Биология клетки. Основы общей и медицинской генетики

Энергия, образовавшаяся при клеточном дыхании, частично превращается в тепло, которое обеспечивает постоянную температуру тела, а часть ее переходит в химические связи синтезируемого аденозинтрифосфата (АТФ). АТФ является макроэргическим, т.е. богатым энергией соединением и выполняет в клетке роль аккумулятора.

Центральным органоидом, который обеспечивает окислительно-восстановительные процессы, являются митохондрии.

Митохондрии

Митохондрии - это структуры палочковидной или овальной формы (греч. mitos - нить, chondros - гранула). Они обнаружены во всех животных клетках (исключая зрелые эритроциты): у высших растений, у водорослей и простейших. Отсутствуют они только у прокариот бактерий.

Эти органеллы впервые были обнаружены и описаны в конце прошлого столетия Альтманом. Несколько позже эти структуры были названы митохондриями. В 1948 г. Хогебум указал на значение митохондрий как центра клеточного дыхания, а в 1949 г. Кеннеди и Ленинджер установили, что в митохондриях протекает цикл окислительного фосфорилирования. Так было доказано, что митохондрии служат местом генерирования энергии.

Митохондрии видны в обычном световом микроскопе при специальных методах окраски. В фазово - контрастном микроскопе и в «темном поле» их можно наблюдать в живых клетках.

Строение, размеры, форма митохондрий очень вариабельны. Это зависит в первую очередь от функционального состояния клеток. Например, установлено, что в мотонейронах мух, летающих непрерывно 2 часа, проявляется огромное количество шаровидных митохондрий, а у мух со склеенными крыльями число митохондрий значительно меньше и они имеют палочковидную форму (Л. Б. Левинсон). По форме они могут быть нитевидными, палочковидными, округлыми и гантелеобразными даже в пределах одной клетки.

Митохондрии локализованы в клетке, как правило, либо в тех участках, где расходуется энергия, либо около скоплений субстрата (например, липидных капель), если таковые имеются.

Строгая ориентация митохондрий обнаруживается вдоль жгутиков сперматозоидов, в поперечно-полосатой мышечной ткани, где они располагаются вдоль миофибрилл, в эпителии почечных канальцев локализуются во впячиваниях базальной мембраны и т.д.

Количество митохондрий в клетках имеет органные особенности, например, в клетках печени крыс содержится от 100 до 2500 митохондрий, а в клетках собирательных канальцев почки - 300, в сперматозоидах различных видов животных от 20 до 72, у гигантской амебы Chaos chaos их число достигает 500 000. Размеры митохондрий колеблются от 1 до 10 мкм.

Ультрамикроскопическое строение митохондрий однотипно, независимо от их формы и размера. Они покрыты двумя липопротеидными мембранами: наружной и внутренней. Между ними располагается межмембранное пространство.

Впячивания внутренней мембраны, которые вдаются в тело митохондрий, называются кристами. Расположение крист в митохондриях может быть поперечным и продольным. По форме кристы могут быть простыми и разветвленными. Иногда они образует сложную сеть. В некоторых клетках, например, в клетках клубочковой зоны надпочечника кристы имеют вид трубочек. Количество крист прямо пропорционально интенсивности окислительных процессов, протекающих в митохондриях. Например, в митохондриях кардиомиоцитов их в несколько раз больше, чем в митохондриях гепацитов. Пространство, ограниченное внутренней мембраной, составляет внутреннюю камеру митохондрий. В нем между кристами находится митохондриальный матрикс -- относительно электронно плотное вещество.

Белки внутренней мембраны синтезируются миторибосомами, а белки внешней мембраны - циторибосомами.

'Наружная мембрана митохондрий по многим показателям сходна с мембранами ЭПС. Она бедна окислительными ферментами. Немного их и в мембранном пространстве. Зато внутренняя мембрана и митохондриальный матрикс буквально насыщены ими. Так, в матриксе митохондрий сосредоточены ферменты цикла Кребса и окисления жирных кислот. Во внутренней мембране локализована цепь переноса электронов, ферменты фосфорилирования (образования АТФ из АДФ), многочисленные транспортные системы.

Кроме белка и липидов, в состав мембран митохондрий входит РНК, ДНК, последняя обладает генетической специфичностью, и по своим физико-химическим свойствам отличается от ядерной ДНК.

При электронно-микроскопических исследованиях обнаружено, что поверхность наружной мембраны покрыта мелкими шаровидными элементарными частицами. Внутренняя мембрана и кристы содержат подобные элементарные частицы на «ножках», так называемые грибовидные тельца. Они -состоят из трех частей: головки сферической формы (диаметр 90-100 А°), ножки цилиндрической формы, длиной 5 нм и шириной 3-4 нм, основания, имеющего размеры 4 на 11 нм. Головки грибовидных телец связаны с фосфорилированием, затем обнаружено, что головки содержат фермент, обладающий АТФ-идной активностью.

В межмембранном пространстве находится вещество, обладающее более низкой электронной плотностью, чем матрикс. Оно обеспечивает сообщение между мембранами и поставляет для ферментов, находящихся в обеих мембранах, вспомогательные катализаторы-коферменты.

В настоящее время известно, что наружная мембрана митохондрий хорошо проницаема для веществ, имеющих низкий молекулярный вес, в частности, белковых соединений. Внутренняя мембрана митохондрий обладает избирательной проницаемостью. Она практически непроницаема для анионов (Cl^-1, Br^-1, SO₄^-2, HCO₃^-1, катионов Sn⁺², Mg⁺², ряда cахаров и большинства аминокислот, тогда как Са²⁺, Мп²⁺, фосфат, многокарбоновые кислоты легко проникают через нее. Имеются данные о наличии во внутренней мембране нескольких переносчиков, специфических к отдельным группам проникающих анионов и катионов. Активный транспорт веществ через мембраны осуществляется благодаря использованию энергии АТФ-азной системы или электрического потенциала, генерируемого на мембране в результате работы дыхательной цепи. Даже АТФ, синтезированная в митохондриях, может выйти с помощью переносчика (сопряженный транспорт).

