Наследственность – основное свойство живой материи

К главным процессам, характеризующим организмы, живущие на Земле, относятся дыхание, питание, рост, выделение и размножение. Последняя функция является наиболее значимой для сохранения жизни на нашей планете. Как не вспомнить, что первой заповедью, данной Богом Адаму и Еве была следующая: «Плодитесь и размножайтесь». На уровне клетки генеративная функция выполняется нуклеиновыми кислотами (составляющее вещество хромосом). Эти структуры будут рассмотрены нами в дальнейшем.

Добавим также, что сохранение и передача наследственной информации потомкам осуществляется по единому механизму, который совершенно не зависит от уровня организации особи, то есть и для вируса, и для бактерий, и для человека он универсален.

Что является веществом наследственности

В данной работе мы изучаем хроматин, строение и функции которого напрямую зависят от организации молекул нуклеиновых кислот. Швейцарским ученым Мишером в 1869 году в ядрах клеток иммунной системы были обнаружены соединения, проявляющие свойства кислот, названные им сначала нуклеином, а затем нуклеиновыми кислотами. С точки зрения химии, это высокомолекулярные соединения – полимеры. Их мономерами являются нуклеотиды, имеющие следующее строение: пуриновое или пиримидиновое основание, пентоза и остаток ортофосфорной кислоты. Ученые установили, что в клетках могут присутствовать два вида нуклеиновых кислот: ДНК и РНК. Они входят в комплекс с белками и образуют вещество хромосом. Так же как и белки, нуклеиновые кислоты имеют несколько уровней пространственной организации.

В 1953 году лауреатами Нобелевской премии Уотсоном и Криком было расшифровано строение ДНК. Она представляет собой молекулу, состоящую из двух цепей, соединенных между собой водородными связями, возникающими между азотистыми основаниями по принципу комплементарности (напротив аденина располагается тиминовое основание, напротив цитозина – гуаниновое). Хроматин, строение и функции которого мы изучаем, содержит молекулы дезоксирибонуклеиновой и рибонуклеиновой кислоты различной конфигурации. На этом вопросе мы остановимся более подробно в разделе «Уровни организации хроматина».

Локализация вещества наследственности в клетке

ДНК присутствует в таких цитоструктурах, как ядро, а также в органеллах, способных к делению — митохондриях и хлоропластах. Это связано с тем, что данные органоиды выполняют важнейшие функции в клетке: синтез АТФ, а также синтез глюкозы и образование кислорода в клетках растений. На синтетической стадии жизненного цикла материнские органеллы удваиваются. Таким образом, дочерние клетки в результате митоза (деления соматических клеток) или мейоза (образования яйцеклеток и сперматозоидов) получают необходимый арсенал клеточных структур, обеспечивающих клетки питательными веществами и энергией.

Рибонуклеиновая кислота состоит из одной цепи и имеет меньшую молекулярную массу, чем ДНК. Она содержится как в ядре, так и в гиалоплазме, а также входит в состав многих клеточных органоидов: рибосом, митохондрий, эндоплазматической сети, пластид. Хроматин в этих органеллах связан с белками-гистонами и входит в состав плазмид – кольцевых замкнутых молекул ДНК.

Хроматин и его структура

Итак, мы установили, что нуклеиновые кислоты содержатся в веществе хромосом – структурных единицах наследственности.
хроматин под электронным микроскопом имеет вид гранул или нитевидных образований. Он содержит, кроме ДНК, еще и молекулы РНК, а также белки, проявляющие основные свойства и названные гистонами. Все вышеперечисленные структуры входят в состав нуклеосом. Они содержатся в хромосомах ядра и называются фибриллами (нити-соленоиды). Подводя итог всему вышесказанному, определим, что такое хроматин. Это комплексное соединение дезоксирибонуклеиновой кислоты и специальных белков – гистонов. На них, как на катушки, накручиваются двухцепочечные молекулы ДНК, образуя нуклеосомы.

