Химический состав, морфология и ультраструктура хромосом на различных стадиях клеточного цикла

Способность хроматина воспринимать основные (щелочные) красители указывает на его кислотные свойства, которые определяются тем, что в состав хроматина входит ДНК в комплексе с белками. Такими же свойствами окрашиваемости и содержанием ДНК обладают и хромосомы, которые можно наблюдать во время митотического деления клеток.

. Морфология и ультраструктура хромосом

Хромосомы в интерфазе. Гетерохроматин и эухроматин Не подлежит сомнению, что хромосомы сохраняют свою индивидуальность и целостность и в неделящихся клетках. Разни­ца в их структуре зависит от степени компактизации главного компонента хромосом - молекул ДНК.

В эукариотических клетках хромосома на 99% состоит из ДНК и гистонов (ядерных белков), у прокариот хромосома - это одна молекула ДНК кольцевидной формы.

У человека, имеющего 23 пары хромосом, общая длина ДНК составляет около 1,8 метра, тогда как диаметр ядра клетки около одного микрометра (0,001мм). Следовательно, ДНК должна быть компактизирована, и большую роль в этом процессе играют гистоны. Каждая хромосома (до репликации) содержит одну длин­ную двухцепочечную молекулу ДНК, много молекул гистонов (в совокупности около 99%), а также небольшое количество кислых белков и РНК (около 1 %).

Всего известно пять типов гистонов: H_h Н_2а, Н₂,~„ Н_: В :че Я/, все остальные образуют комплекс - октамер, где каждая молекула повторена дважды. Октамер гистонов составляет ядро нуклеосомы. Поскольку поверхность октамера несет положительные заряды (это связано с тем, что Н2а и Н2б богаты лизином, а Н3 и Н4 - аргинином), на это ядро накручивается отрицательно заряженная молекула ДНК. Таким образом, образуется нуклеосома состоящая из октамера гистонов и участка ДНК длиной в 140 пар нуклеотидов. Нуклеосомы имеют диаметр около 10 нм и регудярно повторяются по всей длине хромосомы, а участки ДНК между ними соединяются с гистоном Н,. (рис. 29) 'Этот участок называется линкерным.

Нуклеосомная структура представляет только первый -ь компактизации ДНК. Наднуклеосомная структура - соленоид имеет диаметр 300-500 нм и стабилизируется с помощью линкерных участков. Это - следующий уровень компактизации. (рис.!

Далее соленоидная структура укладывается в спираль диаметром около 2000 нм, что также характерно для интерфазных хромосом.

В метафазных хромосомах компактизация бывает максимальной. Но и в интерфазных ядрах одни участки хромосом могут быть более, другие - менее компактизированы.

Компактно упакованные, или конденсированные, участки хромосом называются гетерохроматиновыми. Гетерохроматин обычно располагается в теломерных и ценгромерных районах хромосомы, но может встречаться и по всей ее длине. Принято выделять структурный (облигатный) и факультативный гетерохроматин. В последнем случае хроматин можно считать временно компактизированным, как правило, это состояние связано с дифференциацией клетки и регуляцией активности (инактивации) генов.

На таких участках прекращается синтез РНК, т.е. процесс транскрипции. При восстановлении функциональной активности ядер факультативный гетерохроматин декомпактизируется и переходит в эухроматическое состояние.

Структурный гетерохроматин всегда остается в компактной форме. Иногда бывает, что целая хромосома представляет гетерохроматический материал. Например, у особей женского пс меющих ХХ-набор, одна из Х-хромосом всегда компактизирована (половой хроматин или тельце Барра), что связано с необходимостью компенсации генной дозы.

Эухроматин - это функционально активные участки хромосом и содержат, видимо, весь основной комплекс генов клетки.

Морфология метафазных хромосом Чтобы дать описание кариотипа, нужно знать основные морфологические характеристики хромосомы. Величина хромосомы не является ее точной характеристикой, так как степень ее конденсации постоянно меняется. Наиболее короткими хромосомы бывают на стадии метафазы, однако небольшой сдвиг (поздняя профаза, начало анафазы) уже может изменить показатели. Более консервативным признаком является морфология хромосомы. У большей части хромосом легко удается найти зону первичной перетяжки, которая делит хромосому на два плеча.

Хромосомы могут быть: метацентрическими (равные или почти равные плечи субметацентрические (плечи неодинаковой длины) акроцентрические (одно плечо очень короткое, иногда почти незаметное).

Редко встречающиеся на метафазных пластинках одноплечие (телоцентрические) хромосомы, как правило, нежизнеспособны и представляют результат мутаций.