Матрикс митохондрий представлен мелкозернистым электронно-плотным веществом. В нем располагаются миторибосомы, фибриллярные структуры, состоящие из молекул ДНК и гранул, имеющих диаметр более 200А^? образованные солями: Ca₃(PO₄)_, Ba₃(PO₄)₂, Mg₃(PO₄)_. Полагают, что гранулы служат резервуаром ионов Са⁺² и Мg⁺². Их количество увеличивается при изменении проницаемости митохондриальных мембран.

Присутствие в митохондриях ДНК обеспечивает участие митохондрий в синтезе РНК и специфических белков, а также указывает на существование цитоплазматической наследственности. Каждая митохондрия содержит в зависимости от размера одну или несколько молекул ДНК (от 2 до 10). Молекулярный вес митохондриальной ДНК около (30-40)*10⁶ у простейших, дрожжей, грибов. У высших животных около (9-10) *10^6.

Длина ее у дрожжей примерно равна 5 мкм, у растений - 30 мкм. Объем генетической информации, заключенный в митохондриальной ДНК, невелик: он состоит из 15-75 тыс. пар оснований, которые могут кодировать в среднем 25-125 белковых цепей с молекулярным весом около 40000.

Митохондриальная ДНК отличается от ядерной ДНК рядом особенностей: более высокой скоростью синтеза (в 5-7 раз), она более устойчива к действию ДНК-азы, представляет собой двухкольцевую молекулу, содержит больше гуанина и цитозина, денатурируется при более высокой температуре и легче восстанавливается. Однако не все митохондриальные белки синтезируются митохондриальной системой. Так, синтез цитохрома С и других ферментов обеспечивается информацией, содержащейся в ядре. В матриксе митохондрий локализованы, витамины А, В₂, В₁₂, К, Е, а также гликоген.

Функция митохондрий заключается в образовании энергии, необходимой для жизнедеятельности клеток. Источником энергии в клетке могут служить различные соединения: белки, жиры, углеводы. Однако единственным субстратом, который немедленно включается в энергетические процессы, является глюкоза.

Биологические процессы, в результате которых в митохондриях образуется энергия, можно подразделить на 3 группы: I группа - окислительные реакции, включающие две фазы: анаэробную (гликолиз) и аэробную. II группа - дефосфорилирование, расщепление АТФ и высвобождение энергии. III группа - фосфорилирование, сопряженное с процессом окисления.

Процесс окисления глюкозы вначале происходит без участия кислорода (анаэробным или гликолитическим путем) до пировиноградной или молочной кислоты.

Однако при этом энергии выделяется лишь небольшое количество. В дальнейшем эти кислоты вовлекаются в процессы окисления, которые протекают с участием кислорода, т. е. являются аэробными. В результате процесса окисления пировиноградной и молочной кислоты, названной циклом Кребса, образуется углекислый газ, вода и большое количество энергии.

Образующаяся энергия не выделяется в виде тепла, что привело бы к перегреванию клеток и гибели всего организма, а аккумулируется в удобной для хранения и транспорта форме в виде аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Синтез АТФ происходит из АДФ и фосфорной кислоты и вследствие этого называется фосфорилированием.

В здоровых клетках фосфорилирование сопряжено с окислением. При заболеваниях сопряженность может разобщаться, поэтому субстрат окисляется, а фосфорилирование не происходит, и окисление переходит в тепло, а содержание АТФ в клетках снижается. В результате повышается температура и падает функциональная активность клеток.

Итак, основная функция митохондрий заключается в выработке практически всей энергии клетки и происходит синтез компонентов, необходимых для деятельности самого органоида, ферментов «дыхательного ансамбля», фосфолипидов и белков.

Еще одной стороной деятельности митохондрий является их участие в специфических синтезах, например, в синтезе стероидных гормонов и отдельных липидов. В ооцитах разных животных образуются скопления желтка в митохондриях, при этом они утрачивают свою основную систему. Отработавшие митохондрии могут накапливать также продукты экскреции.

В некоторых случаях (печень, почки) митохондрии способны аккумулировать вредные вещества и яды, попадающие в клетку, изолируя их от основной цитоплазмы и частично блокируя вредное действие этих веществ. Таким образом, митохондрии способны брать на себя функции других органоидов клетки, когда это требуется для полноценного обеспечения того или иного процесса в норме или в экстремальных условиях.

Биогенез митохондрий. Митохондрии представляют собой обновляющиеся структуры с довольно кратким жизненным циклом (в клетках печени крысы, например, период полужизни митохондрий охватывает около 10 дней). Митохондрии образуются в результате роста и деления предшествующих митохондрий. Деление их может происходить тремя способами: перетяжкой, отпочковыванием небольших участков и возникновением дочерних митохондрий внутри материнской. Делению (репродукции) митохондрий предшествует репродукция собственной генетической системы - митохондриальной ДНК.

Итак, согласно взглядам большинства исследователей, образование митохондрий происходит преимущественно путем саморепродукции их de novo.

4. Органоиды, участвующие в делении и движении клеток

К ним относятся клеточный центр и его производные - реснички и жгутики.

Клеточный центр

Клеточный центр имеется в животных клетках и у некоторых низших растений. Со времени классических работ конца XIX и начала XX века (ван Бенеден, Бовери, Гейденгайн, Вильсон и др.) было известно, что этот органоид представлен одной или двумя небольшими гранулами, получившими название центриолей. Такой вид клеточный центр имеет обычно в интерфазе, тогда как во время митоза строение его усложняется. В этот период он входит в состав сложной структуры, которая занимает значительную часть объема клетки и носит название митотического аппарата. В большинстве клеток центриоли видеть не удается, так как их размеры лежат на грани разрешающей способности обычного микроскопа.

Расположение центриолей постоянно для каждого типа клеток, как правило, они занимают геометрический центр клетки. Однако часто центриоли оттесняются из центра ядром к апикальной части клетки.

