт информацию о структуре всех белков, которые функционируют в клетке. РНК управляет процессами, которые переводят генетический код ДНК, представляющий собой определённую последовательность нуклеотидов, в белки.

 

Ген – это участок молекулы ДНК, которая кодирует один определённый белок. Наследственные изменения генов, выражающиеся в замене, выпадении или перестановке нуклеотидов, называются генными мутациями. В результате мутаций могут возникнуть как полезные, так и вредные изменения признаков организма.

 

Хромосомы – нитевидные структуры, находящиеся в ядрах всех клеток. Они состоят из молекулы ДНК и белка. У каждого вида организмов своё определённое число и своя форма хромосом. Набор хромосом, характерный для конкретного вида, называют кариотипом.

 

Исследования кариотипов различных организмов показали, что в их клетках может содержаться двойной и одинарный наборы хромосом. Двойной набор хромосом состоит всегда из парных хромосом, одинаковых по величине, форме и характеру наследственной информации. Парные хромосомы называют гомологичными. Так, все неполовые клетки человека содержат 23 пары хромосом, т.е. 46 хромосом представлены в виде 23 пар.

 

В некоторых клетках может быть одинарный набор хромосом. Например, в половых клетках животных парные хромосомы отсутствуют, гомологичных хромосом нет, а есть негомологичные.

 

Каждая хромосома содержит тысячи генов, в ней хранится определённая часть наследственной информации. Мутации, изменяющие структуру хромосомы, называют хромосомными. Неправильное расхождение хромосом при образовании половых клеток может привести к серьёзным наследственным заболеваниям. Так, например, в результате такой геномной мутации, как появление в каждой клетке человека 47 хромосом вместо 46, возникает болезнь Дауна.

Источник: bio-oge.sdamgia.ru

Хромосомы (др.-греч. χρῶμα — цвет и σῶμα — тело) — нуклеопротеидные структуры в ядре эукариотической клетки(клетки, содержащей ядро), которые становятся легко заметными в определённых фазах клеточного цикла (во время митоза или мейоза).

Хромосомы представляют собой высокую степень конденсации хроматина, постоянно присутствующего в клеточном ядре. Исходно термин был предложен для обозначения структур, выявляемых в эукариотических клетках, но в последние десятилетия всё чаще говорят о бактериальных хромосомах. В хромосомах сосредоточена большая часть наследственной информации.

Хромосомы эукариот

Хромосомы эукариот имеют сложное строение. Основу хромосомы составляет линейная (не замкнутая в кольцо) макромолекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) значительной длины (например, в молекулах ДНК хромосом человека насчитывается от 50 до 245 миллионов пар азотистых оснований). В растянутом виде длина хромосомы человека может достигать 5 см. Помимо неё, в состав хромосомы входят пять специализированных белков — H1, H2A, H2B, H3 и H4 (так называемые гистоны) и ряд негистоновых белков. Последовательность аминокислот гистонов высококонсервативна и практически не различается в самых разных группах организмов. В интерфазе хроматин не конденсирован, но и в это время его нити представляют собой комплекс из ДНК и белков. Макромолекула ДНК обвивает октомеры (структуры, состоящую из восьми белковых глобул) гистоновых белков H2A, H2B, H3 и H4, образуя структуры, названные нуклеосомами.

В целом вся конструкция несколько напоминает бусы. Последовательность из таких нуклеосом, соединённых белком H1, называется нуклеофиламентом (nucleofilament), или нуклеосомной нитью, диаметром около 10 нм. В ранней интерфазе (фаза G1) основу каждой из будущих хромосом составляет одна молекула ДНК. В фазе синтеза (S) молекулы ДНК вступают в процесс репликации и удваиваются. В поздней интерфазе (фаза G2) основа каждой из хромосом состоит из двух идентичных молекул ДНК, образовавшихся в результате репликации и соединённых между собой в районе центромерной последовательности. Перед началом деления клеточного ядра хромосома, представленная на этот момент цепочкой нуклеосом, начинает спирализовываться, или упаковываться, образуя при помощи белка H1 более толстую хроматиновую нить, или хроматиду, (chromatin fiber) диаметром 30 нм. В результате дальнейшей спирализации диаметр хроматиды достигает ко времени метафазы 700 нм. Значительная толщина хромосомы (диаметр 1400 нм) на стадии метафазы позволяет, наконец, увидеть её в световой микроскоп.

