Хромосома
Хромосо́ма — це велика молекулярна структура, де міститься близько 90 % ДНК клітини. Всі хромосоми містять дуже довгий безперервний полімеризований ланцюг ДНК (єдину ДНК-молекулу), що містить гени, регуляторні елементи та проміжні нуклеотидні послідовності.
Слово «хромосома» походить від грецьких слів «хрома» — колір та «сома» — тіло.
Хромосоми еукаріот складаються з лінійної макромолекули ДНК, що намотана на специфічні білки-гістони, формуючи матеріал під назвою «хроматин».
В клітинах прокаріот звичайно міститься єдина хромосома, яка, на відміну від еукаріот, є кільцевою та позбавленою гістонів. Втім, це правило не є абсолютним: існують бактерії з більше, ніж одною хромосомою; у деяких бактерій хромосоми є лінійними; у кількох видів архей виявлені специфічні гістони.
Хромосоми можуть перебувати в двох структурно-функціональних станах: в конденсованому (спіралізованому) та деконденсованому (деспіралізованому). В інтерфазі хромосоми живої клітини невидимі, спостерігати можна лише гранули хроматину, бо в цей період хромосоми частково або повністю деконденсовані. Це є їхнім робочим станом, бо в більш дифузному хроматині активніші процеси синтезу. Під час мітотичного поділу клітини, коли відбувається конденсація хроматину, хромосоми добре помітні.
Структура
Хроматин
Хроматин — комплекс ДНК та білків, основний спосіб існування ДНК всередині клітини in vivo. До складу хроматину входять два типи білків — гістонові та негістонові. Хроматин має різний ступінь конденсації в залежності від стадії клітинного циклу — під час поділу (мітозу та мейозу) хроматин конденсований у хромосоми, які чітко можна розгледіти навіть під світловим мікроскопом, тоді як в період інтерфази або G0 стадії хроматин розслаблений і розділяється на еу- та гетерохроматин.
Нуклеосоми
Молекули гістонів утворюють групи — нуклеосоми. Кожна нуклеосома містить в собі 8 білкових молекул. Розмір нуклеосоми приблизно 8 нм. З кожною нуклеосомою пов'язана ділянка ДНК, що спірально обплітає нуклеосому ззовні. В такій ділянці ДНК розташовуються 140 нуклеотидів загальною довжиною 50 нм, але завдяки спіралізації довжина скорочується в 5 разів.
У хроматині близько 87 — 90 % довжини ДНК зв'язано з нуклеосомами.
На різних ділянках однієї хромосоми спіралізація, компактність її основних елементів неоднакова; із цим пов'язана різна інтенсивність забарвлення окремих ділянок.
Гетерохроматин і еухроматин
Ті ділянки хромосоми, які інтенсивно сприймають барвники, називають гетерохроматичними (складаються з гетерохроматину); вони навіть в інтерфазі залишаються компактними і видимі в оптичний мікроскоп.
Гетерохроматин — надмірно спіралізовані і сконденсовані ділянки хромосоми, які знаходяться в генетично неактивному стані (не транскрибуються). Гетерохроматин виконує переважно структурну функцію. Він перебуває в інтенсивно конденсованому (спіралізованому) стані і займає одні й ті самі ділянки в гомологічних хромосомах, утворює ділянки, які прилягають до центромери та кінців хромосоми. Втрата гетерохроматинових ділянок може й не позначатися на життєдіяльності клітини. Гетерохроматин поділяють на структурний і факультативний.
Структурний (конструктивний) гетерохроматин — ділянки хромосоми, які спіралізовані впродовж усього клітинного циклу (інтерфаза і мітоз). Він постійно займає однакові ділянки в обох гомологічних хромосомах — близько центромер, вторинних перетяжок, на кінці хромосом (теломер). Цей хроматин інтенсивно забарвлюється барвником і його видно в світловому мікроскопі.
