Heterokromatin - bagian kromosom yang selalu dalam keadaan kompak.

Euchromatin - daerah kromosom yang dikemas dengan buruk (dekondensasi).

Di daerah kromosom yang hampir sentromerik dan lengan pendek kromosom akrosentrik, heterokromatin diwarnai, ditetapkan sebagai struktural, yang secara konstan terdeteksi selama pembelahan sel mitosis dan dalam nukleus interfase. Tipe lain dari heterokromatin, fakultatif, muncul dari pemadatan daerah eukromatik dan mengandung gen yang terlibat dalam metabolisme protein. Kondensasi daerah fakultatif bersifat reversibel, menghasilkan dekondensasi.

Kromosom terdiri dari DNA (sekitar 40%) dan protein (sekitar 60%), membentuk kompleks nukleoprotein. Protein dibagi menjadi dua kelompok: histon dan non-histon. Histon diwakili oleh lima molekul: H1, H2A, H2B, H3 dan H4. Protein histon membentuk 40 hingga 80% dari semua protein kromosom. Mereka terdiri dari molekul bermuatan kecil (+). Mereka didominasi oleh asam amino utama arginin dan lisin. Karena strukturnya, protein histon bergabung dengan (-) DNA bermuatan, membentuk kompleks DNA-histon. Kompleks ini disebut kromatin. Gis. protein melakukan fungsi pengemasan spesifik molekul DNA besar ke dalam struktur kromosom yang kompak. Histon mencegah informasi biologis yang terkandung dalam DNA dibaca. Ini adalah peran pengaturan mereka. Selain itu, protein ini melakukan fungsi struktural, menyediakan organisasi spasial DNA dalam kromosom.

Jumlah fraksi protein non-histone melebihi 100. Diantaranya adalah enzim untuk sintesis dan pemrosesan RNA, reduplikasi dan perbaikan DNA. Protein asam kromosom juga memainkan peran struktural dan pengaturan. Selain DNA dan protein, RNA, lipid, polisakarida, dan ion logam juga ditemukan dalam kromosom. RNA kromosom sebagian diwakili oleh produk transkripsi yang belum meninggalkan tempat sintesis. Beberapa fraksi memiliki fungsi pengaturan. Peran pengatur komponen kromosom adalah untuk "melarang" atau "mengizinkan" penghapusan informasi dari molekul DNA.

Di berbagai bagian kromosom, DNA berbeda dalam komposisi dan sifat.

Di wilayah penyempitan primer, DNA sentromerik berada. Telomer mengandung DNA khusus yang mencegah pemendekan kromosom selama replikasi. Di zona penyempitan sekunder, ada bagian DNA yang bertanggung jawab untuk sintesis rRNA. Di lengan kromosom, bagian utama DNA berada, yang bertanggung jawab untuk sintesis banyak RNA kurir.

Mempertahankan kontinuitas dalam sejumlah generasi sel, kromatin, bergantung pada periode dan fase siklus sel, berubah organisasi. Pada interfase dengan mikroskop cahaya terdeteksi berupa gumpalan-gumpalan yang tersebar di nukleoplasma nukleus. Selama transisi sel ke mitosis, terutama pada metafase, kromatin mengambil bentuk tubuh individu yang sangat bernoda - kromosom.

Bentuk keberadaan kromatin interfase dan metafase dianggap sebagai dua varian kutub dari organisasi strukturalnya yang terhubung dalam siklus mitosis melalui transisi timbal balik. Sudut pandang yang paling umum adalah bahwa kromatin (kromosom) adalah benang spiral. Pada saat yang sama, beberapa tingkat spiralisasi (pemadatan) kromatin dibedakan

Filamen nukleosom . Tingkat organisasi kromatin ini disediakan oleh empat jenis histon nukleosom: H2A, H2B, H3, H4. Mereka membentuk badan protein berbentuk keping - korteks, terdiri dari delapan molekul (dua molekul dari setiap jenis histon)

Fibril kromatin. Pemadatan lebih lanjut dari untaian nukleosom disediakan oleh piston HI, yang, dengan menghubungkannya dengan DNA penghubung dan dua badan protein yang berdekatan, mendekatkan mereka satu sama lain. Akibatnya, struktur yang lebih kompak terbentuk, dibangun, mungkin, seperti solenoida. Fibril kromatin semacam itu, juga disebut elementer, memiliki diameter 20-30 nm

Kromonema interfase . Tingkat selanjutnya dari organisasi struktural dari bahan genetik disebabkan oleh pelipatan fibril kromatin menjadi loop. Rupanya, protein non-histone terlibat dalam pembentukannya, yang mampu mengenali sekuens nukleotida spesifik DNA ekstranukleosomal, dipisahkan satu sama lain oleh beberapa ribu pasangan basa. Protein ini menyatukan area yang ditunjukkan dengan pembentukan loop dari fragmen fibril kromatin yang terletak di antara keduanya. Sebagai hasil dari pengemasan tersebut, fibril kromatin dengan diameter 20-30 nm diubah menjadi struktur dengan diameter 100-200 nm, yang disebut kromonema interfase. .

Bagian terpisah dari kromonema interfase mengalami pemadatan lebih lanjut, membentuk blok struktural yang menyatukan loop yang berdekatan dengan organisasi yang sama.

Kromosom sikat lampu ditemukan pada oosit ikan, amfibi, reptil dan burung pada stadium diploten. Masing-masing dari dua kromosom adalah bivalen dan terdiri dari dua kromatid, oleh karena itu, ketika terkonjugasi, struktur empat kromatid yang diperluas terbentuk. Setiap kromatid terdiri dari untaian aksial yang dipelintir rapat dengan loop samping yang memanjang darinya, dibentuk oleh heliks ganda DNA tunggal. Loop ini mungkin mewakili DNA yang dibebaskan dari protein untuk transkripsi. Kromosom seperti "l. sch." ditranskripsi lebih aktif daripada xp-we biasa. Ini karena kebutuhan untuk mengakumulasi sejumlah besar produk gen dalam oosit.

Mikrofilamen adalah struktur filamen tipis (5-7 nm), terdiri dari protein kontraktil: aktin, miosin, tropomiosin. Mereka terlokalisasi terutama di lapisan kortikal sitoplasma. Mikrofilamen menembus seluruh sel dan membentuk dasar sitoskeleton. Semua organel sel melekat padanya. Aktin menyusun hingga 10...15% dari semua protein sel. G-aktin globular ada sebagai molekul individu dalam bentuk larutan koloid. Di hadapan ATP dan beberapa faktor protein, struktur berfilamen terbentuk dari urutan gumpalan aktin (fibrilar, atau F-aktin). Myosin selalu ada dalam bentuk filamen tebal. Kedua protein, dengan partisipasi protein lain, membentuk kompleks aktin-miosin yang mampu berkontraksi karena geser mikrofilamen aktin dan miosin relatif satu sama lain (dalam hal ini, energi dikeluarkan karena hidrolisis ATP di area tertentu molekul miosin) . Bersama-sama, mikrofilamen membentuk alat kontraktil sel, menyediakan berbagai jenis gerakan:

Gerakan organel;

Arus hyaloplasma;

Perubahan permukaan sel;

Pembentukan pseudopodium dan pergerakan sel.

Akumulasi mikrofilamen dalam serat otot membentuk organel khusus - miofibril.

