Читайте также:
|
КАФЕДРА МЕДИЦИНСКОЙ БИОЛОГИИ, ГЕНЕТИКИ И ЭКОЛОГИИ
МЕТОДИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ
Учебные карты самостоятельной подготовки для студентов медико-профилактического факультета
ТЕМА: Воспроизведение на молекулярном и клеточном уровнях. Жизненный цикл клетки.
Составители: Л.Н. Самыкина, Р.А. Богданова,
И.В. Федосейкина, А.И. Дудина, О. Я. Сказкина
Самара, 2011
Методические разработки предназначены для студентов 1-ого курса лечебного, педиатрического, медико-профилактического факультетов с учетом требований единой методической системы университета и в соответствии с действующей программой по биологии.
Рецензенты:
Заведующий кафедры общей гигиены СамГМУ, доктор
медицинских наук, профессор И.И. Березин
Заведующий кафедрой педагогики, психологии и
психолингвистики СамГМУ, доцент А.Н. Краснов
1. Актуальность темы:
Клетка является элементарной саморегулирующейся структурно-функциональной единицей тканей и органов. В ней протекают процессы, лежащие в основе энергетического и пластического обеспечения структур и уровня функционирования организма.Клеточное размножение – фундаментальный биологический процесс, обеспечивающий преемственность поколений, образование многоклеточных организмов, их гомеостаз. В организме человека ежедневно гибнут и рождаются десятки миллиардов клеток, увеличение числа клеток, их размножение происходит путем деления исходной клетки. Весь смысл клеточного деления заключается в равномерном распределении редуплицированного генетического материала по двум клеткам. Живые организмы должны не только поддерживать целостность нуклеотидных последовательностей ДНК путем репарации, но еще и очень точно воспроизводить свою ДНК. В принципах редупликации молекулы ДНК заложена основа устойчивого сохранения всей специфики генетической информации данного вида и данной особи; это касается как прокариот, так и эукариот.
Способностью к самовоспроизведению характеризуется и надмолекулярный уровень организации генетического материала, которым считаются хромосомы. Хромосомы – высокоупорядоченные регуляторные системы, обладающие собственной внутренней организацией, механизмом строго регулируемого самовоспроизведения, поддержанием постоянства своей организации и приобретением изменений, которые могут передаваться новому поколению клеток.
Но в процессе жизнедеятельности у эукариотических организмов может происходить нарушение последовательности передачи наследственной информации: изменение биохимической структуры генов (мутации), дерепрессия патогенных генов, репрессия «жизненно важных» генов. Механизмом этого процесса является нарушение реализации клеточного деления при митозе. При патологии митоза происходят повреждения хромосом, задержка клеток в профазе, нарушение спирализации и деспирализации хромосом, образование мостов между хромосомами в анафазе, раннее разъединение сестринских хроматид, повреждение кинетохора. С патологией хромосом ядра связано развитие хромосомных синдромов и хромосомных болезней.
· Цель занятия: Изучить передачу наследственной информации у эукариотических клеток на молекулярном и надмолекулярном уровнях. Студент должен знать:
· воспроизведение на молекулярном уровне (редупликацию ДНК)
· химический состав и ультраструктуру хроматина
· надмолекулярную организацию наследственного материала:
Ø виды компактизации хроматина
Ø состав и структуру хромосом
· кариотип человека
· клеточный уровень организации живого:
Ø основное содержание и значение периодов жизненного цикла клетки: интерфаза, митоз
Ø механизм распределения генетического материала при митотическом делении клеток
Ø механизмы регуляции митотической активности клеток
· специфику, виды и биологическое значение амитоза
· виды и значение эндорепродукции
Студент должен уметь:
· определять в микропрепаратах кариотип человека, политенные хромосомы
· записать цитологическую характеристику различных фаз жизненного цикла клетки в виде хромосомной формулы
· определять под световым микроскопом основные фазы митоза в животной клетке
Студент должен иметь представление о:
· методике приготовления и окрашивания метафазных хромосом
· проблемах клеточной пролиферации в медицине
3, Место проведения:
Кафедра медицинской биологии генетики и экологии.
