Общая цель. На основании знания организации генетического материала эукариотов уметь дифференцировать различные типы хромосом и кариотипы разных видов животных и растений.
Конкретные цели
1. Уметь идентифицировать структурные компоненты хромосом (центромера, теломера) и различные формы хромосом (мета-, субмета- и акроцентрические) в кариотипе человека и растений.
2. Ознакомиться с кариотипами различных животных.
3. Изучить основные закономерности (правило постоянства, правило парности, правило индивидуальности, правило непрерывности)
4. Научиться определять степень гомологии нитей из различных молекул ДНК при их денатурации и ренатурации.
Мотивационная характеристика. Кариотипирование различных видов животных.
Задание для самоподготовки
Знать: 1) строение и химический состав хромосом; 2) структурные компоненты хромосом; 3) типы хромосом; 4) уровни компактизации наследственного материала в хромосоме; 5) понятие кариотипа и правила хромосом; 6) понятие политении; 7) понятие об эу- и гетерохроматине (структурном и факультативном); 8) половой хроматин и его формы в соматических клетках человека (эпителий щеки, лейкоциты крови); 9) диагностику хромосомных болезней человека по половому хроматину соматических клеток.
Аудиторная работа
Содержание. Изучить: 1) строение хромосом насекомых; 2) геномы различных видов животных; 3) степень гомологии нитей из различных молекул ДНК при их денатурации и ренатурации.
Оборудование. 1. Таблицы: хромосомный набор разных видов животных.
Работа 1. Строение хромосом
Хромосомы – это нитевидные тела, видимые внутри ядра клетки после ее окрашивания на соответствующей стадии клеточного деления (метафазе.)
Хромосомы перед делением клетки состоят из двух хромотид, соединенных между собой в одной точке, называемой центромерой или первичной перетяжкой (рис.19, 20).
На некоторых хромосомах имеется вторичная перетяжка. Концевые участки хромосом имеют особую структуру и называются теломерами. Термин ―теломера предложил Г.Мѐллер еще в 1932 г. В его представлении она означала не только физический конец хромосомы, но и присутствие ―терминального гена со специальной функцией запечатывания (пломбирования) хромосомы, которое делало ее недоступной для вредных воздействий (хромосомных перестроек, делеций, действия нуклеаз и т.д.). Наличие терминального гена не подтвердилось в последующих исследованиях, однако функция теломеры была определена точно.
Позднее выявили еще одну функцию. Так как на концах хромосом обычный механизм репликации не работает, в клетке есть другой путь, поддерживающий стабильные размеры хромосом при клеточном делении. Эту роль выполняет специальный фермент, теломераза, которая действует подобно другому ферменту, обратной транскриптазе: использует одноцепочечную РНК-матрицу для синтеза второй цепи и восстановления концов хромосом. Таким образом, теломеры во всех организмах выполняют две важные задачи: защищают концы хромосом и поддерживают их длину и целостность. Теломеры препятствуют соединению хромосом. В результате деления клетки длина теломеры уменьшается.
Каждое деление всѐ больше уменьшает теломеру, постепенно делая геном всѐ более уязвимым. Это может приводить к различным патологиям.
На микроскопическом уровне отсутствие теломерной защиты проявляется в первую очередь в том, что хромосомы попросту начинают «приклеиваться» друг к другу незащищѐнным концами. Однако до недавнего времени науке не было точно известно, сколько раз может делиться клетка, прежде чем теломера перестанет спасать ее. Очевидно, сокращение теломер в основном происходит в процессе старения. Но к этому могут приводить и другие процессы, в частности, некоторые мутации.
Рис.19. Схема тонкого строения хромосомы:
1-спирально закрученная нить ДНК (хроматида); 2-центомера; 3-вторичная перетяжка;
4-спутник; 5-хромонема.
Тело- Акро- Субмета- Мета-
центрические центрические центрические центрические
Рис. 20. Строение хромосомы.
