Молекулярная организация хромосом прокариот и эукариот. Компоненты хроматина: ДНК, РНК, гистоны, другие белки. Уровни упаковки хроматина, нуклеосомы. Политения. Хромосома и хроматин: что это и чем они отличаются? Какие химические вещества входят в состав

Ядерный сок

Ядерная оболочка

Задание № 1

Тема 5 Клеточное ядро

1.Прочитайте ниже изложенный учебный материал.

2.Проанализируйте таблицы из приложения

3.Ответьте на вопросы самоконтроля.

Строение ядра

Ядро- важнейшая составная часть клетки.

Функции:

1.Хранение и воспроизведение наследственной информации.

2.Регуляция всœех процессов обмена веществ в клетке.

Ядро эукариотической клетки может иметь различную форму: округлую, элипсовидную, продолговатую она зависит от вида растения и животного, а также от типа, возраста и функционального состояния клетки.

Как правило, в клетке имеется одно ядро. При этом известны многоядерные клетки, некоторые специализированные эукариотические клетки лишены ядра.

Ядро эукариотической клетки состоит:

Ядерная оболочка

Ядерный сок

Хроматин

Отделяет ядро от цитоплазмы, обеспечивает его целостность, и в то же время, связывает ядро с другими частями клетки.

Ядерная оболочка состоит из двух мембран: наружной и внутренней. Наружная мембрана образует выросты, с помощью которых она соединяется с каналами ЭПС. На ней прикреплены рибосомы; внутренняя мембрана, контактирующая с кариоплазмой, их лишена. В ядерной оболочке находится множество пор, через которые происходит обмен молекулами между ядром и цитоплазмой. Область между двумя мембранами принято называть перинуклеарным пространством- оно связывает ядро с ЭПС. Благодаря наличию пор, обеспечивающих избирательную проницательность, ядерная оболочка контролирует обмен веществ между ядром и цитоплазмой

Полужидкое вещество, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ находится под ядерной оболочкой, представляет внутреннюю среду ядра. В его состав входят вода, белки, в т.ч. большинство ферментов ядра, белки хроматина, аминокислоты, всœе виды РНК. Кариоплазма осуществляет взаимосвязь всœех ядерных структур

Совокупность хромосом. Это главный компонент ядра.

В состав хроматина входят: ДНК, БЕЛКИ, небольшое количество РНК, неорганические ионы.

Функция – передача генетической информации.

На окрашенных препаратах клетки в состоянии покоя представляет собой сеть тонких тяжей, мелких гранул или глыбок. основу хроматина составляют нуклеопротеины –длинные нитевидные молекулы ДНК, соединœенные со специфическими белками. В процессе делœения ядра нуклеопротеины спирализуются, укорачиваются, уплотняясь в компактные хромосомы , которые становятся заметными в световой микроскоп.

Хромосома состоит из двух нитей ДНК – хроматид . Хромосома самостоятельная ядерная структура, имеющая плечи и первичную перетяжку центромеру – область, к которой во время делœения клетки прикрепляются нити веретена делœения. Центромера делит хроматиду на два плеча. Хромосомы одинаковые по форме и размерам и несущие одинаковые гены называют гомологичными. Расположение центромеры определяет три базовых типа хромосом:

Равноплечие

Неравноплечие

Палочковидные

Правила хромосом.

1.Во всœех соматических клетках организма число хромосом одинаково.

Половые клетки, всœегда содержат вдвое меньше хромосом, чем соматические клетки данного вида организма.

2.У всœех организмов, относящихся к одному виду, число хромосом в клетках одинаково.

Число хромосом не зависит от уровня организации и не всœегда указывает на родство. Совокупность количественных и качественных признаков хромосомного набора называют кариотипом.

Хромосомный набор соматической клетки, в котором каждая хромосома имеет себе пару, носит название диплоидного и обозначается (2n) . Из каждой пары гомологичных хромосом в половые клетки попадает только одна, и в связи с этим хромосомный набор гамет называют гаплоидным и обозначается (n) .

Хроматин - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Хроматин" 2017, 2018.

Именно в составе хроматина происходит реализация генетической информации , а также репликация и репарация ДНК .

