Практическое занятие №1

Цитологические основы наследственности.   

Внутриклеточные структуры – носители наследственной информации: ядро, митохондрии.

Уровни упаковки генетического материала.

Знать: Химический состав клетки; структуру клетки. Генетическою роль нуклеиновых кислот; механизм реализации наследственной информации; строение и функции хромосом.

Цели занятия:

1) Познакомиться с уровнями упаковки генетического материала.

Задачи:

1. Рассмотреть ровни упаковки генетического материала.
2. Решить задачи разных типов.

Оборудование рабочего места:

Линейки, простые и цветные карандаши (фломастеры), учебник, словари, фотоматериалы, мультимедийное сопровождение занятия.

Уметь: Анализировать микропрепараты половых клеток человека, микрофотографий, рисунков типов деления клеток, различать фазы митоза и мейоза. Находить основных компоненты клеток (ядро, цитоплазму, оболочку) под микроскопом и на электронограмме. Дифференцировать на электронограмме раз­личные органеллы и включения клетки.

Овладеть ОК и ПК

О. К. 4. П. К. 1.1. 

Оснащение занятия: рисунки, схемы, фотографии, иллюстрирующие методы медицинской генетики и основные этические правила использования генно-инженерных методов.

Дидактический обучающий материал-

1. Компьютер, проектор, проекционный экран

2. Презентация в MS PowerPoint по теме занятия.

Межпредметные связи: Анатомия и физиология человека

Продолжительность занятий: 90 минут

Критерии оценки:

Зачет ставится в случае, если выполнено не менее 50% заданий, в освещении вопросов не содержится грубых ошибок, самостоятельно выполнена практическая работа, выполнены требования к оформлению.

Незачет ставится, если обучающихся не справился с заданием (выполнено менее 50% задания), нераскрыто основное содержание вопросов, имеются грубые ошибки в выполнении задания, а также работа выполнена несамостоятельно.

ХОД РАБОТЫ

 Задание 1. Изучите теоретический материал.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ

Основы цитогенетики

Цитогенетика – наука о связи внутриклеточных структур и наследственности. Она находится на стыке генетики (науки о наследственности и изменчивости) и цитологии (науки о клетке).

Внутриклеточные носители наследственной информации – ядро, митохондрии

Ядро (лат. nucleus) – органелла эукариотической клетки, содержащая молекулы ДНК, которые несут генетическую информацию. В ядре происходят важнейшие для жизни процессы: репликация – удвоение молекул ДНК, а также транскрипция – синтез молекул РНК на молекуле ДНК. Здесь же синтезированные молекулы РНК подвергаются ряду модификаций и только после этого выходят в цитоплазму. В особых структурах внутри ядра – ядрышках – происходит образование субъединиц рибосом.

            Ядро отделено от цитоплазмы ядерной оболочкой, образованной за счёт расширения и слияния друг с другом цистерн эндоплазматической сети таким образом, что у ядра образовались двойные стенки.

В местах слияния внутренней и внешней мембран ядерной оболочки образуются так называемые ядерные поры, через которые происходит обмен веществ между ядром и цитоплазмой. Пора не является дыркой в ядре. Это сложная структура, организованная несколькими десятками особых белков - нуклеопо- ринов. С помощью электронной микроскопии было установлено, что ядерная пора представляет собой структуру, состоящую из восьми связанных друг с другом белковых гранул с внешней, и восьми - с внутренней стороны ядерной оболочки.

Ядрышко - структура, находящаяся внутри ядра, не имеющая собственной мембранной оболочки, однако хорошо различимая как под световым, так и под электронным микроскопом. Основная функция ядрышка - синтез рибосом.

Применение методов электронной микроскопии позволило выделить в ядрышке несколько субкомпартментов: так называемые фибриллярные центры, окруженные участками плотного фибриллярного компонента, где и происходит синтез рРНК, и гранулярные компоненты, которые располагаются снаружи от плотного фибриллярного компонента и представляют собой скопление созревающих рибосомныхсубчастиц.

