Нормальный кариотип человека в метафазе митоза

Кариотúп(греч. karyon – ядро, thypos – форма, отпечаток) – полный набор хромосом, свойственный соматическим клеткам конкретного вида организмов и основной критерий их систематики. Кариотип определяют при микроскопическом исследовании путем подсчета общего количества хромосом клетки, анализа их формы и размеров в про- и метафазе митотического деления. Каждая хромосома состоит из центромеры ирасположенных по сторонам от нее двух плеч. По соотношению размеров, лежащих по обе стороны от центромеры плеч, хромосомы человека подразделяются на три типа: метацентрические (равноплечные), субметацентрические (с плечами неодинаковой длины) и акроцентрические, у которых одно плечо очень короткое, а центромера расположена близко к концу хромосомы. Короткое плечо хромосомы принято обозначать буквой p (от «petite» – маленький), а длинное плечо – q (следующая по алфавиту буква после «p»). Концы хромосом называют теломерами.

Согласно Денверской классификации, принято нумеровать пары хромосом от 1 до 23 с учетом их длины и расположения центромеры. Все ядерные хромосомы человека разделены на восемь групп от А до G. Хромосома 1 – самая большая метацентрическая хромосома. Самой большой субметацентрической хромосомой является хромосома 2.

Для подсчета числа хромосом используют простой стандартный способ их окрашивания ацеторсеином, или ацеткармином. Эти красители окрашивают хромосомы целиком, равномерно и интенсивно. Такой способ окрашивания не позволяет точно идентифицировать хромосомы в наборе и устанавливать мутации в форме хромосомных перестроек. Для получения более детальной картины структуры хромосом и идентификации отдельных хромосом используют более сложные способы дифференциального окрашивания. Применение специальных красителей и особых способов окрашивания, разработанных в последние несколько десятилетий, дало возможность выявить тонкие детали в структуре прометафазных и метафазных хромосом. Дифференциальное окрашивание позволяет наблюдать в каждой хромосоме уникальное чередование светлых и темных полос (сегментов), по которым каждую хромосому в наборе можно идентифицировать. На стадии профазы митоза в гаплоидном наборе хромосом выявлено более 2000 сегментов.

На Парижской конференции по стандартизации и номенклатуре хромосом в 1971 году были утверждены методы дифференцального окрашивания хромосом и идиограммы прометафазных и метафазных хромосом человека построенные на их основе.

Идиограмма (греч. idios – особый, своеобразный и gramma – рисунок, линия), схематическое обобщённое изображение кариотипа с соблюдением усреднённых количественных отношений между отдельными хромосомами и их частями.

В каждом плече дифференциально окрашенной хромосомы имеется от 1-го до 4-ёх районов. Внутри района выделяют сегменты с различной интенсивностью окраски, которые, как и районы, нумеруются по порядку от центромеры к теломере. Это позволяет точно картировать участок хромосомы. Так, например, символическая запись 6р15 означает: шестая хромосома, пятый сегмент первого района короткого плеча.

Термин “хромосомы” предложен Вальдейером в 1888 г. В ядре диплоидной клетки человека – 46 хромосом (22 пары аутосом и 2 половые хромосомы, ♂ – 44А + ХУ, ♀ – 44А + ХХ). В пресинтетический период жизненного цикла делящихся клеток, а также всегда в неделящихся клетках каждая хромосома содержит лишь одну молекулу ДНК.

Рис. Общая модель, показывающая связь гистонов с молекулами ДНК в нуклеосоме. На рисунке видно, как хроматиновые нити могут скручиваться в более конденсированные структуры с образованием митотических хромосом. (Из кн.У. Клаг, М. Каммингс «Основы генетики», 2007.)

