|
|
Пішак_Медична біологія_2004. Лауреат и но белівсь ко ї прем І ї мечников І
73
Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини Еухроматин малоконденсований, деспіралізова ний. Тому під електронним мікроскопом він вияв- ляється у вигляді світлих ділянок ядра. Еухроматин генетично активний. Із цих ділянок хроматину зчи- тується інформація й утворюється РНК. У клітинах з інтенсивним синтезом білків еухроматину більше. Статевий хроматин генетично інактивована Х хромосома, яка знаходиться в гетеропікнотично му стані і міститься в ядрах клітин жіночої статі багатьох тварин і у людини. При вивченні клітин крові у жінок встановлено (Девідсон і Сміт, 1954), що в деяких поліморфно ядерних лейкоцитах міститься особливий додаток, який прикріплений тоненькою ниткою до ядра. Ця структура отримала назву "барабанна паличка". Бу лавоподібні палички одна з форм статевого хроматину, і не що інше, як одна з Х хромосом, що пе- ребуває в гетеропікнотичному стані. Кількість тілець статевого хроматину завжди на одиницю менша від кількості Х хромосом, тобто n = X 1 . Цю ознаку використовують для виявлення аномалій за числом Х хромосом. одержали назву еухроматичних (утворених із еухро- матину). Встановлено, що еухроматин містить у собі активні гени, а гетерохроматин виконує пере- важно структурну функцію. Він знаходиться в інтен- сивно спіралізованому стані. Гетерохроматин займає однакові ділянки в гомологічних хромосомах утво- рює ділянки, що прилягають до центромери і такі, що знаходяться на кінцях хромосом. Втрата ділянок ге терохроматину або мутація може не відбиватися на життєдіяльності клітини. Розрізняють також факуль-тативний гетерохроматин. Він виникає при спіра- лізації та інактивації однієї з двох гомологічних Х хромосом. Таким чином утворюється тільце Барра (ста- тевий хроматин. Його утворює одна з двох Х хромосому жіночих особин ссавців і людини. Кожна молекула ДНК, що утворює хромосому, крім кодуючих послідовностей, повинна містити цен- тромеру, два теломери і точки початку реплікації. Теломерні послідовності запобігають укороченню хромосом, що без них відбувалося б при кожному циклі реплікації ДНК. Центромери служать для ви- будовування молекул ДНК на мітотичному веретені під час мітозу. Точки початку реплікації потрібні для формування реплікаційних вилок у S фазі. Рис. 1.40 Організація метафазної хромосоми: 1 центромерна ділянка хро-мосоми; 2 теломерна ділянка; 3 дочірні хроматиди; 4 гетерохро-матин; 5 еухроматин; 6 мале плече 7 велике плече. 74 1.2.2.11 Організація спадкового матеріалу • хромосомний рівень • аутосоми та гетерохромосоми Хромосома (від грец. χρτΰμα колір, σΐΰμά
тіло) це ниткоподібні щільні тільця, видимі у світло- вий мікроскоп тільки впродовж поділу клітини. Вони утворюються в результаті ущільнення і спіралізації хроматину. Довжина хромосом залежить від кількості ДНК і білків, а також від ступеня скручу- вання хроматину. На різних ділянках однієї і тієї ж хромосоми спіралізація, компактність її основних еле- ментів неоднакові, з цим повязана різна інтен- сивність забарвлення окремих ділянок хромосоми.
