Πού βρίσκονται τα χρωμοσώματα σε ένα κύτταρο;
Τα χρωμοσώματα βρίσκονται στον πυρήνα του κυττάρου . Τόσο τα φυτικά όσο και τα ζωικά κύτταρα έχουν χρωμοσώματα στον πυρήνα τους και κάθε χρωμόσωμα αποτελείται από ένα μόνο μόριο δεοξυριβονουκλεϊκού οξέος και πρωτεϊνών. Ας εξετάσουμε τον ρόλο των χρωμοσωμάτων εντός του πυρήνα και του κυττάρου γενικότερα και ας δούμε πώς αναπαράγονται τα χρωμοσώματα κατά τη διαδικασία της κυτταρικής διαίρεσης.
Τι είναι ο πυρήνας του κυττάρου;
Ο πυρήνας ενός κυττάρου λέγεται συχνά ότι είναι ο «εγκέφαλος» του κυττάρου. Ο πυρήνας είναι ένα οργανίδιο που συνδέεται με τη μεμβράνη και λειτουργεί για να ελέγχει την αναπαραγωγή και την ανάπτυξη του κυττάρου, καθώς και να περιέχει τις κληρονομικές/γενετικές πληροφορίες για το κύτταρο. Ο πυρήνας είναι το μεγαλύτερο οργανίδιο του κυττάρου και είναι το κέντρο διοίκησης όλων των ευκαρυωτικών κυττάρων. Τα προκαρυωτικά κύτταρα δεν έχουν «αληθινό» πυρήνα, αν και έχουν μια περιοχή όπου βρίσκονται οι κληρονομικές πληροφορίες.
Τα περιεχόμενα του πυρήνα περιέχονται σε μια δομή που αναφέρεται ως πυρηνικό περίβλημα, μια δομή διπλής μεμβράνης που είναι επιλεκτικά διαπερατή, που σημαίνει ότι επιτρέπει μόνο σε ορισμένες ουσίες να περάσουν μέσα και έξω από αυτό. Όπως και η μεμβράνη του κυττάρου στο σύνολό της, το πυρηνικό περίβλημα αποτελείται από μια διπλοστοιβάδα φωσφολιπιδίου, δύο στρώματα που έχουν μια κεφαλή φωσφορικού και μια ουρά λιπιδίων συνδεδεμένες μεταξύ τους και στραμμένες προς αντίθετες κατευθύνσεις. Η δομή του πυρηνικού περιβλήματος βοηθά τον πυρήνα να διατηρήσει το σχήμα του και βοηθά τον πυρήνα να ελέγξει ποια μόρια κινούνται μέσα και έξω από αυτόν. Τα μόρια που επιτρέπεται να εισέλθουν στον πυρήνα εισέρχονται μέσω μικρών οπών στη μεμβράνη που αναφέρονται ως πυρηνικοί πόροι. Το πυρηνικό περίβλημα συνδέεται με το ενδοπλασματικό δίκτυο με τρόπο που το εσωτερικό διαμέρισμα του πυρηνικού περιβλήματος σχηματίζει μια συνεχόμενη περιοχή με το εσωτερικό τμήμα (τον αυλό) του ενδοπλασματικού δικτύου.
Ο πυρήνας είναι το μέρος όπου συγκρατούνται τα χρωμοσώματα και τα χρωμοσώματα αποτελούνται από DNA, το οποίο συχνά λέγεται ότι είναι το «σχεδιασμός ζωής», καθώς περιέχει τις απαραίτητες πληροφορίες για την ανάπτυξη και την αναπαραγωγή των κυττάρων. Τα κελιά μπορούν να θεωρηθούν ότι έχουν δύο διαφορετικές καταστάσεις, μια προεπιλεγμένη κατάσταση «ηρεμίας» και μια ενεργή κατάσταση «διαίρεσης». Όταν το κύτταρο δεν διαιρείται, τα χρωμοσώματα ομαδοποιούνται, οργανωμένα σε δομές που ονομάζονται χρωματίνη. Αυτό σημαίνει ότι ενώ οι άνθρωποι τείνουν να σκέφτονται τα χρωμοσώματα στον πυρήνα ως μεμονωμένα χρωμοσώματα που επιπλέουν, στην πραγματικότητα είναι ραμμένα μεταξύ τους σε πολύπλοκες δομές.
Πέρα από τα χρωμοσώματα, ο πυρήνας περιέχει και άλλες δομές και συστατικά. Ο πυρήνας του κυττάρου περιέχει επίσης το πυρηνόπλασμα και τον πυρήνα.