Основную массу хроматина составляют белки гистоны . Гистоны являются компонентом нуклеосом , - надмолекулярных структур, участвующих в упаковке хромосом. Нуклеосомы располагаются довольно регулярно, так что образующаяся структура напоминает бусы. Нуклеосома состоит из белков четырех типов: H2A, H2B, H3 и H4. В одну нуклеосому входят по два белка каждого типа - всего восемь белков. Гистон H1, более крупный, чем другие гистоны, связывается с ДНК в месте её входа на нуклеосому.

Нить ДНК с нуклеосомами образует нерегулярную соленоид -подобную структуру толщиной около 30 нанометров , так называемую 30 нм фибриллу . Дальнейшая упаковка этой фибриллы может иметь различную плотность. Если хроматин упакован плотно его называют конденсированным или гетерохроматином , он хорошо видим под микроскопом. ДНК, находящаяся в гетерохроматине не транскрибируется , обычно это состояние характерно для незначащих или молчащих участков. В интерфазе гетерохроматин обычно располагается по периферии ядра (пристеночный гетерохроматин). Полная конденсация хромосом происходит перед делением клетки.

Если хроматин упакован неплотно, его называют эу- или интерхроматином . Этот вид хроматина гораздо менее плотный при наблюдении под микроскопом и обычно характеризуется наличием транскрипционной активности. Плотность упаковки хроматина во многом определяется модификациями гистонов - ацетилированием и фосфорилированием

Считается, что в ядре существуют так называемые функциональные домены хроматина (ДНК одного домена содержит приблизительно 30 тысяч пар оснований), то есть каждый участок хромосомы имеет собственную «территорию». Вопрос пространственного распределения хроматина в ядре изучен пока недостаточно. Известно, что теломерные (концевые) и центромерные (отвечающие за связывание сестринских хроматид в митозе) участки хромосом закреплены на белках ядерной ламины .

Схема конденсации хроматина

Примечания

См. также

• Белки группы polycomb ремоделируют хроматин

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Хроматин" в других словарях:

- (от греч. chroma, род. падеж chromatos цвет, краска), нуклеопротеидные нити, из к рых состоят хромосомы клеток эукариот. Термин введён В. Флеммингом (1880). В цитологии под X. подразумевают дисперсное состояние хромосом в интерфазе клеточного… … Биологический энциклопедический словарь

ХРОМАТИН, вещество хромосом, находящееся в ядре клетки. Оно состоит из ДНК и некоторого количества РНК, а также гистонов и негистоновых белков. В процессе метаболизма ядра клетки хроматин распространяется и образует пространство, в котором может… … Научно-технический энциклопедический словарь

хроматин - а, м. chromatine f. биол. Основное вещество ядра животной и растительной клетки, способное окрашиваться. Уш. 1940. Лекс. Брокг.: хроматин; СИС 1937: хромати/н … Исторический словарь галлицизмов русского языка

Вещество (нуклеопротеид) клеточного ядра, составляющее основу хромосом; окрашивается основными красителями. В процессе клеточного деления конденсируется, образуя компактные структуры хромосомы, видимые в микроскоп. Различают гетерохроматин и… … Большой Энциклопедический словарь

ХРОМАТИН, хроматина, мн. нет, муж. (от греч. chroma цвет) (биол.). Основное вещество ядра животной и растительной клетки, способное окрашиваться. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова

Сущ., кол во синонимов: 3 гетерохроматин (2) зухроматин (2) нуклеопротеид … Словарь синонимов

ХРОМАТИН - ХРОМАТИН, интенсивно воспринимающее гист. краски вещество, заключенное в ядрах клеток животных и растений. Главной его белковой составной частью являются повидимому т. н. иуклеопроттды (см.), хотя вопрос о точном определении хим. состава X.… … Большая медицинская энциклопедия

хроматин - Является комплексом ДНК с гистонами, из которого состоят хромосомы Тематики биотехнологии EN chromatin … Справочник технического переводчика

Хроматин - * храмацін * chromatin комплекс ДНК и хромосомных белков (гистоновых и негистоновых), т. н. нуклеопротеидный комплекс, в ядрах эукариотных клеток. Х. служит для упаковки относительно большого количества ДНК в сравнительно малый объем ядра.… … Генетика. Энциклопедический словарь

- (гр. chroma (chromatos) цвет) биол. вещество клеточного ядра, хорошо окрашивающееся (в противоп, ахроматину) при гистологической обработке. Новый словарь иностранных слов. by EdwART, 2009. хроматин хроматина, мн. нет, м. [от греч. chroma –… … Словарь иностранных слов русского языка

Книги

• Хроматин. Упакованный геном , Разин Сергей Владимирович , Быстрицкий Андрей Александрович , В учебном издании впервые всесторонне рассмотрены структурные и функциональные особенности эукариотического генома, главное - упаковка ДНК в хроматин. Подробно описан гистоновый код и его… Категория: Другие биологические науки Издатель:

Хроматин ядра - это комплекс дезоксирибонуклеиновых кислот с белками, где ДНК находится в различной степени конденсации.

