Что такое компактизация хромосом

Что такое хромосомы: особенности

Хромосомные структуры легко определить посредством рассмотрения в микроскопе, однако исключительно на этапах митотического клеточного деления и стадии мейоза. Кариотипом называют общность абсолютно всех клеточных хромосом. Именно он считается специфичным видовым признаком. Ему присущ сравнительно небольшой уровень персональной трансформации. 

По своей сути хромосома представляет чрезвычайно продолжительную нить ДНК. В ней содержится огромное количество генов — их количество может достигать тысяч. Все гены располагаются в конкретном порядке. К тому же, у всех генов в рамках хромосомного строения есть свое положение, которые называют локус. Дополняя дезоксирибонуклеиновую кислоту, хромосомы обладают и иными компонентами химии, что влияют на функции генов. 

Как были открыты хромосомы 

Так выглядел Отто Бючли:

Источник: ru.wikipedia.org

Обычно в качестве года открытия хромосомной структуры пишут 1882 год. Открытие приписывают немецкому исследователю тела Вальтеру Флемингу. Именно он в собственном научном труде о клетках систематизировал всю информацию, которая была на тот момент в научной среде о хромосомах. Исследования других ученых он дополнил собственными умозаключениями. Непосредственно понятие было придумано немецким анатомом Генрихом Вильгельмом Вальдейером через 6 лет после открытия Флеминга. Если дословно переводить понятие, то получится словосочетание покрашенного тела. Все потому, что химические соединения, которые могут формировать ковалентную связь с протонами, выступающие в виде красителей (орсеин, азуры и т.д.), соединяются между собой при помощи хромосом.  

Так выглядел Г.В. Вальдейер:

Источник: ru.wikipedia.org

После того, как в начале 20 века были заново открыты менделевские законы, нужно было всего лишь два года исследовать тела, чтобы понять, что хромосомные структуры во время мейоза и осеменения совершают именно такие действия, которые были ожидаемы от наследственных элементов. В начале 20 века немецкий биолог Теодор Бовери представил миру гипотезу о том, что хромосомы играют роль переносчиков генетической информации. Позже эту же идею высказал У. Сеттон. 

Так выглядел Т. Бовери:

Источник: ru.wikipedia.org

Эмпирическое подтверждение данной мысли появилось через пару лет в Америке. Группа ученых, состоящая из Кэлвина Бриджеса, Томаса Моргана, Алфреда Стертеванта и Германа Меллера провела эксперимент, объектом которого послужила фруктовая дрозофила. На базе результатов исследования они создали теорию наследственности хромосом. Эта теория гласила, что данные о генетике напрямую соотносятся с хромосомами, которые человек имеет. В хромосомах линейно, в конкретном порядке, располагаются гены. Позже свои наблюдения и главные пункты теории хромосом они описали в книге о механизме наследственности Менделя, которая вышла в свет в 1915 году. Позже Томас Морган, один из исследователей этой области, получил Нобелевскую премию за то, что открыл значение хромосома в передаче наследственной информации. 

Так выглядел Томас Морган:

Источник: ru.wikipedia.org

Основные понятия в области хромосомного строения

Спаривание  

Есть 22 комплекта аутосомных (без пола) хромосом, в среди них только один комплект является половым. Аутосомные комплекты хромосом полностью повторяют друг друга по величине, структуре, виду, положению, а также числу генов внутри. Из-за того, что во всех парных аутосомных хромосомах есть идентичные гены, нет никакого смысла повторять, реплицировать данные гены. А вот 23 пара является половой, то есть содержит X-хромосому и Y-хромосому. 

Половые хромосомы 

Именно 23 пара решает, какого пола будет плод — женского или мужского. У мужского плода наблюдают по одной хромосоме X и Y. От материнских клеток плод получает X-хромосому, а вот от отцовских клеток от получает Y-хромосому. Женские плоды обладают двумя X хромосомами, которые получаю и от матери, и от отца. Существуют некоторые различия между неполовыми и половыми хромосомами. 

