Биология /
происходит включение предшественников ДНК и РНК.
Исходя из этого можно считать, что хромосомы клеток могут находиться в двух структурно-функциональных состояниях:
в рабочем, частично или полностью деконденсированном, когда с их участием в интерфазном ядре происходят процессы транскрипции и редупликации;
в неактивном - в состоянии метаболического покоя при максимальной их конденсированности, когда они выполняют функцию распределения и перенося генетического материала в дочерние клетки.
В химическом отношении препараты хроматина представляют собой сложные комплексы дезоксири-бонуклеопротеидов, в состав которых входит ДНК и специальные хромосомные белки - гистоны. В со-ставе хроматина обнаружено также РНК. В количественном отношении ДНК, белок и РНК находятся как 1:1,3:0,2. О значении РНК в составе хроматина еще нет достаточно однозначных данных. Возможно, что эта РНК представляет собой сопутствующую препарату функцию синтезирующейся РНК и поэтому частично связанной с ДНК или это особый вид РНК, характерный для структуры хроматина.
ДНК хроматина
В препарате хроматина на долю ДНК приходится обычно 30-40%. Эта ДНК представляет собой двух-цепочечную спиральную молекулу. ДНК хроматина обладает молекулярной массой 7-9*106. Такую сравнительно малую массу ДНК из препаратов можно объяснить механическими повреждениями ДНК в процессе выделения хроматина.
Общее количество ДНК, входящее в ядерные структуры клеток, в геном организмов, колеблется от вида к виду. Сравнивая количество ДНК на клетку у эукариотических организмов, трудно уловить какие-либо корреляции между степенью сложности организма и количеством ДНК на ядро. Примерно одина-ковое количество ДНК имеют различные организмы, как лен, морской еж, окунь (1,4-1,9 пг) или рыба голец и бык (6,4 и 7 пг).
У некоторых амфибий в ядрах количество ДНК больше, чем в ядрах человека, в 10-30 раз, хотя гене-тическая конституция человека несравненно сложнее, чем у лягушек. Следовательно, можно предпола-гать, что “избыточное” количество ДНК у более низко организованных организмов либо не связано с выполнением генетической роли, либо число генов повторяется то или иное число раз.
Сателлитная ДНК, или фракция ДНК с часто повторяющимися последовательностями, может участ-вовать в узнавании гомологичных районов хромосом при мейозе. По другим предположениям, эти уча-стки играют роль разделителей (спейсеров) между различными функциональными единицами хромо-сомной ДНК.
Как оказалось, фракция умеренно повторяющихся (от 102 до 105 раз) последовательностей принадле-жит к пестрому классу участков ДНК, играющих важную роль в обменных процессах. В эту фракцию входят гены рибосомных ДНК, многократно повторенные участки для синтеза всех тРНК. Более того, некоторые структурные гены, ответственные за синтез определенных белков, также могут быть много-кратно повторены, представлены многими копиями (гены для белков хроматина - гистонов).
Итак, ДНК эукариотических клеток гетерогенна по составу, содержит несколько классов последо-вательностей нуклеотидов:
часто повторяющиеся последовательности (>106 раз), входящие во фракцию сателитной ДНК и не транскрибирующиеся;
фракция умеренно повторяющихся последовательностей (102-105), представляющих блоки ис-тинных генов, а также короткие последовательности, разбросанные по всему геному;
фракция уникальных последовательностей, несущая информацию для большинства белков клет-ки.
ДНК прокариотического организма представляет собой одну гигантскую циклическую молекулу. ДНК эукариотических хромосом представляет собой линейные молекулы, состоящие из тандемно (друг за другом) расположенных репликонов разного размера. Средний размер репликона около 30 мкм. Тем самым в составе генома человека должно встречаться более 50 000 репликонов, участков ДНК, которые синтезируются как независимые единицы. Эти репликоны имеют начальную и терминальную точки син-теза ДНК.
Представим себе, что у эукариотических клеток каждая из хромосомных ДНК, как и у бактерий, явля-ется одним репликоном. В этом случае при скорости синтеза 0,5 мкм в минуту (для человека) редупли-кация первой хромосомы с длиной ДНК около 7 см должна занять 140 000 минут, или около трех меся-цев. На самом же деле благодаря полирепликонному строению молекул ДНК весь процесс занимает 7-12 ч.
Белки хроматина
К ним относятся гистоны и негистоновые белки.
Гистоны - сильноосновные белки. Их щелочность связана с их обогащенностью основными амино-кислотами (главным образом лизином и аргинином). Эти белки не содержат триптофана. Препарат сум-марных гистонов можно разделить на 5 фракций:
Н1 (от английского histone) - богатый лизином гистон, мол. Масса 2100;
Н2а - умеренно богатый лизином гистон, масса 13 700;
Н2б - умеренно богатый лизином гистон, масса 14 500;
Н4 - богатый аргинином гистон, масса 11 300;
Н3 - богатый аргинином гистон, масса 15 300.