Строение центриолей. Центриоли окружены светлой зоной - центросферой, от которой отходит лучистость, образующая звезду или астросферу. Между центриолями находится удлиненное тельце, или мостик - центродесмоза, которая во время митотического деления участвует в построении ахроматинового веретена. С помощью электронного микроскопа установлено, что каждая центриоль имеет вид цилиндра длиной до 2 мкм. Внутренняя eе часть обладает небольшой плотностью в отличие от стенки, которая имеет высокую электронную плотность и постоянно содержит 9 групп микротрубочек (диаметром 15-20 нм), расположенных по длине центриоли. Каждая группа имеет от 1 до 3 микротрубочек (Э. де Робертис, В. Новинский, Ф. Саэс, 1973).

В случае, когда клеточный центр содержит две центриоли, то они расположены перпендикулярно друг другу. Помимо центриолей, в клеточном центре описаны перицентриольные компоненты. К ним относятся: сателлиты - плотные сферические образования (диаметром 70 нм), иногда прикрепленные к стенкам цилиндров, а также структуры, которые можно рассматривать как дочерние центриоли, ответвляющиеся под прямым углом от материнской центриоли. По-видимому, они представляют собой не постоянные, а временные образования, связанные с фазами активности центриолей.

Функции клеточного центра разнообразны. Прежде всего, клеточный центр играет важную роль при митотическом делении клеток. Во время митоза центриоли удваиваются (очевидно, путем ответвления дочерних центриолей) и вместе с окружающими их астросферами расходятся к полюсам клетки, участвуя в построении митотического аппарата. С помощью этого аппарата осуществляется равномерное распределение хромосом между дочерними клетками.

Поэтому, если под влиянием тех или иных причин (температура, химические и физические факторы) нарушается процесс удвоения и расхождения центриолей, то наступает патология митоза типа много полюсного, моноцентрического или асимметрического.

Роль клеточного центра не исчерпывается участием в митозе. Он имеет прямое отношение к движению ресничек многих клеток. В настоящее время подтверждена высказанная еще в конце прошлого века гипотеза об идентичности строения центриолей и базальных телец, лежащих в основании мерцательных ресничек и. жгутиков.

7.3. Демонстрация преподавателем методики практических приемов по данной теме.

Преподаватель знакомит студентов с планом и методикой проведения практической работы.

7.4. Самостоятельная работа студентов под контролем преподавателя.

Практическая работа №1

1. Микроскопический анализ постоянного препарата «Комплекс Гольджи в клетках спинального ганглия»

На препарате нервные клетки имеют округлую форму, ядра в клетках большие светлые пузыревидные с хорошо различимыми желтоватыми ядрышками. В цитоплазме клеток рассмотреть пластинчатый комплекс в виде темно-коричневых и черных зернышек или нитей. Комплекс Гольджи, располагается ближе к ядру или разбросан по всей цитоплазме.

2. Микроскопический анализ постоянного препарата «Клеточный центр в делящихся клетках лошадиной аскариды»

Рассмотреть микропрепарат под иммерсионным объективом. На препарате срез матки аскариды, заполненный большим количеством оплодотворенных яйцеклеток, приступивших к первому дроблению. Они находится на разных стадиях развития, поэтому на одном препарате можно видеть все стадии митоза.

Яйцеклетки окружены оболочкой, ядерная оболочка растворена. В цитоплазме в стадию метафазы митоза по экватору обнаруживаются хромосомы в виде темноокрашенных изогнутых нитей. К центромерам хромосом прикрепляются тянущиеся нити ахроматинового веретена, которые сходятся у полюсов, веретено имеет ромбовидную форму. На полюсах клетки располагаются центриоли, окруженные лучистой зоной -астросферой.

3. Микроскопический анализ постоянного препарата «Митохондрии в клетках печени»

Препарат рассматривается с иммерсионным объективом. На препарате клетки печени имеют неправильную овальную форму, ядра окрашены в темно-красный цвет. Митохондрии имеют вид палочек, зерен и нитей, окрашенных фуксином в красный цвет. Помимо митохондрий в цитоплазме видны черные зерна различной величины. Это жировые включения.

С использованием электронных микрофотографий ознакомиться с субмикроскопической структурой митохондрий. Каждая митохондрия имеет овальную форму и окружена двуслойной оболочкой, состоящей из наружной и внутренней мембран. Внутренняя мембрана образует многочисленные выступы - кристы, которые вдаются во внутреннюю полость митохондрий.

4. Микроскопический анализ постоянного препарата «Лизосомы»

Рассмотреть и изучить препарат - кислая фосфатаза в клетках мазка крови. При малом увеличении в препарате рассмотреть и расположить в центре поля лейкоциты с сегментированным ядром. При большом увеличении в цитоплазме, этих клеток обнаруживаются продукты взаимодействия кислой фосфатазы, содержащейся в гранулах лейкоцитов, с извне введенным специфическим субстратом (глицерофосфат) в виде гранул розового цвета. Кислая фосфатаза содержится в лизосомах и является их маркером. Она обнаруживается во всех фагоцитирующих клетках. Рассмотреть схему лизосом на таблице.

Практическая работа №2

Работа с электронными микрофотографиями:

1. Рибосомы

Выявляются при помощи электронной микроскопии в клетках всех организмов про- и эукариотов, их размер 8-35 нм, они прилегают к внешней мембране эндоплазматической сети. На рибосомах осуществляется синтез белка, т. е. на них происходит конденсации аминокислот и укладка их в определенном порядке. Причем синтез происходит не на изолированных рибосомах, а на их комплексах - полирибосомах.

На электронных микрофотографиях показаны полирибосомы вируса полиомиелита, самые крупные из всех виденных под электронным микроскопом. Они состоят, по меньшей мере, из 50 отдельных рибосом (увеличение в 115 тыс. раз).

2. Гранулярная эндоплазматическая сеть

Рассмотреть субмикроскопическое строение шероховатой эндоплазматической сети на электронной микрофотографии. Выявляются три участка ацинарных клеток поджелудочной железы голодающей летучей мыши. До кормления животного (фото 31 (А)) мембраны располагаются параллельно границам клеток. Плотные гранулы на их поверхности - рибосомы. На фото 31 (Б) видно, что мембраны тех же клеток после кормления животного перестроены в концентрические слои.