Το πυρηνόπλασμα είναι παρόμοιο με το κυτταρόπλασμα μέσα στο κύτταρο, μια ουσία που μοιάζει με ζελέ που αποτελείται κυρίως από νερό, οργανικά μόρια, ένζυμα και διαλυμένα άλατα. Το νουκλεόπλασμα μερικές φορές αναφέρεται ως καρυόπλασμα. Τα χρωμοσώματα και ο πυρήνας καλύπτονται από το νουκλεόπλασμα και το πυρηνόπλασμα βοηθά στην προστασία και την προστασία αυτών των δομών. Το πυρηνόπλασμα βοηθά επίσης τον πυρήνα να διατηρήσει το σχήμα του, όπως ακριβώς κάνουν το κυτταρόπλασμα και ο κυτταροσκελετός για το υπόλοιπο κύτταρο. Το νουκλεόπλασμα βοηθά επίσης τα νουκλεοτίδια και τα ένζυμα να μεταφερθούν γύρω από τον πυρήνα και μέσω των πόρων του πυρήνα.
Μέσα στον πυρήνα υπάρχει ένα μικρότερο οργανίδιο που αναφέρεται ως πυρήνας. Ο πυρήνας είναι μια μεγάλη δέσμη πρωτεϊνών και RNA, και σε αντίθεση με τον πυρήνα, δεν συνδέεται με τη μεμβράνη. Ο πυρήνας διαθέτει επίσης μέρη χρωμοσωμάτων με γονίδια που ελέγχουν τη σύνθεση των ριβοσωμάτων σε αυτά. Αυτά τα μέρη των χρωμοσωμάτων ονομάζονται πυρηνικοί οργανωτές. Η λειτουργία του πυρήνα είναι να δημιουργεί ριβοσώματα συναρμολογώντας και μεταγράφοντας τις υπομονάδες που θα ενωθούν για να δημιουργήσουν ένα πλήρες ριβόσωμα κατά τη διαδικασία της πρωτεϊνικής σύνθεσης.
Δομή και λειτουργία του χρωμοσώματος
Τα χρωμοσώματα είναι συγκεντρωτικές συλλογές γονιδίων, φτιαγμένες από σφιχτά τυλιγμένα πακέτα χρωματίνης, τα οποία αποτελούνται από πρωτεΐνες και DNA. Όταν τα χρωμοσώματα συνδυάζονται, όταν υπάρχει ένα χρωμόσωμα από τον πατέρα και ένα άλλο χρωμόσωμα από τη μητέρα, αυτά ονομάζονται ομόλογα χρωμοσώματα.
Τα χρωμοσώματα μπορούν είτε να διπλασιαστούν είτε όχι. Κανένα διπλό χρωμόσωμα δεν αποτελείται από ένα κεντρομερές, μια κεντρική δομή που συνδέει τους δύο βραχίονες του χρωμοσώματος μεταξύ τους. Τα μη διπλά χρωμοσώματα είναι μονόκλωνα. Ο μακρύς βραχίονας του μη διπλασιασμένου χρωμοσώματος αναφέρεται ως Q-arm, ενώ ο βραχίονας ονομάζεται P-arm. Στα άκρα των χρωμοσωμάτων υπάρχουν περιοχές που αναφέρονται ως τελομερή, οι οποίες αποτελούνται από μη κωδικοποιητικές αλληλουχίες DNA.
Πριν από τη διαίρεση ενός κυττάρου, τα χρωμοσώματα διπλασιάζονται μέσω της διαδικασίας αντιγραφής του DNA, η οποία επιτρέπει στα δύο θυγατρικά κύτταρα να διατηρήσουν τον σωστό αριθμό χρωμοσωμάτων μετά τη διαίρεση του κυττάρου. Τα διπλά χρωμοσώματα αποτελούνται από δύο χρωμοσώματα πανομοιότυπα μεταξύ τους, ενωμένα στα κεντρομερή και ονομάζονται αδελφές χρωματίδες. Οι αδελφές χρωματίδες θα παραμείνουν συνδεδεμένες μέχρι την τελική φάση της διαδικασίας κυτταρικής διαίρεσης, όταν θα απομακρυνθούν από δομές που ονομάζονται ίνες ατράκτου. Αφού ολοκληρωθεί ο διαχωρισμός των χρωματίδων, τα μεμονωμένα χρωμοσώματα αναφέρονται ως θυγατρικά χρωμοσώματα.