Filamen menengah adalah filamen tipis (10 nm) tidak bercabang yang terlokalisasi terutama di lapisan kortikal (submembran) hyaloplasma. Setiap filamen antara dibentuk oleh 32 molekul protein fibrillar (dalam sel epitel keratin, dalam fibroblas vimentin, dalam sel otot desmin). Peran fungsional dari filamen perantara adalah untuk menyediakan sel dengan kekuatan tarik. Pada beberapa sel (epidermosit kulit), filamen perantara bergabung menjadi bundel dan membentuk tonofibril, yang dianggap sebagai organel khusus yang memainkan peran pendukung.

24. mikrotubulus adalah silinder berongga; diameter luar - 24 nm, bagian dalam - 15 nm, Dinding mikrotubulus terdiri dari subunit tubulin protein globular, setiap subunit, yang terlihat seperti gumpalan bulat, memiliki diameter 5 nm.posisi organel dalam sitoplasma, dan juga menentukan sebelumnya arah gerakan intraseluler. Protein tubulin tidak memiliki kemampuan untuk berkontraksi, oleh karena itu mikrotubulus tidak berkontraksi. Namun, dalam komposisi silia dan flagela, terdapat interaksi antara mikrotubulus dan gesernya relatif satu sama lain, yang memastikan pergerakan silia dan flagela.

Mikrotubulus terkonsentrasi di pusat sel dan di pinggirannya. Mereka adalah bagian dari sentriol, organel gerakan, spindel pembelahan, membentuk sitoskeleton di bagian sel yang menonjol (misalnya, di akson sel saraf). Berbagai struktur (mitokondria, dll.) dapat bergerak di sepanjang mikrotubulus.

25. Silia dan flagela.

Di semua eukariota, silia dan flagela disusun dengan cara yang serupa. Flagela terlihat lebih panjang dari silia, panjangnya mencapai 150 μm atau lebih. Jumlah flagela per sel biasanya kecil, jarang - beberapa puluh atau ratusan, jumlah silia biasanya jauh lebih besar (hingga 10-15 ribu, lebih jarang beberapa ratus).

Sebuah flagel yang khas terdiri dari tubuh basal(atau kinetosom), zona transisi, batang utama Dan tip. Batang utama dan ujung flagela ditutupi dengan selaput yang merupakan kelanjutan dari plasmalemma.

Tubuh dasar adalah silinder berongga, yang dindingnya terbentuk sembilan kembar tiga mikrotubulus. Dengan demikian, tubuh basal dan sentriol memiliki struktur yang sama.

zona transisi terletak di persimpangan flagellum dengan plasmalema. Di tengah zona transisi terdapat butiran aksial, dari mana dua mikrotubulus tunggal berangkat, yang membentang di sepanjang sumbu flagel sampai ke ujung. Di pinggiran zona transisi terletak cakram basal, di mana salah satu dari tiga mikrotubulus dari setiap triplet hilang, dan triplet berubah menjadi doublet.

Pada intinya batang utama letak flagellum axoneme- sistem mikrotubulus berorientasi paralel. Aksonem yang khas diwakili oleh sebuah silinder, yang dindingnya terbentuk sembilan ganda mikrotubulus; dua mikrotubulus tunggal membentang di sepanjang sumbu aksonem.

Saat Anda mendekat tip doublet secara bertahap kehilangan salah satu dari dua mikrotubulus, dan kemudian menghilang sepenuhnya. Flagel berakhir dengan dua mikrotubulus pusat yang ditutupi dengan membran.

Pembengkokan flagel terjadi karena perubahan jarak antara doublet mikrotubulus atau antara mikrotubulus tunggal. Ini menghabiskan energi ATP.

Pada sejumlah organisme, ditemukan beberapa penyimpangan dari organisasi tipikal flagela: tubulus sentral tidak ada, atau hanya ada satu. Dalam beberapa kelompok eukariota, flagela dan silia tidak ada (angiospermae, nematoda, arthropoda, bagian dari protista heterotrofik uniseluler, alga, dan sebagian besar gymnospermae).

Materi genetik organisme eukariotik memiliki organisasi yang sangat kompleks. Molekul DNA yang terletak di inti sel adalah bagian dari zat multikomponen khusus - kromatin.

Definisi konsep

Kromatin adalah bahan inti sel yang mengandung informasi herediter, yang merupakan kompleks fungsional kompleks DNA dengan protein struktural dan elemen lain yang menyediakan pengemasan, penyimpanan, dan implementasi genom kariotik. Dalam interpretasi yang disederhanakan, ini adalah substansi yang membentuk kromosom. Istilah ini berasal dari bahasa Yunani "chrome" - warna, cat.

Konsep tersebut diperkenalkan oleh Fleming pada tahun 1880, namun masih ada perdebatan tentang apa itu kromatin dalam hal komposisi biokimia. Ketidakpastian menyangkut sebagian kecil komponen yang tidak terlibat dalam penataan molekul genetik (beberapa enzim dan asam ribonukleat).

Dalam foto elektron inti interfase, kromatin divisualisasikan sebagai banyak area materi gelap, yang bisa kecil dan tersebar atau bersatu menjadi gugus padat yang besar.

Pemadatan kromatin selama pembelahan sel menghasilkan pembentukan kromosom yang terlihat bahkan di bawah mikroskop cahaya konvensional.

Komponen struktural dan fungsional kromatin

Untuk menentukan apa itu kromatin pada tingkat biokimia, para ilmuwan mengekstraksi zat ini dari sel, memindahkannya ke dalam larutan, dan dalam bentuk ini mempelajari komposisi dan struktur komponen. Dalam hal ini, metode kimia dan fisik digunakan, termasuk teknologi mikroskop elektron. Ternyata komposisi kimia kromatin 40% diwakili oleh molekul DNA yang panjang dan hampir 60% oleh berbagai protein. Yang terakhir dibagi menjadi dua kelompok: histon dan nonhiston.

Histon adalah keluarga besar protein inti dasar yang mengikat erat DNA, membentuk kerangka struktural kromatin. Jumlahnya kira-kira sama dengan persentase molekul genetik.

Sisanya (hingga 20%) dari fraksi protein jatuh pada protein pengikat DNA dan pemodifikasi spasial, serta enzim yang terlibat dalam proses membaca dan menyalin informasi genetik.

Selain elemen utama, sejumlah kecil asam ribonukleat (RNA), glikoprotein, karbohidrat, dan lipid ditemukan dalam kromatin, tetapi pertanyaan tentang hubungannya dengan kompleks pengemasan DNA masih terbuka.

Histon dan nukleosom

Berat molekul histon bervariasi dari 11 hingga 21 kDa. Sejumlah besar residu asam amino dasar lisin dan arginin memberi protein ini muatan positif, berkontribusi pada pembentukan ikatan ionik dengan gugus fosfat bermuatan berlawanan dari heliks ganda DNA.

Ada 5 jenis histon: H2A, H2B, H3, H4 dan H1. Empat jenis pertama terlibat dalam pembentukan unit struktural utama kromatin - nukleosom, yang terdiri dari inti (inti protein) dan DNA yang melilitnya.

Inti nukleosom diwakili oleh kompleks oktamerik dari delapan molekul histon, yang meliputi tetramer H3-H4 dan dimer H2A-H2B. Bentangan DNA dengan panjang sekitar 146 pasang nukleotida dililitkan ke permukaan partikel protein, membentuk 1,75 putaran, dan masuk ke urutan penghubung (sekitar 60 bp) yang menghubungkan nukleosom satu sama lain. Molekul H1 berikatan dengan DNA penghubung, melindunginya dari aksi nuklease.

Histon dapat mengalami berbagai modifikasi seperti asetilasi, metilasi, fosforilasi, ADP-ribosilasi, dan interaksi dengan protein ubivictin. Proses-proses ini memengaruhi konfigurasi spasial dan kerapatan pengepakan DNA.