Таким образом, шероховатая эндоплазматическая сеть обладает большой лабильностью, и в зависимости от ее функционального состояния происходит перестройка мембран.

На электронной микрофотографии эндоплазматическая сеть представлена системой канальцев, стенки которых образованы элементарной мембраной. Отдельные участки сети состоят из крупных цистерн.

3. Цитоплазматические микротрубочки

Цитоплазматические трубочки обнаружены в клетках всех животных и растительных организмов. Это цилиндрические, нитевидные образования длиной 20-30 мкм, диаметром 15-20 нм. Мембрана микротрубочек трехслойная, толщиной 5 нм. Цитоплазматические микротрубочки выполняют опорную функцию, они связаны с нитями митотического веретена, по микротрубочкам осуществляется внутриклеточный транспорт веществ.

На электронной микрофотографии представлены микротрубочки (указаны стрелками) фибробластов склеры молодой крысы (увеличение в 44 тыс. раз) и микротрубочки цитоплазмы палочек сетчатки молодой крысы (продольный срез, увеличение в 65 тыс. раз).

Практическое занятие № 4

1. Тема:

Структура и функции клеточного ядра. Уровни укладки хромосом. Кариотип человека. Клеточный цикл. Способы репродукции клеток (митоз, амитоз, эндомитоз, эндоредупликация).

2. Учебные цели:

Знать:

- строение и функции клеточного ядра,

- уровни укладки ДНК в составе хроматина и хромосом;

- периодизацию клеточного цикла;

- периодизацию митоза;

- другие способы репродукции соматических клеток.

Уметь:

- анализировать закономерности преобразования и формулу хромосом в разные периоды клеточного цикла и митоза.

Владеть:

- техникой микроскопирования при малом и большом увеличениях микроскопа.

3. Вопросы для самоподготовки к освоению данной темы:

1. Строение и функция интерфазного ядра.

2. Структура интерфазного ядра: поверхостный аппарат ядра (оболочка ядра, поровый комплекс), кариоплазма, хроматин, ядрышки.

3. Структура хроматина: химический состав и функция.

4. Уровни укладки хромосом (1 - нуклеосомный, 2 - нуклеомерный (элементарная хромосомная фибрилла), 3 - петлевой (хромомерный), 4 - хромонемный (хромосомный).

5. Строение метафазных хромосом: плечи, центромера (I перетяжка), кинетохор, II перетяжка (ядрышкообразующие районы), спутники.

6. Морфология хромосом по размеру и по положению центромеры (метацентрические, субметацентрические, акроцентрические, телоцентрические).

7. Эухроматиновые и гетерохроматиновые районы хромосом.

8. Конститутивный и факультативный гетерохроматин.

9. Кариотип человека (аутосомы, половые хромосомы).

10. Клеточный цикл и его периодизация.

11. Период G₀ (рост, жизнедеятельность, дифференциация, специализация). Особенности строения и функции хромосом в период G₀.

12. Репликация ДНК в S-период.

13. Митоз и его периодизация. Особенности строения и функции хромосом, формула кариотипа в профазу, метафазу, анафазу и телофазу митоза.

14. Биологическое значение митоза. Частота митозов в разных тканях человека.

15. Регуляция митотической активности в тканях. Генетический контроль митоза.

16. Способы репродукции клеток (митоз, амитоз, эндомитоз, эндоредупликация).

4. Вид занятия: практическое.

5. Продолжительность занятия - 2 часа.

6. Оснащение. Микроскопы, иммерсионные объективы, постоянные микропрепараты, фотографии, слайды. Таблицы: №15 «Строение ядра», №16 «Строение хромосом», №17 «Схема жизненного цикла», №18 «Деление клетки. Митоз», №19 «Схема митоза», №20 «Амитоз. Эндомитоз», №21 «Строение нуклеосомы (модель структуры хроматина)», №22 «Кариотип человека».

7. Содержания занятия:

7.1. Разбор с преподавателем узловых вопросов, необходимых для освоения темы занятия.

Митотическая активность в тканях и клетках

В настоящее время изучены митотические циклы и режим митотической активности многих тканей животных и растений. Оказалось, что каждой ткани присущ определенный уровень митотической актив-ности. О митотической активности обычно судят на основании вы-числения митотического индекса, под которым понимают отношение числа митозов к общему числу клеток ткани.

Высокий уровень митотической активности наблюдается в таких тканях, как слизистая тонкого кишечника, роговица, костный мозг. Клеточное обновление в них происходит очень быстро.

Надпочечник, щитовидная железа, печень, поджелудочная железа обладают низким уровнем митотической активности. Существуют и так называемые "вечные" ткани (нервная система), в которых клеточного деления не происходит.

На режим митотического деления оказывают влияние различные факторы: возраст организма, режим питания, содержание витаминов, состояние нервной и эндокринной системы, фотопериодизм, двигатель-ные процессы, изменения биохимических процессов и др.

Изменение митотической активности в большинстве органов и тканей носит чётко выраженный ритмический характер. Например, суточная периодичность деления клеток широко распространена среди различных представителей растительного и животного мира.

В настоящее время отчетливый суточный ритм митозов описан у многих растений, простейших, низших и высших позвоночных животных. Почти во всех органах, в которых происходит размножение клеток, обнаружены изменения числа клеточных делений в течение суток.

При сопоставлении результатов различных исследований обра-щает внимание различие суточных ритмов митозов у дневных и ноч-ных животных. У мышей и крыс, ведущих ночной образ жизни, максимум митотической активности отмечается в утренние часы, а минимум - в ночные. У дневных животных и у человека, наоборот, высокие пока-затели митотической активности обнаружены в ночное время, а низ-кие - утром.

Время обнаружения максимальной и минимальной митотической активности в разных тканях различно. В одних тканях суточный ритм выражается одновершинной кривой, в других - двувершинной.

Характер суточного ритма митозов различен также в субпопуля-циях клеток одной и той же ткани.

Кроме того, показано, что интенсивность размножения клеток закономерно изменяется не только в течение суток, но и по сезонам года, а также в разные периоды онтогенеза.

При изучении закономерностей размножения клеток особое вни-мание исследователей привлекают вопросы нейрогуморального вли-яния.