Уровни организации хроматина

Вещество наследственности имеет различную структуру, которая зависит от многих факторов. Например, от того, какую стадию жизненного цикла переживает клетка: период деления (метоз или мейоз), пресинтетический или синтетический период интерфазы. Из формы соленоида, или фибриллы, как наиболее простой, происходит дальнейшая компактизация хроматина. Гетерохроматин – более плотное состояние, образуется в интронных участках хромосомы, на которых невозможна транскрипция. В период покоя клетки — интерфазы, когда отсутствует процесс деления, — гетерохроматин располагается в кариоплазме ядра по периферии, вблизи его мембраны. Уплотнение ядерного содержимого происходит в постсинтетическую стадию жизненного цикла клетки, то есть непосредственно перед делением.

От чего зависит конденсация вещества наследственности

Продолжая изучать вопрос «что такое хроматин», ученые установили, что его уплотнение зависит от белков-гистонов, входящих наряду с молекулами ДНК и РНК в состав нуклеосом. Они состоят из белков четырёх видов, называемых коровыми и линкерными. В момент транскрипции (считывание информации с генов с помощью РНК) вещество наследственности слабо конденсировано и носит название эухроматина.

В настоящее время особенности распределения молекул ДНК, связанных с гистоновыми белками, продолжают изучаться. Например, ученые выяснили, что хроматин различных локусов одной и той же хромосомы отличается уровнем конденсации. Например, в местах прикрепления к хромосоме нитей веретена деления, называемых центромерами, он более плотный, чем в теломерных участках – концевых локусах.

Гены-регуляторы и состав хроматина

В концепции регуляции генной активности, созданной французскими генетиками Жакобом и Моно, дается представление о существовании участков дезоксирибонуклеиновой кислоты, в которых нет информации о структурах белков. Они выполняют чисто бюрократические – управленческие функции. Называясь генами-регуляторами, эти части хромосом, как правило, в своей структуре лишены белков-гистонов. Хроматин, определение которого было проведено методом секвенирования, получил название открытого.

В ходе дальнейших исследований было установлено, что в этих локусах расположены последовательности нуклеотидов, препятствующие присоединению к молекулам ДНК белковых частиц. Такие участки содержат регуляторные гены: промоторы, эхансеры, активаторы. Компактизация хроматина в них высока, а длина этих участков в среднем составляет около 300 нм. Существует биохимический метод определения открытого хроматина в изолированных ядрах, при котором используют фермент ДНК-азу. Он очень быстро расщепляет локусы хромосом, лишенные белков-гистонов. Хроматин в этих участках был назван сверхчувствительным.

Роль вещества наследственности

Комплексы, включающие ДНК, РНК и белок, называемые хроматином, участвуют в онтогенезе клеток и изменяют свой состав в зависимости от типа ткани, а также от стадии развития организма в целом. Например, в эпителиальных клетках кожи такие гены, как эхансер и промотор, заблокированы белками-репрессорами, а эти же регуляторные гены в секреторных клетках эпителия кишечника активны и находятся в зоне открытого хроматина. Ученые-генетики установили, что на долю ДНК, не кодирующей белки, приходится более 95 % всего генома человека. Это значит, что управляющих генов намного больше, чем тех, которые ответственны за синтез пептидов. Внедрение таких методов, как ДНК-чипы и секвенирование, позволило выяснить, что такое хроматин, и, как следствие, провести картирование генома человека.

Исследования хроматина очень важны в таких отраслях науки, как генетика человека и медицинская генетика. Это связано с резко возросшим уровнем появления наследственных заболеваний — как генных, так и хромосомных. Раннее выявление этих синдромов повышает процент положительных прогнозов при их лечении.

Источник: fb.ru

Спадковість — основне властивість живої матерії

До головних процесів, що характеризує організми, що живуть на Землі, належать дихання, харчування, зростання, виділення і розмноження. Остання функція є найбільш значущою для збереження життя на нашій планеті. Як не згадати, що першою заповіддю, даною Богом Адаму і Єві була наступна: «Плодіться і розмножуйтеся». На рівні клітини генеративних функція виконується нуклеїновими кислотами (що становить речовина хромосом). Ці структури будуть розглянуті нами в подальшому.