В своѐм исследовании Бэйрд изучил человеческие клетки, не имевшие каких-либо значительных отклонений в строении теломер. В эксперименте учѐные отслеживали случаи, когда концы хромосом начали слипаться друг с другом.
Теломеры состоят из повторяющейся последовательности шести нуклеотидных оснований (одинаковой у всех позвоночных). Как оказалось, средняя длина теломер, при которой хромосомы начинают соединяться друг с другом, составляет 12,8 таких последовательностей. Интересно, что это значение было получено в результате опытов по изучению не аномального развития, а нормального деления клеток.
В зависимости от места расположения центромеры на хромосомах они могут быть: метацентрическими (равноплечие); субметацентрическими (неравноплечие); акроцентрическими, у которых одно плечо очень короткое и не всегда четко различимо; телоцентрическими (с одним плечом).
Животные разных видов отличаются соотношением метацентриков, субметацентриков, акроцентриков и телоцентриков. Например, у крупного рогатого скота, овец, лошадей и других животных преобладают акроцентрики, у свиней имеются хромосомы всех типов (см. вклейка рис.21,22).
Совокупность количественных и структурных особенностей набора хромосом в соматических клетках одного вида называют кариотипом.
Изучение кариотипа разных видов животных и растений позволило выявить ряд общих закономерностей их строения:
1. Правило постоянства числа хромосомсостоит в том, что ядра соматических клеток животных и растений каждого вида, содержат характерный для них, постоянный набор хромосом. Так, у крупного рогатого скота 60 хромосом, у овец 54, у свиней 38, лошадей 64, кошки 36, собаки 78, кур, индеек 80, уток 80, гусей 82, человека 46.
2. Правило парности хромосом. В ядрах соматических клеток хромосомы парные. Пары хромосом одинаковые по величине, по форме и строению называют гомологичными.
Гомологичные пары образуются в результате объединения материнских и отцовских хромосом при оплодотворении (в зиготе). Парный набор хромосом в соматических клетках называют диплоидным. В половых клетках (яйцеклетках и сперматозойдах) одинарный или гаплоидный набор хромосом. В них находится по одной хромосоме от каждой пары имеющихся в соматических клетках.
3. Правило индивидуальности хромосом заключается в том, что хромосомы одних пар по форме, величине и строению отличаются от других.
4. Правило непрерывности хромосом, характеризуется тем, что перед делением соматических клеток хромосомы удваиваются, воспроизводя тем самым точные свои копии.
Кариотип женской особи отличается от кариотипа мужской особи по одной паре хромосом, получивших название половые. У женских особей млекопитающих половые хромосомы составляют гомологическую пару и их обозначают ХХ. У мужских особей половые хромосомы негомологичные – ХУ. У птиц женские особи имеют негомологичную пару половых хромосом (ZW), мужские – гомологичную (ZZ). Остальные хромосомы, имеющиеся у женских и мужских особей, называются аутосомами.
В отличие от млекопитающих и птиц важную роль в эволюции рыб (карповых, лососевых, осетровых и др.) играла полиплоидия, при которой в соматических клетках происходит кратные увеличение числа хромосом. Полиплоидом по происхождению является, например, карп, который имеет вдвое больше хромосом, чем большинство других карповых рыб (линь, лещ, плотва и др.).
У некоторых рыб в пределах одного вида наблюдается хромосомный полиморфизм (одновременное присутствие в пределах популяции нескольких форм одного и того же признака). Хромосомной полиморфизм у рыб выражается в разном числе и строении хромосом. Так, например, у горбуши 2n=52-54, у радужной форели –58-62, осетра - 126 - 130.
Число хромосом у разных видов рыб варьирует от 12 до 248. У основных видов, представляющих интерес для товарного рыбоводства диплоидный набор хромосом следующий: карп-100, пелядь-74, радужная форель-58-62, белый амур-48, белый толстолобик-48, серебристый карась-100, сом-60, буффало-99-100, линь-48, белуга-116-118, стерлядь-60, сцуха-18.