Protein non-histon

Ada beberapa ratus jenis protein non-histone dengan sifat dan fungsi yang berbeda. Berat molekulnya bervariasi dari 5 hingga 200 kDa. Kelompok khusus terdiri dari protein spesifik lokasi, yang masing-masing melengkapi wilayah DNA tertentu. Grup ini mencakup 2 keluarga:

• "jari seng" - kenali fragmen dengan panjang 5 pasang nukleotida;
• homodimer - dicirikan oleh struktur "helix-turn-helix" dalam fragmen yang terkait dengan DNA.

Yang paling baik dipelajari adalah apa yang disebut protein mobilitas tinggi (protein HGM), yang secara permanen dikaitkan dengan kromatin. Keluarga menerima nama ini karena kecepatan tinggi pergerakan molekul protein dalam gel elektroforesis. Grup ini menempati sebagian besar fraksi non-histone dan mencakup empat jenis utama protein HGM: HGM-1, HGM-14, HGM-17, dan HMO-2. Mereka melakukan fungsi struktural dan pengaturan.

Protein non-histone juga termasuk enzim yang menyediakan transkripsi (proses sintesis messenger RNA), replikasi (penggandaan DNA) dan perbaikan (penghapusan kerusakan pada molekul genetik).

Tingkat pemadatan DNA

Keunikan struktur kromatin sedemikian rupa sehingga memungkinkan untaian DNA dengan panjang total lebih dari satu meter masuk ke dalam nukleus dengan diameter sekitar 10 mikron. Ini dimungkinkan karena sistem pengemasan multi-tahap molekul genetik. Skema pemadatan umum mencakup lima tingkatan:

1. benang nukleosom dengan diameter 10–11 nm;
2. serat 25–30 nm;
3. domain lingkaran (300 nm);
4. serat setebal 700 nm;
5. kromosom (1200 nm).

Bentuk organisasi ini mengurangi panjang molekul DNA asli sebanyak 10.000 kali.

Seutas benang berdiameter 11 nm dibentuk oleh sejumlah nukleosom yang dihubungkan oleh daerah penghubung DNA. Dalam mikrograf elektron, struktur seperti itu menyerupai manik-manik yang digantung pada tali pancing. Filamen nukleosom digulung seperti solenoid, membentuk fibril setebal 30 nm. Histone H1 terlibat dalam pembentukannya.

Fibril solenoid terlipat menjadi loop (dengan kata lain, domain), yang dipasang pada matriks intranuklear pendukung. Setiap domain berisi 30 hingga 100 ribu pasangan basa. Tingkat pemadatan ini merupakan karakteristik dari kromatin interfase.

Struktur dengan ketebalan 700 nm terbentuk selama spiralisasi fibril domain dan disebut kromatid. Pada gilirannya, dua kromatid membentuk tingkat kelima organisasi DNA - kromosom dengan diameter 1400 nm, yang terlihat pada tahap mitosis atau meiosis.

Jadi, kromatin dan kromosom adalah bentuk pengemasan materi genetik yang bergantung pada siklus hidup sel.

Kromosom

Kromosom terdiri dari dua kromatid bersaudara yang identik satu sama lain, yang masing-masing dibentuk oleh satu molekul DNA superkoil. Bagian-bagiannya dihubungkan oleh badan fibrilar khusus yang disebut sentromer. Pada saat yang sama, struktur ini merupakan penyempitan yang membagi setiap kromatid menjadi lengan.

Tidak seperti kromatin, yang merupakan bahan struktural, kromosom adalah unit fungsional diskrit yang dicirikan tidak hanya oleh struktur dan komposisi, tetapi juga oleh seperangkat genetik yang unik, serta peran tertentu dalam implementasi mekanisme hereditas dan variabilitas pada tingkat seluler.

Eukromatin dan heterokromatin

Kromatin dalam nukleus ada dalam dua bentuk: kurang melingkar (eukromatin) dan lebih padat (heterokromatin). Bentuk pertama sesuai dengan daerah DNA yang aktif secara transkripsi dan oleh karena itu tidak terstruktur dengan padat. Heterokromatin dibagi lagi menjadi fakultatif (dapat berubah dari bentuk aktif menjadi padat tidak aktif, tergantung pada tahap siklus hidup sel dan kebutuhan untuk merealisasikan gen tertentu) dan konstitutif (terus-menerus dipadatkan). Selama pembelahan mitosis atau meiosis, semua kromatin tidak aktif.

Heterochromatin konstitutif ditemukan di dekat sentromer dan di ujung kromosom. Hasil mikroskop elektron menunjukkan bahwa kromatin tersebut mempertahankan kondensasi tingkat tinggi tidak hanya pada tahap pembelahan sel, tetapi juga selama interfase.

Peran biologis kromatin

Fungsi utama kromatin adalah mengemas materi genetik dalam jumlah besar dengan rapat. Namun, tidaklah cukup hanya memasukkan DNA ke dalam nukleus untuk kehidupan sel. Molekul-molekul ini harus "bekerja" dengan baik, yaitu dapat mengirimkan informasi yang terkandung di dalamnya melalui sistem DNA-RNA-protein. Selain itu, sel perlu mendistribusikan materi genetik selama pembelahan.

Struktur kromatin sepenuhnya memenuhi tugas-tugas ini. Bagian protein mengandung semua enzim yang diperlukan, dan fitur struktural memungkinkannya berinteraksi dengan bagian DNA tertentu. Oleh karena itu, fungsi penting kedua kromatin adalah menyediakan semua proses yang terkait dengan penerapan genom nuklir.

Komposisi kimia kromosom

Organisasi fisiko-kimia kromosom sel eukariotik

Studi tentang organisasi kimia kromosom sel eukariotik menunjukkan bahwa mereka terutama terdiri dari DNA dan protein yang membentuk kompleks nukleoprotein. kromatin, dinamai karena kemampuannya untuk mewarnai dengan pewarna dasar.

Seperti yang telah dibuktikan oleh banyak penelitian (lihat § 3.2), DNA adalah pembawa material dari sifat-sifat hereditas dan variabilitas dan mengandung informasi biologis - program untuk pengembangan sel, organisme, yang ditulis menggunakan kode khusus. Jumlah DNA dalam inti sel suatu organisme dari spesies tertentu adalah konstan dan sebanding dengan ploidi mereka. Dalam sel somatik diploid tubuh, jumlahnya dua kali lipat dari pada gamet. Peningkatan jumlah set kromosom dalam sel poliploid disertai dengan peningkatan proporsional dalam jumlah DNA di dalamnya.

Protein membentuk bagian penting dari substansi kromosom. Mereka menyumbang sekitar 65% dari massa struktur ini. Semua protein kromosom dibagi menjadi dua kelompok: protein histon dan nonhiston.

Histon diwakili oleh lima fraksi: HI, H2A, H2B, H3, H4. Menjadi protein dasar bermuatan positif, mereka melekat cukup kuat pada molekul DNA, yang mencegah informasi biologis yang terkandung di dalamnya untuk dibaca. Ini adalah peran pengaturan mereka. Selain itu, protein ini melakukan fungsi struktural, menyediakan organisasi spasial DNA dalam kromosom (lihat Bagian 3.5.2.2).

Jumlah pecahan nonhiston protein melebihi 100. Diantaranya adalah enzim untuk sintesis dan pemrosesan RNA, reduplikasi dan perbaikan DNA. Protein asam kromosom juga memainkan peran struktural dan pengaturan. Selain DNA dan protein, RNA, lipid, polisakarida, dan ion logam juga ditemukan dalam kromosom.