Додамо також, що збереження і передача спадкової інформації нащадкам здійснюється за єдиним механізмом, який абсолютно не залежить від рівня організації особини, тобто і для вірусу, і для бактерій, і для людини він універсальний.

Що є речовиною спадковості

У даній роботі ми вивчаємо хроматин, будова і функції якого безпосередньо залежать від організації молекул нуклеїнових кислот. Швейцарським вченим Мішером в 1869 році в ядрах клітин імунної системи були виявлені сполуки, що проявляють властивості кислот, названі ним спочатку нуклєїнах, а потім нуклеїновими кислотами. З точки зору хімії, це високомолекулярні сполуки — полімери. Їх мономерами є нуклеотиди, що мають наступну будову: пуриновое або пиримидиновое підставу, пентоза і залишок ортофосфорної кислоти. Вчені встановили, що в клітинах можуть бути присутніми два види нуклеїнових кислот: ДНК і РНК. Вони входять в комплекс з білками і утворюють речовину хромосом. Так само як і білки, нуклеїнові кислоти мають кілька рівнів просторової організації.

У 1953 році лауреатами Нобелівської премії Уотсоном і Криком було розшифровано будова ДНК. Вона являє собою молекулу, що складається з двох ланцюгів, з'єднаних між собою водневими зв'язками, що виникають між азотистими підставами за принципом комплементарності (навпроти аденіну розташовується тимінових підставу, навпаки цитозину — гуанінових). Хроматин, будова і функції якого ми вивчаємо, містить молекули дезоксирибонуклеїнової і рибонуклеїнової кислоти різної конфігурації. На цьому питанні ми зупинимося більш детально в розділі «Рівні організації хроматину».

Локалізація речовини спадковості в клітці

ДНК присутня в таких цітоструктурах, як ядро, а також в органелах, здатних до поділу — мітохондріях і хлоропластах. Це пов'язано з тим, що дані органели виконують найважливіші функції в клітині: синтез АТФ, а також синтез глюкози і утворення кисню в клітинах рослин. На синтетичної стадії життєвого циклу материнські органели подвоюються. Таким чином, дочірні клітини в результаті мітозу (поділу соматичних клітин) або мейозу (освіти яйцеклітин і сперматозоїдів) отримують необхідний арсенал клітинних структур, що забезпечують клітини поживними речовинами і енергією.

Рибонуклеїнова кислота складається з одного ланцюга і має меншу молекулярну масу, ніж ДНК. Вона міститься як в ядрі, так і в гіалоплазме, а також входить до складу багатьох клітинних органоїдів: рибосом, мітохондрій, ендоплазматичної мережі, пластид. Хроматин в цих органелах пов'язаний з білками-гистонами і входить до складу плазмід — кільцевих замкнутих молекул ДНК.

Хроматин і його структура

Отже, ми встановили, що нуклеїнові кислоти містяться в речовині хромосом — структурні одиниці спадковості. Їх хроматин під електронним мікроскопом має вигляд гранул або ниткоподібних утворень. Він містить, окрім ДНК, ще й молекули РНК, а також білки, що проявляють основні властивості і названі гистонами. Всі перераховані вище структури входять до складу нуклеосом. Вони містяться в хромосомах ядра і називаються фибриллами (нитки-соленоїди). Підводячи підсумок всьому вищесказаному, визначимо, що таке хроматин. Це комплексне з'єднання дезоксирибонуклеїнової кислоти і спеціальних білків — гістонів. На них, як на котушки, накручуються дволанцюжкові молекули ДНК, утворюючи нуклеосоми.

Рівні організації хроматину

Речовина спадковості має різну структуру, яка залежить від багатьох факторів. Наприклад, від того, яку стадію життєвого циклу переживає клітина: період поділу (метоз або мейоз), пресинтетичний або синтетичний період інтерфази. З форми соленоїда, або фібрили, як найбільш простий, відбувається подальша компактизація хроматину. Гетерохроматин — більш щільний стан, утворюється в інтронних ділянках хромосоми, на яких неможлива транскрипція. У період спокою клітини — інтерфази, коли відсутня процес ділення, — гетерохроматин розташовується в кариоплазме ядра по периферії, поблизу його мембрани. Ущільнення ядерного вмісту відбувається в постсинтетическом стадію життєвого циклу клітини, тобто безпосередньо перед поділом.

