Хромосомы, их строение и биологическое значение

Обязательным элементом ядра являются хромосомы. Хромосомы хорошо видны только у делящей клетки на стадии метафазы, когда они располагаются в экваториальной плоскости ядра, они хорошо видны, и их можно подсчитать. Название хромосомы они получили от способности интенсивно окрашиваться специальными красками (т.е. «хромо» - краска, «сомо» – тело, т.е. окрашенное тело).

В клетке обычно содержится по две хромосомы каждого сорта, следовательно, по форме и величине они парные и эти парные хромосомы называют гомологическими. Соматические клетки имеют диплоидный набор хромосом – 2п т.е. парный, половые клетки имеют гаплоидный набор – п – одинарный. Например, у человека 23 пары хромосом, половые клетки содержат – 23 хромосомы; у крупного рогатого скота в соматических клетках содержится – 30 пар хромосом, в половых клетках- 30 хромосом, у мухи дрозофилы – 4 пары хромосом содержится в соматических клетках и 4 хромосомы в половых и так далее. Все хромосомы клетки разделяют на два вида: половые хромосомы xx ; xy и аутосомы. Каждая клетка содержит одну пару половых хромосом, а остальные пары – аутосомы (Например, у человека – 22 пары аутосом, 1 пара половых хромосом). Одинарный или гаплоидный набор хромосом и находящейся в нем гены или ДНК называется геномом.

Соединение двух геномов мужского и женского дают начало зиготе, которая имеет половину хромосом мужского организма, а половину хромосом женского организма.

По внешнему виду хромосома состоит из двух половинок, называемых хроматидами. Хроматида содержит одну нить хромонему, а каждая хромонема состоит из молекулы ДНК.

Хромосома имеет центромеру, которая выполняет функции механического центра. К центромере прикрепляется нити веретена во время деления клетки. Центромера занимает в хромосоме определенное и постоянное положение и разделяя ее на два плеча. По величине плеч хромосомы как бы делятся на четыре типа. Равноплечие – метацентрические, центромера занимает среднее положение и делит хромосому на равных плеча; неравноплечие – субметацентрические, центромера смещена в сторону от центра и делит хромосому на два плеча разной длины. Резко неравноплечие – акроцентрические, центромера смещена от центра очень близко к одному из концов хромосомы. Телоцентрические –центромера расположена на самом конце хромосомы. Такие хромосомы имеют только одно плечо.

Расположение центромеры служит основой для классификации, идентификации хромосом. Потеря центромеры ведет к потере хромосомы, к ее лизису в цитоплазме.

В состав хромосом, кроме ДНК, входят еще три типа макромолекул: РНК, низкомолекулярный основной белок гистон, который в сперматозоидах некоторых видов замещен сходным белком протамином, и более сложный белок, называемый остаточным белком. В хромосоме присутствуют липиды, кальций, магний, железо. В хромосоме находится ДНК-полимераза. Этот фермент необходим при репликации ДНК.

У бактерий и фагов обнаружена одна молекула ДНК. Считают, что у высших организмов в хромосоме точно не установлено может быть 4 – 6 молекул ДНК. Длина ДНК в хромосоме тоже не одинакова. Так, предполагают, что общая длина хромосом растянутых молекул ДНК в 46 хромосомах человека составляет 1м. В секреторных клетках число хромосом в ядре клетке часто бывает удвоенным, такие клетки содержат удвоенное количество ДНК.

Для хромосом характерны следующие закономерности:

1. Каждая хромосома имеет присущею ей форму. Форма хромосомы определяется расположением механического центра, т.е. центромеры и могут быть равноплечими, разноплечими, палочковидными, изогнутые, точкообразные. Иногда на конце хромосома имеет небольшое тельце, т.е. хромосома со спутником и другие.

2. Парность хромосом. Парные хромосомы одинаковые, они обычно называются гомологичными хромосомами и соматические клетки имеют диплоидный набор хромосом 2п, а половые гаплоидный – п. Полученная после оплодотворения зигота всегда будет иметь диплоидный набор хромосом, т.е. она получит гаплоидный набор от матери и от отца.

3. Способность хромосом к самоудвоению. Это хорошо видно при делении клеток, когда дочерние клетки имеют идентичные наборы с материнской клеткой.

4. Постоянство числа хромосом для каждого вида. Так, у крупного рогатого скота – 60 хромосом, лошади – 66, овцы – 54, свиньи – 38, собаки – 78, мухи дрозофилы – 8, человека – 46.