RNA kromosom sebagian diwakili oleh produk transkripsi yang belum meninggalkan tempat sintesis. Beberapa fraksi memiliki fungsi pengaturan.

Peran pengatur komponen kromosom adalah untuk "melarang" atau "mengizinkan" penghapusan informasi dari molekul DNA.

Rasio massa DNA: histon: protein nonhiston: RNA: lipid sama dengan 1:1:(0,2-0,5):(0,1-0,15):(0,01-0,03). Komponen lain ditemukan dalam jumlah kecil.

Sambil menjaga kesinambungan dalam sejumlah generasi sel, kromatin mengubah organisasinya tergantung pada periode dan fase siklus sel. Pada interfase dengan mikroskop cahaya terdeteksi berupa gumpalan-gumpalan yang tersebar di nukleoplasma nukleus. Selama transisi sel ke mitosis, terutama pada metafase, kromatin mengambil bentuk tubuh individu yang sangat bernoda - kromosom.

Bentuk keberadaan kromatin interfase dan metafase dianggap sebagai dua varian kutub dari organisasi strukturalnya yang terhubung dalam siklus mitosis melalui transisi timbal balik. Penilaian ini didukung oleh data mikroskop elektron bahwa bentuk interfase dan metafase didasarkan pada struktur filamen elementer yang sama. Dalam proses studi mikroskopis elektron dan fisikokimia, filamen (fibril) dengan diameter 3,0-5,0, 10, 20-30 nm terdeteksi dalam komposisi kromatin interfase dan kromosom metafase. Penting untuk diingat bahwa diameter heliks ganda DNA kira-kira 2 nm, diameter struktur filamen kromatin interfase adalah 100-200 nm, dan diameter salah satu kromatid saudara dari kromosom metafase adalah 500–600 nm.

Sudut pandang yang paling umum adalah bahwa kromatin (kromosom) adalah benang spiral. Pada saat yang sama, beberapa tingkat spiralisasi (pemadatan) kromatin dibedakan (Tabel 3.2).

Tabel 3.2. Tingkat pemadatan kromatin yang berurutan

Beras. 3.46. Organisasi nukleosom kromatin.

A - bentuk kromatin terdekondensasi;

B - mikrograf elektron kromatin eukariotik:

A - molekul DNA melilit inti protein;

B - kromatin terdiri dari nukleosom yang dihubungkan oleh DNA penghubung

Benang nukleosom. Tingkat organisasi kromatin ini disediakan oleh empat jenis histon nukleosom: H2A, H2B, H3, H4. Mereka membentuk badan protein berbentuk keping - kulit pohon, terdiri dari delapan molekul (dua molekul dari setiap jenis histon) (Gbr. 3.46).

Molekul DNA dilengkapi dengan inti protein, yang berputar secara spiral di sekelilingnya. Dalam hal ini, segmen DNA yang terdiri dari 146 pasangan basa (bp) bersentuhan dengan masing-masing inti. Segmen DNA yang bebas dari kontak dengan badan protein disebut pengikat atau linker. Mereka termasuk dari 15 hingga 100 bp. (rata-rata 60 bp) tergantung jenis selnya.

Segmen molekul DNA dengan panjang sekitar 200 bp. bersama-sama dengan inti protein nukleosom. Berkat organisasi ini, struktur kromatin didasarkan pada utas, yang merupakan rantai unit berulang - nukleosom (Gbr. 3.46, B). Dalam hal ini, genom manusia, yang terdiri dari 3 × 10 9 bp, diwakili oleh heliks ganda DNA yang dikemas menjadi 1,5 × 10 7 nukleosom.

Di sepanjang benang nukleosom, yang menyerupai rantai manik-manik, terdapat bagian DNA yang bebas dari badan protein. Daerah ini, yang terletak pada interval beberapa ribu pasangan basa, memainkan peran penting dalam pengemasan kromatin lebih lanjut, karena mengandung urutan nukleotida yang secara khusus dikenali oleh berbagai protein non-histone.

Sebagai hasil dari organisasi kromatin nukleosomal, heliks ganda DNA dengan diameter 2 nm memperoleh diameter 10-11 nm.

Fibril kromatin. Pemadatan lebih lanjut dari untaian nukleosom disediakan oleh piston HI, yang, dengan menghubungkannya dengan DNA penghubung dan dua badan protein yang berdekatan, mendekatkan mereka satu sama lain. Akibatnya, struktur yang lebih kompak terbentuk, dibangun, mungkin, seperti solenoida. Fibril kromatin ini, juga disebut dasar, memiliki diameter 20-30 nm (Gbr. 3.47).

Kromonema interfase. Tingkat selanjutnya dari organisasi struktural dari bahan genetik disebabkan oleh pelipatan fibril kromatin menjadi loop. Rupanya, protein non-histone terlibat dalam pembentukannya, yang mampu mengenali sekuens nukleotida spesifik DNA ekstranukleosomal, dipisahkan satu sama lain oleh beberapa ribu pasangan basa. Protein ini menyatukan area yang ditunjukkan dengan pembentukan loop dari fragmen fibril kromatin yang terletak di antara keduanya (Gbr. 3.48). Bagian DNA yang sesuai dengan satu loop berisi 20.000 hingga 80.000 bp. Mungkin setiap loop adalah unit fungsional genom. Sebagai hasil dari pengepakan tersebut, fibril kromatin dengan diameter 20-30 nm diubah menjadi struktur dengan diameter 100-200 nm, yang disebut kromonema interfase.

Area terpisah dari kromonema interfase mengalami pemadatan lebih lanjut, membentuk blok struktural, menyatukan loop yang berdekatan dengan organisasi yang sama (Gbr. 3.49). Mereka ditemukan di inti interfase dalam bentuk gumpalan kromatin. Ada kemungkinan bahwa adanya blok struktural tersebut menentukan pola distribusi yang tidak merata dari beberapa pewarna dalam kromosom metafase, yang digunakan dalam studi sitogenetik (lihat Bagian 3.5.2.3 dan 6.4.3.6).

Tingkat pemadatan yang tidak sama dari berbagai bagian kromosom interfase sangat penting secara fungsional. Tergantung pada keadaan kromatin, ada ekukromatik bagian kromosom yang kurang padat dikemas dalam sel yang tidak membelah dan berpotensi ditranskripsi, dan heterokromatik area yang dicirikan oleh organisasi yang kompak dan kelembaman genetik. Dalam batasnya, transkripsi informasi biologis tidak terjadi.

Ada heterokromatin konstitutif (struktural) dan fakultatif.

pokok heterokromatin ditemukan di daerah perikentromerik dan telomerik semua kromosom, serta di beberapa fragmen internal kromosom individual (Gambar 3.50). Itu hanya dibentuk oleh DNA yang tidak ditranskripsi. Mungkin, perannya adalah untuk mempertahankan keseluruhan struktur nukleus, menempelkan kromatin ke selubung nukleus, saling mengenali kromosom homolog selama meiosis, pemisahan gen struktural tetangga, dan partisipasi dalam pengaturan aktivitas mereka.

Beras. 3.49. Blok struktural dalam organisasi kromatin.