При делении клеток отдельные молекулы ДНК подвергаются компактизации, становятся различимы хромосомы - нуклео- протеиновые комплексы, состоящие из двух хроматид, соединенных центромерой - первичной перетяжкой (рис. 1). Поскольку хроматиды являются результатом репликации (удвоения) одной молекулы ДНК, их называют сестринскими. Каждая хроматида разделена центромерой на две части - плечи. Обычно плечи хромосом не равны по длине, выделяют короткое (обозначается латинской буквой р) и длинное плечо (обозначается буквой q). Отношение длины короткого плеча к длине всей хромосомы, называют центромерным индексом. Различают метацентрические хромосомы (центромерный индекс 0,350,50), субметацентрические (0,25-0,35) и акроцентрические (< 0,25). Концевые районы хромосом называются теломеры.

Рис. 1. Схематическое изображение хромосомы

Митохондрии - органеллы, имеющиеся в цитоплазме многих эукариотических клеток. Именно в митохондриях происходит синтез АТФ - основного источника химической энергии клетки. Эффективность работы митохондрий очень высока. На фотографиях митохондрий видно обилие внутренних мембран (рис. 2). Количество и форма митохондрий сильно различаются в разных тканях и зависят от интенсивности обмена веществ. Например, в одной клетке печени млекопитающих может быть 1000-1500 митохондрий.

Рис. 2. Митохондрия

Оболочка митохондрий состоит из двух мембран, между которыми имеется межмембранное пространство. Пространство, отграниченное внутренней мембраной, называется матриксом. В матриксе располагаются митохондриальные ДНК, РНК и рибосомы, содержатся ферменты, участвующие в цикле Кребса, протекают реакции окисления жирных кислот. Внутренняя мембрана образует многочисленные гребневидные складки - кристы, существенно увеличивающие площадь ее поверхности. На обращенной к матриксу стороне внутренней мембраны митохондрий локализуются особые молекулы АТФ-синтазы, состоящие из головки, ножки и основания. При прохождении через них протонов происходит синтез АТФ. В основании частиц, заполняя собой всю толщу мембраны, располагаются компоненты дыхательной цепи. Наружная мембрана митохондрий имеет маленькие отверстия, образованные специальными белками, через которые могут проникать небольшие молекулы и ионы. Внутренняя мембрана таких отверстий не имеет. В местах соприкосновения наружной и внутренней мембран находится специальный белок-рецептор, способствующий транспорту митохондриальных белков, закодированных в ядре, в матрикс митохондрии.

Митохондриальный геном человека представлен кольцевой молекулой ДНК длиной 16569 п.н. (пар нуклеотидов), которая содержит 37 генов (13 из них кодируют белки, функционально связанные с энергетическим обменом, 22 - транспортные РНК и 2 - рибосомальную РНК). ДНК митохондрий наследуется исключительно по материнской линии. В митохондриальной ДНК наблюдается высокая частота мутаций. Мутации митохондриальной ДНК являются причиной целого ряда наследственных заболеваний человека, обычно связанных с тяжелыми нарушениями обмена веществ.

Митоз, мейоз и особенности созревания половых клеток человека

Для большинства нормальных клеток человека характерно деление путем митоза - упорядоченного расхождения хрома- тид к полюсам клетки при помощи веретена деления с после­дующим формированием генетически идентичных дочерних клеток.

Клеточный цикл состоит из интерфазы - периода между двумя клеточными делениями - и митоза (рис. 3). Интерфаза включает фазу G₁ - синтез белка, предшествующий удвоению ДНК, фазу S - репликация (удвоение) ДНК и фазу G2 - постреп- ликационный синтез белка. Иногда клетки переходят в фазу G₀ - пролиферативного покоя, когда окончательно специализиро­ванные клетки перестают делиться. На стадии S часто проис­ходят сестринские хроматидные обмены (СХО, рис. 18), частота которых зависит от внешних влияний на клетку. Специ­альные методы окрашивания позволяют выявлять СХО. Повы­шенная частота СХО служит индикатором вредных влияний на клетки.

Митоз включает следующие стадии:

I - профаза. Конденсация хроматина приводит тому, что хромосомы становятся видимыми, сестринские хроматиды тес­но прилежат друг ко другу.