4. Время занятия: 135 минут.
5. Оснащение:
1) кодоскоп
2) методические разработки по данной теме
3) демонстрация микропрепаратов: кариотип человека, политенные хромосомы
4) слайды:
· схема редупликации ДНК
· надмолекулярное строение хромосомы
· уровни компактизации хроматина
· кариотип человека
· хромонемная организация хромосомы, типы хромосом, субмикроскопическое строение хромосом
· метафазная хромосома
· схема ультрамикроскопического строения животной клетки
· схема ультраструктуры интерфазного ядра
· жизненный цикл клетки
· митоз животной клетки
· амитоз
5) микропрепараты:
· митоз в яйце аскариды
· центросома
· амитоз в клетках мочевого пузыря мыши
6. Требования рабочей программы по изучаемому материалу:
Хромосома, её химический состав. Структурная организация хроматина, Гетерохроматин (конститутивный и факультативный) и эухроматин. Особенности хромосомной организации в зависимости от фазы пролиферативного цикла (хроматин, метафазная хромосома). Морфология хромосом. Нуклеосомная модель строения хромосомы.
Кариотип. Механизмы поддержания постоянства кариотипа в ряду поко-ления клеток и организмов. Жизненный цикл клетки. Периодизация клеточного цикла. Типы деления клеток. Митотический цикл. Фазы митоза, их характеристика и значение. Механизм распределения генетического материала при митотическом делении клеток. Механизм ауторепродукции генетического материала. Цитологическая и цитогенетическая характеристика фаз митоза и периодов интерфазы. Биологическое значение митоза для размножения и развития организмов. Механизмы регуляции митотической активности клеток. Значение эндомитоза и политении для нормального функционирования многоклеточного организма. Специфика и биологическое значение амитоза. Виды амитоза. Медицинские аспекты регенеративного и индуцированного амитоза. Проблемы клеточной пролиферации в медицине.
7. Ключевые вопросы темы:
1) Воспроизведение наследственного материала у эукариот на молекулярном уровне. Биологическое значение редупликации. Редупликация ДНК in vitro. Вклад учёных в определении механизма репликации ДНК.
2) Биологическое значение хромосомного уровня организации наследственного материала.
3) Строение хромосом. Правила хромосом. Кариотип человека.
4) Химический состав и ультраструктура хроматина. Виды хроматина (гетерохроматин и эухроматин).
5) Компактизация хроматина и биологическое значение.
6) Типы и классификация хромосом.
7) Клеточный цикл и его периоды.
8) Интерфаза и её основные периоды. Биологическое значение хромосомного уровня организации наследственного материала.
9) Митоз. Фазы митоза, основная характеристика процессов, происходящих в разные фазы митоза. Регуляция клеточного деления.
10) Биологическое значение митоза.
11) Амитоз. Виды амитоза и значение для организма.
12) Эндорепродукция и её значение.
8. Блок информации:
Выдающиеся успехи в изучении молекулярных основ генетики, достигшие в XX веке, привели к интеллектуальной «революции» в биологии. Новые факты и идеи оказали решающее влияние на все области биологии и привели к выяснению многих важных вопросов клеточной структуры и функции. Самое замечательное свойство живых клеток – их способность воспроизводить себе подобных с почти предельной точностью в сотнях и тысячах генераций.
Следует отметить три характерные особенности процесса воспроизведения: во-первых, генетическая информация плотно упакована в ядрах клеток в форме нуклеотидной последовательности молекулы ДНК, весящей не более 6х10-12г; во-вторых, замечательная особенность процесса воспроизведения живых организмов - исключительная стабильность генетической информации, хранящейся в ядре; в третьих, генетическая информация закодирована в форме специфической последовательности четырех основных мононуклеотидов.