Необходимо отметить, что число хромосом не зависит от величины животного. Лошадь имеет – 66, крупный рогатый скот– 60, овца – 54, голубь- 80, курица – 78, сазан – 104, мыши – 40 хромосом.

Число хромосом, их размеры, форма для каждого вида постоянны и могут служить видовым признаком. Такой типичный для каждого вида набор хромосом называется кариотипом. Кариотип является важной видовой характеристикой организмов. В связи с тем, что существует различие по кариотипам, между видами наблюдается не скрещиваемость (овца – 54, коза – 60).

Связь хромосом из молекулы ДНК делает их ведущими в наследственности. Поэтому и существует ядерная или хромосомная наследственность. В доказательство роли хромосом в наследственности можно привести очень много примеров.

Так, всем известно растение дурман, который имеет 24 хромосомы или 12 пар. Установлено, что появление в кариотипе дурмана одной линии хромосом, т.е. 25 хромосом, ведет к изменению ряда признаков. В зависимости, к какой паре добавляется лишняя хромосома, приводит к изменению различной формы коробочки и ее величины. Это явление получило название гетероплодии. Существует так называемая полиплодия, т.е. краткое увеличение числа хромосом. При этом увеличивается размер растений, размер семян, растения становятся из однолетних многолетними. Болезнь Дауна у человека, когда к 21 паре хромосом присоединяется одна лишняя, т.е. человек имеет 47 хромосом.

Таким образом, необходимо отметить, что наследственность является свойством клетки. Но нельзя считать, что для осуществления наследственности важно ядро, но не важна цитоплазма. Однако можно отметить, что во всякой работающей системе все детали важны и важны в наследственности все органоиды клетки.

Ядро можно назвать органом хранения наследственной информации, а цитоплазму органом ее реализации. Из всего сказанного можно сделать вывод, что ядру принадлежит доминирующая роль в определении наследственности.

Это хорошо видно в опытах Астаурова на тутовом шелкопряде. Он убивал высокой температурой ядро яйцеклетки и затем такую яйцеклетку оплодотворял сперматозоидами. Два сперматозоида проникали в цитоплазму клетки с убитым ядром, сливались между собой и давали начало зиготе исключительно с отцовскими признаками. Это еще раз подтверждает, что основным носителем наследственности является ядро.

Все перечисленные органоиды цитоплазмы, за исключением центросомы содержаться в ней в большом количестве и зависят от состояния клетки. При делении клетки они распределяются случайно, и в последующем число их восстанавливается путем деления, а в некоторых случаях они образуются вновь из элементов цитоплазмы.

В заключении необходимо отметить, что клетку нужно рассматривать, как целостную генетическую систему, которую широко используют при клонировании органов, тканей, даже живых организмов.

4.Деление клеток – митоз, мейоз. Фазы деления

Преемственность в развитии организмов из поколения в поколение осуществляется через деление клеток. Деление клеток – это главный момент размножения. В процессе деления клетки создается две подобные клетки, которые имеют одинаковую наследственную информацию. В делении клетки наблюдается два момента деления: ядро – митоз и цитоплазма – цитокинез. Особое внимание ученых привлекает деление ядра, так как ядро является хранилищем наследственной информации. В настоящее время различают в основном два типа деления клеток: митоз и мейоз. Митозом делятся соматические клетки, а мейозом – половые. Однако встречается и третий тип деления клеток, так называемый амитоз, т. е. деление клетки с помощью перетяжки. Этот тип деления в основном наблюдается в простейших организмах.

Под митозом понимают уравнительное деление клеток, когда число хромосом у дочерних клеток остается таким, каким оно было у родителей. В процессе митоза происходит:

1. удвоение вещества хромосом;

2. изменение физического состояния и химической организации хромосом;

3. расхождение дочерних хромосом к полюсам клетки;

4. деление цитоплазмы и восстановление двух новых ядер в дочерних клетках;

Таким образом, при митозе происходит точное распределение генетического материала между дочерними клетками. Полученные дочерние клетки полностью несут наследственную информацию, характеризующую данный организм. При делении ядра, т.е. митозе, в клетки происходят пять последовательных фаз:

1. интерфаза;

2. профаза;

3. метафаза;

4. анафаза;

5. телофаза.