A - struktur melingkar kromatin;

B - kondensasi lebih lanjut dari loop kromatin;

DI DALAM - asosiasi loop yang memiliki struktur serupa menjadi blok dengan pembentukan bentuk akhir dari kromosom interfase

Beras. 3.50. Heterokromatin konstitutif dalam kromosom metafase manusia

Sebuah contoh opsional heterokromatin berfungsi sebagai badan kromatin seks, yang biasanya terbentuk di dalam sel organisme berjenis kelamin homogami (pada manusia, jenis kelamin perempuan adalah homogami) dari salah satu dari dua kromosom X. Gen pada kromosom ini tidak ditranskripsi. Pembentukan heterokromatin fakultatif dengan mengorbankan bahan genetik kromosom lain menyertai proses diferensiasi sel dan berfungsi sebagai mekanisme untuk mematikan kelompok fungsi aktif gen yang transkripsinya tidak diperlukan dalam sel dengan spesialisasi tertentu. Dalam hal ini, pola kromatin inti sel dari berbagai jaringan dan organ pada preparat histologi bervariasi. Contohnya adalah heterokromatisasi kromatin dalam inti eritrosit unggas dewasa.

Tingkatan organisasi struktural kromatin yang tercantum ditemukan dalam sel yang tidak membelah, ketika kromosom belum cukup padat untuk dapat dilihat dalam mikroskop cahaya sebagai struktur terpisah. Hanya sebagian dari areanya dengan densitas pengepakan yang lebih tinggi yang terdeteksi di dalam nuklei dalam bentuk gumpalan kromatin (Gbr. 3.51).

Beras. 3.51. Heterokromatin dalam nukleus interfase

Tambalan kompak heterokromatin berkerumun di sekitar nukleolus dan membran nuklir

kromosom metafase. Masuknya sel dari interfase ke mitosis disertai dengan superkompaktisasi kromatin. Kromosom individu menjadi dapat dibedakan dengan jelas. Proses ini dimulai pada profase, mencapai ekspresi maksimumnya pada metafase mitosis dan anafase (lihat Bagian 2.4.2). Pada telofase mitosis, terjadi dekompaktisasi substansi kromosom, yang memperoleh struktur kromatin interfase. Superkompaktisasi mitosis yang dijelaskan memfasilitasi distribusi kromosom ke kutub gelendong mitosis dalam anafase mitosis. Tingkat pemadatan kromatin dalam berbagai periode siklus mitosis sel dapat diperkirakan dari data yang diberikan pada Tabel 1. 3.2.

Kromatin adalah campuran kompleks zat dari mana kromosom eukariotik dibangun. Komponen utama kromatin adalah DNA dan protein kromosom, yang meliputi protein histon dan non-histon, yang membentuk struktur yang sangat tertata di ruang angkasa. Rasio DNA dan protein dalam kromatin adalah ~1:1, dan sebagian besar protein kromatin diwakili oleh histon. Istilah "X" diperkenalkan oleh W. Flemming pada tahun 1880 untuk menggambarkan struktur intranuklear yang diwarnai dengan pewarna khusus.

Kromatin- komponen utama inti sel; itu cukup mudah diperoleh dari inti interfase terisolasi dan dari kromosom mitosis terisolasi. Untuk melakukan ini, gunakan propertinya untuk masuk ke keadaan terlarut selama ekstraksi dengan larutan berair dengan kekuatan ionik rendah atau hanya air deionisasi.

Fraksi kromatin yang diperoleh dari objek yang berbeda memiliki komponen yang cukup seragam. Ditemukan bahwa, dalam hal komposisi kimia total, kromatin dari inti interfase sedikit berbeda dari kromatin dari kromosom mitosis. Komponen utama kromatin adalah DNA dan protein, di antaranya sebagian besar adalah protein histon dan non-histon.

Slide 3. Ada dua jenis kromatin: heterokromatin dan eukromatin. Yang pertama sesuai dengan bagian kromosom yang dipadatkan selama interfase, secara fungsional tidak aktif. Kromatin ini ternoda dengan baik, kromatin inilah yang dapat dilihat pada preparat histologis. Heterochromatin dibagi menjadi struktural (ini adalah bagian dari kromosom yang terus-menerus terkondensasi) dan fakultatif (dapat mendekondensasi dan berubah menjadi eukromatin). Euchromatin sesuai dengan dekondensasi di daerah interfase kromosom. Ini adalah kromatin yang berfungsi dan aktif secara fungsional. Tidak ternoda, tidak terlihat pada sediaan histologis. Selama mitosis, semua eukromatin dipadatkan dan dimasukkan ke dalam kromosom.

Rata-rata, sekitar 40% kromatin adalah DNA dan sekitar 60% adalah protein, di antaranya protein histon nuklir spesifik membentuk 40 hingga 80% dari semua protein yang membentuk kromatin terisolasi. Selain itu, komposisi fraksi kromatin meliputi komponen membran, RNA, karbohidrat, lipid, glikoprotein. Pertanyaan tentang bagaimana komponen minor ini termasuk dalam struktur kromatin belum terselesaikan. Dengan demikian, RNA mungkin merupakan RNA transkripsi yang belum kehilangan hubungannya dengan cetakan DNA. Komponen minor lainnya dapat mengacu pada substansi dari fragmen selubung nukleus yang terpresipitasi.

PROTEIN adalah kelas polimer biologis yang ada di setiap organisme hidup. Dengan partisipasi protein, proses utama yang memastikan aktivitas vital tubuh terjadi: pernapasan, pencernaan, kontraksi otot, transmisi impuls saraf.

Protein adalah polimer, dan asam amino adalah unit monomernya.

Asam amino - ini adalah senyawa organik yang dalam komposisinya (sesuai dengan namanya) gugus amino NH2 dan asam organik, mis. karboksil, gugus COOH.

Molekul protein terbentuk sebagai hasil dari koneksi berurutan asam amino, sedangkan gugus karboksil dari satu asam berinteraksi dengan gugus amino dari molekul tetangga, akibatnya, ikatan peptida terbentuk - CO-NH- dan air molekul dilepaskan. Slide 9

Molekul protein mengandung 50 hingga 1500 residu asam amino. Individualitas suatu protein ditentukan oleh kumpulan asam amino yang membentuk rantai polimer dan, yang tidak kalah pentingnya, oleh urutan pergantian mereka di sepanjang rantai. Misalnya, molekul insulin terdiri dari 51 residu asam amino.

Komposisi kimia histon. Fitur sifat fisik dan interaksi dengan DNA

Histon- protein yang relatif kecil dengan proporsi yang sangat besar dari asam amino bermuatan positif (lisin dan arginin); muatan positif membantu histon mengikat erat DNA (yang bermuatan sangat negatif) terlepas dari urutan nukleotidanya. Kompleks kedua kelas protein dengan DNA inti sel eukariotik disebut kromatin. Histon adalah karakteristik unik eukariota dan hadir dalam jumlah besar per sel (sekitar 60 juta molekul dari setiap jenis per sel). Jenis histon terbagi dalam dua kelompok utama, histon nukleosomal dan histon H1, membentuk keluarga protein dasar yang sangat terkonservasi, terdiri dari lima kelas besar - H1 dan H2A, H2B, H3 dan H4. Histon H1 lebih besar (sekitar 220 asam amino) dan ditemukan kurang terkonservasi selama evolusi. Ukuran rantai polipeptida histon berkisar dari 220 (H1) hingga 102 (H4) residu asam amino. Histone H1 sangat diperkaya dengan residu Lys, histones H2A dan H2B dicirikan oleh kandungan Lys yang moderat, rantai polipeptida dari histones H3 dan H4 kaya akan Arg. Dalam setiap kelas histon (kecuali H4), beberapa subtipe dari protein ini dibedakan berdasarkan urutan asam amino. Multiplisitas ini merupakan ciri khas histon kelas H1 mamalia. Dalam hal ini, tujuh subtipe dibedakan, diberi nama H1.1-H1.5, H1o dan H1t. Histon H3 dan H4 adalah salah satu protein yang paling awet. Konservatisme evolusioner ini menunjukkan bahwa hampir semua asam aminonya penting untuk fungsi histon ini. N-terminus dari histon ini dapat dimodifikasi secara reversibel di dalam sel dengan asetilasi residu lisin individu, yang menghilangkan muatan positif lisin.

