Независимо от того, имеете ли вы опыт работы в области молекулярной биологии или какой-либо отрасли наук о жизни, вы почти наверняка слышали термин «ДНК» в каком-то контексте, будь то полицейская драма (или реальный судебный процесс), случайная дискуссия о наследовании или ссылка на основной микроскопический «материал», который делает каждого из нас структурно уникальным. Если вы слышали о дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК), названии молекулы, которая хранит генетическую информацию во всех живых существах, то вы хотя бы косвенно знакомы с идеей хромосом. Они, с некоторыми незначительными оговорками, являются результатом разделения полной копии ДНК в ядре каждой клетки вашего тела на 23 части. Полная копия генетического кода организма называется его геном, а хромосомы - это отдельные кусочки головоломки этого генома. У людей есть 23 различных хромосомы, в то время как у других видов больше или меньше; бактерии обладают только одной круговой хромосомой.

Хромосомы имеют структурную иерархию, которая относится к фазе жизненного цикла клетки, в которой находятся эти хромосомы. Практически все клетки способны делиться на две дочерние клетки - процесс, необходимый для роста всего организма, восстановления поврежденных тканей и замены старых изношенных клеток. Как правило, когда клетка в вашем теле делится, она делает две генетически идентичные копии самой себя; когда хромосомы делают свои копии, чтобы подготовиться к этому разделению, в результате получается пара идентичных хроматид.

ДНК: корень всего этого

ДНК является одной из двух нуклеиновых кислот в природе, другой является РНК (рибонуклеиновая кислота). ДНК - это генетический материал всех живых существ на Земле. Бактерии, которые составляют практически все виды в мире эукариот, имеют относительно небольшое количество ДНК, расположенное в одной круговой хромосоме (подробнее об этом в будущем). Напротив, эукариоты, такие как растения, животные и грибы, имеют гораздо больший набор ДНК, как и подобает сложным многоклеточным организмам; это разбито на большое количество хромосом (у человека есть 23 пары на клетку).

ДНК состоит из мономерных звеньев, называемых нуклеотидами. Каждый из них, в свою очередь, состоит из пятиуглеродного сахара, связанного с фосфатной группой на одном углероде, и азотистого основания на другом углероде. Эта основа может быть либо аденином (А), цитозином (С), гуанином (G) или тимином (Т), и именно эта вариация позволяет ДНК варьироваться от человека к человеку и вдоль одной и той же молекулы ДНК. Каждый нуклеотидный «триплет» (например, A-A-A, A-A-C и т. Д.) В цепи ДНК кодирует одну из 20 аминокислот, мономеров, которые составляют все белки. Все последовательные нуклеотиды, которые кодируют один белковый продукт, называются геном. ДНК на самом деле доставляет свои коды в механизм производства белка клетки через мессенджер РНК (мРНК).

Что касается связи ДНК с хроматидами и хромосомами, то, как известно в научных кругах, ДНК имеет двухцепочечную и спиральную форму, как сторона винтовой лестницы. Когда ДНК реплицируется (то есть копируется) или транскрибируется в мРНК, локальные части молекулы раскручиваются, чтобы позволить ферментным белкам, которые помогают в этих процессах, свободно проникать и выполнять свою работу. При жизни ДНК обнаруживается в ядрах эукариотических клеток и в цитоплазме бактерий в форме хроматина.

Хроматин

Хроматин представляет собой неравную смесь ДНК и белков, причем белковый компонент составляет около двух третей массы структуры. Хотя ДНК является прямым носителем кодированной информации для создания белков (и целых организмов), без белков, называемых гистонами, она не может существовать в сжатой форме, в которой она должна существовать, чтобы поместиться в ядре клетки. Чтобы дать представление о том, насколько сжата ваша ДНК, полная копия, которая находится внутри каждой из ваших клеток, достигла бы 2 метров (приблизительно 6 футов), если растягивать их от начала до конца, но каждая клетка порядка одного или двух -миллионных метров метра в поперечнике.

Добавление массы для экономии места может показаться нелогичным, но без положительно заряженных гистоновых белков или чего-то похожего на них, связывающих (и таким образом в значительной степени контролирующих расположение) отрицательно заряженную молекулу ДНК, у ДНК не будет физического импульса для сжатия себя , Гистоны в хроматине существуют в виде восьмикомпонентных образований, состоящих из четырех пар субъединиц. Молекула ДНК обвивает каждый из этих гистонов примерно в два раза, как нить вокруг катушки, создавая структуру, называемую нуклеосомой. Эти нуклеосомы, в свою очередь, образуют стопки, похожие на рулоны пенни; сами эти стеки образуют кольцевые структуры и так далее.

Хроматин находится в относительно расслабленном (хотя все еще очень зацикленном и свернутом) состоянии, когда клетки не делятся. Это позволяет более легко происходить таким процессам, как репликация и транскрипция мРНК. Эта разрыхленная форма хроматина называется эухроматином. Хроматин, который конденсирован и напоминает материал, видимый на микрофотографиях клеточного деления, известен как гетерохроматин.

Основы хромосом

Это упрощает различие между хроматином и хромосомами, чтобы знать, что хромосомы - это не что иное, как хроматин организма, разделенный на отдельные физические структуры. Каждая хромосома включает одну длинную молекулу ДНК вместе со всеми гистонами, необходимыми для ее упаковки и уплотнения.

Ваш собственный хроматин разделен на 23 хромосомы, 22 из которых являются пронумерованными хромосомами (аутосомами или соматическими хромосомами), а оставшаяся является половой хромосомой, X или Y. Большинство клеток (исключая гаметы) содержат две копии каждой хромосомы. Один от матери и один от отца. В то время как последовательность оснований на нуклеотидах хромосом вашего отца отличается от последовательности хромосом вашей матери, хромосомы с таким же количеством выглядят практически одинаково под микроскопом. Современные аналитические методы делают формальное различие хромосом друг от друга довольно простым упражнением, но даже базовый визуальный осмотр позволяет получить значительный уровень идентификации, если глаза экспертные.

Когда ваши хромосомы реплицируются между клеточными делениями - то есть, когда каждая молекула ДНК и гистоны, которые связываются с этой молекулой, создают полные копии самих себя - результатом являются две идентичные хромосомы. Эти хромосомы остаются физически связанными в точке высококонденсированного хроматина, называемой центромерой, и две идентичные хромосомы, к которым они присоединяются, называются хроматидами (часто сестринскими хроматидами). Центромера находится на одинаковом расстоянии от соответствующих концов сестринских хроматид, что означает, что азотистые основания в ДНК, соединенные с любой стороной центромеры, одинаковы. Тем не менее, центромера, несмотря на ее название, не обязательно должна быть в середине хроматид, а на самом деле обычно нет. Два парных более коротких участка хроматиды на одной стороне центромеры называются p-плечами хромосомы, в то время как более длинные участки на противоположной стороне центромеры называются q-плечами.