Процесс редупликации ДНК сложен и длителен (занимает несколько часов), поскольку весь генетический материал клетки должен быть воспроизведён абсолютно точно. При возникновении в нём каких-либо отклонений клетка блокируется на подходе к митозу и может подвергнуться апоптозу. В принципах редупликации молекулы ДНК заложена основа устойчивого сохранения всей специфики генетической информации данного вида и данной особи. Это обусловлено комплементарностью при достройке молекулы ДНК. Редупликация обеспечивается особенностями химической организации молекулы ДНК. В процессе редупликации на каждой полинуклеотидной цепи материнской молекулы ДНК синтезируется комплементарная ей цепь. Из одной двойной спирали ДНК образуются две идентичные молекулы. Такой способ редупликации называют полуконсервативным. Он осуществляется по матричному принципу. Для осуществления ауторепродукции необходимы синтетические процессы в цитоплазме, ведущие к образованию четырех типов нуклеотидов, необходимы ферменты–белки для полимеризации полинуклеотидной цепи, необходимы источники энергии и наличие других внутриклеточных условий. С помощью фермента геликазы двойная спираль ДНК расплетается. Образовавшиеся при этом одноцепочечные участки связываются специальными дестабилизирующими белками. Молекулы этих белков выстраиваются вдоль полинуклеотидных цепей, растягивая их остов и делая азотистые основания доступными для связывания с комплементарными нуклеотидами, находящимися в нуклеоплазме. Области расхождения полинуклеотидных цепей в зонах репликации называют репликационными вилками. В каждой такой области при участии фермента ДНК – полимеразы синтезируются ДНК двух новых дочерних молекул. В процессе синтеза репликационная вилка движется вдоль материнской спирали ДНК, захватывая все новые зоны. Из двух дочерних цепей одна реплицируется непрерывно и eё синтез идет быстрее. Эту цепь называют лидирующей. Синтез другой цепи идет медленнее, так как она собирается из отдельных фрагментов Оказаки. Фрагменты образуются с помощью РНК-затравки. Одна из нитей ДНК разрезается на фрагменты с помощью фермента рестриктазы, вновь синтезированные отдельные фрагменты сшиваются вместе с помощью фермента лигазы. Такую цепь называют запаздывающей. Конечным результатом процесса редупликации является образование двух молекул ДНК, нуклеотидная последовательность которых идентична таковой в материнской двойнойспирали ДНК. В результате вновь синтезированная молекула ДНК воспроизводит всю специфику исходной молекулы.
Выяснение трехмерной структуры ДНК, предложенной в 1953 году Д. Уотсоном и Ф. Криком, позволила определить простой механизм точного переноса генетической информации от родителей к дочерним клеткам. Одномерная информация, содержащаяся в ДНК, преобразуется в «трехмерную», присущую макромолекулярным и надмолекулярным компонентам живых организмов, посредствам трансляции структуры ДНК в структуру белка. Более того, множество различных белков, обладающих характерной пространственной структурой и служащих компонентами мембраны, рибосом и других могут объединяться опять таки в соответствии с принципом структурной комплементарности. ДНК также прочно связывается с гистонами – основными (то есть положительно заряженными белками), входящими с состав хромосом эукариотических клеток. Гистоны содержат многочисленные, расположенные в строго определенных положениях остатки лизина и аргинина, R группы, которые при pН = 7,0 заряжены положительно; они могут взаимодействовать с отрицательно заряженными фосфатными группами, расположенными на периферии двойной спирали ДНК.
Хроматиновые нити, содержащие ДНК, связанные со специфическими белками, называются хромосомами. Важнейшую роль для организации хромосом и для их расхождения в дочерних клетках играет наличие центромеры – кинетохора. Потеря центромеры ведет к выпадению хромосом из ядра во время деления клетки и к её лизису в цитоплазме.