При световой микроскопии хроматин представляет собой глыбки неправильной формы, не имеющие четких границ, окрашивающиеся основными красителями. Слабо и сильно конденсированные зоны хроматина плавно переходят друг в друга. По электронной и светооптической плотности выделяют электронноплотный, ярко окрашенный гетерохроматин и менее окрашенный, менее электронно-плотный эухроматин.

Гетерохроматин - зона сильно конденсированной ДНК, связанной с гистоновыми белками. При электронной микроскопии заметны темные глыбки неправильной формы.

Гетерохроматин представляет собой плотно упакованные скопления нуклеосом. Гетерохроматин в зависимости от локализации подразделяют на пристеночный, матричный и перинуклеарный.

Пристеночный гетерохроматин прилежит к внутренней поверхности ядерной оболочки, матричный распределен в матриксе кариоплазмы, а перинуклеарный гетерохроматин примыкает к ядрышку.

Эухроматин - это участок слабо конденсированной ДНК. Эухроматин соответствует участкам хромосом, которые перешли в диффузное состояние, но между конденсированным и деконденсированным хроматином нет четкой границы. С нуклеиновыми кислотами в эухроматине связаны в основном негистоновые белки, но имеются и гистоны, формирующие нуклеосомы, которые рыхло распределены между участками неконденсированной ДНК. Негистоновые белки проявляют менее выраженные основные свойства, более разнообразны по химическому составу, жолюционно гораздо более изменчивы. Они участвуют в транскрипции и регулируют этот процесс. На уровне трансмиссионной электронной микроскопии эухроматин представляет собой структуру низкой электронной плотности, состоящую из мелкозернистых и тонкофибриллярных структур.

Нуклеосомы - это сложные дезоксирибонуклеопротеидные комплексы, содержащие ДНК и белки диаметром около 10 нм. Нуклеосомы состоят из 8 белков - гистонов Н2а, Н2в, НЗ и Н4, располагающихся в 2 ряда.

Вокруг белкового макромолекулярного комплекса фрагмент ДНК образует 2,5 спиральных витка и охватывает 140 нуклеотидных пар. Такой участок ДНК называют коровым и обозначают как core-ДНК (nDNA). Зону ДНК между нуклеосомами иногда называют линкером. Линкерные участки занимают около 60 пар нуклеотидов и их обозначают как iDNA.

Гистоны - это низкомолекулярные, эволюционно консервативные белки с выраженными основными свойствами. Они контролируют считывание генетической информации. В области нуклеосомы процесс транскрипции блокируется, но при необходимости может произойти «раскручивание» спирали ДНК, вокруг нее активизируется полимеризация яРНК. Таким образом, гистоны значимы как белки, контролирующие реализацию генетической программы и функциональную специфическую активность клетки.

Нуклеосомный уровень организации имеет и эухроматин, и гетерохроматин. Однако если к области линкеров присоединяется гистон Н1, то нуклеосомы объединяются между собой, и происходит дальнейшая конденсация (уплотнение) ДНК с образованием грубых конгломератов - гетерохроматина. В эухроматине же значительной конденсации ДНК не происходит.

Конденсация ДНК может происходить по типу сверхбусин или соленоида. При этом восемь нуклеосом компактно прилежат друг к другу и формируют сверхбусину. И в соленоидной модели, и в сверхбусине нуклеосомы, вероятнее всего, лежат в виде спирали.

ДНК может стать еще более компактной, формируя хромомеры. В хромомере фибриллы дезоксирибонуклеопротеида объединяются в петли, скрепленные негистоновыми белками. Хромомеры могут располагаться более или менее компактно. Хромомеры в процессе митоза становятся еще более конденсированными, образуя хромонему (нитевидную структуру). Хромонемы видны в световой микроскоп, образуются в профазу митоза и участвуют в образовании хромосом, располагаясь в виде спиральной укладки.

