12.2: Організація ДНК всередині клітини

Last updated
Save as PDF

Page ID: 8118

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Організація ДНК у прокаріотів

ДНК клітини, упакована у вигляді дволанцюгової молекули ДНК, називається її геном. У прокаріотів геном складається з однієї, двоцепочечной молекули ДНК у вигляді петлі або кола (рис.\(\PageIndex{1}\)). Область в клітці, що містить цей генетичний матеріал, називається нуклеоїдом (пам'ятайте, що прокаріоти не мають окремого мембранозв'язаного ядра). Деякі прокаріоти також мають менші петлі ДНК, які називаються плазмідами, які не є важливими для нормального росту. Бактерії можуть обмінюватися цими плазмідами з іншими бактеріями, іноді отримуючи корисні нові гени, які реципієнт може додати до своєї хромосомної ДНК. Стійкість до антибіотиків - одна з ознак, яка часто поширюється через бактеріальну колонію через плазмідний обмін.

овальні бактерії, що містять петлю бактеріальної ДНК і менші кола плазмідної ДНК. — **Малюнок\(\PageIndex{1}\):** Бактеріальна ДНК і плазміди обидва кругові. Фото кредит Spaully; Вікіпедія.

Розмір генома у одного з найбільш добре вивчених прокаріотів, E.coli, становить 4,6 мільйона пар основ (що становило б приблизно 1,1 мм в довжину, якщо б розрізати і розтягнути). Так як же це вписується всередині невеликої бактеріальної клітини? ДНК скручується тим, що відомо як суперколювання. Суперспіральна ДНК згорнута більш щільно, ніж зазвичай може бути виявлена в клітині (більше 10 нуклеотидів на скручування спіралі). Якщо ви візуалізуєте скручування мотузки, поки вона не повернеться назад на себе, у вас є досить хороший візуал суперспіральної ДНК. Цей процес дозволяє ущільнити ДНК в невеликий простір всередині бактерії.

Організація ДНК у еукаріотів

Еукаріоти мають набагато більше ДНК, ніж у прокаріотів. Наприклад, бактерії кишкової палички містять приблизно 3 мільйони пар основ ДНК, тоді як людина містить приблизно 3 мільярди. У еукаріотів, таких як людина та інші тварини, геном складається з декількох дволанцюгових лінійних молекул ДНК (рис.\(\PageIndex{2}\)), які розташовані всередині мембранно-зв'язаного ядра. Кожен вид еукаріот має характерну кількість хромосом в ядрах (множині ядра) його клітин. Нормальна людська гамета (сперматозоїд або яйцеклітина) містить 23 хромосоми. Нормальна клітина людського тіла, або соматична клітина, містить 46 хромосом (один набір з 23 з яйцеклітини і один набір з 23 зі сперматозоїда; рис.\(\PageIndex{2}\)). Буква n використовується для представлення єдиного набору хромосом; тому гамета (сперматозоїд або яйцеклітина) позначається 1 n, і називається гаплоїдної клітиною. Соматичні клітини (клітини тіла) позначаються 2 n і називаються диплоїдними клітинами.

23 хромосоми людської самки пофарбовані в різний колір, щоб їх можна було розрізнити. Протягом більшої частини клітинного циклу кожна хромосома витягується в тонку пасмо, яка складається на собі, як шматочок спагетті. Хромосоми заповнюють все сферичне ядро, але кожна з них міститься в іншій частині, в результаті чого виходить різнобарвна сфера. Під час мітозу хромосоми конденсуються в товсті компактні бруски, кожен різного кольору. Ці бруски можуть бути розташовані в числовому порядку, щоб утворити каріотип. У каріотипу є дві копії кожної хромосоми. — **Малюнок\(\PageIndex{2}\):** У жіночій соматичній клітині людини налічується 23 пари гомологічних хромосом. Конденсовані хромосоми розглядаються всередині ядра (зверху), видаляються з клітини в мітозі і поширюються на слайді (праворуч), і штучно розташовані відповідно до довжини (зліва); подібне розташування називається каріотипом. На цьому зображенні хромосоми піддавалися впливу флуоресцентних плям для диференціації різних хромосом. Метод фарбування під назвою «хромосомне фарбування» використовує флуоресцентні барвники, які виділяють хромосоми різними кольорами. (кредит: Національний проект геному людини/NIH)

Зібрані пари хромосом в диплоїдному організмі називаються гомологічними («однаковими знаннями») хромосомами. З пари гомологічних хромосом одна вийшла з яйцеклітини, а друга - від сперматозоїда. Гомологічні хромосоми мають однакову довжину і мають специфічні нуклеотидні сегменти, звані генами в точно такому ж місці, або локусом. Гени, функціональні одиниці хромосом, визначають специфічні характеристики шляхом кодування специфічних білків. Риси - це варіації цих характеристик. Наприклад, колір волосся - це характеристика з рисами, які є блондинкою, коричневою або чорною.

Кожна копія гомологічної пари хромосом походить від іншого батька; отже, послідовність ДНК, присутня в двох генах на парі гомологічних хромосом, не обов'язково ідентична, незважаючи на те, що ті ж гени присутні в тих же місцях хромосоми. Ці різні версії гена, які містять різні послідовності ДНК, називаються алелями.

Якщо подивитися на малюнок\(\PageIndex{3}\), то можна побачити пару гомологічних хромосом. Хромосома, показана на малюнку, - хромосома 15. Ген HERC2 розташований на цій хромосомі. Цей ген є одним з як мінімум трьох генів, які допомагають визначити колір очей. Кожна людина успадковує дві копії гена HERC2: одну від яйцеклітини і одну від сперми. Однак алелі гена HERC2, які вони успадковують, можуть бути різними. На малюнку клітина, що містить цю гомологічну пару хромосом, містить один синій алель і один коричневий алель.

