Выдающиеся успехи в изучении молекулярных основ генетики, достигшие в XX веке, привели к интеллектуальной «революции» в биологии.
Новые факты и идеи оказали решающее влияние на все области биологии и привели к выяснению многих важных вопросов клеточной структуры и функции. Самое замечательное свойство живых клеток – их способность воспроизводить себе подобных с почти предельной точностью в сотнях и тысячах генераций.
Следует отметить три характерные особенности процесса воспроизведения: во-первых, генетическая информация плотно упакована в ядрах клеток в форме нуклеотидной последовательности молекулы ДНК, весящей не более 6х10-12 г; во-вторых, замечательная особенность процесса воспроизведения живых организмов — исключительная стабильность генетической информации, хранящейся в ядре; в третьих, генетическая информация закодирована в форме специфической последовательности четырех основных мононуклеотидов.
Процесс редупликации ДНК сложен и длителен (занимает несколько часов), поскольку весь генетический материал клетки должен быть воспроизведён абсолютно точно. При возникновении в нём каких-либо отклонений клетка блокируется на подходе к митозу и может подвергнуться апоптозу. В принципах редупликации молекулы ДНК заложена основа устойчивого сохранения всей специфики генетической информации данного вида и данной особи. Это обусловлено комплементарностью при достройке молекулы ДНК. Редупликация обеспечивается особенностями химической организации молекулы ДНК. В процессе редупликации на каждой полинуклеотидной цепи материнской молекулы ДНК синтезируется комплементарная ей цепь. Из одной двойной спирали ДНК образуются две идентичные молекулы. Такой способ редупликации называют полуконсервативным. Он осуществляется по матричному принципу. Для осуществления ауторепродукции необходимы синтетические процессы в цитоплазме, ведущие к образованию четырех типов нуклеотидов, необходимы ферменты–белки для полимеризации полинуклеотидной цепи, необходимы источники энергии и наличие других внутриклеточных условий. С помощью фермента геликазы двойная спираль ДНК расплетается. Образовавшиеся при этом одноцепочечные участки связываются специальными дестабилизирующими белками. Молекулы этих белков выстраиваются вдоль полинуклеотидных цепей, растягивая их остов и делая азотистые основания доступными для связывания с комплементарными нуклеотидами, находящимися в нуклеоплазме. Области расхождения полинуклеотидных цепей в зонах репликации называют репликационными вилками. В каждой такой области при участии фермента ДНК – полимеразы синтезируются ДНК двух новых дочерних молекул. В процессе синтеза репликационная вилка движется вдоль материнской спирали ДНК, захватывая все новые зоны. Из двух дочерних цепей одна реплицируется непрерывно и eё синтез идет быстрее. Эту цепь называют лидирующей. Синтез другой цепи идет медленнее, так как она собирается из отдельных фрагментов Оказаки. Фрагменты образуются с помощью РНК-затравки. Одна из нитей ДНК разрезается на фрагменты с помощью фермента рестриктазы, вновь синтезированные отдельные фрагменты сшиваются вместе с помощью фермента лигазы. Такую цепь называют запаздывающей. Конечным результатом процесса редупликации является образование двух молекул ДНК, нуклеотидная последовательность которых идентична таковой в материнской двойной спирали ДНК. В результате вновь синтезированная молекула ДНК воспроизводит всю специфику исходной молекулы.
Выяснение трехмерной структуры ДНК, предложенной в 1953 году Д. Уотсоном и Ф. Криком, позволила определить простой механизм точного переноса генетической информации от родителей к дочерним клеткам. Одномерная информация, содержащаяся в ДНК, преобразуется в «трехмерную», присущую макромолекулярным и надмолекулярным компонентам живых организмов, посредствам трансляции структуры ДНК в структуру белка. Более того, множество различных белков, обладающих характерной пространственной структурой и служащих компонентами мембраны, рибосом и других могут объединяться опять таки в соответствии с принципом структурной комплементарности. ДНК также прочно связывается с гистонами – основными (то есть положительно заряженными белками), входящими с состав хромосом эукариотических клеток. Гистоны содержат многочисленные, расположенные в строго определенных положениях остатки лизина и аргинина, R группы, которые при pН = 7,0 заряжены положительно; они могут взаимодействовать с отрицательно заряженными фосфатными группами, расположенными на периферии двойной спирали ДНК.
Более подробную информацию можно получить на специализированных сайтах, где можно ознакомиться с бесплатными книгами по генетике человека, животных, микроорганизмов.
Хроматиновые нити, содержащие ДНК, связанные со специфическими белками, называются хромосомами. Важнейшую роль для организации хромосом и для их расхождения в дочерних клетках играет наличие центромеры – кинетохора. Потеря центромеры ведет к выпадению хромосом из ядра во время деления клетки и к её лизису в цитоплазме.
В жизни ядра и клетки в целом величайшее значение имеет ауторепродукция хромосом, которая невозможна без редупликации ДНК. Генетическая информация двух дочерних клеток путем деления одной материнской должна быть полноценной. Это достигается путем воспроизведения всех молекулярных структур исходной хромосомы. Ауторепродукция хромосом происходит в центральной стадии интерфазы, называющейся фазой синтеза ДНК.
После ауторепродукции вместо каждой хромосомы появляется пара, которая до момента деления ядра связана с центромерой. Такие дочерние хромосомы называют хроматидами. Пара хроматид видна во всех стадиях митоза и особенно четко во время метафазы. Учение об индивидуальности каждой хромосомы и всего набора хромосом, получившего название кариотипа, было обосновано С.Г. Навашиным и его учеником Г.А. Левитским и другими. Кариотип – это совокупность числа, величины и морфологии хромосом соматических клеток. Это – генетический критерий вида («лицо вида»). Действительно, набор метафазных хромосом специфически характеризует клетки каждого из видов организма. Характерным примером можно считать гигантские хромосомы из овоцитов первого порядка позвоночных. Они могут достигать длины 800 мкм (ламповые щетки). Длина одной хромосомы человека в растянутом виде около 5 см, а длина всех хромосом 170 см.