Nukleus adalah wilayah ekor histon.

Manik-manik pada senar A

Jangkauan interaksi pendek

Linker histon

Serat pada 30 nm

Serat kromonema

Interaksi Serat Jarak Jauh

histon kromatin nukleosom

Peran histon dalam pelipatan DNA penting karena alasan berikut:

• 1) Jika kromosom hanyalah DNA yang diregangkan, sulit membayangkan bagaimana mereka dapat bereplikasi dan terpisah menjadi sel anak tanpa menjadi kusut atau rusak.
• 2) Dalam keadaan diperpanjang, heliks ganda DNA dari setiap kromosom manusia akan melintasi inti sel ribuan kali; dengan demikian, histon mengemas molekul DNA yang sangat panjang secara teratur ke dalam inti berdiameter beberapa mikrometer;
• 3) Tidak semua DNA dilipat dengan cara yang sama, dan sifat pengemasan suatu wilayah genom menjadi kromatin mungkin memengaruhi aktivitas gen yang terkandung di wilayah ini.

Dalam kromatin, DNA memanjang sebagai untaian ganda yang terus menerus dari satu nukleosom ke nukleosom berikutnya. Setiap nukleosom dipisahkan dari yang berikutnya oleh segmen DNA penghubung, yang ukurannya bervariasi dari 0 hingga 80 bp. Rata-rata, nukleosom berulang memiliki interval nukleotida sekitar 200 pasang nukleotida. Dalam mikrograf elektron, pergantian oktamer histon dengan DNA melingkar dan DNA penghubung memberikan kromatin penampilan "manik-manik pada tali" (setelah pemrosesan yang membuka kemasan orde tinggi).

Metilasi bagaimana modifikasi kovalen histon lebih kompleks daripada yang lain, karena dapat terjadi pada lisin dan arginin. Selain itu, tidak seperti modifikasi lain pada grup 1, konsekuensi metilasi dapat positif atau negatif sehubungan dengan ekspresi transkripsional, bergantung pada posisi residu dalam histon (Tabel 10.1). Tingkat kerumitan lainnya berasal dari fakta bahwa mungkin ada beberapa keadaan termetilasi untuk setiap residu. Lisin dapat berupa mono - (me1), di - (me2) atau tri - (me3) termetilasi, sedangkan arginin dapat berupa mono - (me1) atau di - (me2) termetilasi.

Fosforilasi RTM paling dikenal karena telah lama dipahami bahwa kinase mengatur transduksi sinyal dari permukaan sel melalui sitoplasma dan masuk ke nukleus, yang menyebabkan perubahan ekspresi gen. Histon adalah salah satu protein pertama yang terfosforilasi. Pada tahun 1991, ditemukan bahwa ketika sel dirangsang untuk berkembang biak, apa yang disebut gen "segera-awal" diinduksi, dan mereka menjadi aktif secara transkripsi dan berfungsi untuk merangsang siklus sel. Ekspresi gen yang meningkat ini berkorelasi dengan fosforilasi histone H3 (Mahadevan et al., 1991). H3 histone serine 10 (H3S10) telah terbukti menjadi situs fosforilasi penting untuk transkripsi dari ragi ke manusia dan tampaknya sangat penting di Drosophila (Nowak dan Corces, 2004)

Di mana-mana proses menempelkan "rantai" molekul ubiquitin ke protein (lihat Ubiquitin). Di U. ada koneksi C-terminus ubiquitin dengan sisa sisi lisin di substrat. Rantai poliubiquitin digantung pada momen yang ditentukan secara ketat dan merupakan sinyal yang menunjukkan bahwa protein ini dapat mengalami degradasi.

Asetilasi histon memainkan peran penting dalam memodulasi struktur kromatin selama aktivasi transkripsi, meningkatkan aksesibilitas kromatin ke peralatan transkripsi. Dipercayai bahwa histon asetat kurang terikat kuat pada DNA dan oleh karena itu lebih mudah bagi mesin transkripsi untuk mengatasi resistensi pengepakan kromatin. Secara khusus, asetilasi dapat memfasilitasi akses dan pengikatan faktor transkripsi ke elemen pengenalannya pada DNA. Enzim yang melakukan proses asetilasi dan deasetilasi histon sekarang telah diidentifikasi, dan kita mungkin akan segera mempelajari lebih lanjut tentang bagaimana hal ini terkait dengan aktivasi transkripsi.

Diketahui bahwa histon asetat adalah tanda kromatin aktif transkripsi.

Histon adalah protein yang paling banyak dipelajari secara biokimia.

Organisasi nukleosom

Nukleosom adalah unit dasar pengemasan kromatin. Ini terdiri dari heliks ganda DNA yang melilit kompleks spesifik dari delapan histon nukleosom (oktamer histon). Nukleosom adalah partikel berbentuk cakram dengan diameter sekitar 11 nm, mengandung dua salinan dari masing-masing histon nukleosom (H2A, H2B, H3, H4). Oktamer histone membentuk inti protein di sekitarnya yang merupakan DNA beruntai ganda (146 pasang nukleotida DNA per oktamer histon).

Nukleosom yang menyusun fibril terletak kurang lebih merata di sepanjang molekul DNA pada jarak 10-20 nm dari satu sama lain.

Data tentang struktur nukleosom diperoleh dengan menggunakan analisis difraksi sinar-X beresolusi rendah dan tinggi dari kristal nukleosom, ikatan silang antarmolekul protein-DNA, dan pembelahan DNA dalam nukleosom menggunakan nuklease atau radikal hidroksil. A. Klug membuat model nukleosom, yang menurutnya DNA (146 bp) dalam bentuk-B (heliks tangan kanan dengan langkah 10 bp) dililitkan pada oktamer histon, di bagian tengahnya terdapat histon H3 dan H4 berada, dan di pinggiran - H2a dan H2b. Diameter piringan nukleosomal tersebut adalah 11 nm dan ketebalannya 5,5 nm. Struktur yang terdiri dari oktamer histon dan luka DNA di sekitarnya disebut partikel inti nukleosom. Partikel inti dipisahkan satu sama lain oleh segmen DNA penghubung. Panjang total segmen DNA yang termasuk dalam nukleosom hewan adalah 200 (+/-15) bp.

Rantai polipeptida histon mengandung beberapa jenis domain struktural. Domain globular sentral dan daerah terminal N- dan C yang menonjol dan fleksibel yang diperkaya dengan asam amino basa disebut lengan (lengan). Domain C-terminal dari rantai polipeptida yang terlibat dalam interaksi histone-histone dalam partikel inti sebagian besar dalam bentuk heliks alfa dengan wilayah heliks pusat yang diperpanjang, di mana satu heliks yang lebih pendek diletakkan di kedua sisi. Semua situs modifikasi histone pasca-translasi reversibel yang diketahui yang terjadi selama siklus sel atau selama diferensiasi sel terletak di domain tulang punggung fleksibel rantai polipeptidanya (Tabel I.2). Pada saat yang sama, lengan N-terminal histon H3 dan H4 adalah daerah molekul yang paling terkonservasi, dan histon secara keseluruhan termasuk protein yang paling terkonservasi secara evolusioner. Menggunakan studi genetik dari ragi S. cerevisiae, ditemukan bahwa penghapusan kecil dan mutasi titik di bagian N-terminal gen histone disertai dengan perubahan yang mendalam dan beragam dalam fenotipe sel ragi, yang menunjukkan pentingnya integritas sel ragi. molekul histon dalam memastikan berfungsinya gen eukariotik. Dalam larutan, histon H3 dan H4 dapat eksis sebagai tetramer stabil (H3) 2 (H4) 2, sedangkan histon H2A dan H2B dapat eksis sebagai dimer stabil. Peningkatan bertahap dalam kekuatan ionik dalam larutan yang mengandung kromatin asli menyebabkan pelepasan dimer H2A/H2B dan kemudian tetramer H3/H4.