Y-хромосома обладает меньшими размерами и несет немного генов — те, которые определяют пол и еще несколько иных. X-хромосома обладает огромным количеством генетической информации, к тому же функции генов, которые она несет, больше, чем просто определение пола плода. В Y-хромосоме нет таких функций, которые могли бы заменить функции X-хромосом. Мужчины не обладают парными генами, из-за этого они почти все выражаются. Гены, которые несет X-хромосома, носят название сцепленных по половому признаку. 

Часто в аутосомных хромосомах парные гены выражаются полноценно. Однако у представителей женского пола большое количество генов в одной Х-хромосоме из двух не работают из-за того, что работает процедура X-инактивации. Единственные клетки, в которых не работает этот процесс — яичники и яйцеклетки. Эта процедура начинает работать на самым ранних этапах развития плода. Наблюдается такое, что хромосома отца в клетках деактивируется, в иных клетках, наоборот, неактивной становится материнская хромосома. Получается, что в каких-то клетках может наблюдаться ген матери, а в других клетках наблюдаться ген отца. 

У женщин, например, в случае появления двух X-хромосом дополнительные хромосомы никак себя не проявляют. Получается, что существование одной или нескольких дополнительных хромосом X ведет к тому, что в организме проявляется меньше нарушений, чем если бы было большей аутосомных хромосом. Так, у девушек, которые страдают от трисомии X, не проявляется никаких расстройств или отклонений. Хотя мужчины, у которых в организме существует лишняя Y хромосома нередко страдают от умственной или физической неполноценности. 

Отклонения, связанные с хромосомами

Бывает некоторое количество видов отклонений, связанных с хромосомами. Человек может иметь большее число хромосом, чем прописано в норме. Также бывают участки, в которых присутствуют части с отклонениями в хромосомах. Большое количество отклонений такого типа могут быть найдены еще до момента родов. Большее число аутосомных хромосом ведет к тому, что у плода будут развиваться серьезные отклонения. К примеру, дополнительная аутосомная хромосома нередко приводит к смерти зародыша или же ведет к тому, что ребенок будет иметь умственные или физические отклонения вроде синдрома Дауна. Часто он развивается из-за того, что человек обладает тремя комплектами 21 хромосомы. Недостаток аутосомной хромосомы ведет к смерти плода. 

Митохондриальные хромосомы 

Митохондрии являются небольшими системами в клетке. Их основная задача — синтез молекул, которые применяются для поглощения энергии. Отличает их от иных образований внутри клетки то, что у них есть собственная хромосома в виде кольца. Подобная хромосома обладает дезоксирибонуклеиновой кислотой. Она занимается кодированием практически всех белков, которые есть в митохондриальном составе. 

Такая ДНК считается исключительно принадлежащей матери, потому что обычно в процессе оплодотворения исключительно яйцеклеточные митохондрии встраиваются в структуру эмбрионального развития. Спермотозоидные митохондрии практически никогда не встраиваются в структуру эмбрионального развития. 

Что такое компактизация ДНК: система и фазы

Хромосомы формируются на базе двух половин, которые составляют нижнее и верхнее плечо хромосомы. По своей сути хромосома является двумя хроматидами, которые соединяются посредством центромера. Приблизительная продолжительность структуры ДНК внутри человеческих клеток — 2 метра. В диаметре ядерная клетка достигает 7 микрометров. Если учитывать, что все хромосомы имеют свою ДНК-молекулу, то компактизация дезоксирибонуклеиновой кислоты происходит в шесть тысяч раз. Этот процесс происходит в несколько этапов: 

