Тази статия ще обсъди такива структури на еукариотни клетки като хромозомите, чиято структура и функция се изучават от клон на биологията, наречен цитология.
История на откриването
Като основни компоненти на клетъчното ядро, хромозомите са открити през 19-ти век от няколко учени едновременно. Руският биолог И. Д. Чистяков ги изучава в процеса на митоза (клетъчно делене), немският анатом Валдейер ги открива по време на приготвянето на хистологични препарати и ги нарича хромозоми, тоест оцветяващи тела за бърза реакция на тези структури при взаимодействие с органична боя фуксин.
Флеминг обобщи научните факти за функцията на хромозомите в клетките с образувано ядро.
Външна структура на хромозомите
Тези микроскопични образувания са разположени в ядрата - най-важните органели на клетката, и служат като място за съхранение и предаване на наследствената информация на даден организъм. хромозомисъдържат специално вещество - хроматин. Представлява конгломерат от тънки нишки - фибрили и гранули. От химическа гледна точка това е комбинация от линейни ДНК молекули (има около 40%) със специфични хистонови протеини.
Комплексите, които включват 8 пептидни молекули и ДНК вериги, усукани върху протеинови глобули, като намотки, се наричат нуклеозоми. Областта на дезоксирибонуклеинова киселина образува 1,75 завъртания около частта на стъблото и е елипсоид с дължина приблизително 10 нанометра и ширина 5-6. Наличието на тези структури (хромозоми) в ядрото е системна характеристика на клетките на еукариотните организми. Именно под формата на нуклеозоми хромозомите изпълняват функцията за запазване и предаване на всички генетични черти.
Зависимост на структурата на хромозомата от фазата на клетъчния цикъл
Ако една клетка е в състояние на интерфаза, което се характеризира с нейния растеж и интензивен метаболизъм, но липса на делене, тогава хромозомите в ядрото изглеждат като тънки деспирализирани нишки - хромонеми. Обикновено те са преплетени и е невъзможно визуално да се разделят на отделни структури. В момента на клетъчно делене, което се нарича митоза в соматичните клетки и мейоза в половите клетки, хромозомите започват да се спират и сгъстяват, ставайки ясно видими под микроскоп.
Нива на хромозомна организация
Единиците на наследствеността са хромозомите, науката за генетиката изучава в детайли. Учените са открили, че нуклеозомната нишка,съдържащи ДНК и хистонови протеини образуват спирала от първи ред. Плътното опаковане на хроматин възниква поради образуването на структура от по-висок ред - соленоид. Той се самоорганизира и кондензира в още по-сложна супернамотка. Всички горепосочени нива на хромозомна организация се осъществяват по време на подготовката на клетката за делене.
В митотичния цикъл структурните единици на наследствеността, състоящи се от гени, съдържащи ДНК, се съкращават и удебеляват в сравнение с нишковидните хромонеми от интерфазния период с около 19 хиляди пъти. В такава компактна форма хромозомите на ядрото, чиито функции са да предават наследствените характеристики на организма, стават готови за разделяне на соматични или зародишни клетки.
Хромозомна морфология
Функциите на хромозомите могат да бъдат обяснени чрез изучаване на техните морфологични характеристики, които се виждат най-добре в митотичния цикъл. Доказано е, че дори в синтетичния стадий на интерфазата, масата на ДНК в клетката се удвоява, тъй като всяка от дъщерните клетки, образувани в резултат на деленето, трябва да има същото количество наследствена информация като оригиналната майка. Това се постига в резултат на процеса на редупликация - самоудвояване на ДНК, което става с участието на ензима ДНК полимераза.
В цитологични препарати, приготвени по време на метафазата на митозата, в растителни или животински клетки под микроскоп, се вижда ясно, че всяка хромозома се състои от две части, нареченихроматиди. В следващите фази на митозата - анафаза и особено телофаза - те са напълно разделени, в резултат на което всяка хроматида се превръща в отделна хромозома. Съдържа непрекъснато уплътнена ДНК молекула, както и липиди, киселинни протеини и РНК. От минералните вещества съдържа магнезиеви и калциеви йони.
Помощни структурни елементи на хромозомата
За да се изпълняват пълноценно функциите на хромозомите в клетката, тези единици на наследственост имат специално устройство - първичната констрикция (центромера), която никога не спира. Именно тя разделя хромозомата на две части, наречени рамене. В зависимост от местоположението на центромерата, генетиците класифицират хромозомите като равни ръце (метацентрични), неравнорамки (субметацентрични) и акроцентрични. Върху първичните стеснения се образуват специални образувания - кинетохори, които представляват дисковидни белтъчни глобули, разположени от двете страни на центромера. Самите кинетохори се състоят от две секции: външните са в контакт с микрофиламенти (нишки на нишките на шпиндела), прикрепени към тях.
Поради намаляването на филаментите (микрофиламентите), се осъществява строго подредено разпределение на хроматидите, които съставляват хромозомата, между дъщерните клетки. Някои хромозоми имат едно или повече вторични стеснения, които не участват в митоза, тъй като нишките на делящото се вретено не могат да се прикрепят към тях, но именно тези участъци (вторични стеснения) осигуряват контрол върху синтеза на ядра - органели, които реагиратза образуването на рибозоми.
Какво е кариотип
Известни учени-генетици Морган, Н. Колцов, Сетън в началото на 20-ти век щателно изследват хромозомите, тяхната структура и функции в соматичните и зародишните клетки - гаметите. Те открили, че всяка клетка от всички биологични видове се характеризира с определен брой хромозоми, които имат специфична форма и размер. Беше предложено целият набор от хромозоми в ядрото на соматичната клетка да се нарече кариотип.
В популярната литература кариотипът често се идентифицира с хромозомния набор. Всъщност това не са идентични понятия. Например, при хората кариотипът е 46 хромозоми в ядрата на соматичните клетки и се обозначава с общата формула 2n. Но такива клетки, като например хепатоцитите (чернодробни клетки) имат няколко ядра, техният хромозомен набор е обозначен като 2n2=4n или 2n4=8n. Тоест, броят на хромозомите в такива клетки ще бъде повече от 46, въпреки че кариотипът на хепатоцитите е 2n, тоест 46 хромозоми.
Броят на хромозомите в зародишните клетки винаги е два пъти по-малък, отколкото в соматичните (в клетките на тялото), такъв набор се нарича хаплоиден и се обозначава с n. Всички други клетки в тялото имат набор от 2n, който се нарича диплоиден.
Хромозомната теория на Морган за наследствеността
Американски генетик Морган открива закона за свързаното наследяване на гените, провеждайки експерименти за хибридизация на плодови мухи-дрозофила. Благодарение на неговите изследвания са изследвани функциите на хромозомите на зародишните клетки. Морган доказа, че гените се намират в съседнилокусите на една и съща хромозома се наследяват предимно заедно, тоест свързани. Ако гените са далеч един от друг в хромозомата, тогава е възможно кръстосването между сестринските хромозоми - размяната на участъци.
Благодарение на изследванията на Морган бяха създадени генетични карти, които изучават функциите на хромозомите и се използват широко в генетичните консултации за разрешаване на въпроси относно възможни патологии на хромозоми или гени, които водят до наследствени заболявания при хората. Значението на заключенията, направени от учения, не може да бъде надценено.
В тази статия разгледахме структурата и функциите на хромозомите, които изпълняват в клетката.