В жизни ядра и клетки в целом величайшее значение имеет ауторепродукция хромосом, которая невозможна без редупликации ДНК. Генетическая информация двух дочерних клеток путем деления одной материнской должна быть полноценной. Это достигается путем воспроизведения всех молекулярных структур исходной хромосомы. Ауторепродукция хромосом происходит в центральной стадии интерфазы, называющейся фазой синтеза ДНК.
После ауторепродукции вместо каждой хромосомы появляется пара, которая до момента деления ядра связана с центромерой. Такие дочерние хромосомы называют хроматидами. Пара хроматид видна во всех стадиях митоза и особенно четко во время метафазы. Учение об индивидуальности каждой хромосомы и всего набора хромосом, получившего название кариотипа, было обосновано С.Г. Навашиным и его учеником Г.А. Левитским и другими. Кариотип – это совокупность числа, величины и морфологии хромосом соматических клеток. Это – генетический критерий вида («лицо вида»). Действительно, набор метафазных хромосом специфически характеризует клетки каждого из видов организма. Характерным примером можно считать гигантские хромосомы из овоцитов первого порядка позвоночных. Они могут достигать длины 800 мкм (ламповые щетки). Длина одной хромосомы человека в растянутом виде около 5 см, а длина всех хромосом 170 см.
Характерной чертой строения ядер соматических клеток огромного большинства видов служит парность хромосом. Каждая индивидуальная хромосома имеет в ядре своего гомолога. Сущность парности хромосом (гомологичности) состоит в том, что один гомолог организм получает от матери, другой от отца. Для каждого вида характерно строго определенное количество хромосом – правило постоянства. Каждая пара хромосом характеризуется индивидуальной исчерченностью – правило индивидуальности. Правило непрерывности обеспечивается способностью ДНК к редупликации.
Для оптимизации процесса ауторепродукции хромосом, метафазная хромосома должна быть точно упакованная и находиться в форме, удобной для переноса в будущее ядро одной из двух дочерних клеток. Структурой, ответственной за информацию в клетке, является хроматин. Хроматин - это комплексы веществ, которыми образованы хромосомы - ДНК, белок и РНК в соотношении 1: 1,3: 0,2. Гетерохроматиновые участки более компактны, они сильно окрашиваются и располагаются на теломерах хромосом. Эухроматиновые участки плохо окрашиваются красителями, более деконденсированные, генетически более активны, содержат весь основной комплекс генов. Максимально конденсирован хроматин во время митотического деления клеток.
Именно компактизированное состояние хроматина крайне выгодно и удобно для процесса деления клетки. ДНК ассоциирована с белками-гистонами, в результате чего образуются нуклеосомы, являющиеся структурными единицами хроматина. Первый уровень компактизации хроматина – нуклеосомный. Нуклеосома представляет собой глобулу (октамер) диаметром 10 нм, содержащую по две молекулы каждого из четырёх гистонов Н2А, Н2В, НЗ и Н4, вокруг которых закручен участок ДНК, включающий 146 пар нуклеотидов. Между нуклеосомами располагаются линкерные участки ДНК, состоящие из 60 пар нуклеотидов, а гистон - HI обеспечивает взаимный контакт соседних нуклеосом. Образованная таким способом нуклеосомная нить имеет диаметр 10-11 нм. Длина молекулы ДНК уменьшается в 5-7 раз.
Дальнейшая компактизация нуклеосомной нити обеспечивается гистоном Н1, который, соединяясь с линкерной ДНК и двумя соседними белковыми телами, сближает их друг с другом. Образуется компактная структура – хроматиновая фибрилла, диаметром 20-30 нм – нуклеомерный уровень (супернуклеосомный). Один виток спирали содержит 6-10 нуклеосом. Этим достигается укорочение нити ещё в 6 раз.
Следующий уровень обусловлен укладкой хроматиновой фибриллы в петли (диаметром 50 нм), в образовании которых принимают участие негистоновые белки – хромомерный уровень. Нить ДНП укорачивается в 10-20 раз.