Важная роль в регуляции митотического цикла принадлежит сис-теме гормонов. Известна роль адреналина в снижении митотической активности. Кортизон стимулирует процессы клеточного дифференци-рования, подавляя одновременно их способность к делению. Неболь-шое количество гормона щитовидной железы (тиреоидина) увеличи-вает число делящихся клеток, а в больших дозах угнетает митоз.

7.2. Демонстрация преподавателем методики практических приемов по данной теме.

Преподаватель знакомит студентов с планом и методикой проведения практической работы.

7.3. Самостоятельная работа студентов под контролем преподавателя.

Практическая работа

1. Митоз (непрямое деление) в клетках корешка лука

При малом увеличении микроскопа найти зону размножения кончика лука, поставить в центр поля зрения участок с хорошо заметными активно делящимися клетками. Затем настроить препарат на большое увеличение. Осторожно передвигая препарат, рассмотреть различные стадии митоза и сравнить с неделящимися - интерфазными клетками.

Стадии митоза:

Профаза - в кариоплазме наблюдается клубок, составленный из тонких нитей (хромосом);

Метафаза - хромосомы лежат в экваториальной плоскости, образуя материнскую звезду;

Анафаза - в клетке видны две звезды, так как сестринские хромосомы перемещаются к полюсам. Хромосомы имеют вид шпильки: центромеры направлены к полюсам, а плечи расходятся под углом друг к другу.

Телофаза - у противоположных полюсов клетки видны рыхлые клубки из частично деспирализованных хромосом. В центре клеток начинает формироваться перегородка, которая постепенно делит материнскую клетку на две дочерние.

2. Амитоз (прямое деление) в клетках печени мыши

Рассмотреть клетки печени мыши при большом увеличении микроскопа. На препарате клетки имеют многогранную форму. В неделящихся клетках ядро округлое с ядрышком. В делящихся клетках, приступивших к делению, ядро вытягивается, становится овальным, в центре его появляется перетяжка. К концу деления ядро полностью разделяется на два. Но деление клетки несколько задерживается, и на препарате видны клетки, содержащие по 2 рядом лежащих ядра. Затем ядра отходят друг от друга, и клетки делятся пополам.

Практическое занятие №5

(Итоговый контроль по освоению учебного модуля 1. Биология клетки.

4. Вид занятия: итоговое.

5. Продолжительность занятия - 2 часа

Учебный модуль 2. основы общей и медицинской генетики

Практическое занятие №6

1. Тема:

Структура и функции ДНК и РНК. Строение генов и регуляция экспрессии генов про- и эукариот. Этапы биосинтеза белка.

2. Учебные цели:

Знать:

- химический состав и особенности организации нуклеиновых кислот;

- различия между ДНК и РНК;

- основные функции ДНК;

- основные функции РНК;

- особенности организации генов у про- и эукариот;

- свойства генетического кода;

- основные закономерности биосинтеза белка и особенности

транскрипции и трансляции у про- и эукариот;

- регуляцию экспрессии генов на примере прокариот.

Уметь:

- определять последовательность аминокислот в белке по таблице

генетического кода;

Владеть:

- методикой решения задач с использованием генетического кода

3. Вопросы для самоподготовки к освоению данной темы:

1. Строение нуклеиновых кислот.

2. Химический состав и строение ДНК (I, II и III структура). Пространственная модель ДНК Уотсона-Крика.

3. Отличия ДНК от РНК.

4. Генетический код - способ хранения наследственной информации.

5. Свойства генетического кода.

6. Структура и функции разных видов РНК (рибосомная - рРНК, транспортная - тРНК, информационная - иРНК).

7. Строение генов прокариот.

8. Строение генов эукариот. Экзон-интронная организация генов эукариот.

9. Классификация генов: структурные и функциональные (регуляторы и модификаторы: индукторы, супрессоры).

10. Центральная догма молекулярной биологии. Основные этапы биосинтеза белка.

11. Экспрессия генов прокариот. Транскрипция (инициация, элонгация, терминация).

12. Особенности и основные отличия экспрессии генов прокариот и эукариот. Этапы созревания (процессинг) иРНК: 1- сплайсинг, 2 - модификация).

13. Трансляция (инициация, элонгация, терминация).

14. Посттрансляционная модификация белка.

15. Понятие о дифференциальной экспрессии генов. Активные и репрессированные гены.

16. Особенности биосинтеза белка в прокариотических и эукариотических клетках.

4. Вид занятия: практическое.

5. Продолжительность занятия - 2 часа

6. Оснащение. Таблицы: №49 «Генетический код», №50 «Биохимический код наследственности» №51 «Биосинтез белка», №52 «Белки», №53 «Регуляция синтеза белка (оперон)», №54 «Передача генетической информации», №55 «Строение ДНК», №56 «Передача генетической информации с ДНК НА РНК», №57 «Редупликация молекулы ДНК, синтез и-РНК», №58 «Перенос генетической информации в биологических системах», №59 «Репарация ДНК», №60 «Схема строения оперона у эукариот», №61 «Схема регуляции транскрипции структурных генов прокариотической клетки по типу индукции (оперон), по типу репрессии. Схема регуляции транскрипции у эукариот»; микроскопы; постоянный микропрепарат.

7. Содержания занятия:

7.1. Контроль исходного уровня знаний и умений.

7.2. Разбор с преподавателем узловых вопросов, необходимых для освоения темы занятия.

7.3. Демонстрация преподавателем методики практических приемов по данной теме.

Преподаватель знакомит студентов c методикой решения задач.

7.4. Самостоятельная работа студентов под контролем преподавателя.

Практическая работа

Локализация ДНК и РНК в эукариотической клетке

Просмотр при малом и большом увеличении микроскопа постоянного микропрепарата №1.

Решение задач

см. Сборник задач по биологии и медицинской генетике, 2004.

Раздел 1 - молекулярная генетика.

1. Строение ДНК (Стр. 7-9, №№ 17-19).

2. Биосинтез белка (Стр. 7-9, №№ 2, 5, 10, 14, 15, 16).