Ядрышко исчезает, кариолемма (оболочка ядра) растворяется, формируется веретено деления;

II - метафаза. Хромосомы располагаются в экваториаль­ной плоскости клетки. К центромерам прикреплены нити ахро- матинового веретена, другие концы которых закреплены в центриолях на полюсах клетки. Хроматиды начинают отделять­ся одна от другой, оставаясь соединенными только в центро­мерах. Центромеры разъединяются, и сестринские хроматиды начинают расхождение к полюсам клетки;

III - анафаза. Сестринские хроматиды расходятся к полю­сам клетки;

IV - телофаза. Происходит деконденсация хроматина, формируются дочерние ядра, веретено деления дезинтегриру­ется, появляется перетяжка между дочерними клетками.

Рис. 3. Стадии митотического цикла.

С точки зрения передачи наследственной информации все клетки можно подразделить на два типа - генеративные (половые), т. е. те, которые участвуют в формировании генотипа потомков, и соматические (от лат. soma - тело), гены которых не передаются потомкам. Если для соматических клеток характерно митотическое деление, то для формирования половых клеток (гамет) необходим мейоз.

Мейоз (от греческого meiosis - уменьшение) - это тип деления клетки, при котором число хромосом уменьшается вдвое - каждая дочерняя клетка получает по гаплоидному набору хромосом, т. е. набору, где каждая хромосома представлена одним гомологом из двух, пришедших от каждого из родителей индивидуума. Гаплоидное число хромосом обозначается n, у человека n = 23. Такое число хромосом имеют яйцеклетки и сперматозоиды. Соматические клетки содержат диплоидное число хромосом 2n = 46. Биологическое значение мейоза заключается: (1) в формировании гаплоидных клеток, которые при слиянии могут дать начало диплоидному организму и (2) в рекомбинации хромосом - кроссинговер происходит в профазе I, а в анафазе I гомологичные хромосомы случайным образом расходятся к полюсам клетки, что служит для увеличения генетического разнообразия индивидуумов.

Мейоз включает два деления - редукционное, когда вдвое уменьшается число хромосом, и эквационное - обычный митоз, когда вдвое уменьшается число хроматид (рис. 19). Редукционное деление (деление I) включает профазу I, метафазу I, анафазу I и телофазу I.

Становятся видимыми длинные хромосомные нити;

• Профаза 1. Начинается спаривание (коньюгация) гомоло­гичных хромосом. Образуются биваленты - спаренные гомоло­гичные хромосомы. Каждый бивалент состоит из четырех хроматид. Половой бивалент резко отличается от других - X- и Y-хромосомы соединены торцами. Формируются синаптоне- мальные комплексы - характерные структуры в местах контак­тов хроматид, имеющие двухслойное строение;

• Метафаза 1. Происходит дальнейшая конденсация хромосом;

• Анафаза 1. Распадаются синаптонемальные комплексы. Происходит разделение несестринских хроматид, которые ос­таются связанными друг с другом в отдельных точках, где об­разуются Х-образные структуры - хиазмы;

• Телофаза1. Происходит терминализация хиазм - хиазмы сдвигаются к теломерам. Происходит полное разделение гомо­логичных хромосом.

В конце метафазы I гомологичные хромосомы начинают расхождение к полюсам клетки. Анафаза I и телофаза I прохо­дят аналогично анафазе и телофазе обычного митотического деления.

Эквационное деление является обычным митотическим де­лением гаплоидной клетки. Оно включает профазу II, метафазу II, анафазу II и телофазу II.

Рис. 4. Обобщенная схема мейотического деления: 1-5 - профаза I,

 Задание 2. Заполните таблицу 1 «Сравнительной характеристики митоза и мейоза»:

 Задание 3. Заполните таблицу 2 «Характеристика мейоза».

Таблица

 Задание 4. Зарисуйте рисунок, иллюстрирующий интерфазу и фазы митоза. Сделайте соответствующие обозначения.

Интерфаза и фазы митоза

а) — это ______________________________________;
б) — это ______________________________________;
1 — это ______________________________________;
2 — это ______________________________________;
3 — это ______________________________________;
4 — это ______________________________________.

 Задание 5. Изучите уровни упаковки наследственного материала

Уровни упаковки генетического материала

Суммарная длина всех молекул ДНК в клетках человека составляет около 2 м, а диаметр ядра клетки — около 7 мкм. Даже если учесть, что каждая хромосома представлена отдельной молекулой ДНК (а у человека 23 пары хромосом), то средняя длина нити ДНК, составляющей одну хромосому, более чем в 6 000 раз больше диаметра ядра клетки. Каким же образом в ядре упакованы молекулы ДНК и как в таком упакованном состоянии сохраняется возможность считывания генетической информации?