Ядрышко

Внутри ядра имеется структура, называемая ядрышком (лат. nukleola) – это центр образования субъединиц рибосом. В составе ядрышка находятся большие петли ДНК, содержащие большое количество генов рибосомной РНК. Каждое такое скопление генов называется ядрышковым организатором. В них происходит синтез рибосомных РНК, которые, соединяясь с белками, образуют субъединицы (большую и малую) рибосом. От ядрышка субъединицы рибосомы перемещаются к порам ядерной оболочки, через которые проходят в цитоплазму.

Ядрышко не окружено мембраной. Его внешний вид заметно изменяется в зависимости от фазы клеточного цикла. С началом митоза ядрышко уменьшается в размерах и затем вовсе исчезает, по мере того как происходит конденсация хромосом и прекращается синтез всех типов РНК. В клетках человека гены рРНК локализуются на концах пяти пар хромосом. Поэтому сразу после митоза в клетке образуется 10 маленьких ядрышек, которые быстро сливаются в одно большое ядрышко. (В ядре может содержаться как одно, так и несколько ядрышек). Размер ядрышек отражает активность синтеза белка в клетке, – чем активнее клетка, тем крупнее ядрышко. Самые активные эукариотические клетки используют около 10 миллионов рибосом в течение одного клеточного цикла.

Митохондрии

Митохондрии (от лат. mitos – нить, chondrion – зернышко, крупинка) – это органеллы размером около 1–2 мкм, выполняющие функцию клеточных энергоблоков. Митохондрии отличаются от других органелл клеток тем, что обладают сдвоенной липидной мембраной: гладкой – внешней, складчатой – внутренней. Складки внутренней мембраны глубоко проникают в матрикс митохондрий, образуя поперечные перегородки – кристы.

Мембраны митохондрий содержат интегральные мембранные белки. Во внешнюю мембрану входят порины, которые образуют поры и делают мембраны проницаемымы для веществ с молекулярной массой до 10кДа. Внутренняя же мембрана митохондрии непроницаема для большинства молекул; исключение составляют О₂ , СО₂ , Н₂О. Внутренняя мембрана митохондрий характеризуется необычно высоким содержанием белков (75%) в их число входят транспортные белки-переносчики, ферменты, компоненты дыхательной цепи и АТФ-синтаза. Пространство, образованное внешней и внутренней мембранами обычно называют межмембранным пространством; оно служит резервуаром протонов. Матрикс митохондрии заполнен концентрированным раствором ферментов цикла Кребса.

Различные типы клеток отличаются друг от друга как по количеству и форме митохондрий, так и по количеству крист. Особенно много крист имеют митохондрии в тканях с активными окислительными процессами, например в сердечной мышце. Обычно в клетке, например, гепатоците, содержится около 2000 митохондрий, общий объем которых составляет до 25% от общего объема клетки.

Главной функцией митохондрий является захват богатых энергией субстратов (жирные кислоты, пируват, углеродный скелет аминокислот) из цитоплазмы и их окислительное расщепление с образованием СО₂ и Н₂О, сопряженное с синтезом АТФ. (В митохондриях синтезируется большая часть АТФ, в связи с этим митохондрии образно называют «силовыми станциями», а точнее, «энергетическими блоками» клетки).

В митохондриях локализованы следующие метаболические процессы: превращение пирувата в ацетил КоА, цитратный цикл (цикл Кребса), дыхательная цепь, сопряженная с синтезом АТФ (сочетание этих процессов носит название « окислительное фосфорилирование»); расщепление жирных кислот и частично цикл мочевины. Известно, что жизнедеятельность этих органелл связана с производством тепла и метаболизмом жиров. Так, разобщение идущих в них процессов окисления и фосфорилирования (образования АТФ) приводит к росту тепловыделения.

Митохондрии также поставляют клетке продукты промежуточного метаболизма и действуют наряду с ЭР как депо ионов кальция, которое с помощью ионных насосов поддерживает концентрацию Са²⁺ в цитоплазме на постоянном низком уровне (ниже один мкмоль/л). В митохондриях есть свой фермент NO-синтетаза, действие которого зависит от многих факторов. Производимый в них оксид азота (NO) в малых количествах стимулирует образование новых митохондрий, а в больших – подавляет их работу.