8.Задание для самостоятельной работы студентов

См. Сборник задач по биологии и медицинской генетике, 2004

Раздел 1 - молекулярная генетика.

Стр. 7-9, №№ 20-23, 6-8, 11-13.

Практическое занятие №7

1. Тема:

Закономерности наследования признаков при моногибридном скрещивании (I и II законы Г.Менделя). Виды межаллельных взаимодействий. Множественные аллели и закономерности их наследования.

2. Учебные цели:

Знать:

- закономерности моногибридного скрещивания;

- I и II законы Менделя;

- виды взаимодействия аллельных генов;

- множественные аллели.

Уметь:

- определять генотипы и фенотипы детей по генотипам родителей;

- определять генотипы родителей по фенотипам детей;

- решать задачи на моногибридное скрещивание;

- решать задачи на взаимодействие аллельных генов;

- определять вероятные группы крови по системе АВО у родителей и детей.

Владеть:

- основными терминами генетики;

- методикой решения типовых и ситуационных задач на моногибридное скрещивание;

- методикой прогнозирования вероятности проявления у детей признаков и наследственных заболеваний в семьях супружеских пар, отягощенных моногенной наследственной патологией.

1. Вопросы для самоподготовки к освоению данной темы:

1. Введение в науку генетику. Значимость генетики для медицины.

2. Основные понятия и определения: наследственность, изменчивость, ген, локус, аллель, аллельные гены, альтернативные аллели, доминантный аллель, рецессивный аллель, геном, генотип (гомозиготный, гетерозиготный, гемизиготный), фенотип, признак, гибридологический метод, гибрид, «чистые» линии, моногибридное (дигибридное, полигибридное) скрещивание.

3. 1 закон Менделя - закон единообразия или правило доминирования.

4. 2 закон Менделя - закон расщепления гибридов второго поколения.

5. Правило «чистоты» гамет.

6. Анализирующее скрещивание.

7. Менделирующие признаки у человека.

8. Причины отклонения от законов Менделя. Летальные гены.

9. Виды взаимодействия аллельных генов.

10. Полное доминирование (фенилкетонурия).

11. Неполное доминирование (серповидно-клеточная анемия).

12. Сверхдоминирование (гетерозис).

13. Кодоминирование (IV группа крови по системе АВО у человека как пример кодоминирования).

14. Множественные аллели. Особенности наследования групп крови по системе АВО у человека.

15. Аллельное исключение.

4. Вид занятия: практическое.

5. Продолжительность занятия - 2 часа.

6. Оснащение таблицы (№№32, 33, 34, 36, 35, 38): Моногибридное скрещивание, Множественные аллели, Анализирующее скрещивание, Доминирование; Окраска цветов львиного зева. Сборник задач по биологии и медицинской генетике; обучающая компьютерная программа ROSH.

7. Содержания занятия

7.1. Контроль исходного уровня знаний и умений.

7.2. Разбор с преподавателем узловых вопросов, необходимых для освоения темы занятия.

7.3. Демонстрация преподавателем методики практических приемов по данной теме.

Преподаватель знакомит студентов с методикой решения типовых задач.

7.4. Самостоятельная работа студентов под контролем преподавателя

Решение типовых и ситуационных задач

См. Сборник задач по биологии и медицинской генетике, 2004.

1. Полное доминирование. стр 16-18, №№ 4, 5, и др. (устно)

2. Неполное доминирование. стр 24-25, №№ 7(1), 10.

3. Кодоминирование Стр. 31, №№ 1 (1), 3, 4-6 (устно).

8. Задание для самостоятельной работы студентов.

См. Сборник задач по биологии и медицинской генетике, 2004.

1. Полное доминирование. стр 16-18, №№ 6, 7, 9, 11.

2. Неполное доминирование. стр 24-25, №№ 6(2), 7(2), 8(2).

3. Кодоминирование Стр. 31, №№ №№ 1(2),7,8.

Практическое занятие №8

1. Тема:

Закон независимого наследования признаков (III закон Г.Менделя). Виды межгенных взаимодействий.

2. Учебные цели:

Знать:

- закономерности ди- и полигибридного скрещивания;

- III закон Менделя;

- виды взаимодействия неаллельных генов.

Уметь:

- определять генотип и фенотип детей по генотипу родителей;

- определять генотипы родителей по фенотипу детей;

- решать задачи на ди- и полигибридное скрещивание;

- решать типовые и ситуационные задачи на взаимодействие неаллельных генов;

Владеть:

- основными терминами генетики;

- методикой решения типовых и ситуационных задач на ди- и полигибридное скрещивание;

методикой прогнозирования вероятности проявления у детей признаков и наследственных заболеваний в семьях супружеских пар, отягощенных моногенной наследственной патологией.

3.Вопросы для самоподготовки к освоению данной темы:

1. Дигибридное и полигибридное скрещивание.

2. Наследование генов и признаков, расположенных в разных хромосомах.

3. III закон Менделя и его цитологическое обоснование.

4. Статистические закономерности при полигибридном скрещивании. Формула подсчета числа гамет и расщепления.

5. Виды взаимодействия неаллельных генов.

6. Комплементарность (формулы расщеплений).

7. Эпистаз (формулы расщеплений).

8. Полимерия (формулы расщеплений).

9. Плейотропное действие генов.

4. Вид занятия: практическое.

5. Продолжительность занятия - 2 часа.

6. Оснащение. Таблицы:.(№№37, 39, 40, 41, 42, 43) Дигибридное скрещивание, Комплементарное действие генов, Полимерное действие генов, Взаимодействие генов (эпистаз), Взаимодействие генов (наследование гребня у кур), Плейотропное действие генов; (Сборник задач по биологии и медицинской генетике

7. Содержания занятия:

7.1. Контроль исходного уровня знаний и умений

7.2. Разбор с преподавателем узловых вопросов, необходимых для освоения темы занятия.

7.3. Демонстрация преподавателем методики практических приемов по данной теме.

Преподаватель знакомит студентов с методикой решения типовых задач.

7.4. Самостоятельная работа студентов под контролем преподавателя

Решение типовых и ситуационных задач

См. Сборник задач по биологии и медицинской генетике, 2004.