Выделяют различные уровни упаковки ДНК:

1) нуклеосомный;

2) нуклеомерный;

3) хромомерный;

4) хроматидный и хромосомный.

Разные участки молекул ДНК могут быть компактизированы в разной степени

Первый уровень  упаковки ДНК – нуклеосомный. («бусины на нитке»)

В 70-е гг. ХХ в., рассматривая молекулу ДНК в электронный микроскоп, исследователи обнаружили, что она очень напоминает бусины, нанизанные на нитку. Так был открыт первый уровень компактизации (упаковки) ДНК.

Впоследствии выяснилось, что эти «бусины» представляют собой комплекс, состоящий из ДНК и 8 молекул особых белков — гистонов (от др.-греч. histos — «ткань»). Белковые молекулы как бы образуют катушку, на которую примерно в 2 оборота намотана нить двуспиральной ДНК длиной в 146 пар нуклеотидов. Эта сложная нуклеопротеидная частица получила название нуклеосомы (от лат. nucleus — «ядро» и др.-греч. soma — «тело»).

Нуклеосомная нить хроматина (см. выше) имеет диаметр около 13 нм. После упаковки длина молекулы ДНК уменьшается в 5-7 раз. Нуклеосомный уровень обнаруживается в электронном микроскопе в интерфазе и при митозе.

За нуклеосомой идёт свободный от белков участок молекулы ДНК, равный 30–50 парам нуклеотидов (его длина зависит от вида организма). Этот участок назвали линкером (от англ. linker — «связующее звено, компоновщик»). Линкер соединяет две соседние нуклеосомы.

До 90–95% всей клеточной ДНК размещено на нуклеосомах. Такая повторяющаяся структура «нуклеосома — линкер» представляет собой элементарную единицу хроматина (от др.-греч. chroma, род. п. chromatos — «цвет, краска») — нуклеопротеида, материальной основы хромосом.

Нуклеосомный уровень компактизации ДНК играет структурную роль, обеспечивая плотность упаковки ДНК в 6–7 раз, и регуляторную роль, так как белки-ферменты, отвечающие за транскрипцию, связываются только с участками хроматина, свободного от нуклеосом, — открытого хроматина.

Второй уровень упаковки – соленоидный (супернуклеосомный). Нуклеосомная нить конденсируется, её нуклеосомы «сшиваются» гистоном Н1 и образуется спираль диаметром около 25 нм. Один виток спирали содержит 6-10 нуклеосом. Нить укорачивается еще в 6 раз. Супернуклеосомный уровень упаковки обнаруживается в электронном микроскопе как в интерфазных, так и в митотических хромосомах.

Третий уровень упаковки – хроматидный (петлевой). Супернуклеосомная нить спирализуется с образованием петель и изгибов. Она составляет основу хроматиды и обеспечивает хроматидный уровень упаковки. Он обнаруживается в профазе. Диаметр петель около 50 нм. Нить ДНП укорачивается в 10-20 раз.

Четвертый уровень упаковки – уровень метафазной хромосомы. Хроматиды заканчивают спирализацию: происходит укорочение в 20 раз. Метафазные хромосомы имеют длину от 0,2 до 150 мкм и диаметр от 0,2 до 5,0 мкм. Общий итог конденсации – укорочение нити ДНП в 10 000 раз!!!

Хромосомы – плотные, интенсивно окрашивающиеся структуры, единицы морфологической организации генетического материала и обеспечивают его точное распределение при делении клетки. Хромосомы лучше всего различимы (и изучаются) на стадии метафазы митоза.

Метафазные хромосомы имеют вид коротких нитевидных фигур, или изогнутых палочек, состоящих из двух продольных нитей ДНК – хроматид.

 Задание 6. Зарисуйте уровни упаковки наследственного материала с указанием их размеров.

Рис. 3. Уровни упаковки ДНК в клетке эукариот

 Задание 7.

Сделайте вывод о Цитологических основах наследственности, внутриклеточных структурах – носители наследственной информации: ядро, митохондрии, уровнях упаковки генетического материала.