Морфологию хромосом удобнее изучать при их наибольшей конденсации в метафазе и в начале анафазы. В этом состоянии хромосомы имеют форму палочек разной длины, но с довольно постоянной толщиной. В них хорошо заметна зона первичной перетяжки, которая делит хромосому на два плеча.

Часть хромосом содержит вторичную перетяжку. Вторичная перетяжка представляет собой ядрышковый организатор, так как в интерфазу именно на этих участках происходит формирование ядрышек.

В области первичной перетяжки прикрепляются центромеры, или кинетохоры. Кинетохор представляет собой пластинку дискоидальной формы. К кинетохорам присоединяются микрогрубочки, которые связаны с центриолями. Микротрубочки «растаскивают» хромосомы в митозе.

Хромосомы могут существенно отличаться по размерам и соотношению плеч. Если плечи равны или почти равны, то они метацентрические. Если одно из плеч очень короткое (почти незаметное), то такая хромосома акроцентрическая. Промежуточное положение занимает субметацентрическая хромосома. Хромосомы, имеющие вторичные перетяжки, иногда называют спутниковыми.

Тельца Барра (половой хроматин) - эго особые структуры хроматина, чаще встречающиеся в клетках самок. В нейронах эти тельца находятся возле ядрышка. В эпителии они лежат пристеночно и имеют овальную форму, в нейтрофилах выступают в цитоплазму в виде «барабанной палочки», а в нейронах имеют округлую форму. Они встречаются и 90 % женских и только в 10 % мужских клеток. Тельце Барра соответствует одной из Х-половых хромосом, которая, как полагают, находится в конденсированном состоянии. Выявление телец Барра имеет значение для определения половой принадлежности животного.

Перихроматиновые и интерхроматиновые фибриллы встречаются в матриксе кариоплазмы и лежат либо вблизи хроматина (перихроматиновые), либо рассеяны (интерхроматиновые). Предполагают, что эти фибриллы являются слабо конденсированными рибонуклеиновыми кислотами, попавшими в косой или продольный срез.

Перихроматиновые гранулы - частицы размером 30…50 нм, высокой электронной плотности. Они лежат на периферии гетерохроматина и содержат ДНК и белки; это локальный участок с плотно упакованными нуклеосомами.

Интерхроматиновые гранулы имеют высокую электронную плотность, диаметр 20…25 нм и представляют собой скопление рибонуклеиновых кислот и ферментов. Это могут быть субъединицы рибосом, транспортируемых к ядерной оболочке.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

Хроматин и хромосомы представляют собой разновидности генетических комплексов, способных переходить друг в друга. Их химическая организация сходна между собой. Дезоксирибонуклеопротеин комплекс ДНК с белковыми структурами находится в химической основе хроматина и хромосомы.

Понятие хромосомы и хроматина

Хромосомой принято называть элемент, входящий в состав ядра клетки. Хромосома участвует в формировании структуры ядра. Это хранилище ДНК , а значит и информации наследственного типа об организме в целом. Линейный порядок расположения генов характеризует хромосомы. Хромосому формируют хроматиды. Хроматиды представлены при этом парой продольных субЪединиц. Каждая из входящих в обозначенную пару хроматид по своему строению и структуре абсолютно аналогична другой хроматиде. Основу хроматиды составляет молекула ДНК, представленная в единичном экземпляре. Теломеры выступают конечными участками хроматид.

Хроматин является веществом, входящим в состав хромосомы. Его можно выделить из ядер клеток растений или животных. Для хроматина характерна способность интенсивно окрашиваться ядерными красителями. Когда клетка начинает делиться, хроматин претерпевает процесс формирования в различимые структуры определённого типа, находящиеся в составе хромосом.

Общие черты хроматина и хромосомы

Общность обозначенных понятий заключается в следующем:

1. Процесс спирализации хроматина, в ходе которого и происходит конечное образование хромосомы.
2. Кроме того, и хроматин, и хромосома являются двумя структурно-функциональными состояниями, которые несут в себе наследственный материал.

Сходство химической основы хроматина и хромосомы позволяет при помощи белков осуществлять многоуровневую упаковку молекул, содержащих ДНК, в результате чего хроматин преобразуется в компактную форму.