1. Ди- и полигибридное скрещивание. Стр. 19 (разобрать образец решения задач), стр. 20, №№ 1, 2, 6 и др. (устно), стр. 22, №11.

2. Комплементарность. Стр. 44-45, №№ 8, 10.

3. Эпистаз. Стр. 44, №№ 5,6.

4. Полимерия. Стр. 45, №11, стр. 46, №14.

5. Плейотропное действие генов. Стр. 33, №2, стр. 34, №7.

8. Задание для самостоятельной работы студентов

См. Сборник задач по биологии и медицинской генетике, 2004.

1. Ди- и полигибридное скрещивание. Стр. 20-22, 4, 7. 10.

2. Комплементарность. Стр. 44-45, №№ 7,9.

3. Эпистаз. Стр. 43, №№ 1-3.

4. Полимерия. Стр. 45, №12.

5. Плейотропное действие генов. Стр. 34, №4, 6

Практическое занятие №9

1.Тема:

Сцепленное наследование генов и признаков. Хромосомная теория наследственности. Генетика пола. Закономерности наследования признаков, сцепленных с полом.

2. Учебные цели:

Знать:

- механизмы наследования генов, локализованных в одной хромосоме и образующих одну группу сцепления;

- механизм кроссинговера;

- генетический состав половых хромосом человека;

- механизмы дифференцировки пола;

- первичные и вторичные половые признаки человека.

Уметь:

- решать типовые задачи на сцепление генов и кроссинговер;

- прогнозировать вероятность проявления в потомстве признаков при сцепленном наследовании;

- анализировать особенности развития вторичных половых признаков;

- решать типовые и ситуационные задачи на сцепленное с полом наследование.

Владеть:

- методикой решения типовых и ситуационных задач на сцепленное наследование;

методикой прогнозирования вероятности проявления у детей признаков и наследственных заболеваний в семьях супружеских пар, отягощенных наследственной патологией, сцепленной с половыми хромосомами.

3.Вопросы для самоподготовки к освоению данной темы:

1. Причины отклонения от законов Менделя.

2. Особенности наследования генов, расположенных в одной хромосоме. Сцепленное наследование у дрозофилы (опыты Моргана).

3. Полное и неполное сцепление генов.

4. Кроссинговер и рекомбинация генов.

5. Формула расчета частоты рекомбинации.

6. Основные положения хромосомной теории наследственности.

7. Линейное расположение генов в хромосоме.

8. Цитологические карты хромосом.

9. Генетика пола. Морфология половых хромосом. Гены, сцепленные с Х-хромосомой и с Y-хромосомой.

10. Способы определения пола у животных и человека (прогамное, эпигамное, сингамное).

11. Механизм дифференцировки пола у человека. Первичные и вторичные половые признаки.

12. Синдром тестикулярной феминизации (с-м Морриса) как пример нарушения половой дифференцировки.

13. Закономерности сцепленного с полом наследования. Примеры заболеваний человека, наследуемых сцепленно с половыми хромосомами.

4. Вид занятия: практическое.

5. Продолжительность занятия - 2 часа.

6. Оснащение. Таблицы: №№69, 70, 71, 72, 90, 91, 92, 93, 94, 95. Генная карта хромосом человека, Генетические и цитогенетические карты хромосом, картирование хромосом человека, Кроссинговер, Сцепленное наследование, Генетическая рекомбинация при сцеплении, Сцепленное с полом наследование, Хромосомный механизм определения пола, Половые хромосомы; Сборник задач по биологии и медицинской генетике; обучающая компьютерная программа ROSH.

7. Содержания занятия:

7.1. Контроль исходного уровня знаний и умений.

7.2. Разбор с преподавателем узловых вопросов, необходимых для освоения темы занятия.

7.3. Демонстрация преподавателем методики практических приемов по данной теме.

Преподаватель знакомит студентов с методикой решения типовых задач

7.4. Самостоятельная работа студентов под контролем преподавателя.

Решение типовых и ситуационных задач

См. Сборник задач по медицинской биологии и генетике, 2004

1. Явление сцепления признаков. Кроссинговер. Стр. 35-41. №№ 6, 5, 3, 1,13.

2. Наследование признаков, сцепленных с полом. Стр. 26-29. №№ 11,3, 7, 2.

8. Задание для самостоятельной работы студентов

См. Сборник задач по медицинской биологии и генетике, 2004

1. Явление сцепления признаков. Кроссинговер. Стр. 35-41. №№5, 2, 11, 13(2).

2. Наследование признаков, сцепленных с полом. Стр. 26-29. №№ 4, 9, 14, 15, 17.

Практическое занятие № 10

1. Тема:

Изменчивость как свойство живого, ее формы. Фенотипическая (модификационная) изменчивость. Генотипическая изменчивость

2. Учебные цели:

Знать:

- основные формы изменчивости;

- получить представления о пенетрантности и экспрессивности признаков;

- основы вариационной статистики.

Уметь:

- строить вариационные кривые;

- вычислять средние значения и ошибку среднего, моду и медиану;

- оценивать степень вариабельности признаков;

- решать задачи на пенетрантность признаков.

Владеть:

- биометрическими методами оценки степени и характера модификационной изменчивости;

- методикой решения типовых и ситуационных задач на пенетрантность;

- способами прогнозирования вероятности проявления признаков и заболеваний с учетом пенетрантности.

3. Вопросы для самоподготовки к освоению данной темы:

1. Что такое изменчивость. Виды изменчивости.

2. Ненаследственная изменчивость (определение, классификация).

3. Модификационная изменчивость.

4. Основные свойства модификаций.

5. Норма реакции.

6. Экспрессивность.

7. Пенетрантность.

8. Фенокопии.

9. Генокопии.

4. Вид занятия: практическое.

5. Продолжительность занятия - 2 часа.

6. Оснащение. Таблицы: №76 «Модификация изменчивости у растений».

7. Содержания занятия:

7.1. Контроль исходного уровня знаний и умений.

7.2. Разбор с преподавателем узловых вопросов, необходимых для освоения темы занятия.