Четвертый уровень – хромонемный. Хроматиновая фибрилла преобразуется в структуру диаметром 100-200 нм, называемую интерфазной хромонемой, отдельные участки которой подвергаются дальнейшей компактизации, образуя структурные блоки. Образуются хромосомы. В результате суперспирализации ДНП в делящемся ядре хромосомы становятся видимыми при увеличении светового микроскопа. Общий итог конденсации – укорочение нити ДНП в 10000 раз.
В зависимости от расположения первичной перетяжки (центромеры) и взаимного расположения плеч выделяют три типа хромосом: метацентрические, имеющие примерно одинаковые плечи; акроцентрические, имеющие одно очень короткое и одно длинное плечо; субметацентрические, у которых одно длинное и одно более короткое плечо. Некоторые акроцентрические хромосомы имеют спутники (сателлиты) - мелкие участки короткого плеча, соединенные с ним тонким неокрашивающимся фрагментом (вторичная перетяжка). Концы плеч хромосом – теломерные участки.
Классификация и номенклатура равномерно окрашенных хромосом человека была выработана на международных совещаниях, созывавшихся в Денвере (1960г), Лондоне(1963г) и Чикаго (1966г). Согласно рекомендациям этих конференций, хромосомы располагаются в порядке уменьшения их длины. Все хромосомы разделены на семь групп, которые были обозначены буквами английского алфавита от А до G. Все пары хромосом было предложено нумеровать арабскими цифрами.
Группа А (1-3) - самые крупные хромосомы. Хромосомы 1 и 3 - мета-центрические, 2 - субметацентрическая.
Группа В (4-5) - две пары крупных субметацентрических хромосом.
Группа С (6-12) - хромосомы субметацентрические, средних размеров. Х-хромосома по размеру и морфологии сходна с хромосомами 6 и 7.
Группа D (13-15) - акроцентрические хромосомы средних размеров.
Группа Е (16-18) - средние хромосомы (16, 17 - метацентрические, 18 - акроцентрическая).
Группа F (19-20) - мелкие метацентрические, практически между собой не различимы.
Группа G (21-22) - две пары самых мелких акроцентрических хромосом. Y-хромосома выделяется как самостоятельная, но по морфологии и размерам она относится к группе G.
В настоящее время существует ДНК-маркеры (или зонды) для многих еще более мелких сегментов практически всех пар хромосом. С помощью таких ДНК-зондов можно точно оценить наличие или отсутствие определенного, даже очень маленького, сегмента в хромосоме.
Если мы обратимся к воспроизведению на клеточном уровне, то мы должны еще раз акцентировать внимание на том, что главным событием клеточного цикла является ауторепродукция хромосом. Различают следующие виды клеточной репродукции: 1) непрямое деление клетки – митоз, мейоз, эндорепродукция; 2) прямое деление клетки – амитоз. Время существования клетки от одного деления до другого получило название клеточного цикла. Жизненный цикл клетки это более широкое понятие. Оно включает в себя не только деление клетки, но и структурно-функциональные изменения в ходе ее развития. Клетки многоклеточных организмов обладают различной способностью к делению. В организме есть постоянно обновляющиеся клетки, например, клетки красного костного мозга, эпидермиса кожи, эпителия кишечника. Они постоянно делятся митозом. Это так называемые лабильные клетки. Многие клетки не размножаются в обычных условиях, но способны к делению во время репаративной регенерации, например, клетки печени, почек, желёз внутренней секреции, скелетной и сердечной мускулатуры и других внутренних органов. Они называются стабильными. Некоторые клетки, полностью теряют способность делиться, например, специализированные, дифференцированные клетки нервной системы. Это так называемые константные клетки. В них происходят лишь возрастные изменения.