Продолжительность жизни митохондрий около 10 дней. Состарившиеся митохондрии узнаются и разрушаются в аутофагосомах. Митохондрии размножаются путем деления. Возникновение дополнительных митохондрий есть реакция на стресс, например, пониженную температуру.

Происхождение митохондрий

Митохондрия – не просто двухслойный мембранный пузырёк, а можно сказать, клетка внутри клетки, почти живое существо. Митохондрии, согласно теории американской исследовательницы Лины Маргулис, – потомки древних бактерий. На это указывает тот факт, что митохондриальный геном имеет много общего с альфа-пробактериями. На основе данных, полученных в процессе аминокислотного анализа белков, секвенирования генов и анализа метаболических процессов, предполагается, что эукариоты произошли в результате симбиотической ассоциации или слияния анаэробного архибактериального хозяина и альфа-пробактерии (подобной ныне существующим Рикеттсиям), которая развилась в митохондрион. Клетка-хозяин «предоставила» предкам митохондрий кров и защиту, а они отдавали клетке излишек энергии. В связи с этим митохондрии частично сохранили автономность (самоуправление). У митохондрии есть собственный геном (до 10 кольцевых хромосом), она способна размножаться делением. Митохондриальный генетический код несколько отличается от кода хромосом ядра. Есть в митохондриях собственный набор транспортных РНК и ферменты для копирования кольцевой ДНК. Митохондрии отличаются от других органелл тем, что имеют автономную систему биосинтеза белков-ферментов, участвующих в процессах окислительного фосфорилирования. Для работы митохондрий требуется около 700 различных белков, но только около 5% этих белков синтезируется в них самих (они закодированы в геноме органеллы). Остальные белки они импортируют из цитоплазмы клетки.

Митохондрии наследуются исключительно по материнской линии. Механизм быстрого обнаружения и устранения отцовской митохондрии в зиготе установил в 1999г американский биохимик Сутовски. Эту функцию выполняют протеиновые молекулы убиквитина, которые «помечают» белки, предназначенные для разборки на аминокислоты.

Рис. Схема строения митохондрии: 1-наружная мембрана; 2-внутренняя мембрана; 3-ферменты; 4-кольцевые молекулы ДНК; 5-кристы; 6-рибосомы. (Из кн. Э. Хадорн, Р. Венер «Общая зоология», 1989.)

Митохондриальная хромосома

Митохондриальная ДНК у млекопитающих представляет собой кольцевую молекулу, состоящую из 16569 пар нуклеотидов; в каждой митохондрии может быть 5-10 копий ДНК. Митохондриальная хромосома включает 37 генов: структурные гены, контролирующие синтез двух молекул рРНК, 22 варианта тРНК и 13 различных белков, включая некоторые из ферментов, участвующих в процессах окислительного фосфорилирования.Митохондриальный геном всех людей, кроме родственников по женской линии, различен. Это связано с тем, что в митохондриальных генах нет интронов, и отсутствуют системы репарации ДНК, вследствие этого мутации мтДНК возникают примерно в 10 раз чаще, чем в ядерных генах. Различия митохондриальной ДНК разных людей дают возможность использовать анализ этой ДНК для генетической идентификации личности и установления родства.

Митохондриальные болезни.В настоящее время в мире функционирует более десяти международных организаций по изучению митохондрий, а на базе Калифорнийского университета в Сан-Диего (США) проводятся различные научные встречи «Mitochondria». Это обусловлено тем, что в последнее время обнаружена обширная группа болезней, связанных с патологией митохондрии. Сегодня известно более 200 крупных делеций и дупликаций в митохондриальной ДНК, которые оказывают негативное влияние на функционирование этих важнейших органелл.Известно, что инактивация митохондриальных генов в результате мутаций служит причиной различных патологических состояний от наследственной слепоты и глухоты до диабета и старческого слабоумия. Некоторые дефекты митохондрий являются причиной врожденного бесплодия женщин. Все вызванные митохондриальными мутациями болезни передаются по материнской линии, как и сами митохондрии; их каждый человек получает только от своей матери. Есть основания считать, что по мере накопления мутаций мтДНК в соматических клетках индивидуума в них идет процесс разбалансирования, который является одной из основных причин старения организма.

