Chromosomy

Kiedy komórka dzieli się na dwie, jednym z jej najważniejszych zadań jest upewnienie się czy każda z dwóch komórek otrzyma pełną, niezmienioną kopię materiału genetycznego. Błędy podczas namnażania materiału genetycznego lub nierówny jego podział pomiędzy komórkami mogą prowadzić do powstania komórek, które są chore lub niefunkcjonalne (a nawet do chorób takich jak nowotwory).

Ale czym tak właściwie jest materiał genetyczny i jak zachowuje się w trakcie podziału komórki?

DNA (kwas deoksyrybonukleinowy) jest materiałem genetycznym organizmów żywych. U ludzi, DNA znajduje się w prawie każdej komórce ciała i dostarcza informacji, których komórka potrzebuje do wzrostu, funkcjonowania i odpowiadania na warunki środowiska.

Kiedy komórka ulegnie podziałowi w organizmie, kopia DNA przejdzie do każdej z powstałych komórek potomnych. DNA jest także przekazywany na poziomie organizmów, na przykład DNA plemnika i komórki jajowej łączą się w celu utworzenia nowego organizmu, którego materiał genetyczny będzie kombinacją materiału od obu rodziców.

Fizycznie rzecz ujmując, DNA jest długą nicią sparowanych jednostek chemicznych (nukleotydów), które należą do czterech różnych rodzajów, o skrótach: A, T, C i G, i niesie informację zorganizowaną w jednostki nazywane genami. Geny zwykle dostarczają informacji do produkcji białek, które nadają komórkom i organizmom ich funkcjonalną charakterystykę.

U eukariotów takich jak rośliny i zwierzęta, większość DNA jest zlokalizowana w jądrze komórkowym i jest nazywana jądrowym DNA. Mitochondria, organelle, które wytwarzają energię dla komórek, zawierają własny mitochondrialny DNA i chloroplasty - organelle, które przeprowadzają proces fotosyntezy w komórkach roślin, posiadają chloroplastowy DNA. Ilości DNA znajdujące się w mitochondriach i chloroplastach są dużo mniejsze niż ilości będące w jądrze. W bakteriach, większość DNA jest zlokalizowana w regionie centralnym komórki nazywanym nukleoidem, który funkcjonuje podobnie do jądra, ale nie jest otoczony przez błonę.

Zestaw komórkowego DNA jest nazywany jego genomem. Ponieważ wszystkie komórki organizmu (z kilkoma wyjątkami) zawierają taki sam DNA. Możesz także powiedzieć, że organizm ma swój własny genom i ponieważ przedstawiciele gatunków zwykle posiadają podobne genomy, możesz także opisać genom gatunku. Generalnie, kiedy ludzie odnoszą się do ludzkiego genomu lub innego genomu eukariotycznego, mają na myśli zestaw DNA znajdujący się w jądrze. Mitochondria i chloroplasty posiadają swój własny, oddzielny genom.

W komórce, DNA zwykle nie występuje samodzielnie, ale natomiast łączy się z wyspecjalizowanymi białkami, które go organizują i nadają mu strukturę. U eukariotów, te białka to histony (ang. histone protein), grupa podstawowych (dodatnio naładowanych) białek, które formują "szpulki", wokół których ujemnie naładowany DNA może się owinąć. Oprócz organizowania DNA i uczynienia go bardziej upakowanym, histony odgrywają ważną rolę w determinowaniu, które geny są aktywne. Kompleks DNA z histonami i inne białka strukturalne nazywamy chromatyną.

Przez większość życia komórki, chromatyna jest zdekondensowana, co znaczy, że występuje w długich, cienkich niciach, które wyglądają jak zawijasy pod mikroskopem. W tym stanie, DNA może być stosunkowo łatwo dostępna dla maszynerii komórkowej (takiej jak białka, które odczytują i namnażają DNA), która jest ważna w umożliwianiu komórce wzrostu i funkcjonowania.

Zdekondensowany może się wydawać dziwnym terminem dla tego stanu - dlaczego zatem nie nazywamy tego "włóknistym"? Ta nazwa ma większy sens, kiedy dowiesz się, że chromatyna może także kondensować. Kondensacja zachodzi, kiedy komórki będą się dzielić. Kiedy chromatyna kondensuje, możesz zobaczyć, że DNA eukariotyczny nie jest tylko jedną długą nicią. Jest natomiast podzielony na oddzielne, liniowe odcinki nazywane chromosomami. Bakterie także mają chromosomy, ale ich chromosomy są zwykle koliste.