1. Интерфаза – это фаза называется стадией покоя клетки между двумя делениями, т.е. митозами. В интерфазе ядро кажется оптически пустым. Отдельные хромосомы в нем не различимы. Нить ДНК освобождается от всех оболочек, очень тонка и не видна даже при большом увеличении. Однако, применение радиоактивных изотопов показало, что в этой фазе имеются хромосомы. Хотя эта фаза называется стадией покоя, однако в ядре клетки в этот период идут интенсивные обменные процессы. Здесь происходит удвоение ДНК и хромосом. Хромосомы выходят из этой фазы продольно расщепленными, но удерживаются вместе центромерой. Переход к делению клетки начинается с команды, идущей с цитоплазмы к ядру, и контролируется генами.

2. Профаза – первая стадия подготовки ядра делению. Каждая хромосома состоит из двух хроматид, спирально закрученных друг относительно друга. В ходе профазы хроматиды укорачиваются и утолщаются в результате внутренней спирализации. В этой фазе происходит деление центросомы на две центриоли, которые потом движутся к полюсам. В профазе хромосомы претерпевают процесс, скручивания, спирализации по своей оси. Благодаря этому они способны к передвижению. Так как, длинные нити могут привести к их запутыванию. Ядерная оболочка растворяется, ядрышки постепенно исчезают, хромосомы оказываются в общей массе.

3. Метафаза. Эта фаза характеризуется расположением хромосом на экваторе клетки. При этом центромеры или точки прикрепления к хромосоме нитей веретена, тоже лежат в экваториальной плоскости. Расположение хромосом друг к другу случайное. В тоже время в метафазе хорошо видно число хромосом и их форма. В этом период изучают хромосомы по их форме и численности. Цитоплазма клетки в этот период имеет наименьшую вязкость.

4. Анафаза. В анафазе дочерние хромосомы расходятся к полюсам. Расхождение хромосом в анафазе к полюсам начинается как по команде и завершается очень быстро.

5. Телофаза. В телофазе дочерние хромосомы дисперализуются, утрачивают видимую индивидуальность, происходит образование дочерних ядер и деление всей клетки, образуются ядрышки. Число ядрышек характерно для каждого вида клеток. Вокруг каждого дочернего ядра образуется ядерная оболочка. В экваториальной плоскости появляется борозда, которая разделяет цитоплазму на две дочерние клетки, каждая из которых имеет ядро. Этим и заканчивается митотический цикл. У большинства типов клеток митоз занимает 1-2 часа и зависит от вида и возраста клеток, а также от условий внешней среды (температура, влажность воздуха и другие факторы). В тоже время деление клеток тормозится под действием высокой температуры, больших доз радиации, различных наркотиков, ядов.

Таким образом, весь процесс митоза и его митотический цикл направлен на поддержание полного сходства дочерних клеток с материнской по хромосомным структурам и молекулам ДНК. В результате чего, каждая клетка содержит, генетическую информацию обо всех признаках организма. После митоза каждая клетка имеет диплоидный набор хромосом.

Вторым типом деления клеток является мейоз (от греч.meiosis-уменьшение). Мейозом делятся только половые клетки, которые получают вдвое меньше хромосом, чем клетки тела. Они имеют гаплоидный набор хромосом.

В процессе мейоза ядро претерпевает два деления:

1. Редукционное, когда число хромосом уменьшается вдвое, клетки из диплоидных становятся гаплоидными.

2. Эквационное (или уравнительное) деление, при котором клетки сохраняют гаплоидный набор хромосом. Эти деления следуют одно за другим.

В каждом из этих делений различают профазу, метафазу, анафазу и телофазу и в этих фазах протекают те изменения, что при митозе. И эти фазы называются профаза I порядка, метафаза I, потом профаза II, метафаза II порядка.

В тоже время необходимо отметить, что более сложно протекает профаза первого деления. Она делится на пять последовательных стадий:

1. Лептотена

2. Зиготена

3. Пахитена

4. Диплотена

5. Диакинез

А потом следует метафаза I деления, анафаза I, телофаза I деления.

Сразу после первого деления и короткой телофазы наступает интерфаза, т.е. промежуток времени между концом первого и началом второго деления, которая длится недолго. Вслед за этим начинается второе деление мейоза. Оно происходит по типу митоза, повторял все его фазы.

Генетическое значение мейотического деления сводится к трем основным моментам:

1. Мейоз является механизмом, поддерживающим видовое постоянство числа хромосом.

2. Мейоз обеспечивает генетическую разнородность гамет благодаря случайной перекомбинации материнских и отцовских хромосом. Во время конъюгации может произойти обмен участками хромосом, что приводит к рекомбинации генов и их расщепления.