Время существования клетки от одного деления до другого получило название клеточного цикла. Жизненный цикл клетки это более широкое понятие. Оно включает в себя не только деление клетки, но и структурно-функциональные изменения в ходе ее развития. Весь клеточный цикл состоит из подготовки к делению - интерфазы и собственно деления - митоза. Митоз - непрямое деление ядра, универсальный способ деления любых эукариотических клеток. Биологическое значение митотического цикла состоит в том, что он обеспечивает преемственность хромосом в ряду клеточных поколений, образования клеток, равноценных по объему и содержанию наследственной информации. Митотическое деление включает в себя разные состояния хромосом: интерфазные, деконденсированные и уже редуплицированные хромосомы переходят в компактную форму митотических хромосом.
Интерфаза состоит из 3-х основных периодов. G1 или пресинтетический, S или синтетический и G2 или постсинтетический.
Содержание генетической информации с клетке обозначают следующим образом: n – набор хромосом, (хр) – число хроматид в одной хромосоме, с – количество ДНК в одной хроматиде.
G1 составляет 30-40 % от времени всего клеточного цикла. В это время начинается рост клеток, увеличивается количество РНК, синтезируются белки-инициаторы синтеза ДНК. Завершается формирование ядрышка, увеличивается количество рибосом, синтезируется большое количество белка. Происходит синтез ферментов, необходимых для образования предшественников ДНК, ферментов метаболизма РНК и белка. Резко повышается активность ферментов, участвующих в энергетическом обмене. Полностью формируются одно- и двумембранные органоиды. В этот период клетка имеет диплоидное содержание хромосом, 2п, после митоза каждая хромосома состоит из одной хроматиды, 1хр, масса ДНК соответствует диплоидному 2с.
S период составляет 50% от времени клеточного цикла. Он является узловым. Происходит редупликация ДНК. Параллельно идет интенсивный синтез гистонов в цитоплазме и миграция их в ядро. где они связываются с ДНК. В этот период удваивается число хроматид. Каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид, увеличивается количество ДНК в клетке.
G2, период составляет 10-20 % от времени клеточного цикла. В этот период уровень синтеза РНК достигает максимума. Синтезируются белки, которые будут использоваться клеткой после деления. Синтезируется ATФ, белки тубулины для образования микротрубочек аппарата веретена деления, удваивается клеточный центр. Вероятно, идет выработка Митоз-стимулирующего фактора. Клетка готова к митозу.
Go период «покоя», в нем находятся клетки, перестающие делиться. В одних случаях клетки сохраняют способность к делению (например, стволовые клетки в кроветворной ткани), а в других нет,это как правило сопровождается дифференцировкой.
Митоз подразделятся на следующие основные фазы: профаза, метафаза, анафаза и телофаза. Деление условное, так как митоз представляет непрерывный процесс и смена фаз происходит постепенно. Единственная фаза, имеющая реальное начало - анафаза, в которой начинается расхождение хроматид. Длительность отдельных фаз различна (в среднем профаза и телофаза - 30-40', анафаза и метафаза - 7-15'). К началу митоза клетка человека содержит 46 хромосом, каждая из которых состоит из 2-х идентичных половинок - хроматид (хроматиду еще называют S-хромосомой, а хромосому, состоящую из 2-х хроматид - d-хромосомой).
Профаза. В нее входят клетки из G2 периода, с хромосомным набором 2и 2хр 4с. В начале профазы начинают выявляться тонкие профазные хромосомы. Начинается процесс конденсации хроматина. В профазе митоза исчезают ядрышки, при этом гранулярный и фибриллярный компоненты их дезинтегрируются в содержимом ядра и заполняют зоны между хромосомами. Фрагментируется ядерная оболочка. Содержимое кариоплазмы и цитоплазмы сливается. Происходит формирование аппарата веретена деления при участии микротрубочек и клеточного центра. В профазе уже репродуцировавшиеся в S-периоде центриоли начинают расходиться к противоположенным концам клетки, где будут позднее формироваться полюса веретена. К каждому полюсу отходят по двойной центриоли (диплосоме). По мере расхождения диплосом начинают формироваться микротрубочки. Одномембранные органоиды фрагментируются и отходят к периферии, вместе с двумембранными. Количество рибосом снижается, так как синтеза белка не происходит.