1. Первый уровень считается нуклеосомным. В случае, когда на хроматин влияет нуклеаз, то дезоксирибонуклеиновая кислота разрушается и будет сформирована из структур, которые постоянно повторяются. Подобные структуры представляют собой восемь белковых молекул. Эти молекулы называются гистоны и они вьются вокруг молекулы, которая имеет восемь мономерных звеньев и входит в состав ДНК. Данная структура носит название нуклеосома. Гистоны в нуклеосомы формируют основу из белка, на поверхности ее помещаются два витка ДНК. В то же время между нуклеосомами сохраняется линкер. Линкером называют часть, которая объединяет две нуклеосомы, которые находятся рядом. В научной среде этот уровень компактизации дезоксирибонуклеиновой кислоты именуют бусинами на ниточке. ДНК представляет собой нитку, а бусинами являются нуклеосомы. По диаметру нуклеосомы достигают примерно 11 нанометров. Данный уровень является структурным и формирует частоту и насыщенность упаковки ДНК. 
2. Второй уровень обладает формой фибриллы, компактизация составляет примерно 30 нанометров. Фибриллы находятся в митотических хромосомах, они достигают диаметра 30 нанометров. Тем не менее, может наблюдаться соленоидный вид нуклеосом, напоминающий по форме нить с несколькими витками и шагом спирали в 10 нанометров. На витках создаются фибриллы с основной полостью. У ядерного хроматина фибриллы будут достигать диаметра в 25 нанометров. Данный уровень формирует уплотнение молекул ДНК в сорок раз. 
3. Третий уровень — петлевые структуры, которые носят название хромомерных. Данный уровень представляет собой систему высочайшего ранга. В рамках подобных уровней особенные белковые структуры сочетаются с дезоксирибонуклеиновой кислотой. В результате формируются массивные петли. В нескольких точках наблюдаются участки сгущенного хроматина, образования в виде розеток, которые состоят из петелек с 30 нанометровыми фибриллами. Они все соединяются в сгущенном центре. 

Усредненная величина розеток обычно не больше 150 нанометров. Хромомерами называют фибрилловые розетки хроматина. Все хромомеры по своей структуре представляют собой некоторое количество петель, что соединяются в центре. Хромомеры соединяются между собой и с другими частями хроматина нуклеосом. Это позволяет провести структурную компактизацию хроматина, формирует единицы хромосом, которые несут функции. Если быть точнее, то формируют гены и репликоны, которые транскрибируются в рамках хроматина. 

Более густой процесс компактизации ДНК происходит на уровне хромосом и хроматид. Это возможно становится из-за того, что потом происходит компактизация хромомеров. Этот процесс можно наблюдать в клетках, которые совершают деление в кретках с густыми хромосомами. Подобную компактизацию хромосом можно увидеть при помощи микроскопа в качестве сепарированных структур. В случае, когда клетка не совершает деление, то хромосомы перестают составлять спираль и между хромосомами нельзя увидеть никаких границ. Хроматином называют рабочую структуру подобных хромосомных структур. Белок хромосомы формируется при помощи двух хроматид. Они объединены центромерой, в процессе клеточного деления хроматиды разъединяются, перемещаясь в различные созданные клетки. 

Сфера применения данного научного знания

Созданная суперспираль дезоксирибонуклеиновой кислоты находится в зависимости от того, какой биохимический состав есть у клеточной плазмы. Данная структура воздействует на корректную генную активность. Правильное формирование этой структуры, безошибочное соединение с белками способствует тому, что ген лучше выполняет свои непосредственные функции — передает данные наследствования другому поколению.

Как используется научное знание о хромосомах в современном мире

В настоящее время растет популярность проверок по исследования структуры ДНК. Каждый человек может отдать собственный биологический материал в лабораторию и в результате получить все данные о собственном теле и наследственности. В процессе обработки анализа возможно определить следующее: 

• предрасположенность человека к разным болезням; 
• сформировать генетическую карточку, согласно которой можно отследить, какие болезни могут развиваться в будущем у человека; 
• понять, насколько реально передать некоторые свои заболевания по наследству своему ребенку; 
• понять, кто отец ребенка, кто мать, установить родственные связи; 
• узнать, какой пол будет у ребенка в первые недели беременности. 

Предсказание будущего 

В современном мире активно начинают использоваться нанотехнологии. В будущем человек, возможно, сможет вылечить рак или другие заболевания, которые сейчас считаются неизлечимыми, при помощи нанотехнологий. Возможно человечество сможет найти лекарство от старения. Считается, что при помощи анализа ДНК можно будет определять болезни, которые возникают из-за нарушения процесса обмена веществ в организме, излишнего употребления наркотиков или алкоголя, нарушений в сфере сердечно-сосудистой системы, индивидуальной непереносимости конкретных лекарственных препаратов, образования злокачественных опухолей. 