У разных видов рыб женские и мужские особи могут иметь в качестве половых хромосом как гомологичную пару (ZZ), так и негомологичную (ZW).
Химический состав и удвоение хромосом
Каждая хромосома содержит длинную двойную спиральную структуру, называемую молекулой дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК). Молекулы ДНК имеют разную длину в зависимости от того, в какой хромосоме они находится. ДНК является генетическим материалом клетки.
В состав молекулы ДНК входят: углевод дезоксирибоза, фосфатный остаток, азотистые основания – аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т). Согласно правилу Чаргаффа в ДНК содержание аденина равно содержанию тимина, а содержание гуанина равно содержанию цитозина.
Каждая цепочка ДНК представляет собой линейное соединение дезоксирибозы и фосфатных остатков. К дезоксирибозе присоединяется одно из четырех азотистых оснований. При этом азотистые основания распологаются в ДНК со строгой комплементарностью – если в одной цепочке ДНК к дезоксирибозе присоединяется аденин (А), то во второй цепочке, напротив, будет расположен тимин (Т); если в одной цепочке гуанин (Г), во второй - цитозин (Ц) (рис.35).
Рис.35 Схематическое изображение строения ДНК.
Азотистые основания соединяются между собой с помощью водородных связей. Соединение, состоящее из одной дезоксирибозы, одного фосфатного остатка и азотистого основания, называют нуклеотидом.
От степени спирализации или деспирализации ДНК зависит компактность хромосомы.
Одни молекулы ДНК отличаются от других соотношением, комбинацией и последовательностью расположения четырех азотистых оснований.
Реализация правила удвоения хромосом происходит за счет репликации (удвоения) ДНК. Схематически этот процесс происходит следующим образом: перед делением клетки хромосомы максимально удлиняются путем деспирализации, находящихся в них молекул ДНК. При этом водородные связи между азотистыми основаниями рвутся и цепи расходятся, с соблюдением комплементарности азотистых оснований. С участием специфических ферментов на каждой из цепочек ДНК синтезируются новые цепочки (рис.36).
Рис.36. Схематическое изображение удвоения хромосом
В результате репликации молекул ДНК в хромосоме образуются две молекулы ДНК аналогичного строения между собой и сходные с материнской.
Работа 2. Анализ нуклеотидного состава и нуклеотидных последовательностей фрагментов молекул нуклеиновых кислот.
Изучите диаграммы («лестничные» схемы), изображающие структуру трех фрагментов двухцепочечных молекул ДНК (рис. 37. А, В, С), каждый из которых содержит по 14 пар нуклеотидов. Стороны «лестницы» представляют собой сахарофосфатный «каркас», а «ступеньки» образованы парами комплементарных азотистых оснований (А–Т, Г–Ц). Помечены края полинуклеотидных цепочек, содержащие 5'-фосфаты.
Подсчитайте общее число каждого из четырех типов нуклеотидов (А, Т, Г, Ц) и число пар А–Т и Г–Ц, имеющихся в состав фрагментов А, В и С. Определите для каждого фрагмента количественные соотношения: А/Т, Г/Ц и (А + Т)/(Г + Ц).
Обратите внимание на то, что фрагменты В и С имеют одинаковый суммарный нуклеотидный состав (сравните общее число нуклеотидов каждого типа и число пар А–Т, Г–Ц в этих фрагментах).
Рис. 37.Структура фрагментов трех условных молекул ДНК
(«лестничные модели»)
Вместе с тем, они различаются специфичностью чередований отдельных нуклеотидов в своих цепочках (специфичностью нуклеотидных последовательностей). Следовательно, суммарный нуклеотидный состав и нуклеотидная последовательность – два совершенно различных свойства молекулы ДНК.
Для дальнейшего анализа сделанного заключения составьте и сравните последовательную запись триплетов кодирующих (3'-5') нитей для фрагментов В и С.