Ділянки, що інтенсивно сприймають барвники, одержали назву гетерохроматичних (утворених із ге терохроматину), вони навіть у період між поділом клітин залишаються компактними, видимими у світловий мікроскоп. Ділянки, що слабко забарвлю- ються, деконденсуються між поділами клітин,
1.2. Молекулярно генетичний і клітинний рівні організації життя Структура метафазної хромосоми. Всі хро- мосоми під час метафази складаються із двох хро матид, що утворені з максимально спіралізованого хроматину (рис. 1.40). Кожна хроматида це зв'я- зана з гістонами одинарна двониткова суперспіралі зована ДНК. Дві дочірні молекули ДНК, що знахо- дяться у двох хроматидах, утримуються разом у ділянці центромери за допомогою нереплікованого сегмента ДНК. Будова хромосоми на різних ділян- ках неоднакова. У хромосомах розрізняють первин-ну перетяжку що поділяє хромосому на два плеча. Первинна перетяжка (центромера) найбільш спіралізована частина хромосоми. Центромера являє собою загальну, нерепліковану ділянку ДНК. На ній розташовуються спеціальні білки, що утво- рюють кінетохори (від грец. κΐνησις рух, χώρα місце), до яких при розподілі генетичного матеріа- лу прикріплюються нитки веретена. Це сприяє по- ділу дочірніх хроматид під час анафази. Місце роз- ташування первинної перетяжки в кожній парі хромосом індивідуальне і стале, що зумовлює, го- ловним чином, її форму.
Кінці плечей хромосом одержали назву тело
мерів. Вони містять тисячі повторюваних послідов- ностей, наприклад, ТТАТТГ. Це генетично неактивні спіралізовані ділянки, що перешкоджають з'єднан- ню хромосом між собою або з їх фрагментами. Поз- бавлена теломери хромосома виявляється "липкою" і легко з'єднується з такими ж ділянками інших хромосом. Отже, теломери зберігають хромосому як
індивідуальну дискретну одиницю, забезпечують її
індивідуальність.
Деякі хромосоми мають вторинні перетяжки, що часто відокремлюють ділянки хромосом, на- звані супутниками. Ці ділянки хромосом містять гени рРНК. Такі хромосоми в ядрах клітин люди- ни можуть наближатися одна до одної, вступа- ють в асоціації, що сприяє формуванню ядерець.
Ці ділянки у хромосомах називають ядерцевими
організаторами. У людини вторинні перетяжки є на кінцевих ділянках коротких плечей 13 15 і
21 22 пар хромосома також на довгому плечі 1 ї пари хромосом. Хромосома на стадії ранньої профази набагато довша і тонша, ніж метафазні хромосоми, тому в них можна розпізнати більше сегментів (рис. 1.41).
Показані на рисунку сегменти виявляються шля
Рис. 1.41
Розподіл сегментів у кожній з хромосом, що складають каріо-
тип людини на стадії метафази (перша хроматида) і ранньої
профази (друга хроматида) мітозу.
хом фарбування препаратів барвниками, що зв'язу- ються переважно з АТ насиченими послідовно- стями ДНК. На рисунку представлено тільки по одній хромосомі з кожної гомологічної пари.
Аутосоми та гетерохромосоми. Було відміче- но, що практично в будь якому каріотипі існує одна пара хромосом, що істотно відрізняється від інших. У самок ця пара була однакова, але різна в пред- ставників протилежної статі (самців). Хромосома, що була присутня двічі в парі в каріотипі самки й один разу самця, була названа як Х хромосома. Друга хромосома в самця була названа Y хромосомою X і Y хромосоми називаються статеви-
ми хромосомами або гетерохромосомами. Інші хромосоми з даного набору, що є однаковими для обох статей, називаються аутосомами.
75
Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини Чоловіки мають X і Y хромосоми і 22 пари ауто сом. Жінки мають дві Х хромосоми і 22 пари ауто сом. Статеві хромосоми розподіляються приме- йозі так само, як і інші хромосоми. Таким чином, кожний сперматозоїд одержує тільки одну статеву хромосому або X, або Y. Оскільки чоловіча особи- на продукує два типи гамет, вона називається гете рогаметною. Жіноча особина продукує тільки один тип гамет, що мають тільки Х хромосому, і нази- вається гомогаметною. Стать майбутньої дитини визначається під час запліднення яйцеклітини. Якщо яйце запліднене сперматозоїдом, що містить Y xpo мосому, зигота буде мати X і Y хромосоми і дасть початок розвитку чоловічої особини. Якщо яйце за- пліднене сперматозоїдом, що містить Х хромосому, то зигота буде мати дві Х хромосоми, що зумо- вить розвиток жіночої особини. Значення і функції хромосом Хромосоми утво- рюються з хроматину на початку мітозу. Впродовж поділу клітини вони зазнають ряду структурних змін і знову утворюють хроматин в ядрах дочірніх клітин.