Отличие хромосомы от хроматина

Различия на уровне структуры

Хромосомы, как элементы ядра клетки, имеют следующие отличительные особенности, расходящиеся с особенностями хроматина:

• Способность к самовоспроизведению.
• Наличие индивидуальной составляющей, связанной со структурными и функциональными свойствами.
• Возможность сохранять индивидуальные характеристики в ряду нескольких поколений.

Хроматин от хромосомы можно отличить по следующим параметрам:

1. Является комплексом, переставленным сочетанием РНК, ДНК и белков.
2. Представляет собой вещество хромосом.
3. Располагается внутри клеток эукариот.
4. Является составным фрагментом нуклеотида у прокариот.
5. С помощью своего состава наделён способностью реализовывать генетическую информацию.
6. Реализует репликацию и репарацию ДНК.

Типовые различия

Хроматин, в отличие от хромосом, способен существовать в двух типовых разновидностях:

Гетерохроматин -представляет собой хромосомы с очень низким или полностью отсутствующим уровнем функциональной активности. Гетерохроматин может быть и в виде частей хромосом. Он характеризуется относительной конденсированностью, которая представлена не в полном объёме. Под воздействием светового микроскопа гетерохроматин визуализируется как глыбки тёмного оттенка.

Зухроматин имеет характеристики, противоположные имеющимся характеристикам гетерохроматина. Он представляет собой хромосомы или их частичную фрагментацию, отличающуюся неполной степенью деконденсированности. С точки зрения функциональности эухроматин активен. Световой уровень не выявляет эухроматин, он продолжает даже под его воздействием оставаться практически неокрашенным.

Отличительной особенностью хроматина по сравнению с хромосомами можно считать и способность одного из его типов, гетерохроматина, в свою очередь делиться на два структурных элемента:

1. Факультативный гетерохроматин, который отличает возможность трансформироваться в эухроматин.
2. Конструктивный тип гетерохроматина, который не способен ни в какой из клеток осуществлять сходное преобразование.

Хромосомы и хроматин можно различать ещё и по внешнему облику. Хроматин представлен глыбками, гранулированными элементами и нитчатыми структурами, в целом можно сказать, что это уплотнённые участки хромосом.
Хромосомы, будучи единицей генетического материала, наделены плотной структурой.

Различна реакция хромосомы и хроматина на окрашивание. Хроматин поддаётся воздействию только некоторых красителей, к ним можно отнести кармин и гематоксилин. Хромосомы окрашиваются интенсивно, чутко реагируя на красящий элемент.

Хроматин – основной компонент клеточного ядра – достаточно легко получить из выделенных интерфазных ядер и из выделенных митотических хромосом. Для этого используют его свойство переходить в растворенное состояние при экстракции водными растворами с низкой ионной силой или просто деионизованной водой. При этом участки хроматина набухают и переходят в гель. Чтобы такие препараты перевести в настоящие растворы, необходимы сильные механические воздействия: встряхивание, перемешивание, дополнительная гомогенизация. Это, конечно, приводит к частичному разрушению исходной структуры хроматина, дробит его на мелкие фрагменты, но практически не меняет его химического состава.

Фракции хроматина, полученные из разных объектов, обладают довольно однообразным набором компонентов. Было найдено, что суммарный химический состав хроматина из интерфазных ядер и митотических хромосом мало отличаются друг от друга. Главными компонентами хроматина являются ДНК и белки, среди которых основную массу составляют гистоны и негистоновые белки (см табл. 3).

Таблица 3. Химический состав хроматина. Содержание белков и РНК дано по отношению к ДНК

В среднем в хроматине около 40% приходится на ДНК и около 60 % на белки, среди которых специфические ядерные белки-гистоны , составляют от 40 до 80% от всех белков, входящих в состав выделенного хроматина. Кроме того в состав хроматиновой фракциии входят мембранные компоненты, РНК, углеводы, липиды, гликопротеиды. Вопрос о том, насколько эти минорные компоненты входят в структуру хроматина еще не решен. Так, например, РНК может представлять собой транскрибируемую РНК, которая еще не потеряла связь с матрицей ДНК. Другие же минорные компоненты могут представлять собой вещества соосажденных фрагментов ядерной оболочки.