Każdy gatunek ma swoją własną, charakterystyczną liczbę chromosomów. Na przykład ludzie, mają 46 chromosomów w typowych komórkach ciała (komórkach somatycznych), podczas gdy psy mają ich 78${}^1$‍. Jak wiele gatunków zwierząt i roślin, ludzie są diploidalni (2n), co znaczy, że większość ich chromosomów jest połączonych w zestawy, znane jako pary homologiczne . 46 chromosomów ludzkiej komórki jest zorganizowanych w 23 pary i każdy z dwóch członków każdej pary nazywany jest homologiem tego drugiego (z małym wyjątkiem chromosomów X i Y; patrz poniżej).

Ludzkie plemniki i komórki jajowe, które posiadają tylko jeden homologiczny chromosom z każdej pary, są nazywane haploidalnymi (1n). Kiedy plemnik i komórka jajowa łączą się, ich materiał genetyczny łączy się, aby uformować jeden diploidalny zestaw chromosomów. Dlatego, dla każdej pary homologicznej chromosomów w twoim genomie, jeden z homologów pochodzi od twojej mamy a drugi od taty.

Dwa chromosomy w parze homologicznej są bardzo podobne do siebie i mają ten sam kształt i rozmiar. Co najważniejsze, niosą tą samą informację genetyczną: to znaczy, że mają te same geny w tych samych miejscach na chromosomie. Jednakże niekoniecznie mają te same wersje genów. Dzieje się tak, ponieważ możesz dziedziczyć dwie różne wersje genów - inny od mamy i inny od taty.

Jako rzeczywisty przykład, rozważmy przypadek genu na chromosomie 9, który determinuje grupę krwi (A, B, AB lub 0)${}^2$‍. Jest możliwe, że osoba ma dwie identyczne kopie genu, po jednej na każdym z chromosomów homologicznych - na przykład możesz mieć dwa identyczne geny dla grupy krwi A. Z drugiej strony, możesz mieć dwie różne wersje genów dla dwóch chromosomach homologicznych, jeden dla grupy krwi A a drugi dla grupy krwi B (wtedy masz grupę krwi AB).

Chromosomy płci, X i Y, determinują płeć biologiczną: XX określa kobietę a XY - mężczyznę. Te chromosomy nie są prawdziwymi homologami i są wyjątkiem od zasady, która mówi, że te same geny znajdują się w tych samych miejscach na chromosomie. Poza małymi regionami podobieństwa, wymaganymi podczas procesu mejozy lub rozmnażania płciowego, chromosomy X i Y są różne i niosą inne geny. 44 chromosomy u ludzi nie będące chromosomami płci są nazywane autosomami.

Jako że komórka przygotowuje się do podziału, musi mieć kopię każdego z jej chromosomów. Dwie kopie chromosomu nazywamy chromatydami siostrzanymi. Chromatydy siostrzane są identyczne i pozostają połączone ze sobą przez białka nazywane kohezynami. Połączenie pomiędzy chromatydami siostrzanymi nazywamy centromerem. Jest to obszar DNA, który jest ważny podczas ich rozdzielenia podczas późniejszych faz podziału komórki.

Dopóki chromatydy siostrzane są połączone dzięki centromerowi, dopóty są uważane za jeden chromosom. Jednakże jak tylko zostaną rozdzielone podczas podziału komórki, każda z nich uważana jest za pojedynczy chromosom.

Dlaczego komórki przeprowadzają swoje chromosomy przez proces replikacji, kondensacji i rozdzielenia? Odpowiedź jest krótka - aby się upewnić, że podczas podziału komórki, każda nowa komórka otrzyma dokładnie jedną kopię każdego chromosomu.

Aby uzyskać więcej informacji, sprawdź artykuły i filmy o cyklu komórkowym i mitozie. Możesz tam zobaczyć jak zachowanie chromosomów pomaga komórkom przekazać perfekcyjny zestaw DNA do każdej komórki potomnej podczas podziału.