По аналогии со схемой на рисунке 37 составьте и зарисуйте собственные диаграммные изображения двух двухцепочечных фрагментов ДНК, каждый из которых имеет по 15 нуклеотидных пар и соотношение (А + Т)/(Г + Ц) = 2, но отличается от другого специфичностью нуклеотидных последовательностей. Маркируйте края всех полинуклеотидных цепочек знаками 3' или 5' (соответственно). Сделайте последовательную запись триплетов кодирующих нитей составленных фрагментов ДНК.
Постройте и зарисуйте диаграммные изображения фрагментов двух молекул РНК, являющихся комплементарными кодирующим нитям составленных вами фрагментов ДНК. Проанализируйте нуклеотидный состав этих фрагментов. Сделайте последовательную запись триплетов фрагментов РНК и сравните ее с ранее сделанной записью для триплетов соответствующей нити ДНК.
2. Определение степени гомологии нитей из различных молекул ДНК при их денатурации и ренатурации. Рассмотрите в качестве примера условные изображения процессов денатурации и ренатурации фрагментов двух молекул ДНК (рис. 38). Полинуклеотидные цепочки фрагментов маркированы цифрами 1, 2 и 3, 4 (соответственно).
Денатурация может происходить при повышении температуры (нагревании) раствора ДНК. Это увеличивает нестабильность водородных связей между азотистыми основаниями в параллельных цепях молекулы и приводит к их разделению, т.е. к образованию одноцепочечных структур. Денатурацию можно осуществить также обработкой ДНК сильной щелочью, которая нарушает водородные связи между основаниями. Если раствор, содержащий денатурированную ДНК, затем медленно охлаждать (либо нейтрализовать щелочь), становится возможным повторное образование водородных связей между комплементарными основаниями разных цепочек, т.е. формирование новых двухцепочечных структур (процесс ренатурации). С помощью физико-химических методов можно изолировать отдельные цепочки денатурированных молекул ДНК, а затем смешать их попарно в новых сочетаниях и провести процесс ренатурации. При этом степень ренатурации (размеры формирующихся двухцепочечных участков) будет зависеть от степени гомологии (комплементарного соответствия нуклеотидных последова-тельностей) двух исследуемых одноцепочечных структур.
Рис. 38. Изображение процессов денатурации и ренатурации
фрагментов двух молекул ДНК
Постройте и зарисуйте диаграммные изображения, иллюстрирующие принципы денатурации и ренатурации ДНК, для фрагментов А, В и С из предыдущей работы (см. рис. 37).
По аналогии со схемой на рисунке 38 постройте и зарисуйте собственные диаграммные изображения и определите степень гомологии (в %) для двух одноцепочечных структур с одинаковой ориентацией нуклеотидных последовательностей (3´-5´) из разных фрагментов молекул ДНК, составленных вами при выполнении работы.
Тема: Индивидуальное развитие организмов. Размножение. Формы размножения организмов и их цитологические основы. Этапы и морфология. Гаметогенез. Мейоз. Органогенез.
Общая цель. Уметь охарактеризовать бесполое, вегетативное и половое размножения и их биологическую сущность.
Конкретные цели
1. Знать формы бесполого размножения, их особенности и значение.
2. Знать формы полового размножения, их особенности и значение.
3. Знать формы вегетативного размножения, их особенности и значение.
4. Уметь охарактеризовать фазы мейоза, знать его биологическое значение
и отличие от митоза.
5. Знать особенности строения женских половых клеток и их образования.
6. Знать особенности строения мужских половых клеток и их образования.