В структурном отношении хроматин представляет собой нитчатые комплексные молекулы дезоксирибонуклеопротеида (ДНП), которые состоят из ДНК, ассоциированной с гистонами (см. рис. 57). Поэтому укоренилось другое название хроматина – нуклеогистон . Именно за счет ассоциации гистонов с ДНК образуются очень лабильные, изменчивые нуклеиново-гистоновые комплексы, где отношения ДНК: гистон равно примерно единице, т.е. они присутствуют в равных весовых количествах. Эти нитчатые фибриллы ДНП и есть элементарные хромосомные или хроматиновые нити, толщина которых в зависимости от степени упаковки ДНК может колебаться от 10 до 30 нм. Эти фибриллы ДНП могут в свою очередь дополнительно компактизоваться с образованием более высоких уровней структуризации ДНП, вплоть до митотической хромосомы. Роль некоторых негистоновых белков заключается именно в образовании высоких уровней компактизации хроматина.

ДНК хроматина

В препарате хроматина на долю ДНК приходится обычно 30-40%. Эта ДНК представляет собой двухцепочечную спиральную молекулу подобно чистой выделенной ДНК в водных растворах. Об этом говорят многие экспериментальные данные. Так, при нагревании растворов хроматина наблюдается повышение оптической плотности раствора, так называемый гиперхромный эффект, связанный с разрывом межнуклеотидных водородных связей между цепями ДНК, подобно тому, что происходит при нагревании (плавлении) чистой ДНК.

Вопрос о размере, длине молекул ДНК в составе хроматина имеет важное значение для понимания структуры хромосомы в целом. При стандартных методах выделения ДНК хроматина обладает молекулярной массой 7-9 х 10 6 , что значительно меньше молекулярной массы ДНК из кишечной палочки (2,8 х 10 9). Такую сравнительно малую молекулярную массу ДНК из препаратов хроматина можно объяснить механическими повреждениями ДНК в процессе выделения хроматина. Если же выделять ДНК в условиях, исключающих встряхивание, гомогенизацию и другие воздействия, то удается из клеток получить молекулы ДНК очень большой длины. Длина молекул ДНК из ядер и хромосом эукариотических клеток может быть изучена с помощью метода светооптической радиоавтографии, подобно тому как это изучалось на прокариотических клетках.

Было обнаружено, что в составе хромосом длина индивидуальных линейных (в отличие от прокариотических хромосом) молекул ДНК может достигать сотен микрометров и даже нескольких сантиметров. Так, у разных объектов были получены молекулы ДНК от 0,5 мм до 2 см. Эти результаты показали, что есть близкое совпадение между расчетной длиной ДНК на хромосому и радиоавтографическим наблюдением.

Таблица 4. Содержание ДНК в клетках некоторых объектов (пг, 10 -12 г)

После мягкого лизиса клеток эукариот можно прямо определять молекулярные массы ДНК физико-химическими методами. Было показано, что максимальная молекулярная масса молекулы ДНК дрозофилы равна 41 х 10 9 , что соответствует длине около 2 см. У некоторых дрожжей на хромосому приходится молекула ДНК с молекулярной массой 1 х 10 8 -10 9 , которая имеет размеры около 0,5 мм.

Такие длинные ДНК представляют собой одну молекулу, а не несколько более коротких, сшитых гуськом с помощью белковых связок, как считали некоторые исследователи. К этому заключению пришли после того, как оказалось, что длина молекул ДНК не изменяется после обработки препаратов протеолитическими ферментами.

Общее количество ДНК, входящее в ядерные структуры клеток, в геном организмов, колеблется от вида к виду, хотя у микроорганизмов количество ДНК на клетку значительно ниже, чем у беспозвоночных, высших растений и животных. Так, у мыши на ядро приходится почти в 600 раз больше ДНК, чем у кишечной палочки. Сравнивая количество ДНК на клетку у эукариотических организмов, трудно уловить какие-либо корреляции между степенью сложности организма и количеством ДНК на ядро. Примерно одинаковое количество ДНК имеют такие различные организмы как лен, морской еж, окунь (1,4-1,9 пг) или рыба голец и бык (6,4 и 7 пг).

Значительны колебания количества ДНК в больших таксономических группах. Среди высших растений количество ДНК у разных видов может отличаться в сотни раз, так же, как и среди рыб, в десятки раз отличается количество ДНК у амфибий.

У некоторых амфибий в ядрах количество ДНК больше, чем в ядрах человека в 10-30 раз, хотя генетическая конституция человека несравненно сложнее, чем у лягушек. Следовательно, можно предполагать, что «избыточное» количество ДНК у более низко организованных организмов либо не связано с выполнением генетической роли, либо число генов повторяется то или иное число раз.