Факультативний гетерохроматин локалізується в одній із двох гомологічних хромосом. В окремих випадках одна з них гетерохроматизується повністю. Приклад факультативного хроматину — Х-статевий хроматин, або тільце Барра. Це одна з двох Х-хромосом особин жіночої статі (ссавці, людина), яка гетерохроматизується і переходить у генетично неактивний стан на ранніх стадіях ембріогенезу.
Гетерохроматин і тільця Барра
Вирізняють також факультативний гетерохроматин, що виникає при спіралізації та інактивації однієї з двох гомологічних Х-хромосом у ссавців, внаслідок чого утворюються тільця Барра (X-статевий хроматин).
Незабарвлені та менш ущільнені ділянки хромосоми, які деконденсуються та стають невидимими в період інтерфази, містять еухроматин і тому називаються еухроматичними. Вважають, що саме в них розміщено найбільше генів.
Хромосоми під час поділу клітини, в період метафази, мають вигляд ниток, паличок, тощо. Будова однієї хромосоми на різних ділянках неоднакова. В хромосомі розрізняють первинну перетяжку і два плеча — коротке (p) і довге (q).
Первинна перетяжка, або центромера, — найбільш спіралізована частина хромосоми. На ній розміщений кінетохор (гр. kinesis — рух, phoros — той, що несе), до якого під час поділу клітини кріпляться нитки веретена поділу. Місце розташування центромери в кожної пари хромосом постійне, воно обумовлює їхню форму. В залежності від розташування центромери виділяють три типи хромосом: метацентричні, субметацентричні і акроцентричні.
Метацентричні хромосоми — рівноплечові хромосоми, в яких центромера знаходиться посередині хромосоми і плечі рівної або майже однакової довжини; Субметацентричні — нерівноплечові хромосоми, в яких центромера зміщена від середини і одне плече довше за інше;
Акроцентричні хромосоми — це хромосоми, в яких центромера розміщена близько до одного із кінців і одне плече довше, а друге — дуже коротке і часто малопомітне;
Телоцентричні хромосоми — такі хромосоми виникають в результаті відриву одного плеча, у них залишається тільки одне плече з центромерою на кінці. В нормальному каріотипі такі хромосоми не зустрічаються.
Теломери
Кінці плечей хромосоми називають теломерами, це спеціалізовані ділянки, які перешкоджають з'єднанню хромосом між собою або з їхніми фрагментами. Кінець хромосоми, який не має теломери розпізнається як дво-спіральний розрив хромосоми і запускається система репарації ДНК. Оскільки це на справді не розрив ДНК, репарація неможлива чи буде проведена неправильно і в клітині запускається апоптоз чи клітина проходить злоякісну трансформацію. У нормі ж теломери зберігають хромосому як дискретну індивідуальну одиницю.
Супутники
Деякі хромосоми мають глибокі вторинні перетяжки, що відділяють окремі ділянки хромосоми — супутники. Такі хромосоми можуть зближуватись і утворювати асоціації, а тонкі нитки, які з'єднують супутників з плечима хромосом, при цьому беруть участь в утворенні ядерець. Саме ці ділянки в хромосомах людини є організаторами ядерець.
У людини вторинні перетяжки є на довгому плечі 1, 9 та 16 хромосом та на кінцевих ділянках коротких плечей 13, 14, 15, 21, 22 хромосом.
Хромомери
В плечах хромосом видно потовщені та інтенсивніше забарвлені ділянки — хромомери, які чергуються із міжхромомерними нитками. Внаслідок цього хромосома може нагадувати низку нерівномірно нанизаного намиста.
Правила хромосом
Для хромосом мають місце певні закономірності їхнього існування у клітинах, які відомі під правилами хромосом:
- Правило постійності числа хромосом. Кількість хромосом та характерні особливості їхньої будови — видова ознака. Це є правилом постійності числа хромосом. Це число не залежить від ступеня організації і не завжди вказує на філогенетичну спорідненість. Наприклад, в ядрах усіх клітин конячої аскариди Paraascaris megalocephala univalenus знаходиться по 2 хромосоми, в мухи-дрозофіли Drosophila melanogaster — по 8, в людини — по 46, а в річкового рака Astacus fluviatalis — по 116. Одне й те саме число може траплятись у дуже далеких одна від одної форм, а в близьких видів — дуже відрізнятися. Однак дуже важливо, що в представників одного виду число хромосом в ядрах всіх клітин постійне.