Мотивационная характеристика. Размножение – одно из свойств, характерных для живых организмов. Размножение у человека связано с половым процессом и формирование гамет (гаметогенез), предшествующим этому. Гаметогенез сопровождается митотическим и мейотическим делениями ядра клетки и последующим цитокинезом. В верхних отделах яйцеводов происходит оплодотворение (слияние половых клеток - гамет). Оплодотворение и процесс мейоза обеспечивают генетическую преемственность между поколениями и лежат в основе комбинационной изменчивости. Нарушение процессов гаметогенеза и оплодотворения приводит к образованию атипичных зигот, реализующихся в ранние недиагностируемые выкидыши, или могут стать причиной различных патологий у новорожденных.
Задание для самоподготовки
Знать: 1) структурные особенности метафазной хромосомы; 2) классификацию форм размножения организмов; 3) особенности и биологическую сущность бесполого и полового размножения; 4) особенности течения мейоза и характеристику его фаз; 5) биологическое значение мейоза и его отличие от митоза; 6) особенности строения женских и мужских половых клеток и их отличия от соматических клеток; 7) типы яйцеклеток; 8) признаки яйцеклеток, положенные в основу их классификации; 9) процесс гаметогенеза; 10) особенности сперматогенеза и овогенеза; 11) знать схему образования половых клеток (рис.18)
Аудиторная работа
Содержание. 1) изучить строение половых желез самки и самца млекопитающих; 2) изучить особенности строения мужских и женских половых клеток млекопитающих; 3) выявить особенности гаметогенеза женских и мужских половых клеток.
Оборудование. 1. Таблицы: формы бесполого размножения; строение половых желез самца и самки крысы; строение сперматозоидов и яйцеклеток у представителей различных типов и классов животных; схемы сперматогенеза, оогенеза и мейоза. 2. Микропрепараты: семенник крысы, сперматозоиды, яичник крысы.
Работа 1. Половые железы самца крысы (семенник). Поперечный срез семенного канала
Рассмотрите микропрепарат среза семенника сначала при малом увеличении микроскопа МБР-1. Семенник на срезе имеет овально-округлую форму. Внутри него видны поперечные разрезы многочисленных семенных канальцев овальной или округлой формы (рис. 15 см. вклейку).
Снаружи семенник покрыт оболочками - влагалищной и белочной. В последней видно большое количество кровеносных сосудов. От белочной оболочки внутрь отходят многочисленные выросты, разделяющие семенник на отдельные отсеки.
Рассмотрите отдельный семенной каналец при большом увеличении (см. рис. 15, 16). В середине канальца иногда виден просвет. Стенка его состоит
Рис. 15. Участок семенника (яичка) млекопитающего (поперечный срез).
извитые семенные канальцы; 2-интерстиций яичка.
из нескольких рядов клеток, имеющих неодинаковое строение. Найдите среди них четыре зоны, соответствующие последовательным этапам сперматогенеза.
Зона размножения представлена наружным слоем стенки семенного канальца. Слой состоит из относительно мелких клеток с небольшим ядром – сперматогоний. между этими клетками видны единичные сустентоциты (клетки Сертоли), играющие роль в проведении питательных веществ. они отличаются крупными размерами, пирамидальной формой (основание прилежит к оболочке семенного канальца, а вершина – к просвету канальца), крупным ядром с малым содержанием хроматина (см. рис.16).
Зона роста – следующий ряд клеток, расположенный ближе к просвету канальца. Зона роста состоит из наиболее крупных клеток округлой формы с очень крупными, но рыхлыми ядрами (цитоплазма видна лишь в виде узкого ободка, окружающего ядро). Это сперматоциты 1-го порядка (см. рис 16).
Зона созревания находится еще ближе к просвету канальца. Составляющие ее клетки (сперматоциты 2-го порядка) меньше сперматоцитов 1-го порядка. Они обладают компактными, интенсивно окрашенными, но небольшими ядрами (см. рис. 16). В этой же зоне видны сперматиды – мелкие сферические клетки с темноокрашенным ядром в форме вытянутого треугольника и почти неразличимой цитоплазмой.