Κυτταρική διαίρεση και χρωμοσώματα
Όταν τα κύτταρα διαιρούνται πρέπει να διατηρείται ο σωστός αριθμός χρωμοσωμάτων. Κατά τη διαδικασία της μίτωσης, την αναπαραγωγή των μη σεξουαλικών κυττάρων, τα χρωμοσώματα πρέπει να κατανεμηθούν μεταξύ δύο μόνο θυγατρικών κυττάρων. Αντίθετα, η μείωση είναι η αναπαραγωγή των σεξουαλικών κυττάρων και αυτά τα χρωμοσώματα πρέπει να κατανεμηθούν σε τέσσερα θυγατρικά κύτταρα.
Κατά τη διάρκεια της κυτταρικής διαίρεσης, τα χρωμοσώματα μετακινούνται γύρω από μια δομή που είναι γνωστή ως η συσκευή της ατράκτου και οι ίνες ατράκτου που τη συνοδεύουν. Η συσκευή της ατράκτου έχει πράγματα γνωστά ως μικροσωληνίσκους και πρωτεΐνες κινητήρα που χρησιμοποιούνται για να απομακρύνουν τα χρωμοσώματα και να τα μετατοπίσουν στις σωστές θέσεις. Ο διαχωρισμός και η οργάνωση των χρωμοσωμάτων πρέπει να γίνεται τέλεια γιατί κάθε κύτταρο που θα δημιουργηθεί από τη διαδικασία διαίρεσης πρέπει να έχει τον σωστό αριθμό χρωμοσωμάτων. Εάν παρουσιαστεί σφάλμα στην κυτταρική διαίρεση, το εν λόγω άτομο μπορεί να έχει μη ισορροπημένο αριθμό χρωμοσωμάτων, είτε πολύ λίγα χρωμοσώματα είτε πάρα πολλά χρωμοσώματα. Ένας ακατάλληλος αριθμός χρωμοσωμάτων έχει συχνά ως αποτέλεσμα αναπτυξιακές αναπηρίες, γενετικές ανωμαλίες και μερικές φορές θάνατο.
Ομοίως, οι μεταλλάξεις στα χρωμοσώματα έχουν συνήθως επιβλαβείς συνέπειες όπως γενετικές ανωμαλίες και αναπτυξιακές αναπηρίες. Αυτό μπορεί να συμβεί ως αποτέλεσμα είτε ακατάλληλης κυτταρικής διαίρεσης, είτε έκθεσης σε ακτινοβολία/μεταλλαξιογόνες χημικές ουσίες. Ο ακατάλληλος διπλασιασμός των πρωτεϊνών μπορεί να οδηγήσει σε δομικές αλλαγές των χρωμοσωμάτων και η συντριπτική πλειοψηφία αυτών των μεταλλάξεων είναι επιβλαβείς. Ο μη φυσιολογικός αριθμός χρωμοσωμάτων συνήθως προκύπτει λόγω της αποτυχίας των ομόλογων χρωμοσωμάτων να διαχωριστούν σωστά κατά τη διάρκεια της κυτταρικής διαίρεσης.
Παραγωγή πρωτεΐνης
Τα χρωμοσώματα και το DNA είναι απαραίτητα για την παραγωγή πρωτεΐνης, μια κρίσιμη κυτταρική διαδικασία. Τα γονίδια που βρίσκονται στο DNA κωδικοποιούν την παραγωγή συγκεκριμένων πρωτεϊνών και κατά τη διαδικασία της πρωτεϊνικής σύνθεσης το DNA ξετυλίγεται (ή αποσυμπιέζεται) και οι πληροφορίες του DNA μεταγράφονται σε ένα άλλο μόριο γνωστό ως RNA. Αυτή η μεταγραφή που μεταφέρεται από το RNA μεταφράζεται στη συνέχεια και μεταφέρεται σε ριβοσώματα όπου οι πληροφορίες χρησιμοποιούνται για την παραγωγή πρωτεϊνών.
Χρωμοσώματα κατά τη διάρκεια των φάσεων της κυτταρικής διαίρεσης
Η κίνηση των χρωμοσωμάτων αντιμετωπίζεται ελαφρώς διαφορετικά κατά τη διάρκεια της μίτωσης και της μείωσης, αν και υπάρχουν πολλές ομοιότητες μεταξύ των δύο διεργασιών.