Біологічне значення утворення хромосом та їх пе- ретворень рівномірний розподіл спадкового матері- алу в клітини, що утворюються. Потрібно відзначити, що поділ хромосом це лише спосіб розподілу ДНК на рівні частини і передачі його дочірнім клітинам. В інтерфазній клітині хромосоми виконують такі функції: 1) збереження спадкової інформації у вигляді суворої послідовності нуклеотидів ДНК 2) контроль метаболізму шляхом регуляції утворення необхід- них ферментів; 3) забезпечення росту клітин, під- тримка їхньої структури і функцій шляхом керування синтезом структурних білків; 4) контроль клітинно- го диференціювання під час розвитку; 5) забезпе- чення умов подвоєння ДНК. У клітинах, що діляться, утворюються візуаль- но помітні хромосоми, що необхідні для таких функцій: 1) компактизація (ущільнення) спадкового матеріалу в тисячі разів, при цьому генетичний ма- теріал "консервується" і втрачає спроможність до експресії; 2) утворення структур, зручних для мані- пуляцій при поділі (метафазна хромосома, що скла- дається з двох хроматид); 3) рівномірний розподіл компактизованого неактивного генетичного мате- ріалу між дочірніми клітинами у вигляді окремих хроматид; 4) декомпактизація (розпушення) спад- кового матеріалу й утворення активного інтерфаз ного хроматину.
1.2.2.12 Хромосом и
людини
• морфофункціональна характеристика
• класифікація
• каріотип людини Ух роках XX ст. стало можливим спостері- гати і було описано кожну хромосому людини у ви- гляді самостійної одиниці. Загальна довжина моле- кули ДНК у хромосомі людини (середньої за роз- міром) досягає 4 см, а сумарна довжина цих молекулу клітині з диплоїдним (подвійним) набором близько 180 см. У 1956 р. Дж. Тийо, А. Леван установили, що у людини хромосомний набір складаєть- ся з 46 хромосом. Через три роки були відкриті хро- мосомні хвороби. В основу ідентифікації хромосом покладено такі ознаки: загальна довжина хромосоми, розміщення центромери, вторинна перетяжка та ін. Але за цими ознаками не завжди можна розрізнити індивідуальні особливості хромосоми. Останнім часом проводять диференційне забарвлення хромосом, яке дозволяє чітко розрізнити кожну з хромосом.
Сукупність хромосом клітини, яка характери- зується їх числом, розмірами і формою, називаєть- ся каріотипом (рис. 1.42). Ідіограма (від грец.
ίδιος своєрідний, γράμμα запис) це система- тизований каріотип, коли хромосоми розташовують- ся в порядку зменшення їх довжини. За Денверською класифікацією (Денвер, США,
1960 р) всі аутосоми людини поділяються на 7 груп залежно від довжини хромосом і розміщення цент- ромери. Кожна група позначається латинськими літерами від А до G. Крім того, всі аутосоми в порядку зменшення нумеруються (від 1 до 22). Виз- начені також статеві хромосоми X і Υ.
Група 1 3 (А великі хромосоми, які чітко відрізняються одна від одної; центромери розташо- вані посередині.
Група 4 5 (В великі хромосоми, які мало відрізняються одна від одної; центромери зміщені до одного з кінців хромосоми.
Група 6 12 (С хромосоми середніх розмірів, мало різняться між собою центромери розташо
76
1.2. Молекулярно генетичнии і клітинний рівні організації життя Рис. 1.42
Каріотип людини: а хромосомний комплекс б ідіограма чолові-
ка; в ідіограма жінки.
вані ближче до одного з кінців. Найбільша задов- жиною з цієї групи хромосома, вона схожа з Х хромосомою.
Група 13 15 (D): хромосоми середніх розмірів; центромери майже повністю зміщені до одного з кінців хромосоми (акроцентричні хромосоми). У всіх трьох хромосом виявлені супутники.