Рис.16. Часть поперечного среза извитого семенного канальца
1- волокнистый слой; 2- сперматогонии; 3- сперматоциты 1-го порядка; 4-сперматоциты 2-го порядка; 5- сперматозоиды; 6- фолликулярная клетка (клетка Сертоли); 7-сперматиды.
Зона формирования расположена у просвета канальца. Здесь происходит прекращение сперматид в зрелые сперматозоиды. Последние выходят в просвет канальца. Обратите внимание, что головки сперматозоидов обращены к просвету канальца, а хвостовой отдел – к его периферии (см. рис 16).
Зарисуйте (крупно) строение одного сектора семенника, включающего 1-2 семенных канальца. На рисунке должны быть обозначены: 1) семенной каналец; 2) оболочки семенника; 3) оболочка семенного канальца; 4) сперматогонии; 5) сперматоциты 1-го порядка; 6) сперматоциты 2-го порядка; 7) сперматиды; 8) сперматозоиды.
Работа 2. Строение яичника млекопитающего
Строение яичника и последовательные стадии созревания фолликулов изучите на готовом микропрепарате, используя микроскоп МБС-1, и на рис. 16-18.
Обратите внимание на то, что основная масса структурных компонентов яичника (фолликулы) сосредоточена по его наружному краю (корковая зона). В центральной части распологаются соединительная ткань и кровеносные сосуды.
Найдите фолликулы различной степени зрелости.
Примордиальные фолликулы состоят из овоцита I порядка в диплотене профазы мейоза, окруженного одним слоем плоских клеток фолликулярного эпителия и базальной мембранной (см. рис.18).
Первичные фолликулы состоят из растущего овоцита, формирующейся прозрачной оболочки и нескольких слоев фолликулярного эпителия.
Вторичный фолликул состоит из овоцита, окруженного вторичной оболочкой и фолликулярными клетками в виде яйценосного бугорка, смещенного к одному из полюсов фолликула. Остальная часть фолликула заполнена фолликулярной жидкостью (см. рис. 18; см. вклейку).
| Рис. 17. Зрелый сперматозоид 1-головка; 2-шейка; 3-средний отдел; 4-хвост. |
Зарисуйте форму яичника (крупно!) с основными структурными элементами. На рисунке должны быть обозначены: 1) яичник; 2) оболочка; 3) корковый слой; 4) примордиальный фолликул; 5) первичный фолликул; 6) вторичный фолликул; 7) зрелый фолликул; 8) желтое тело; 9) фолликулярные клетки; 10) полость фолликула; 11) соединительнотканная строма.
Рис. 18. Яичник млекопитающего
1-оболочка; 2-соединительнотканная строма; 3-примординальные фолликулы; 4-вторичные фолликулы; 5-третичный зрелый фолликул (гаафов пузырек); 6-фолликулярная жидкость; 7-овоцит; 8-тека фолликулов; 9-яйценосный бугорок; 10-желтое тело.
Сравните величину яйцеклетки и других клеток яичника.
Контроль итогового уровня знаний. Подчеркнуть правильные ответы.
1.Кроссинговер происходит в: а) профазе II; б) анафазе I; в) профазе I; г) метафазе I; д) телофазе I.
2.Набор хромосом и ДНК в сперматоците 1-го порядка: а) n 2c; б) 2n 2c; в) 2n 4c; г) 4n 4c; д) n c.
3.Набор хромосом и ДНК в овоците: а) 2n 4c; б) n 2c; в) 4n 4c; г) n c; д) 2n 2c.
4.В сперматогенезе мейоз происходит в период: а) созревания; б) роста; в) оплодотворения; г) формирования; д) размножения.
5. В телофазе митоза растительной клетки происходят: а) деспирализация наследственного материала; б) цитокинез из центра клетки; в) образование ядерной мембраны; г) цитокинез из периферии клетки; д) спирализация наследственного материала.
Рис. 19. Схема образования половых клеток.
Дата: 2018-11-18, просмотров: 1898.