Преподаватель знакомит студентов с методикой решения типовых задач

7.3. Демонстрация преподавателем методики практических приемов по данной теме.

7.4. Самостоятельная работа студентов под контролем преподавателя.

Практическая работа

Определение степени вариабельности признака и коэффициента вариации в зависимости от условий окружающей среды.

Задание: Составить и обработать вариационный ряд, определить степень вариабельности признака и коэффициент вариации.

Таблица. Вес и рост 50 мальчиков и 50 девочек (по архивным данным роддома № 4 г. Уфы).

Мальчики	Девочки
Вес	Рост	Вес	Рост
3100	3300	3700	52	54	53	3100	3300	3800	50	50	55
3800	3600	3400	56	54	53	3500	3700	3200	52	52	53
4300	3500	2500	58	52	53	5500	3200	3500	54	51	53
3500	3200	3400	53	56	58	8000	3100	3800	48	52	55
3700	3300	3200	56	55	53	3000	3200	3400	50	52	54
3000	3300	3700	50	54	54	3000	3600	3200	51	56	54
3500	3200	3300	54	58	53	3700	3800	3500	57	52	54
3600	4000	3000	51	58	57	2600	4400	3000	50	57	52
3600	3500	3500	52	54	56	3100	3400	2200	51	54	44
4300	3400	2400	55	53	57	3100	3600	3000	51	53	51
3700	3400	2700	47	51	56	3600	3000	3800	57	50	58
3500	4100	3500	50	59	53	3500	3500	2500	54	52	50
3800	3700	3200	47	46	57	3500	2200	3700	52	46	55
3000	3800	4400	56	54	52	3400	3100	3000	55	52	52
4500	3900	3200	58	55	51	1900	3800	4000	44	55	54
2400	3900	3100	49	53	53	3400	2800	3200	54	52	53
3500	3300		51	53		3100	3800		52	52

Исследуемые 50 единиц наблюдения составят выборочную совокупность.

1. Постройте вариационный ряд

- выпишите цифровые показатели в порядке убывания или нарастания величин, (данная совокупность составит вариационный ряд)

- определите крайние варианты (лимиты изменчивости), которые показывают, в каких пределах изменяется признак

- все варианты разбейте на группы

- определите величину интервала между группами

- для этого разделите разницу между наибольшей и наименьшей величиной на число групп

- распределите все варианты по группам

- вычислите среднее значение каждой группы:

V = сумма крайних вариантов / 2

2. Вычислите среднюю арифметическую. У VP/n,

У VP

М = n ,

где М - среднее арифметическое

n - число вариант в совокупности

V - среднее значение группы

Р - частота данной группы

У - знак суммирования

3. Определите степень вариабельности признака.

1. Найдите отклонения среднего значения группы от среднего арифметического ряда. V - M

2. Возведите в квадрат полученное значение (V - M)

3. Суммируйте эти величины У (V - M)²

Если величина К составляет от 0 - 10% - варьирование признака небольшое

К 11 - 20% - варьирование среднее

К больше 20% - варьирование большое

Сделайте вывод:

Решение типовых и ситуационных задач

См. Сборник задач по медицинской биологии и генетике, 2004

1. Ненаследственная изменчивость. Пенетрантность. Стр. 49, №4, 5.

8. Задание для самостоятельной работы студентов.

См. Сборник задач по медицинской биологии и генетике, 2004

4. Ненаследственная изменчивость. Пенетрантность. Стр. 48-49. №№ 1,2,6.

Практическое занятие № 11

1. Тема:

Генотипическая (наследственная) изменчивость на генном, хромосомном и геномном уровнях организации наследственного материала.

2. Учебные цели:

Знать:

- основные формы генотипической изменчивости;

- мутации на генном, хромосомном и геномном уровнях;

- механизмы мутагенеза;

- мутагенные, канцерогенные и тератогенные факторы;

- генетические основы появления генных и хромосомных болезней.

Уметь:

- определять причины появления моногенной наследственной и хромосомной патологии;

- рассчитывать вероятность проявления наследственной патологии в отягощенных семьях;

- проводить анализ кариотипа и определять причины возникновения хромосомной патологии;

- решать типовые и ситуационные задачи на генные и геномные мутации. клетка микроскоп генетика микропрепарат

Владеть:

- методикой решения типовых и ситуационных задач на генные и геномные мутации;

- способами расчета и прогнозирования вероятности проявления моногенных наследственных заболеваний и хромосомной патологии человека.

3. Вопросы для самоподготовки к освоению данной темы:

1. Генотипическая (наследственная) изменчивость (определение, классификация).

2. Комбинативная изменчивость, механизмы возникновения.

3. Мутационная изменчивость.

4. Понятие о мутациях. Основные свойства мутаций.

5. Мутагенные факторы (физические, химические, биологические), механизмы их действия. Репарация ДНК (световая, эксцизионная).

6. Классификация мутаций.

7. Геномные мутации (определение, механизмы возникновения). Хромосомные болезни человека, обусловленные геномными мутациями.

8. Хромосомные мутации (определение, механизмы возникновения). Хромосомные болезни человека, обусловленные хромосомными мутациями.

9. Генные мутации (определение, механизмы возникновения). Наследственные моногенные болезни человека, обусловленные генными мутациями.

4. Вид занятия: практическое.

5. Продолжительность занятия - 2 часа.

6. Оснащение. Таблицы: №82 «Мутационная изменчивость животных», №105 «Болезнь Дауна», № 110 «Трисомия по группе Е, Д», № 115 «Внешний вид больных при некоторых наследственных заболеваниях», №121 «Фенилкетонурия»

7. Содержания занятия:

7.1. Контроль исходного уровня знаний и умений.

7.2. Разбор с преподавателем узловых вопросов, необходимых для освоения темы занятия.

Преподаватель знакомит студентов с методикой решения типовых задач

7.3. Демонстрация преподавателем методики практических приемов по данной теме.

7.4. Самостоятельная работа студентов под контролем преподавателя.

Практическая работа

Решение типовых и ситуационных задач

См. Сборник задач по медицинской биологии и генетике, 2004

1. Геномные мутации. Стр. 53, №1, 3.