В препаратах хроматина эти фракции гистонов обнаруживаются в приблизительно равных количест-вах, кроме Н1, которого примерно в 2 раза меньше любой из других фракций.
Для молекул гистонов характерно неравномерное распределение основных аминокислот в цепи: обо-гащенные положительно заряженными аминогруппами наблюдается на концах белковых цепей. Эти участки гистонов связываются с фосфатными группировками на ДНК, в то время как сравнительно ме-нее заряженные центральные участки молекул обеспечивают их взаимодействие между собой. Таким образом, взаимодействие между гистонами и ДНК, приводящее к образованию дезоксирибонуклеопро-теинового комплекса, носит ионный характер.
Гистоны синтезируются на полисомах в цитоплазме, этот синтез начинается несколько раньше редуп-ликации ДНК. Синтезированные гистоны мигрируют из цитоплазмы в ядро, где и связываются с участ-ками ДНК.
Функциональная роль гистонов не вполне ясна. Одно время считалось, что гистоны являются специ-фическими регуляторами активности ДНК хроматина, но одинаковость строения основной массы гисто-нов говорит о малой вероятности этого. Более очевидна структурная роль гистонов, которая обеспечива-ет не только специфическую укладку хромосомной ДНК, но и играет роль в регуляции транскрипции.
Негистоновые белки - наиболее плохо охарактеризованная фракция хроматина. Кроме ферментов, непосредственно связанных с хроматином (ферменты, ответственные за репарацию, редубликацию, транскрипцию и модификации ДНК, ферменты модификации гистонов и других белков), в эту фракцию входит множество других белков. Весьма вероятно, что часть негистоновых белков представляет собой специфические белки - регуляторы, узнающие определенные нуклеотидные последовательности в ДНК.
РНК хроматина составляет от 0,2 до 0,5% от содержания ДНК. Эта РНК представляет собой все из-вестные клеточные типы РНК, находящиеся в процессе синтеза или созревания в связи с ДНК хромати-на.
В составе хроматина могут быть обнаружены липиды до 1 % от весового содержания ДНК, их роль в структуре и функционировании хромосом остается неясной.
Хромосомы
Первичная степень укладки молекул ДНК - хромосомная фибрилла. Наблюдения за структурой хро-матина с помощью электронного микроскопа показали, что в составе ядра на ультратонких срезах всегда видны фибриллярные элементы. Впервые их обнаружил Х. Рис (1957), который и дал им название эле-ментарных хромосомных фибрилл.
Морфология хромосом
Морфологию хромосом лучше всего изучать в момент их наибольшей конденсации, в метафазе и в начале анафазы. Хромосомы животных и растений в этом состоянии представляют собой палочковидные структуры разной длины с довольно постоянной толщиной, у большей части хромосом удается легко найти зону первичной перетяжки, которая делит хромосому на два плеча (рис). Хромосомы с равными или почти равными плечами называют метацентрическими, с плечами неодинаковой длины - субметацентрическими. Палочковидные хромосомы с очень коротким, почти незаметным вторым плечом - акроцентрические.
В области первичной перетяжки расположена центромера, или кинетохор. Это пластинчатая структу-ра, имеющая форму диска. Она связана тонкими фибриллами с телом хромосомы в области перетяжки. От него отрастают пучки микротрубочки митотического веретена, идущие в направлении к центриолям. Они принимают участие в движении хромосом к полюсам клетки при митозе.
Обычно одна хромосома имеет только одну центромеру (моноцентрические хромосомы), но могут встречаться хромосомы дицентрические и полицентрические.
Некоторые хромосомы имеют вторичную перетяжку. Последняя обычно расположена вблизи дис-тального конца хромосомы и отделяет маленький участок, спутник. Вторичные перетяжки называют, кроме того, ядрышковыми организаторами, так как именно на этих участках хромосом в интерфазе про-исходит образование ядрышка. Здесь же локализована ДНК, ответственная за синтез рРНК.
Плечи хромосом оканчиваются теломерами, конечными участками. Теломерные концы хромосом не способны соединяться с другими хромосомами или их фрагментами, в отличие от концов хромосом, лишенных теломерных участков, которые могут присоединяться к таким же разорванным концам других хромосом.
Размеры хромосом у разных организмов варьируют в широких пределах. Так, длина хромосом может колебаться от 0,2 до 50 мкм. Самые мелкие хромосомы обнаруживаются у некоторых простейших, гри-бов. Наиболее длинные - у некоторых прямокрылых насекомых, у амфибий и у лилейных. Длина хромо-сом человека находится в пределах 1,5-10 мкм.
Число хромосом у различных объектов тоже