Від чого залежить конденсація речовини спадковості

Продовжуючи вивчати питання "що таке хроматин", вчені встановили, що його ущільнення залежить від білків-гістонів, що входять поряд з молекулами ДНК і РНК до складу нуклеосом. Вони складаються з білків чотирьох видів, званих корів і лінкерних. У момент транскрипції (зчитування інформації з генів за допомогою РНК) речовина спадковості слабо конденсованих і носить назву еухроматину.

В даний час особливості розподілу молекул ДНК, пов'язаних з гістонові білками, продовжують вивчатися. Наприклад, вчені з'ясували, що хроматин різних локусів однієї і тієї ж хромосоми відрізняється рівнем конденсації. Наприклад, в місцях прикріплення до хромосомі ниток веретена поділу, званих центромерами, він більш щільний, ніж в теломерна ділянках — кінцевих локусах.

Гени-регулятори і склад хроматину

У концепції регуляції генної активності, створеної французькими генетиками Жакобом і Моно, дається уявлення про існування ділянок дезоксирибонуклеїнової кислоти, в яких немає інформації про структури білків. Вони виконують чисто бюрократичні — управлінські функції. Називаючись генами-регуляторами, ці частини хромосом, як правило, в своїй структурі позбавлені білків-гістонів. Хроматин, визначення якого було проведено методом секвенування, отримав назву відкритого.

В ході подальших досліджень було встановлено, що в цих локусах розташовані послідовності нуклеотидів, що перешкоджають приєднанню до молекул ДНК білкових частинок. Такі ділянки містять регуляторні гени: промотори, ехансери, активатори. Компактизація хроматину в них висока, а довжина цих ділянок в середньому становить близько 300 нм. Існує біохімічний метод визначення відкритого хроматину в ізольованих ядрах, при якому використовують фермент ДНК-азу. Він дуже швидко розщеплює локуси хромосом, позбавлені білків-гістонів. Хроматин в цих ділянках був названий надчутливий.

Роль речовини спадковості

Комплекси, що включають ДНК, РНК і білок, звані хроматином, беруть участь в онтогенезі клітин і змінюють свій склад залежно від типу тканини, а також від стадії розвитку організму в цілому. Наприклад, в епітеліальних клітинах шкіри такі гени, як ехансер і промотор, заблоковані білками-репресор, а ці ж регуляторні гени в секреторних клітинах епітелію кишечника активні і знаходяться в зоні відкритого хроматину. Вчені-генетики встановили, що на частку ДНК, що не кодує білки, припадає понад 95% всього геному людини. Це означає, що керуючих генів набагато більше, ніж тих, які відповідальні за синтез пептидів. Впровадження таких методів, як ДНК-чіпи і секвенування, дозволило з'ясувати, що таке хроматин, і, як наслідок, провести картування геному людини.

Дослідження хроматину дуже важливі в таких галузях науки, як генетика людини і медична генетика. Це пов'язано з різким зростанням рівнем появи спадкових захворювань — як генних, так і хромосомних. Раннє виявлення цих синдромів підвищує відсоток позитивних прогнозів при їх лікуванні.

Источник: info-4all.ru

Хроматин (от греч. chroma — краска) мелкие зернышки и глыбки материала, который обнаруживается в ядре клеток и окрашивается ос­новными красителями. Хроматин состоит из Комплекса ДНК и белка И соответствует хромосомам, которые в интерфазном ядре представлены длинными, тонкими перекрученными нитями и неразличимы как индивидуальные структуры. Выраженность спирализапии каждой из хромо­сом неодинакова по их длине. Различают два вида хроматина — Эухроматин и гетерохроматин.

Эухроматин. Соответствует сегментам хромосом, которые Деспира-лизованы и открыты для транскрипции. Эти сегменты Не окрашива­ются И не видны в световой микроскоп.