- Правило парності хромосом. Кожна хромосома в соматичній клітині організму диплоїдна, тобто представлена парою: у людини 23 пари, у шимпазе — 24, у дрозофіли — 4, у гороху — 7 пар хромосом. Існує також правило парності хромосом, за яким число хромосом завжди є парним, бо в каріотипі хромосоми об'єднуються в гомологічні пари.
- Правило індивідуальності хромосом. Гомологічні хромосоми однакові за формою та будовою, розташуванням центромер, хромомер, інших деталей будови. Кожна пара хромосом характеризується індивідуальними особливостями і зберігає їх у ряді поколінь. Негомологічні хромосоми завжди мають відмінності. Тому маємо правило індивідуальності хромосом: кожна пара гомологічних хромосом характеризується своїми особливостями.
- Правило неперервності хромосом (хромосома від хромосоми). Хромосоми, як і клітини, не виникають заново, а утворюються від уже наявних хромосом шляхом самовідтворення (реплікації) в S-періоді інтерфази.
Каріотип
Каріотип — диплоїдний набір хромосом соматичної клітини, який характеризується сукупністю ознак:
- кількість хромосом;
- розміри хромосом;
- формою хромосом (типом симетрії);
- особливостями їхньої будови.
Каріотип є видовою ознакою, йому властива сталість і специфічність; в особин одного і того ж біологічного виду він точно відтворюється з покоління в покоління завдяки мітозу і мейозу. Тому всі соматичні клітини певного виду несуть повний обсяг генетичної інформації, властивий лише цьому виду. Каріотипи ж різних видів різняться між собою як за кількістю хромосом, так і їхніми розмірами, формою та особливостями будови.
Видова специфічність хромосом забезпечується їхньою здатністю до самовідновлення. Зміни каріотипу можуть відбутися внаслідок мутацій.
Нормальний каріотип людини (чоловіка і жінки) складається з 46 хромосом, з них 22 пари аутосоми й одна пара статева. Нормальний каріотип жінки записують 46, ХХ, чоловіка — 46, ХУ. Нормальний каріотип — важлива умова формування здорової людини. Зміни числа і структури хромосом можуть спричинити хромосомні захворювання.
Вивчення каріотипу (каріотипування) проводять на мікрофотографіях метафазних пластинок, рідше — при безпосередньому мікроскопуванні.
Для ідентифікації хромосом використовують такі ознаки:
- розмір хромосом;
- положення центромери, центромерний індекс (відношення довжини короткого плеча і довгого, у %);
- наявність вторинної перетяжки та супутників.
У метацентричних хромосом центромерний індекс становить близько 50 %, у субметацентричних — менше 50 %. Розмір метафазних хромосом варіює від 1,1 до 2.3 мкм
Набори хромосом
Хромосоми залежно від типу клітин можуть мати різні набори, а саме диплоїдний і гаплоїдний.
Диплоїдний
В ядрах соматичних клітин (тобто клітин тіла) міститься повний подвійний набір хромосом. В ньому кожна хромосома має свого гомологічного «партнера». Такий набір хромосом називають диплоїдним і позначають «2n». Хромосоми однієї пари називаються гомологічними, різних пар — негомологічними. Гомологічні хромосоми одинакові за будовою, формою, розмірами, але одна з них походить з яйцеклітини, а інша зі сперматозоїда.
Гаплоїдний
В ядрах гамет (статевих клітин) на відміну від соматичних, є лише по одній хромосомі з кожної гомологічної пари. Всі вони різні, негомологічні. Такий одинарний набір хромосом називають гаплоїдним, він удвічі менший і позначають як «n».