Анализ дезоксирибонуклеиновой кислоты может помочь защитить невиновных людей, которых хотят привлечь к ответственности за какие-то деяния. Так, например, в 2013 году в одном из городов СНГ одна женщина сообщила полиции, что была подвергнута сексуализированному насилию со стороны двух мужчин. В результате, после начала следствия, на медицинском осмотре стало ясно, что женщина забеременела в результате акта насилия. Мужчины, которых подозревали в преступлении, были отправлены на анализ дезоксирибонуклеиновой кислоты. В результате оказалось, что плод, развивающийся внутри девушки, не имеет ничего общего с мужчинами. Так, анализ ДНК спас их от тюремного заключения. 

Основные типы компактизации хромосом

Средства электронной микрофотографии позволяют рассмотреть растительную клетку очень подробно. Так, посредством этого прибора стало возможным рассмотреть состав клетки: в ней есть темные и густые сосредоточения гетерохроматина, а вот более светлые части являются эухроматином. В процессе синтеза рибонуклеиновой кислоты при помощи ДНК, то есть трансляции информации генов из дезоксирибонуклеиновой кислоты на рибонуклеиновую кислоту. Там же можно найти центромеры и теломеры, которые составляют хромосомную структуру. В них нет никаких генов. Эти элементы считаются неизменной частью гетерохроматина. Формирование дополнительного гетерохроматина в рамках клетки совершается без неизменной базы. Из-за этого в биологии различают такие виды компактизации нуклеопротеида, который составляет хромосому: 

1. Нуклеосомный тип. Представляет собой два с половиной оборота удвоенной спирали дезоксирибонуклеиновой кислоты, что обвивается вокруг корда белка.
2. Нуклеомерный тип (его также называют суперспиральным). Его формирует гистоновый белок. В итоге данного типа происходит создание фибриллы хроматина. Величина в обхвате у данного образования составляет примерно 30 нанометров. Получается, что ДНК произвела компактизацию на данном этапе 40 раз. 
3. Хромомерный тип. Происходит объединение петельного белка друг с другом посредством всех белков хроматина, кроме гистонов. Величина в обхвате подобного образования — 300 нанометров. 
4. Хромонемный тип белка. Формирование данного белкового типа соотносится с тем, что хрономеры приближаются друг к другу на всей протяженности линии. В нее включается единственная большая ДНК-молекула. 
5. Хроматидный тип белка. Посредством сложения данного белка пару раз формируется хроматидное тело. В итоге репликации в структуре дезоксирибонуклеиновой кислоты появляется около двух хроматид. 
6. Хромосомный тип белка, который образуется из двух хроматид. Посредством центромеры объединяются все структурные части хромосомы. После процесса клеточного деления совершается процедура хроматидного расхождения — хроматиды проникают в различные сформированные клетки, которые считаются дочерними. 

Получается, что хроматин изменяет свою структуру, но поддерживает неразрывность связи поколений в хромосомах. На этапе интерфазы можно наблюдать отделение хроматина в форме небольших комочков, которые распространяются по всей ядерной нуклеоплазме. Когда происходит изменение клетки в митозе (изначально на этапе метафазы), возникает новая хромативная форма — хромосомы. Это очень ярко окрашенные тела. 

Хромосома и хроматимные комочки в нуклеоплазме — два противоположных типа структуры хроматина. Их связь формируется в митотическом ряде характерными двусторонними переходами. Подтверждают это и различные биологические исследования, эксперименты, которые получаются в итоге использования технологий электронного микроскопа. В базе структуры метафазы и интерфазы находится простейшая белковая структура в виде нити. 

Неравноценный уровень хромосомной компактизации обладает огромным смыслом по своему значению. Существует два типа гетерохроматина: обязательный, который присутствует всегда, и дополнительный. Значение всех видов гетерохроматина заключается в том, чтобы сохранять цельную ядерную структуру и крепить хроматиновые части к оболочке ядра. К тому же, посредством гетерохроматина происходит управление деятельностью многих структур клеток. 

Кариотипом именуется хромосомная общность, что заключает в себе молекулы дезоксирибонуклеиновых кислот. Они, в свою очередь, являются носителями информации о характеристиках организма человека. Трансформация количества хромосом в человеческом кариотипе ведет к самым разным болезням. Одним из самых распространенных заболеваний в области хромосомного строения считается синдром Дауна.