Метафаза. Морфологию митотических хромосом лучше всего изучать в момент их наибольшей конденсации, в метафазе и в начале анафазы. Метафазные хромосомы имеют длину от 2,3 до 11 мкм и диаметр от 0,2 до 5,0 мкм. Каждая хромосома образована одной длинной молекулой ДНП. Они представляют собой удлиненные палочковидные структуры, имеющие два плеча, разделенные центромерой. В хромосоме имеются эу- и гетерохроматиновые участки. Последние в неделящемся ядре (вне митоза) остаются компактными. Чередование эу- и гетерохроматиновых участков используют для идентификации хромосом.
Завершается образование аппарата веретена деления. Центриоли расходятся к полюсам. Хромосомы находятся на экваторе, образуя метафазную пластинку. На этой стадии особенно хорошо видно, что хромосомы максимально конденсированы и состоят из 2-х сестринских хроматид.
Анафаза. Это кульминационная фаза митоза. Начало ее внезапное. Сестринские хроматиды удаляются к полюсам клетки. В результате этого на полюсах находится диплоидный набор 2п, хромосома состоит из 1 хроматиды, масса ДНК 2с. При нарушении этой стадии возможно возникновение различных аномалий. Существуют 2 гипотезы расхождения сестринских хроматид. Электростатическая (хроматиды одинаково заряжены поэтому отталкиваются друг от друга) и механическая. Последняя считается наиболее правильной. Выделяют как бы 2 стадии анафазы. Во время 1 происходит перемещение хроматид к полюсам, связана с укорочением прикрепленных к кинетохорам микротрубочек. Во время 2 происходит раздвижение самих полюсов, связанных с удлинением полярных микротрубочек. До сегодняшнего дня точно не установлено, под действием каких сил осуществляется передвижение хромосом к полюсам. Есть несколько версий:
1. В веретене деления есть актиносодержащиеся нити (а также другие мышечные белки), возможно, что сила эта генерируется так же как в мышечных клетках.
2. Движение хромосом обусловлено скольжением хромосомных микротрубочек по непрерывным (межполюсным) микротрубочкам с противоположной полярностью (Мак-Итош, 1969, Марголис, 1978).
3. Скорость передвижения хромосом регулируют кинетохорные микротрубочки, чтобы обеспечить упорядоченное расхождение хроматид. Скорее всего, все перечисленные механизмы осуществления математически точного распределения наследственного вещества по дочерним клеткам кооперируются.
Телофаза. Во время нее хромосомы останавливаются на полюсах, происходит их деконденсация. Они становятся слабо конденсированными, почти не заметными. Восстанавливается ядрышко, ядерная оболочка. Разрушается аппарат веретена деления. После кариокинеза происходит цитокинез.В результате образуются 2 идентичные дочерние клетки с набором 2п1хр2с. Дальнейшая судьба вновь образовавшихся клеток неоднозначна. Одни вновь начнут делиться митозом, другие состарятся и погибнут так и не дав потомство, а третьи начнут делиться амитозом.
Процессы, происходящие с хромосомами при подготовке клеток к делению и в самом делении, обеспечивают самовоспроизведение и постоянство их структуры в ряду клеточных поколений. Новое поколение клеток получает одинаковую генетическую информацию в составе каждой группы сцепления. Таким образом, митотический цикл является всеобщим механизмом воспроизведения клеточной организации эукариотического типа в индивидуальном развитии.
