Хромозоми

Когато една клетка се дели, една от основните ѝ задачи е да направи така, че всяка една от двете дъщерни клетки да получи пълно, съвсем точно копие на генетичния материал. Грешките при копирането или неравномерното разпределение на генетичния материал между двете клетки може да доведе до образуване на нездрави или неправилно функциониращи клетки (които предизвикват заболявания като рака).

Но какво точно представлява генетичния материал и какво се случва с него по време на клетъчното делене?

ДНК (дезоксирибонуклеинова киселина ) е генетичният материал на живите организми. При хората в почти всички телесни клетки има ДНК, която им дава нужните указания, за да растат, функционират и да реагират на околната среда.

Когато една клетка в тялото се дели, тя ще предаде копие от своята ДНК към всяка от дъщерните си клетки. ДНК се предава и на ниво организъм, като ДНК в сперматозоида и в яйцеклетката се комбинира, за да се получи нов организъм, който има генетичен материал от двамата си родители.

От химична гледна точка ДНК представлява дълга двойна верига от прости единици (нуклеотиди), които биват четири различни вида, означавани с А, Т, Ц и Г. Тя е носител на информация, съхранена в по-големи единици, наречени гени. В гените се съдържат инструкциите за произвеждането на протеините, които определят функционалните характеристики на организмите.

В еукариотните организми като растенията и животните по-голямата част от ДНК се намира в ядрото и се нарича ядрена ДНК. Митохондриите – органели, които произвеждат енергията на клетката – съдържат собствена митохондриална ДНК, а в хлоропластите – органели, които отговарят за фотосинтезата в растителните клетки – има хлоропластна ДНК. Количеството ДНК в митохондриите и хлоропластите е много по-малко от това в ядрото. В бактериите повечето ДНК се намира в централната част на клетката, наречена нуклеоид, която има почти същите функции като ядрото, но не е обградена от мембрана.

Съвкупността от ДНК материала на една клетка се нарича геном. Тъй като всички клетки в един организъм (с малки изключения) съдържат една и съща ДНК, може да се говори също за геном на организма, и тъй като представителите на един и същи вид по принцип имат еднакъв геном, може да се говори за геном на вида. Когато става дума за човешкия геном или за кой да е друг еукариотен геном, обикновено се има предвид наследствения материал в клетъчното ядро. Счита се, че митохондриите и хлоропластите имат отделни геноми.

В една клетка ДНК обикновено не съществува сама по себе си, а вместо това се асоциира със специализирани протеини, които я организират и ѝ дават структура. При еукариотите тези протеини включват хистони, група от основни (положително заредени) протеини, които образуват "макари", около които може да се увие отрицателно заредена ДНК. В допълнение към организирането на ДНК и превръщането й в по-компактна, хистоните играят важна роля при определяне на това кои гени са активни. Комплектът ДНК плюс хистоните и други структурни протеини се нарича хроматин.

В по-голямата част от живота на клетката хроматинът е декондензиран, което означава, че съществува в дълги, тънки нишки, които изглеждат като завъртулки под микроскопа. В това състояние ДНК може да бъде сравнително лесно достъпна за клетъчните машини (като протеини, които четат и копират ДНК), което е важно за способността на клетката да расте и функционира.

Декондензиран може да изглежда странен термин за това състояние – защо просто не го наречем "усукан"? – но е по-логичен, когато научиш, че хроматинът също ткака може и да кондензира. Кондензацията протича, когато една клетка ще се дели. Когато хроматинът кондензира, можеш да видиш, че еукариотната ДНК не е просто една дълга верига. Вместо това е разделена на отделни линейни части, наречени хромозоми. Бактериите също имат хромозоми, но техните хромозоми обикновено са кръгови.

Всеки биологичен вид има характерен за него брой хромозоми. Например човекът има по 46 хромозоми в телесните си (соматични) клетки, докато кучетата имат по 78${}^1$‍. Както много други животински и растителни видове, човекът е диплоиден организъм (2n), което значи, че повечето от хромозомите му са групирани по двойки, наричани хомоложни. Четиридесет и шестте хромозоми в човешките клетки са групирани в 23 чифта и едната част от всеки чифт е хомоложна на другата (единствено X и Y хромозомите правят изключение; виж по-долу).

Човешките спермтазоиди и яйцеклетки, които имат само по една хомоложна хромозома от всяка двойка, са хаплоидни (1n). Когато сперматозоидът и яйцеклетката се слеят, техният генетичен материал се съчетава, за да образува един завършен диплоиден комплект хромозоми. Следователно във всяка хомоложна двойка хромозоми в твоя геном единият от хомолозите идва от майка ти, а другият – от баща ти.

Двете хромозоми от хомоложната двойка много си приличат и имат еднаква големина и форма. Но по-важното е, че носят един и същи вид генетична информация – тоест имат едни и същи гени, разположени на едни и същи места. И все пак тези гени могат да имат и различия. Това е така, защото от баща си и майка си може да сме наследили различни състояния на един и същи ген.

Нека вземем за пример гена от 9-та хромозома, който определя кръвната група (A, B, AB или O)${}^2$‍. Възможно е човек да има две еднакви копия на този ген, по един от всяка хомоложна хромозома – например може да има два пъти състоянието на гена за кръвна група А. В други случаи в двете хомоложни хромозоми може да има две различни състояния на гена, като например един за кръвна група А и един за кръвна група В (това ще даде кръвна група АВ).

Половите хромозоми, Х и Y, определят биологичния пол на човека. ХХ определя женски пол, ХY определя мъжки пол. Тези хромозоми не са истински хомоложни и са изключение от правилото за едни и същи гени на едно и също място. Освен малки региони на подобност, необходими по време на мейоза, или производство на полови клетки, Х и Y хромозомите са различни и носят различни гени. 44-те неполови хромозоми при хората са наречени автозоми.

Когато клетката се подготвя за делене, трябва да направи копие на всяка една от хромозомите си. Двете копия на една хромозома се наричат сестрински хроматиди. Сестринските хроматиди са идентични и са свързани една с друга чрез протеини, наречени кохезини. Връзката между сестринските хроматиди е най-тясна при центромера - част от ДНК, която е важна за разделянето им в по-нататъшните етапи на деленето.

Докато сестринските хроматиди са свързани в центромера, все още се смятат за една хромозома. След разделянето им по време на клетъчното делене всяка става отделна хромозома.

Защо протича този процес на удвояване, кондензиране и разделяне на хромозомите? Отговорът е следният: за да може всяка нова клетка да получи точно по едно копие от всяка хромозома.

За по-изчерпателен отговор виж също статиите и видео материалите за клетъчния цикъл и митозата. В тях ще разбереш как процесите, през които преминават хромозомите, помагат на клетките по време на клетъчното деление да предадат на всяка дъщерна клетка точно копие ДНК.