При заплідненні відбувається злиття гамет, кожна з яких вносить в зиготу гаплоїдний набір хромосом, і відновлюється диплоїдний набір: n + n = 2n.
У деяких організмів може внаслідок мутацій змінюватись диплоїдний набір хромосом — поліплоїдія або анеуплоїдія.
| Хромосома | Гени | Всього Пар нуклеотидів | Секвенсовані пари нуклеотидів[1] |
|---|---|---|---|
| 1 | 4,221 | 247,199,719 | 224,999,719 |
| 2 | 1,491 | 242,751,149 | 237,712,649 |
| 3 | 1,550 | 199,446,827 | 194,704,827 |
| 4 | 446 | 191,263,063 | 187,297,063 |
| 5 | 609 | 180,837,866 | 177,702,766 |
| 6 | 2,281 | 170,896,993 | 167,273,993 |
| 7 | 2,135 | 158,821,424 | 154,952,424 |
| 8 | 1,106 | 146,274,826 | 142,612,826 |
| 9 | 1,920 | 140,442,298 | 120,312,298 |
| 10 | 1,793 | 135,374,737 | 131,624,737 |
| 11 | 379 | 134,452,384 | 131,130,853 |
| 12 | 1,430 | 132,289,534 | 130,303,534 |
| 13 | 924 | 114,127,980 | 95,559,980 |
| 14 | 1,347 | 106,360,585 | 88,290,585 |
| 15 | 921 | 100,338,915 | 81,341,915 |
| 16 | 909 | 88,822,254 | 78,884,754 |
| 17 | 1,672 | 78,654,742 | 77,800,220 |
| 18 | 519 | 76,117,153 | 74,656,155 |
| 19 | 1,555 | 63,806,651 | 55,785,651 |
| 20 | 1,008 | 62,435,965 | 59,505,254 |
| 21 | 578 | 46,944,323 | 34,171,998 |
| 22 | 1,092 | 49,528,953 | 34,893,953 |
| X Хромосома | 1,846 | 154,913,754 | 151,058,754 |
| Y Хромосома | 454 | 57,741,652 | 25,121,652 |
| Всього | 32,185 | 3,079,843,747 | 2,857,698,560 |
Гетерохромосоми
Статеві хромосоми (гетерохромосоми) — пара хромосом, за якими хромосомні набори соматичних клітин чоловічих і жіночих особин того самого виду різняться між собою. Ці хромосоми визначають стать організму: у жінки — ХХ, у чоловіка — ХУ.
Х — хромосома середня субметацентрична, у ній відомо близько 150 генів (у тому числі рецесивні гени, які зумовлюють дальтонізм (кольорова сліпота), гемофілію (порушення зсідання крові), атрофію зорового нерва.
У — найдрібніша акроцентрична хромосома. У ній виявлено небагато генів. У людини У-хромосома відіграє вирішальну роль у формуванні чоловічої статі.
Аутосоми
Нестатеві хромосоми (аутосоми) — хромосоми, одинакові в обох статей, тобто це всі хромосоми, окрім статевих.
Примітки
- Sequenced percentages are based on fraction of euchromatin portion, as the Human Genome Project goals called for determination of only the euchromatic portion of the genome. Telomeres, centromeres, and other heterochromatic regions have been left undetermined, as have a small number of unclonable gaps. See http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/seq/ for more information on the Human Genome Project.
Джерела
- А. В. Сиволоб, К. С. Афанасьєва (2012). Молекулярна організація хромосом. К: Видавничо-поліграфічний центр "Київський університет".
- Медична біологія: підруч. / В. В. Барціховський, П. Я. Шерсюк. — К.: — ВСВ «Медицина», 2011. — 312 с. ISBN 978-617-505-146-7
Література
- Молекулярна організація хромосом : навч. посіб. / А. В. Сиволоб, К. С. Афанасьєва. – К. : Київський ун-т, 2014. – 287 с. – ISBN 966-439-721-3.