Конденсированная хромосома имеет вид буквы X (часто с неравными плечами), поскольку две хроматиды, возникшие в результате репликации, по-прежнему соединены между собой в районе центромеры. Каждая клетка тела человека содержит в точности 46 хромосом. Хромосомы всегда парны. В клетке всегда имеется по 2 хромосомы каждого вида, пары отличаются друг от друга по длине, форме и наличию утолщений или перетяжек. В большинстве случаев хромосомы достаточно разнятся, чтобы цитолог мог отличить пары хромосом (всего 23 пары).

Следует отметить, что во всех соматических клетках (все клетки организма, кроме половых) хромосомы в парах всегда одинаковые по величине, форме, расположению центромер, в то время как половые хромосомы (23-я пара) у мужчин не одинаковые (ХУ), а у женщин одинаковые (ХХ). Хромосомы в клетке под микроскопом можно увидеть только во время деления — митоза, во время стадии метафазы. Такие хромосомы называются метафазными. Когда клетка не делится хромосомы имеют вид тонких, темноокрашенных нитей, называемых хроматином.

Хроматин представляет собой дезоксирибонуклеопротеид, выявляемый под световым микроскопом в виде тонких нитей и гранул. В процессе митоза (деления клетки) хроматин путем спирализации образует хорошо видимые (особенно в метафазе) интенсивно окрашивающиеся структуры — хромосомы. Метафазная хромосома состоит из двух продольных нитей дезоксирибонуклеопротеида — хроматид, соединенных друг с другом в области первичной перетяжки — центромеры.

Центромера — особым образом организованный участок хромосомы, общий для обеих сестринских хроматид. Центромера делит тело хромосомы на два плеча. В зависимости от расположения первичной перетяжки различают следующие типы хромосом: равноплечие (метацентрические), когда центромера расположена посередине, а плечи примерно равной длины; неравноплечие (субметацентрические), когда центромера смещена от середины хромосомы, а плечи неравной длины; палочковидные (акроцентрические), когда центромера смещена к одному концу хромосомы и одно плечо очень короткое. Существуют еще точковые (телоцентрические) хромосомы, у них одно плечо отсутствует, но в кариотипе (хромосомном наборе) человека их нет. В некоторых хромосомах могут быть вторичные перетяжки, отделяющие от тела хромосомы участок, называемый спутником.

Изучение химической организации хромосом эукариотических клеток показало, что они состоят в основном из ДНК и белков. Как было доказано многочисленными исследованиями, ДНК является материальным носителем свойств наследственности и изменчивости и заключает в себе биологическую информацию — программу развития клетки, организма, записанную с помощью особого кода. Белки составляют значительную часть вещества хромосом (около 65% массы этих структур). Хромосома как комплекс генов представляет собой эволюционно сложившуюся структуру, свойственную всем особям данного вида. Взаимное расположение генов в составе хромосомы играет немаловажную роль в характере их функционирования. Изменение числа хромосом в кариотипе человека может привести к различным заболеваниям.

Наиболее частым хромосомным заболеванием у человека является синдром Дауна, обусловленный трисомией (к паре нормальных хромосом прибавляется еще одна такая же, лишняя) по 21-й хромосоме. Встречается этот синдром с частотой 1-2 на 1000. Нередко трисомия по 21 паре хромосом является причиной гибели плода, однако иногда люди с синдромом Дауна доживают до значительного возраста, хотя в целом продолжительность их жизни сокращена.

Известны трисомии по 13-й хромосоме — Синдром Патау, а также по 18-й хромосоме — синдром Эдвардса, при которых жизнеспособность новорожденных резко снижена. Они гибнут в первые месяцы жизни из-за множественных пороков развития. Достаточно часто у человека встречается изменение числа половых хромосом. Среди них известна моносомия Х (из пары хромосом присутствует только одна (Х0)) — это синдром Шерешевского-Тернера. Реже встречается трисомия Х и синдром Клайнфельтера (ХХУ, ХХХУ, ХУУ и т.д.). Люди с изменением числа половых хромосом при наличии У-хромосомы развиваются по мужскому типу. Это является следствием того, что факторы, определяющие мужской тип развития, находятся в У-хромосоме. В отличии от мутаций аутосом (все хромосомы, кроме половых), дефекты умственного развития у больных выражены не столь отчетливо, у многих оно в пределах нормы, а иногда даже выше среднего. Вместе с тем у них постоянно наблюдается нарушения развития половых органов и роста. Реже встречаются пороки развития других систем.

Источник: www.eurolab.ua