Разрешить эти вопросы оказалось возможным на основании изучения кинетики реакции ренатурации или гибридизации ДНК. Если фрагментированные молекулы ДНК в растворах подвергнуть тепловой денатурации, а затем инкубировать их при температуре несколько более низкой, чем та, при которой происходит денатурация, то идет восстановление исходной двуспиральной структуры фрагментов ДНК за счет воссоединения комплементарных цепей – ренатурация. Для ДНК вирусов и прокариотических клеток было показано, что скорость такой ренатурации прямо зависит от величины генома; чем больше геном, чем больше количество ДНК на частицу или клетку, тем больше нужно времени для случайного сближения комплементарных цепей и специфической реассоциации большего числа разных по нуклеотидной последовательности фрагментов ДНК (рис. 53). Характер кривой реассоциации ДНК прокариотических клеток указывает на отсутствие повторяющихся последовательностей оснований в геноме прокариот; все участки их ДНК несут уникальные последовательности, число и разнообразие которых отражает степень сложности генетической композиции объектов и, следовательно, их общей биологической организации.

Совсем другая картина реассоциации ДНК наблюдается у эукариотических организмов. Оказалось, что в состав их ДНК входят фракции, которые ренатурируют с гораздо более высокой скоростью, чем можно было бы предполагать на основании размера их генома, а также фракция ДНК, ренатурирующая медленно, подобно уникальным последовательностям ДНК прокариот. Однако для эукариот требуется значительно большее время для ренатурации этой фракции, что связано с общим большим размером их генома и с большим числом различных уникальных генов.

В той части ДНК эукариотов, которая отличается высокой скоростью ренатурации, различают две подфракции: 1) фракцию с высоко или часто повторяющимися последовательностями, где сходные участки ДНК могут быть повторены 10 6 раз; 2) фракцию умеренно повторяющихся последовательностей, встречающихся в геноме 10 2 -10 3 раз. Так, у мыши во фракцию ДНК с часто повторяющимися последовательностями входит 10% от общего количества ДНК на геном и 15% приходится на фракцию с умеренно повторяющимися последовательностями. Остальные 75% от всей ДНК мыши представлены уникальными участками, соответствующими большому числу различных неповторяющихся генов.

Фракции с часто повторяющимися последовательностями могут обладать иной плавучей плотностью, чем основная масса ДНК, и поэтому могут быть выделены в чистом виде, как так называемые фракции сателлитной ДНК . У мыши эта фракция имеет плотность, равную 1,691 г/мл, а основная часть ДНК - 1,700 г/мл. Эти различия плотности определяются различиями в нуклеотидном составе. Например, у мыши в этой фракции имеется 35% Г и Ц пар, а в основном пике ДНК - 42%.

Как оказалось, сателлитная ДНК, или фракция ДНК с часто повторяющимися последовательностями, не участвует в синтезе основных типов РНК в клетке, не связана с процессом синтеза белка. Этот вывод сделан был на основании того, что ни один из типов РНК клетки (тРНК, иРНК, рРНК) не гибридизируется с сателлитными ДНК. Следовательно, на этих ДНК нет последовательностей, отвечающих за синтез клеточных РНК, т.е. сателлитные ДНК не являются матрицами для синтеза РНК, не участвуют в транскрипции.

Существует гипотеза о том, что высокоповторяющиеся последовательности, не участвующие непосредственно в синтезе белков, могут нести информацию, играющую важную структурную роль в сохранении и функционировании хромосом. К ним могут быть отнесены многочисленные участки ДНК, связанные с белками остова интерфазного ядра (см. ниже), участки начала репликации или транскрипции, а также участки ДНК, регулирующие эти процессы.

Методом гибридизации нуклеиновых кислот прямо на хромосомах (in situ ) была изучена локализация этой фракции. Для этого на изолированной сателлитной ДНК с помощью бактериальных ферментов синтезировали меченую 3 Н-уридином РНК. Затем цитологический препарат с хромосомами подвергали такой обработке, при которой происходит денатурация ДНК (повышенная температура, щелочная среда и др.). После этого на препарат помещали меченную 3 Н РНК и добивались гибридизации между ДНК и РНК. Радиоавтографически было обнаружено, что большая часть метки локализуется в зоне первичных перетяжек хромосом, в зоне их центромерных участков. Метка обнаруживалась также и в других участках хромосом, но очень слабо (рис. 54).