Penyempurnaan struktur halus nukleosom dalam kristal dilakukan oleh K. Luger et al. (1997) menggunakan analisis difraksi sinar-X resolusi tinggi. Ditemukan bahwa permukaan cembung setiap histone heterodimer dalam octamer dililit oleh segmen DNA sepanjang 27-28 bp, terletak pada sudut 140 derajat relatif satu sama lain, yang dipisahkan oleh daerah penghubung sepanjang 4 bp.

Tingkat pemadatan DNA: nukleosom, fibril, loop, kromosom mitosis

Tingkat pertama pemadatan DNA adalah nukleosom. Jika kromatin mengalami aksi nuklease, maka kromatin dan DNA mengalami peluruhan menjadi struktur yang berulang secara teratur. Setelah perawatan nuklease, sebagian kecil partikel diisolasi dari kromatin dengan sentrifugasi dengan laju sedimentasi 11S. Partikel 11S mengandung sekitar 200 pasangan basa DNA dan delapan histon. Partikel nukleoprotein kompleks semacam itu disebut Nukleosom. Di dalamnya, histon membentuk inti protein, di permukaan tempat DNA berada. DNA membentuk situs yang tidak terkait dengan protein inti - Penghubung, yang menghubungkan dua nukleosom yang berdekatan, masuk ke dalam DNA nukleosom berikutnya. Mereka membentuk "manik-manik", formasi globular sekitar 10 nm, duduk satu demi satu pada molekul DNA yang memanjang. Tingkat pemadatan kedua adalah fibril 30 nm. Yang pertama, nukleosom, tingkat pemadatan kromatin memainkan peran pengaturan dan struktural, memberikan kepadatan pengepakan DNA 6-7 kali. Dalam kromosom mitosis dan dalam inti interfase, fibril kromatin dengan diameter 25-30 nm terdeteksi. Jenis pengepakan nukleosom solenoid dibedakan: seutas nukleosom padat berdiameter 10 nm membentuk gulungan dengan pitch heliks sekitar 10 nm. Ada 6-7 nukleosom per putaran superhelix semacam itu. Sebagai hasil dari pengepakan seperti itu, fibril tipe heliks dengan rongga tengah muncul. Kromatin dalam nukleus memiliki fibril 25 nm, yang terdiri dari gumpalan yang berdekatan dengan ukuran yang sama - nukleomer. Nukleomer ini disebut superbeads ("superbids"). Fibril kromatin utama, berdiameter 25 nm, adalah pergantian linier nukleomer di sepanjang molekul DNA yang dipadatkan. Sebagai bagian dari nukleomer, dua putaran fibril nukleosom terbentuk, dengan masing-masing 4 nukleosom. Tingkat nukleomerik pengepakan kromatin memberikan pemadatan DNA 40 kali lipat. Tingkat pemadatan DNA kromatin nuklesomal dan nukleomerik (superbid) dilakukan oleh protein histon. Loop domain DNA-tingkat ketiga struktur organisasi kromatin. Pada tingkat organisasi kromatin yang lebih tinggi, protein spesifik berikatan dengan wilayah spesifik DNA, yang membentuk loop besar, atau domain, di tempat pengikatan. Di beberapa tempat terdapat gumpalan kromatin terkondensasi, formasi berbentuk roset yang terdiri dari banyak loop fibril 30 nm, terhubung di pusat yang padat. Ukuran rata-rata mawar mencapai 100-150 nm. Roset fibril kromatin-Kromomer. Setiap kromomer terdiri dari beberapa loop yang mengandung nukleosom, yang terhubung dalam satu pusat. Kromomer terhubung satu sama lain oleh daerah kromatin nukleosom. Struktur loop-domain kromatin memberikan pemadatan struktural kromatin dan mengatur unit fungsional kromosom - replika dan gen yang ditranskripsi.

Dengan menggunakan metode hamburan neutron, dimungkinkan untuk menetapkan bentuk dan dimensi nukleosom yang tepat; pada perkiraan kasar, itu adalah silinder datar atau mesin cuci dengan diameter 11 nm dan tinggi 6 nm. Berada di substrat untuk mikroskop elektron, mereka membentuk "manik-manik" - formasi globular sekitar 10 nm, dalam satu file, duduk bersama-sama pada molekul DNA yang memanjang. Faktanya, hanya daerah penghubung yang memanjang; tiga perempat sisa panjang DNA ditumpuk secara heliks di sepanjang pinggiran oktamer histon. Octamer histone itu sendiri dianggap memiliki bentuk bola rugby, yang terdiri dari tetramer (H3·H4) 2 dan dua dimer H2A·H2B independen. Pada ara. 60 menunjukkan tata letak histon di bagian inti nukleosom.

Komposisi sentromer dan telomer

Apa itu kromosom, saat ini hampir semua orang tahu. Organel nuklir ini, di mana semua gen terlokalisasi, merupakan kariotipe spesies tertentu. Di bawah mikroskop, kromosom terlihat seperti struktur berbentuk batang gelap yang seragam dan memanjang, dan gambar yang terlihat sepertinya tidak menarik. Selain itu, persiapan kromosom dari banyak sekali makhluk hidup yang hidup di Bumi hanya berbeda dalam jumlah batang dan modifikasi bentuknya. Namun, ada dua sifat yang umum pada kromosom semua spesies.

Lima tahap pembelahan sel (mitosis) biasanya dijelaskan. Untuk mempermudah, kami akan fokus pada tiga tahap utama dalam perilaku kromosom sel pembagi. Pada tahap pertama terjadi kontraksi linier bertahap dan penebalan kromosom, kemudian terbentuk spindel pembelahan sel yang terdiri dari mikrotubulus. Yang kedua, kromosom secara bertahap bergerak menuju pusat nukleus dan berbaris di sepanjang ekuator, mungkin untuk memfasilitasi perlekatan mikrotubulus ke sentromer. Dalam hal ini, amplop nuklir menghilang. Pada tahap terakhir, separuh kromosom - kromatid - menyimpang. Tampaknya mikrotubulus yang menempel pada sentromer, seperti tarikan, menarik kromatid ke kutub sel. Dari saat divergensi, mantan kromatid disebut kromosom putri. Mereka mencapai tiang spindel dan bersatu secara paralel. Amplop nuklir terbentuk.

Model yang menjelaskan evolusi sentromer.

Ke atas- Sentromer (oval abu-abu) mengandung sekumpulan protein khusus (kinetokor), termasuk histon CENH3 (H) dan CENP-C (C), yang pada gilirannya berinteraksi dengan mikrotubulus gelendong (garis merah). Dalam berbagai taksa, salah satu protein ini berevolusi secara adaptif dan selaras dengan divergensi struktur DNA sentromer primer.

Di dasar- perubahan dalam struktur primer atau organisasi DNA sentromerik (oval abu-abu tua) dapat menciptakan sentromer yang lebih kuat, menghasilkan lebih banyak mikrotubulus yang menempel.