пара хромосоми 15s, що показує синю та коричневу лінію в положенні гена herc2 — **Малюнок\(\PageIndex{3}\):** Гомологічна пара хромосоми 15s, що показує розташування гена HERC2. Два різних алелі цього гена показані синім або коричневим кольором.

Варіація особин всередині виду обумовлена специфічною комбінацією генів, успадкованих від обох батьків. Навіть трохи змінена послідовність нуклеотидів всередині гена може призвести до альтернативної ознаки. Наприклад, на хромосомі людини є три можливі послідовності генів (алелі), які кодують за групою крові: послідовність А, послідовність В і послідовність О. Оскільки всі диплоїдні клітини людини мають дві копії хромосоми, яка визначає групу крові, визначається група крові (ознака), за якою дві версії ген-маркер передаються у спадок. Можна мати дві копії одного і того ж алеля на обох гомологічних хромосомах, по одній на кожній (наприклад, AA, BB або OO), або два різних алелі, такі як AB.

Незначні варіації ознак, такі як група крові, колір очей та ручність, сприяють природним варіаціям, знайденим у вигляді. Однак якщо порівнювати всю послідовність ДНК з будь-якої пари гомологічних хромосом людини, різниця становить менше одного відсотка. Статеві хромосоми, X і Y, є єдиним винятком з правила однорідності гомологічних хромосом: крім невеликої кількості гомології, яка необхідна для точного вироблення гамет, гени, знайдені на хромосомах X і Y, різні.

Еукаріотична хромосомна структура та ущільнення

Якби ДНК з усіх 46 хромосом в ядрі клітини людини була викладена впритул, вона вимірювала б приблизно два метри; однак її діаметр становив би лише 2 нм. Враховуючи, що розмір типової клітини людини становить близько 10 мкм (100 000 клітин, що вишикувалися рівним одному метру), ДНК повинна бути щільно упакована, щоб поміститися в ядрі клітини. У той же час він також повинен бути легкодоступним для експресії генів. Під час деяких етапів клітинного циклу довгі нитки ДНК конденсуються в компактні хромосоми.

Еукаріоти, хромосоми яких складаються з лінійної молекули ДНК, використовують складний тип стратегії упаковки, щоб відповідати їх ДНК всередині ядра (рис.\(\PageIndex{4}\)). На самому базовому рівні ДНК обертається навколо білків, відомих як гістони, утворюють структури, звані нуклеосомами. Гістони - це еволюційно збережені білки, які утворюють октамер з восьми гістонових білків, з'єднаних разом. ДНК, яка негативно заряджена через фосфатних груп, щільно обгорнута навколо ядра гістону, яке має загальний позитивний заряд. Ця нуклеосома пов'язана з наступною за допомогою лінкерної ДНК. Це також відоме як структура «намистини на нитці». Це додатково ущільнюється в 30 нм волокно, яке є діаметром конструкції. На стадії метафази хромосоми найбільш компактні, мають ширину приблизно 700 нм і знаходяться в асоціації з білками каркасів.

Існує п'ять рівнів організації хромосом. Зверху вниз: На верхній панелі зображена подвійна спіраль ДНК. На другій панелі зображена подвійна спіраль, обгорнута навколо білків, званих гістонами. Середня панель показує всю молекулу ДНК, що обертається навколо багатьох гістонів, створюючи вигляд намистин на нитці. Четверта панель показує, що хроматинове волокно додатково конденсується в хромосому, показану на нижній панелі. — **Малюнок\(\PageIndex{4}\):** Дволанцюгова ДНК обгортається навколо гістонових білків, утворюючи нуклеосоми, які мають вигляд «намистин на нитці». Нуклеосоми згортаються в 30-нм хроматинове волокно. Коли клітина піддається мітозу, дубльовані хромосоми ущільнюються ще далі.

ДНК реплікується в S-фазі інтерфази. Після реплікації хромосоми складаються з двох пов'язаних сестринських хроматидів (рис.\(\PageIndex{5}\)). Це означає, що єдиний час хромосоми виглядають як «X» - це після того, як відбулася реплікація ДНК і хромосоми конденсуються. Протягом більшої частини життя клітини хромосоми складаються тільки з однієї копії і вони не щільно ущільнені в хромосоми. При повному ущільненні пари однаково упакованих хромосом зв'язуються один з одним білками когезину. Зв'язок між сестринськими хроматидами найбільш близький в області, яка називається центромер. З'єднані сестринські хроматиди, діаметром близько 1 мкм, видно під світловим мікроскопом. Центромерна область сильно ущільнена і, таким чином, буде виглядати як звужена область. На\(\PageIndex{4}\) малюнку він показаний як овал, тому що так легше малювати.

лінійні хромосоми до сестринських хроматидів — **Малюнок\(\PageIndex{5}\):** Результат реплікації ДНК у еукаріотів. У клітині організму є дві копії кожної хромосоми (по одній від кожного з батьків). Після реплікації дві однакові сестринські хроматиди залишаються з'єднаними у центромере (показано у вигляді овалу).

Посилання

Якщо не зазначено інше, зображення на цій сторінці ліцензуються відповідно до CC-BY 4.0 OpenStax.

OpenStax, Біологія. OpenStax CNX. Грудня 21, 2017 https://cnx.org/contents/GFy_h8cu@10...and-Sequencing