За последние 10 лет сделаны большие успехи в изучении центромерных ДНК , особенно у дрожжевых клеток. Так у S. cerevisiae центромерная ДНК состоит из повторяющихся участков по 110 п.н. Она состоит из двух консервативных участков (I и III) и центрального элемента (II), обогащенного АТ-парами оснований. Сходное строение ДНК центромеры имеют хромосомы дрозофилы. Центромерная ДНК человека (альфоидная сателлитная ДНК) состоит из тандема мономеров по 170 п.н., организованных в группы димеров или пентамеров, которые в свою очередь образуют большие последовательности по 1-6 х 10 3 п.н. Такая самая большая единица повторена 100-1000 раз. С этой специфической центромерной ДНК комплексируются особые центромерные белки, участвующие в образовании кинетохора , структуры, обеспечивающей связь хромосом с микротрубочками веретена и в движении хромосом в анафазе (см. ниже).

ДНК с высокоповторяющимися последовательностями обнаружена также в теломерных участках хромосом многих эукариотических организмов (от дрожжей до человека). Здесь чаще всего встречаются повторы, в которые входят 3-4 гуаниновых нуклеотида. У человека теломеры содержат 500-3000 повторов TTAGGG. Эти участки ДНК выполняют особую роль - ограничивать хромосому с концов и предотвращать ее укорачивание в процессе многократной репликации.

Недавно было найдено, что высокоповторяющиеся последовательности ДНК интерфазных хромосом связываются специфически с белками - ламинами, подстилающими ядерную оболочку, и участвуют в заякоревании растянутых деконденсированных интерфазных хромосом, тем самым определяют порядок в локализации хромосом в объеме интерфазного ядра.

Сделано предположение, что сателлитная ДНК может участвовать в узнавании гомологичных районов хромосом при мейозе. По другим предположениям, участки с часто повторяющимися последовательностями играют роль разделителей (спейсеров) между различными функциональными единицами хромосомной ДНК, например между репликонами (см. ниже).

Как оказалось, фракция умеренно повторяющихся (от 10 2 до 10 5 раз) последовательностей принадлежит к пестрому классу участков ДНК, играющих важную роль в процессах создания аппарата белкового синтеза. В эту фракцию входят гены рибосомных ДНК, которые могут быть повторены у разных видов от 100 до 1000 раз. В эту фракцию входят многократно повторенные участки для синтеза всех тРНК. Более того, некоторые структурные гены, ответственные за синтез определенных белков, также могут быть многократно повторены, представлены многими копиями. Такими являются гены для белков хроматина - гистонов, повторяющихся до 400 раз.

Кроме того, в эту фракцию входят участки ДНК с разными последовательностями (по 100-400 нуклеотидных пар), также многократно повторенными, но рассеянными по всему геному. Их роль еще не до конца ясна. Высказывается предположение, что такие участки ДНК могут представлять собой акцепторные или регуляторные участки разных генов.

Итак, ДНК эукариотических клеток гетерогенна по составу, содержит несколько классов последовательностей нуклеотидов: часто повторяющиеся последовательности (> 10 6 раз), входящие во фракцию сателлитной ДНК и не транскрибирующиеся; фракция умеренно повторяющихся последовательностей (10 2 -10 5), представляющих блоки истинных генов, а также короткие последовательности, разбросанные по всему геному; фракция уникальных последовательностей, несущая информацию для большинства белков клетки.

Исходя из этих представлений становятся понятными те различия в количестве ДНК, которые наблюдаются у разных организмов: они могут быть связаны с неодинаковой долей тех или иных классов ДНК в геноме организмов. Так, например, у амфибии Amphiuma (у которой ДНК в 20 раз больше, чем у человека) на долю повторяющихся последовательностей приходится до 80% от всей ДНК, у луков - до 70, у лосося - до 60% и т.п. Истинное же богатство генетической информации должна отображать фракция уникальных последовательностей. Не нужно забывать, что в нативной, нефрагментированной молекуле ДНК хромосомы все участки, включающие уникальные, умеренно и часто повторяющиеся последовательности, связаны в единую гигантскую ковалентную цепь ДНК.

Молекулы ДНК гетерогенны не только по участкам разной нуклеотидной последовательности, но и различны в отношении их синтетической активности.