Група 16 18 (Е короткі хромосоми; у 16 ї хро- мосоми центромера розташована майже посере- дині, у 17 ї і 18 ї хромосом центромери зміщені.
Група 19 20 (F): маленькі (короткі) хромосоми; центромери розташовані посередині.
Група 21 22 (G): найменші хромосоми; центро- мери знаходяться на кінцях хромосом (акроцент- ричні хромосоми). 21 а хромосома має сателіт на короткому плечі. З хромосомами цієї групи схожа t Y хромосома. Статеві хромосоми виділяються окремо. В основу Паризької класифікації (1971) покладе- но диференційне забарвлення хромосом, коли кожній парі властивий характерний тільки для неї порядок чергування темної і світлої посмугованості гетерой еухроматинових ділянок (рис. 1.42). Хромосомний аналіз це дослідження й аналіз морфології, кількості і структури хромосом. Розміри і форма хромосом Розміри хромосом варіюють від одного біологічного виду до іншого.
Хромосоми різних організмів на стадії метафази мають довжину від 0,1 до 33,0 мкм і товщину від
0,2 до 2,0 мкм. Хромосоми рослин мають більші розміри, ніж хромосоми тварин. Хромосоми різних пар однієї і тієї ж клітини різняться за розміром.
Розмір хромосом людини: в середньому 1,5 мкм у товщину і 10,0 мкм у довжину. Форма хромосом визначається за відносним по- ложенням центромери (первинної перетяжки. На підставі цього розрізняють такі форми хромосом рис. 1.43): 1) метацентрична хромосома має Х подібну форму, при якій центромера знаходиться всередині так, що плечі є рівними за довжиною; 2) субметацентрична хромосома має Х форму з центромерою, віддаленою від середньої точки так, 77 1.2.2.13 • Хромосомний аналіз
Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини для людини 46, для дрозофіли 8, для коня 66, шимпанзе 48, собаки 78 і т. д. Гаплоїдний набір п) для людини 23, дрозофіли 4 і т. д. Гамети містять тільки одинарний набір хромосом. Число хромосом часто використовується для ідентифі- кації виду. Як видно з таблиці, число хромосом не залежить від рівня організації виду і не завжди вказує на філо- генетичну спорідненість. Однакова кількість хромосом може зустрічатися в далеких один від одного видів і дуже відрізнятися у близьких. Однак
істотні відмінності й специфічність виявляються в тому, що кожний вид має у своєму наборі хромосо- ми певної форми і розмірів. А головне усі хромо- соми мають свій унікальний набір генів, що визна- чають розвиток особин тільки певного виду.
Хромосомний комплекс виду з усіма його особ- ливостями числом хромосом, формою, наявністю видимих у світловий мікроскоп деталей будови ок- ремих хромосом називається каріотипом.
2. Парність хромосом Слід звернути увагу нате, що у всіх наведених у таблиці прикладах число хромосом парне. Цепов язано з тим, що хромосо
Вид
Малярійний плазмодій (Plasmodium malariae)
Кімнатна муха (Musca domestica) Зелена жаба (Rana esculenta) Окунь (Perca fluviatilis)
Гідра (Hydra vulgaris) Кролик (Lepus cuniculus)
Людина (Homo sapiens)
Тарган (Blatta orientalis) Шимпанзе (Antropopithecus) Велика рогата худоба (Bos tauras)
Кінь (Eguus caballus)
Голуб (Columba livia)
Короп (Cyprinus carpio) Рак (Eupagurus ochotonsis)
Папороть (Polipodium sp.) Число хромосом
2 12 26 28 32 44 46 48 48 60 66 80 104 254 500 Рис. 1.43
Форми хромосому метафазі (схема 1 метацентрична; 2
суб
метацентрична;
3 акроцентрична; 4 телоцентрична.
що її плечі є нерівними за довжиною;
3)
акроцент-
рична центромера розташована дуже близько до одного з кінців хромосоми, тобто вона має плечі, що суттєво відрізняються за розмірами, маленькі плечі часто мають супутники.