В области первичной перетяжки расположена центромера или кинетохор: пластинчатая дисковидная структура, связанная тонкими фибриллами с телом хромосомы в области перетяжки. Кинетохор - это один из центров полимеризации тубулинов, от него отрастают пучки микротрубочек ахроматинового веретена, участвующие в расхождении хромосом к полюсам клетки. В при- центромерном районе хромосомы участки ДНК обычно отлича­ются высоким уровнем повторенное™ нуклеотидных последова­тельностей.

Некоторые хромосомы имеют вторичную перетяжку, кото­рая отделяет от плеча хромосомы маленький участок - спутник (сателлит). Именно на этих участках хромосом располагаются ге­ны, ответственные за синтез р-РНК и относящиеся к умеренно повторяющимся последовательностям нуклеотидов. Вторичные перетяжки называют ядрышковыми организаторами, так как именно они участвуют в образовании ядрышка в интерфазе.

Плечи хромосом оканчиваются теломерами - конечными участками, на которых ДНК также имеет многочисленные повто­ры нуклеотидных последовательностей. Теломеры обеспечивают целостность хромосомы, так как не способны соединяться с дру­гими подобными структурами. Лишенные же в результате разры­ва теломеров хромосомы могут присоединяться к таким же разо­рванным концам других хромосом.

6. Биосинтез белка — сложный многостадийный процесс синтеза полипептидной цепи из аминокислот, происходящий на рибосомах с участием молекул мРНК и тРНК. Процесс биосинтеза белка требует значительных затрат энергии.

Биосинтез белка происходит в два этапа. В первый этап входит транскрипция и процессинг РНК, второй этап включает трансляцию. Во время транскрипции фермент РНК-полимераза синтезирует молекулу РНК, комплементарную последовательности соответствующего гена (участка ДНК). Терминатор в последовательности нуклеотидов ДНК определяет, в какой момент транскрипция прекратится. В ходе ряда последовательных стадий процессинга из мРНК удаляются некоторые фрагменты, и редко происходит редактирование нуклеотидных последовательностей. После синтеза РНК на матрице ДНК происходит транспортировка молекул РНК в цитоплазму. В процессе трансляции информация, записанная в последовательности нуклеотидов переводится в последовательность остатков аминокислот.

Процессинг РНК

Между транскрипцией и трансляцией молекула мРНК претерпевает ряд последовательных изменений, которые обеспечивают созревание функционирующей матрицы для синтеза полипептидной цепочки. К 5΄-концу присоединяется кэп, а к 3΄-концу поли-А хвост, который увеличивает длительность жизни иРНК. С появлением процессинга в эукариотической клетке стало возможно комбинирование экзонов гена для получения большего разнообразия белков, кодируемых единой последовательностью нуклеотидов ДНК, — альтернативный сплайсинг.

Трансляция

У прокариот мРНК может считываться рибосомами в аминокислотную последовательность белков сразу после транскрипции, а у эукариот она транспортируется из ядра в цитоплазму, где находятся рибосомы. Скорость синтеза белков выше у прокариот и может достигать 20 аминокислот в секунду.

Процесс синтеза белка на основе молекулы мРНК называется трансляцией. Во время начальной стадии биосинтеза белков, инициации, обычно метиониновый кодон узнаётся малой субъединицей рибосомы, к которой при помощи белковых факторов инициации присоединена метиониновая транспортная РНК (тРНК). После узнавания стартового кодона к малой субъединице присоединяется большая субъединица и начинается вторая стадия трансляции — элонгация. При каждом движении рибосомы от 5' к 3' концу мРНК считывается один кодон путём образования водородных связей между тремя нуклеотидами (кодоном) мРНК и комплементарным ему антикодоном транспортной РНК, к которой присоединена соответствующая аминокислота. Синтез пептидной связи катализируется рибосомальной РНК (рРНК), образующей пептидилтрансферазный центр рибосомы. Рибосомальная РНК катализирует образование пептидной связи между последней аминокислотой растущего пептида и аминокислотой, присоединённой к тРНК, позиционируя атомы азота и углерода в положении, благоприятном для прохождения реакции. Ферменты аминоацил-тРНК-синтетазы присоединяют аминокислоты к их тРНК. Третья и последняя стадия трансляции, терминация, происходит при достижении рибосомой стоп-кодона, после чего белковые факторы терминации гидролизуют последнюю тРНК от белка, прекращая его синтез. Таким образом, в рибосомах белки всегда синтезируются от N- к C-концу.