Κατά τη διαδικασία της μίτωσης, τα χρωμοσώματα αντιγράφονται για να δημιουργηθούν αδελφές χρωματίδες κατά τη διάρκεια της Μεσοφάσης. Εν τω μεταξύ, στο Prophase, τα χρωμοσώματα αρχίζουν να συμπυκνώνονται. Η διαδικασία της συμπύκνωσης των χρωμοσωμάτων καθιστά τα χρωμοσώματα ευκολότερο να διαχωριστούν αργότερα κατά τη διάρκεια της πραγματικής διαδικασίας κυτταρικής διαίρεσης ή κυτταροκίνησης. Κατά τη διάρκεια της όψιμης Πρόφασης, που μερικές φορές αναφέρεται ως Προ-μεταφάση, η μιτωτική άτρακτος εκτείνεται και συλλαμβάνει τα χρωμοσώματα μέσα σε αυτήν. Οι μικροσωληνίσκοι της μιτωτικής ατράκτου συντήκονται με τα χρωμοσώματα σε μια περιοχή που αναφέρεται ως κινετοχώρη, ένα κομμάτι πρωτεΐνης που βρίσκεται στα κεντρομερή των χρωματιδών.
Στη μετάφαση, τα χρωμοσώματα ελίσσονται από τη μιτωτική άτρακτο μέχρι τη μέση του κυττάρου, ευθυγραμμισμένα σε μια περιοχή που αναφέρεται ως πλάκα μετάφασης. Οι μικροσωληνίσκοι από τους αντίθετους πόλους του κυττάρου συνδέονται ο καθένας με δύο κινετοχόρες κάθε χρωμοσώματος, προετοιμάζονται να τα χωρίσουν στην επόμενη φάση. Κατά τη διάρκεια της ανάφασης, συμβαίνει ο πραγματικός διαχωρισμός των χρωμοσωμάτων και οι αδελφές χρωματίδες απομακρύνονται, σύρονται προς τα αντίθετα άκρα του κυττάρου από τη μιτωτική άτρακτο. Αυτή η διαδικασία διασφαλίζει ότι τα χρωμοσώματα βρίσκονται στη σωστή τους θέση όταν εμφανίζεται η τελοφάση και το κύτταρο διαιρείται σε δύο, με κάθε νέο κύτταρο να έχει τον σωστό αριθμό χρωμοσωμάτων. Μετά τη διαίρεση, τα χρωμοσώματα θα αποσυμπυκνωθούν και θα επιστρέψουν στην κανονική τους μορφή που μοιάζει με χορδή.
Η μείωση, η διαδικασία της κυτταρικής διαίρεσης που παράγει σεξουαλικά κύτταρα, δημιουργεί τέσσερα θυγατρικά κύτταρα αντί για δύο θυγατρικά κύτταρα. Αυτό σημαίνει ότι ο αριθμός των χρωμοσωμάτων θα είναι ο μισός από τον αριθμό των χρωμοσωμάτων στο γονικό κύτταρο, σε αντίθεση με τη μίτωση όπου ο αριθμός των χρωμοσωμάτων στα θυγατρικά κύτταρα παραμένει ο ίδιος με το γονικό κύτταρο. Αυτά τα θυγατρικά κύτταρα με τον μισό αριθμό χρωμοσωμάτων αναφέρονται ως απλοειδή κύτταρα.
Κατά τη διάρκεια της μείωσης, μια διαδικασία γενετικού ανασυνδυασμού, ή τυχαίας εναλλαγής, εμφανίζεται στα χρωμοσώματα. Αυτό συμβαίνει κατά την Πρόφαση ένα της μείωσης και αναφέρεται ως διασταύρωση. Τυχαία κομμάτια ενός χρωμοσώματος ανταλλάσσονται με τις ισοδύναμες περιοχές ενός άλλου χρωμοσώματος, δημιουργώντας έναν νέο μοναδικό συνδυασμό DNA. Μια άλλη διαφορά μεταξύ της μίτωσης και της μείωσης είναι ότι ενώ στη Μετάφαση της μίτωσης τα μεμονωμένα χρωμοσώματα παρατάσσονται στην πλάκα της μετάφασης, ζεύγη χρωμοσωμάτων παρατάσσονται στην πλάκα μετάφασης στη Μεταφάση μία της μείωσης. Τέλος, η μείωση έχει στην πραγματικότητα δύο γύρους κυτταρικής διαίρεσης σε σύγκριση με τον ένα γύρο της όρασης και της μίτωσης. Στην Ανάφαση μείωσης ένα, οι αδελφές χρωματίδες μετακινούνται στον ίδιο πόλο, ενώ στην Ανάφαση μείωσης δύο οι χρωματίδες έλκονται σε αντίθετους πόλους.