3. Мейоз вызывает образование хромосом нового генетического состава благодаря обмену участками гомологичных (парных) материнских и отцовских хромосом.

Таким образом, мейоз приводит к значительному увеличению наследственной изменчивости, что имеет большое значение в эволюции и селекции животных и растений.

Деление клеток с помощью мейоза наблюдается только при образовании половых клеток. Половые клетки животных образуются в половых железах: семенниках – сперматозоиды или спермии, в яичниках - яйцеклетки или яйца. Половые клетки проходят три стадии: размножение, роста и созревания.

Размножаются половые клетки путем митотического деления, сохраняя полный набор хромосом данного вида. Исследования показали, что у быка делится каждую секунду около 35 тыс. клеток, а у барана только 7 тыс. клеток.

На стадии роста накапливаются необходимые вещества для прохождения стадии созревания.

На стадии созревания проходят два деления, которые следуют одно за другим. Это редукционное деление, которое приводит к сокращению вдвое числа хромосом в дочерних клетках и эквационно сохраняет имеющее количество хромосом в материнской клетке. Необходимо отметить, что в формировании мужских и женских половых клеток существуют коренные различия. Процесс образования и развития мужских половых клеток называется сперматогенезом, а женских – оогенезом. В результате сперматогенеза образуются 4 сперматозоида или спермии, имеющие гаплоидный набор хромосом, а при оогенезе образуется одно яйцо или яйцеклетка и три направительных тельца. Яйцеклетка сохраняет весь запас питательных веществ, который в дальнейшем используется для питания зиготы на первых этапах ее развития.

Зрелый сперматозоид или спермий имеет головку, среднюю часть, которая называется шейкой и хвост. Ядро находится в головке спермия. Химический состав ядра спермия сходен с ядром других тканей. Так, как ядро содержит гаплоидный набор хромосом, то и количество ДНК оказывается в два раза меньше, чем у ядра соматических клеток. По своей морфологии спермии чрезвычайно разнообразны и характерны для каждого вида, что способствует их половой изоляции и смешению видов. По размерам они очень малы и длина их у сельскохозяйственных животных колеблется в пределах от 55 до 70 микрон, толщина около 1-2 микрон. Генетический материал также распределен не равномерно. В головке находится ядро и небольшое количество цитоплазмы. Цитоплазма в основном расположена в хвостике. Митохондрии расположены ближе к головке. Связи между размером спермии и величиной животного не установлено.

Яйцеклетка отличается от спермия более крупными размерами. Так, у млекопитающих она превышает объем спермия в 20 тыс. раз, а у птиц в миллиард раз. Имеющие питательные вещества в яйцеклетке используются на первых стадиях развития зародыша. У млекопитающих число родившихся животных зависит, главным образом, от числа созревших яйцеклеток. При созревании одной яйцеклетки получаются одинцы, двух – двойни, трех – тройни. Но бывают случаи, когда двойни рождаются от одной оплодотворенной яйцеклетки – это однояйцовые близнецы.

Отличие мейоза от митоза

1. Митоз происходит в соматических клетках, а мейоз — деление клеточного ядра, в результате которого образуются половые клетки (гаметы).

2. При митозе дочерние клетки получают такой же набор хромосом, который был в материнской клетке. При мейозе число хромосом уменьшается вдвое. При мейозе на одно удвоение хромосом происходит два клеточных деления, при митозе — одно.

3. В мейозе гомологичные хромосомы коньюгируют, в митозе этого процесса нет. Как правило, в мейозе при коньюгации происходит обмен (кроссинговер) участками хромосом. В митозе редко наблюдается соматический кроссинговер.

4. В метафазе при мейозе хромосомы располагаются в экваториальной плоскости попарно, в митозе — отдельные хромосомы.

5. Мейоз отличается от митоза и в стадии профазы 1. В мейозе эту стадию разделяют на 5 стадий.

6. При мейозе после стадии телофазы 1 хромосомы не дисперализуются, не происходит удвоение хромосом, как при митозе. Эта стадия в мейозе между 1 и II делением называется интеркинезом.

7. При мейозе в стадии анафазы 1 к полюсам отходят (независимо) из каждой пары гомологичных хромосом одна к одному полюсу, другая — к другому, в митозе к полюсам отходят половинки хромосом всего набора, поэтому количество хромосом остается прежним.

Мейоз является одним из этапов процесса развития половых клеток, после мейоза наступает этап формирования зрелых клеток- гамет. Процесс образования зрелых половых клеток называется гаметогенезом.