Гетерохроматин. Соответствует Конденсированным, Плотно скру­ченным сегментам хромосом (что делает их Недоступными для транс­крипции). Он Интенсивно окрашивается Основными красителями, и в световом микроскопе имеет вид гранул.

Таким образом, По морфологическим признакам ядра (соотноше­нию содержания эу — и гетерохроматина) можно оценить активность процессов транскрипции, а, следовательно, синтетической функции клетки. При ее повышении это соотношение изменяется в пользу эухроматина, при снижении — нарастает содержание гетерохроматина. При полном подавлении функции ядра (например, в поврежденных и гибну­щих клетках, при ороговении эпителиальных клеток эпидермиса — кера-тиноцитов, при образовании ретикулоцитов крови) оно уменьшается в размерах, содержит только гетерохроматин и окрашивается основны­ми красителями интенсивно и равномерно. Такое явление называется Кариопикнозом (от греч. karyon — ядро и pyknosis — уплотнение).

Распределение гетерохроматина (топография его частиц в яд­ре) и соотношение содержания эу — и гетерохроматина Характерны для клеток каждого типа, что позволяет осуществлять их идентификацию как визуально, так и с помощью автоматических анализаторов изобра­жения. Вместе с тем, имеются определенные общие закономерности распределения гетерохроматина В ядре: его скопления располагают­ся Под кариолеммой, прерываясь в области пор (что обусловлено его связью с ламиной) и вокруг ядрышка (Перинуклеолярный гетерохроматин), более мелкие глыбки разбросаны по всему ядру .

Тельце Барра — Скопление гетерохроматина, соответствующее од­ной Х-хромосоме у особей женского пола, которая в интерфазе плотно скручена и неактивна. В большинстве клеток оно лежит у кариолеммы, а в гранулоцитах крови имеет вид маленькой добавочной дольки ядра («барабанной палочки»). Выявление тельца Барра (обычно в эпителиальных клетках слизистой оболочки полости рта) используется как ди­агностический тест для определения генетического пола (обязателен, в частности, для женщин, участвующих в Олимпийских Играх).

Упаковка хроматина в ядре. В дсконденсированном состоянии длина одной молекулы (двойной спирали) ДНК, образующей каждую хромосому, равна в среднем, около 5 см, а общая длина молекул ДНК всех хромосом в ядре (диаметром около 10 мкм) составляет более 2 м (что сравнимо с укладкой нити длиной 20 км в теннисный мячик диа­метром около 10 см), а в S-период интерфазы — более 4 м. Конкретные механизмы, препятствующие спутыванию этих нитей во время транс­крипции и репликации, остаются нераскрытыми, однако очевидна необ­ходимость Компактной упаковки молекул ДНК, В клеточном ядре это осуществляется благодаря их связи со специальными основными (гистоновыми) белками. Компактная упаковка ДНК в ядре обеспечивает:

(1) Упорядоченное расположение Очень длинных молекул ДНК в небольшом объеме ядра;

(2) функциональный Контроль активности генов (вследствие вли­яния характера упаковки на активность отдельных участков генома.

Уровни упаковки хроматина . Начальный уровень упа­ковки хроматина, обеспечивающий образование Нуклеосомной нити Ди­аметром 11 нм, обусловлен намоткой двойной нити ДНК (диаметром 2 нм) на блоки дисковидной формы из 8 гистоновых молекул (нуклеосомы). Нуклеосомы разделены короткими участками свободной ДНК. Второй уровень упаковки также обусловлен гистонами и приводит к скручиванию нуклеосомной нити с формированием Хроматиновой фибриллы Диаметром 30 нм. В интерфазе хромосомы образованы хроматиновыми фибриллами, причем каждая хроматида состоит из одной фибриллы. При дальнейшей упаковке хроматиновые фибриллы образу­ют Петли (петельные домены) Диаметром 300 нм, каждый из которых соответствует одному или нескольким генам, а те, в свою очередь, в результате еще более компактной укладки, формируют участки конденси­рованных хромосом, которые выявляются лишь при делении клеток.