Характерной чертой строения ядер соматических клеток огромного большинства видов служит парность хромосом. Каждая индивидуальная хромосома имеет в ядре своего гомолога. Сущность парности хромосом (гомологичности) состоит в том, что один гомолог организм получает от матери, другой от отца. Для каждого вида характерно строго определенное количество хромосом – правило постоянства. Каждая пара хромосом характеризуется индивидуальной исчерченностью – правило индивидуальности. Правило непрерывности обеспечивается способностью ДНК к редупликации.
Для оптимизации процесса ауторепродукции хромосом, метафазная хромосома должна быть точно упакованная и находиться в форме, удобной для переноса в будущее ядро одной из двух дочерних клеток. Структурой, ответственной за информацию в клетке, является хроматин.
Хроматин — это комплексы веществ, которыми образованы хромосомы — ДНК, белок и РНК в соотношении 1 : 1,3 : 0,2. Гетерохроматиновые участки более компактны, они сильно окрашиваются и располагаются на теломерах хромосом. Эухроматиновые участки плохо окрашиваются красителями, более деконденсированные, генетически более активны, содержат весь основной комплекс генов. Максимально конденсирован хроматин во время митотического деления клеток.
Именно компактизированное состояние хроматина крайне выгодно и удобно для процесса деления клетки. ДНК ассоциирована с белками-гистонами, в результате чего образуются нуклеосомы, являющиеся структурными единицами хроматина. Первый уровень компактизации хроматина – нуклеосомный. Нуклеосома представляет собой глобулу (октамер) диаметром 10 нм, содержащую по две молекулы каждого из четырёх гистонов Н2А, Н2В, НЗ и Н4, вокруг которых закручен участок ДНК, включающий 146 пар нуклеотидов. Между нуклеосомами располагаются линкерные участки ДНК, состоящие из 60 пар нуклеотидов, а гистон — HI обеспечивает взаимный контакт соседних нуклеосом. Образованная таким способом нуклеосомная нить имеет диаметр 10-11 нм. Длина молекулы ДНК уменьшается в 5-7 раз.
Дальнейшая компактизация нуклеосомной нити обеспечивается гистоном Н1, который, соединяясь с линкерной ДНК и двумя соседними белковыми телами, сближает их друг с другом. Образуется компактная структура – хроматиновая фибрилла, диаметром 20-30 нм – нуклеомерный уровень (супернуклеосомный). Один виток спирали содержит 6-10 нуклеосом. Этим достигается укорочение нити ещё в 6 раз.
Следующий уровень обусловлен укладкой хроматиновой фибриллы в петли (диаметром 50 нм), в образовании которых принимают участие негистоновые белки – хромомерный уровень. Нить ДНП укорачивается в 10-20 раз.
Четвертый уровень – хромонемный. Хроматиновая фибрилла преобразуется в структуру диаметром 100-200 нм, называемую интерфазной хромонемой, отдельные участки которой подвергаются дальнейшей компактизации, образуя структурные блоки. Образуются хромосомы. В результате суперспирализации ДНП в делящемся ядре хромосомы становятся видимыми при увеличении светового микроскопа. Общий итог конденсации – укорочение нити ДНП в 10000 раз.
В зависимости от расположения первичной перетяжки (центромеры) и взаимного расположения плеч выделяют три типа хромосом: метацентрические, имеющие примерно одинаковые плечи; акроцентрические, имеющие одно очень короткое и одно длинное плечо; субметацентрические, у которых одно длинное и одно более короткое плечо. Некоторые акроцентрические хромосомы имеют спутники (сателлиты) — мелкие участки короткого плеча, соединенные с ним тонким неокрашивающимся фрагментом (вторичная перетяжка). Концы плеч хромосом – теломерные участки.
Классификация и номенклатура равномерно окрашенных хромосом человека была выработана на международных совещаниях, созывавшихся в Денвере (1960г), Лондоне(1963г) и Чикаго (1966г). Согласно рекомендациям этих конференций, хромосомы располагаются в порядке уменьшения их длины. Все хромосомы разделены на семь групп, которые были обозначены буквами английского алфавита от А до G. Все пары хромосом было предложено нумеровать арабскими цифрами.
Группа А (1-3) — самые крупные хромосомы. Хромосомы 1 и 3 — мета-центрические, 2 — субметацентрическая.
Группа В (4-5) — две пары крупных субметацентрических хромосом.
Группа С (6-12) — хромосомы субметацентрические, средних размеров. Х-хромосома по размеру и морфологии сходна с хромосомами 6 и 7.
Группа D (13-15) — акроцентрические хромосомы средних размеров.
Группа Е (16-18) — средние хромосомы (16, 17 — метацентрические, 18 — акроцентрическая).
Группа F (19-20) — мелкие метацентрические, практически между собой не различимы.
Группа G (21-22) — две пары самых мелких акроцентрических хромосом. Y-хромосома выделяется как самостоятельная, но по морфологии и размерам она относится к группе G.
В настоящее время существует ДНК-маркеры (или зонды) для многих еще более мелких сегментов практически всех пар хромосом. С помощью таких ДНК-зондов можно точно оценить наличие или отсутствие определенного, даже очень маленького, сегмента в хромосоме.