Каріотип людини має всі різновиди хромосом. Правила хромосом. 1. Специфічність набору хромосом для кожного виду Рослини і тварини мають сталий набір хромосому кожній соматичній клітині
(табл 1.8). Диплоїдний набір хромосом (п)
78
ТАБЛИЦЯ 1.8. ЧИСЛО ХРОМОСОМУ ДЕЯКИХ ВИДІВ ОРГАНІЗМІВ
1.2. Молекулярно генетичний і клітинний рівні організації життя ми складають пари. Кожна хромосома соматичних клітин має аналогічну собі хромосому. Хромосоми з такої пари мають однаковий розмір, форму і склад генів. Пари хромосом, що мають однакові гени або
їх алелі, та контролюють альтернативні ознаки, на- зиваються гомологічними. Гомологічні хромосоми однакові за розміром і формою. У них збігаються розміщення центромер, порядок розташування хро момер і міжхромомерних ділянок та інші елементи будови. Негомологічні хромосоми мають зовсім
інші характеристики. Одна гомологічна хромосома надається від одного з батьків (батька, а інша від другого (матері).
Генетична інформація, необхідна для розвитку організму, міститься тільки в повному комплекті всіх негомологічних хромосом (тобто в повному диплоїдному наборі хромосом.
3. Індивідуальність окремих пар хромосом.
Кожна пара гомологічних хромосом індивідуума відрізняється від іншої пари за розміром, формою і генетичним складом. Наприклад, перша пара хромосом людини (метацентричні, найбільші, мають
індивідуальну посмугованість) дуже відрізняється від
22 ї пари (акроцентричні, найменші, мають вторинну перетяжку і супутник) (рис. 1.44). Вони містять різні гени, що визначають розвиток різних ознак.
4. Безперервність хромосом Це означає, що кожна дочірня хромосома походить від материнсь- кої хромосоми. В інтерфазі (S періоді) відбувається Рис. 1.44
Хромосоми людини: а пара 1; б пара 22. роль в утворенні рибосом У середині інтерфазного ядра визначаються щільні, сильно забарвлені, округлі, гранулярні утворення, які не мають мембрани і їх вміст знаходиться в безпосе- редньому контакті з нуклеоплазмою, це ядерця.
Морфологія ядерця залежить від метаболічного стану клітини. Воно здебільшого одне, сферичної форми (рис 1.45). Залежно від функціональної актив- ності клітини розміри ядерця можуть бути різні; вони більші в ядрах тих клітин, де синтезується багато молекул білків. Ядерця містять велику кількість РНК. ДНК, навпаки, становить не більше 15 %, вона знаходиться переважно в центрі ядерця. На період поділу клітини ці ядерні утвори тим- часово зникають тому, що хромосомні петлі, які формують ядерця, упаковуються у хромосоми. За допомогою електронного мікроскопа в ядер- цях визначають три ділянки: фібрилярну, грануляр- ну і слабкозабарвлену
Фібрилярна ділянка ядерця складається з ниток РНК. Це місце активного синтезу рибосомної РНК на рРНК генах вздовж молекули ДНК деконденсо ваного хроматину. Рибосомна РНК має однаковий складу соматичних клітинах всіх типів, незалежно від того, які білки вони синтезують. її роль у син- тезі білка, на відміну від тРНК, неспецифічна. Ут- ворені нитки рРНК формують щільну сітку.
79 подвоєння ДНК і утворюються дві ідентичні дочірні молекули, що формують хромосому. Така хромосома складається з двох хроматид, що потім по- трапляють у різні клітини внаслідок мітозу. У кожному наступному поділі цей цикл повторюється. Це забезпечує стабільність каріотипу організмів впро- довж тисячоліть. Таким чином, у послідовних генераціях клітин зберігається постійне число хромосом та їх індиві- дуальність внаслідок здатності хромосом до точ- ної репродукції при поділі клітини. Отже, не тільки "кожна клітина від клітини", але і "кожна хромосома від хромосоми".
|
|
|
Скачать 14.51 Mb.