Цитозоль(син. гиалоплазма, основное вещество цитоплазмы, матрикс) – (внутриклеточное пространство внутри клетки) один из важнейших клеточных компартментов (зона, пространство); вместе с цитоплазматическими органеллами образует цитоплазму. Цитозоль – место большей части реакций промежуточного обмена, синтеза белка на свободных рибосомах, синтеза жирных кислот. Являясь коллоидной системой, цитозоль обладает способностью изменять свое физико-химическое состояние (переходы гель←→золь). В состав цитозоля входит вода, белки, липиды, нуклеиновые кислоты, промежуточные продукты их обмена, а также ферменты и неорганические вещества.

Органелла(органоид) – специализированный для выполнения конкретной функции и метаболически активный элемент цитоплазмы. К органеллам относятся свободные рибосомы, гранулярную эндоплазматическую сеть (шероховатый эндоплазматический ретикулум), митохондрии, комплекс Гольджи, центриоли, окаймленные пузырьки, лизосомы, цитоскелет, протеасомы.

Рибосома

Рибосома(от «РНК» и soma – тело) – клеточный немембранный органоид, осуществляющий трансляцию (считывание кода мРНК и синтез полипептидов).

Рибосомы эукариот расположены на мембранах эндоплазматической сети (гранулярная ЭС) и в цитоплазме. Прикрепленные к мембранам рибосомы синтезируют белок «на экспорт», а свободные рибосомы – для нужд самой клетки. Различают 2 основных типа рибосом – прокариотные и эукариотные. В митохондриях и хлоропластах также имеются рибосомы, которые близки к рибосомам прокариот.

Рибосома состоит из двух субъединиц – большой и малой. У прокариотических клеток они обозначены 50S и 30S субъединицы, у эукариотических – 60S и 40S. (S – коэффициент, который характеризует скорость осаждения субъединицы при ультрацентрифугировании). Субъединицы эукариотических рибосом образуются путем самосборки в ядрышке и через поры ядра поступают в цитоплазму.

Рибосомы в клетках эукариот состоят из четырех нитей РНК (три молекулы рРНК в большой субъединице и одна молекула рРНК – в малой) и примерно 80 разных белков, т.е представляют собой сложнейший комплекс из молекул, скрепленных слабыми, нековалентными связями. (Рибосомы в клетках прокариот состоят из трех нитей РНК; две нити рРНК находятся в большой субъединице и одна рРНК – в малой). Процесс трансляции (биосинтеза белка) начинается со сборки активной рибосомы. Этот процесс называется инициацией трансляции. Сборка происходит строго упорядоченным образом, что обеспечивается функциональными центрами рибосом. Все центры находятся на контактирующих поверхностях обеих субъединиц рибосомы. Каждая рибосома работает как большая биохимическая машина, а точнее, как суперфермент, который, во-первых, правильно ориентирует участников (мРНК и тРНК) процесса друг относительно друга, а во-вторых, катализирует реакции между аминокислотами.

Активные центры рибосом:

1)центр связывания мРНК (М-центр);

2) пептидильный центр (П-центр). С этим центром в начале процесса трансляции связывается инициирующая тРНК; на последующих стадиях трансляции из А-центра в П-центр перемещается тРНК, удерживающая синтезированную часть пептидной цепи;

3)аминокислотный центр (А-центр) – место связывания кодона мРНК с антикодоном тРНК, несущей очередную аминокислоту.

4)пептидилтрансферазный центр (ПТФ-центр): он катализирует реакцию связывания аминокислот. При этом образуется еще одна пептидная связь, и растущий пептид удлиняется на одну аминокислоту.