В хроматине ДНК связана помимо гастонов также и с Негистоновыми белками, Которые Регулируют активность генов. Вместе с тем, и гистоны, ограничивая доступность ДНК для других ДНК-связьвзающих белков, могут участвовать в регулядии активности генов.

Функция хранения генетической информации В ядре в неизме­ненном виде имеет исключительно важное значение для нормальной жизнедеятельности клетки и всего организма. Подсчитано, что при ре­пликации ДНК и в результате ее повреждений внешними факторами в каждой клетке человека ежегодно происходят изменения 6 нуклеотидов. Возникшие повреждения молекул ДНК могут исправляться в ре­зультате процесса Репарации Или путем Замещения После Распознава­ния и маркировки соответствующего участка.

В случае невозможности репарации ДНК при слишком значитель­ных повреждениях включается механизм запрограммированной гибели клетки . В этой ситуации «поведение» клетки можно оценить как своего рода «альтруистическое самоубийство»: ценой своей гибели она спасает организм от возможных негативных последствий реплика­ции и амплификации поврежденного генетического материала.

Способность к репарации ДНК у Взрослого человека снижается примерно на 1% с каждым годом. Это снижение может отчасти объяс­нить, почему старение является фактором риска развития злокачест­венных заболеваний. Нарушения процессов репарации ДНК Характерно для ряда наследственных болезней, при которых резко Повышены Как Чувствительность к повреждающим факторам, Так и Частота разви­тия злокачественных новообразований.

Функция Реализации генетической информации В интерфазном ядре осуществляется непрерывно благодаря процессам Транскрипции. Геном млекопитающих содержит около ЗхЮ9 нуклеотидов, однако не более 1% его объема кодирует важные белки и принимает участие в ре­гуляции их синтеза. Функции основной некодирующей части генома не­известны.

При транскрипции ДНК образуется очень крупная молекула РНК (первичный транскрипт), которая связывается с ядерными белками с образованием Рибонуклеопротеинов (РНП). В первичном РНК-транс­крипте (как и в матричной ДНК) имеются дискретные значащие после­довательности нуклеотидов (экзоны), Разделенные длинными некодирующими вставками (нитронами). Процессинг РНК-транскрипта включает отщепление нитронов и стыковку экзонов — сплайсинг (от англ, splicing — сращивание). При этом очень крупная молекула РНК превращается в достаточно мелкие молекулы иРНК, отделяющиеся от связанных с ни­ми белков при переносе в цитоплазму.

Источник: veterinarua.ru

Виды хроматина

По своей структуре неоднороден, условно подразделяется на две функциональные категории:

1. Неактивный — гетерохроматин — содержит в себе в данный момент несчитываемую генетическую информацию;
2. Активный — эухроматин — именно с него производится считывание генетической информации.

Их соотношение постоянно динамически изменяется. Зрелые клетки, к примеру крови, имеют ядра, характеризующиеся конденсированным, наиболее плотным эухроматином, лежащим глыбками.

В ядрах соматических женских клеток глыбки сближены с мембраной ядра — это женский хроматин половой клетки.

Половой мужской хроматин представлен глыбкой в мужских соматических клетках, светящийся при окраске флюорохромами. Половой эухроматин дает возможность устанавливать по клеткам, полученным из околоплодной жидкости беременной женщины, пол будущего ребенка.

Строение и состав хроматина

Представляет нуклеопротеид клеточного ядра, который является основной составляющей хромосом.

Состав хроматина:

• гистоны — 30-50%;
• негистоновые белки — 4-33%;
• ДНК — по массе 30-40%;
• РНК.

В зависимости от природы объекта, а также от способа выделения эухроматина размеры молекул ДНК, число РНК, негистоновых белков колеблются в широких пределах.

Функции хроматина

Эуроматин и хромосома по химической организации (комплекс ДНК с белками) друг от друга не отличаются, они переходят взаимно друг в друга.

В интерфазе различать отдельные хромосомы не представляется возможным. Они слабоспирализованны, образуют разрыхленный гетерохроматин, распределяющийся по всему объему ядра. Как раз разрыхление структуры и считается требуемым условием для транскрипции, передачи информации наследственного характера, имеющейся в ДНК.

Источник: appteka.ru