Telomer

Istilah "telomere" diusulkan oleh G. Möller pada tahun 1932. Dalam pandangannya, itu berarti tidak hanya ujung fisik kromosom, tetapi juga keberadaan "gen terminal dengan fungsi khusus menyegel (menyegel) kromosom", yang membuatnya tidak dapat diakses oleh pengaruh berbahaya (penataan ulang kromosom, penghapusan, nuclease, dll). Kehadiran gen terminal tidak dikonfirmasi dalam penelitian selanjutnya, tetapi fungsi telomer ditentukan secara akurat.

Belakangan, fungsi lain terungkap. Karena mekanisme replikasi yang biasa tidak bekerja pada ujung kromosom, ada cara lain di dalam sel yang mempertahankan ukuran kromosom yang stabil selama pembelahan sel. Peran ini dilakukan oleh enzim khusus, telomerase, yang bertindak seperti enzim lain, reverse transcriptase: ia menggunakan templat RNA beruntai tunggal untuk mensintesis untai kedua dan memperbaiki ujung kromosom. Jadi, telomer pada semua organisme melakukan dua tugas penting: melindungi ujung kromosom dan mempertahankan panjang dan integritasnya.

Model kompleks protein dari enam protein spesifik telomer, yang terbentuk pada telomer kromosom manusia, diusulkan. DNA membentuk loop-t, dan tonjolan beruntai tunggal dimasukkan ke dalam wilayah DNA beruntai ganda yang terletak di bagian distal (Gbr. 6). Kompleks protein memungkinkan sel untuk membedakan antara telomer dan situs pemutusan kromosom (DNA). Tidak semua protein telomer adalah bagian dari kompleks, yang berlebihan pada telomer tetapi tidak ada di bagian lain dari kromosom. Sifat pelindung kompleks berasal dari kemampuannya untuk mempengaruhi struktur DNA telomerik setidaknya dalam tiga cara: untuk menentukan struktur ujung telomer; berpartisipasi dalam pembentukan t-loop; mengontrol sintesis DNA telomer oleh telomerase. Kompleks terkait juga telah ditemukan pada telomere beberapa spesies eukariotik lainnya.

Ke atas -telomer pada saat replikasi kromosom, ketika ujungnya dapat diakses oleh kompleks telomerase, yang melakukan replikasi (duplikasi rantai DNA di bagian paling ujung kromosom). Setelah replikasi, DNA telomer (garis hitam), bersama dengan protein yang terletak di atasnya (ditampilkan sebagai oval multi-warna), membentuk t-loop ( bagian bawah gambar).

Waktu pemadatan DNA dalam siklus sel dan proses stimulasi faktor utama

Ingat struktur kromosom (dari kursus biologi) - mereka biasanya ditampilkan sebagai sepasang huruf X, di mana setiap kromosom adalah pasangan, dan masing-masing memiliki dua bagian yang identik - kromatid kiri dan kanan. Serangkaian kromosom seperti itu khas untuk sel yang telah memulai pembelahannya, mis. sel yang telah mengalami proses duplikasi DNA. Menggandakan jumlah DNA disebut periode sintetik, atau periode S, dari siklus sel. Mereka mengatakan bahwa jumlah kromosom dalam sel tetap sama (2n), dan jumlah kromatid di setiap kromosom menjadi dua kali lipat (4c - 4 kromatid per pasang kromosom) - 2n4c. Saat membelah, satu kromatid dari setiap kromosom akan masuk ke sel anak dan sel akan menerima set diploid lengkap 2n2c.

Keadaan sel (lebih tepatnya, nukleusnya) antara dua pembelahan disebut interfase. Tiga bagian dibedakan dalam interfase - periode presintetik, sintetik, dan pascasintetik.

Dengan demikian, seluruh siklus sel terdiri dari 4 interval waktu: mitosis yang tepat (M), periode presintetik (G1), sintetik (S), dan pascasintetik (G2) interfase (Gbr. 19). Huruf G - dari bahasa Inggris Gap - interval, gap. Pada periode G1 segera setelah pembelahan, sel memiliki kandungan DNA diploid per nukleus (2c). Selama periode G1, pertumbuhan sel dimulai terutama karena akumulasi protein seluler, yang ditentukan oleh peningkatan jumlah RNA per sel. Selama periode ini, persiapan sel untuk sintesis DNA (periode S) dimulai.

Ditemukan bahwa penekanan sintesis protein atau mRNA pada periode G1 mencegah timbulnya periode S, karena selama periode G1 sintesis enzim yang diperlukan untuk pembentukan prekursor DNA (misalnya, fosfokinase nukleotida), enzim RNA dan metabolisme protein terjadi. Ini bertepatan dengan peningkatan RNA dan sintesis protein. Ini secara tajam meningkatkan aktivitas enzim yang terlibat dalam metabolisme energi.

Pada periode S berikutnya, jumlah DNA per nukleus menjadi dua kali lipat dan, karenanya, jumlah kromosom menjadi dua kali lipat. Dalam sel yang berbeda pada periode S, Anda dapat menemukan jumlah DNA yang berbeda - dari 2c hingga 4c. Ini disebabkan oleh fakta bahwa sel diperiksa pada berbagai tahap sintesis DNA (yang baru saja memulai sintesis dan yang sudah menyelesaikannya). S-periode adalah nodal dalam siklus sel. Tidak ada satu kasus sel yang memasuki pembelahan mitosis yang diketahui tanpa menjalani sintesis DNA.

Fase pascasintetik (G2) juga disebut premitotik. Istilah terakhir menekankan kepentingannya yang besar untuk melewati tahap selanjutnya - tahap pembelahan mitosis. Pada fase ini, sintesis mRNA terjadi, yang diperlukan untuk mitosis. Agak lebih awal dari ini, rRNA ribosom disintesis, yang menentukan pembelahan sel. Di antara protein yang disintesis saat ini, tempat khusus ditempati oleh tubulin - protein mikrotubulus dari gelendong mitosis.

Pada akhir periode G2 atau selama mitosis, saat kromosom mitosis memadat, sintesis RNA turun tajam dan berhenti sama sekali selama mitosis. Sintesis protein selama mitosis menurun hingga 25% dari tingkat awal dan kemudian pada periode berikutnya mencapai maksimum pada periode G2, umumnya mengulangi sifat sintesis RNA.

Dalam jaringan tumbuhan dan hewan yang tumbuh selalu ada sel yang seolah-olah berada di luar siklus. Sel seperti itu biasanya disebut sel periode G0. Sel-sel inilah yang disebut sel istirahat, sementara atau akhirnya berhenti bereproduksi. Di beberapa jaringan, sel-sel tersebut dapat bertahan lama tanpa mengubah sifat morfologisnya secara khusus: mereka mempertahankan, pada prinsipnya, kemampuan untuk membelah, berubah menjadi sel punca kambial (misalnya, dalam jaringan hematopoietik). Lebih sering, hilangnya (walaupun sementara) kemampuan untuk berbagi disertai dengan munculnya kemampuan untuk berspesialisasi, untuk membedakan. Sel-sel yang berdiferensiasi seperti itu meninggalkan siklus, tetapi dalam kondisi khusus mereka dapat memasuki kembali siklus tersebut. Sebagai contoh, sebagian besar sel hati berada pada periode G0; mereka tidak berpartisipasi dalam sintesis DNA dan tidak membelah. Namun, ketika bagian dari hati dikeluarkan pada hewan percobaan, banyak sel memulai persiapan untuk mitosis (periode G1), melanjutkan ke sintesis DNA, dan dapat membelah secara mitosis. Dalam kasus lain, misalnya pada epidermis kulit, setelah keluar dari siklus reproduksi dan diferensiasi, sel berfungsi untuk beberapa waktu dan kemudian mati (sel keratin dari epitel integumen).