Регуляция клеточного деления. Деление клеток наследственно детерминировано. Определены гены контроля клеточного деления. Мутация этих генов может привести к неконтролированному делению и образованию опухолей. Обнаружены белки-стимуляторы клеточного деления (факторы роста). Они действуют в определенной комбинации и избирательно на различные клетки. В настоящее время известен механизм выработки М-стимулирующего фактора, который зависит от синтеза белка циклина. В начале интерфазы вырабатывается активатор S-фазы. Он запускает механизм удвоения ДНК и не разрешает митоз, пока не удвоится вся ДНК. Определено действие особых веществ кейлонов на регуляцию клеточного деления. Большую роль в регуляции митоза осуществляют нервная и гуморальная системы (так, половые гормоны побуждают к делению клетки стенки матки, чтобы восстановить ткань утерянную при менструации). Клеточное деление происходит при определенных ядерно-плазменных отношениях.
АМИТОЗ. Амитоз является прямым делением клетки. Встречается в некоторых специализированных клетках или в клетках, где необязательно сохранение генетической информации из поколения в поколение. Амитоз происходит в клетке, ядро которой находится в интерфазном состоянии. При этом не происходит конденсации хромосом и образования веретена деления. Сначала делятся ядрышки а затем ядро, либо рубцевидной инвагинацией, либо гантелевидной перетяжкой. Иногда деление ядра при амитозе не сопровождается делением цитоплазмы, что приводит к образованию многоядерных клеток. Значение амитоза для организма не однозначно. Разновидности амитоза:
1. Регенеративный, имеет положительное значение, так как происходит когда нужно быстро восстановить целостность организма, после оперативного вмешательства или после травмы, ожогов. Клетки быстро делятся и образуют рубец.
2. Генеративный, встречается в норме при делении фолликулярных клеток яичника. Обычно в месяц созревает 1 яйцеклетка и окружающие ее фолликулярные клетки начинают быстро делиться, формируя зрелый фолликул.После выхода из него яйцеклетки, он заполняется желтым телом и затем растворяется, а на его месте формируется рубец. То есть в данном случае не нужны были точные механизмы распределения генетической информации, так как фолликул погибает.
3. Дегенеративный, встречается в стареющих, патологически измененных клетках, например при воспалениях или в клетках злокачественных опухолей.
4. Реактивный, наблюдается при воздействии на клетку химических или физических факторов.
Таким образом, амитоз приводит к образованию клеток, имеющих неравную генетическую информацию. После деления амитозом клетка утрачивает способность делиться митозом.
ЭНДОРЕПРОДУКЦИЯ. Эндорепродукция это появление клеток с увеличенным содержанием в клетке количества ДНК. Эндорепродукция делится на: эндомитоз и политению. В случае эндомитоза хромосомы претерпевают митотическую конденсацию, образуется аппарат веретена деления и клетка вступает в митоз. Но на каком то из этапов митоза происходит его нарушение. Эндомитоз подразделяется на полиплоидию и многоядерность.
Полиплоидия. Полиплоидия встречается в природе. У инфузории туфельки макронуклеус полиплоидное ядро. Полиплоидные клетки можно получить искусственным путем. Если добавить колхицин на стадии метафазы в клетку, микротрубочки аппарата веретена деления начнут разрушаться и хроматиды не разойдутся к полюсам. Вместо этого они вновь деконденсируются и оденутся ядерной оболочкой. Пройдя следующий синтетический период количество хромосом в клетке удвоится. Вместо диплоидного станет тетраплоидный набор. Такой способ получения полиплоидных клеток используется в селекции растений.
Многоядерность. Многоядерные клетки образуются, когда не происходит цитокинез. Такое явление описано при образовании клеток печени млекопитающих.Значение полиплоидных и многоядерных клеток: полиплоидные животные и растительные организмы значительно превосходят в размерах диплоидные. Увеличивается продуктивность сельскохозяйственных культур. Полиплоидные растения лучше приспособлены к условиям окружающей среды. Образовавшиеся многоядерные клетки как правило дифференцированы. Такие клетки выполняют большую нагрузку. Наличие 2-х и более ядер способствует лучшему выполнению их функций.
Политения. При политении хромосомы не вступают в митоз, не претерпевают митотической конденсации. При репликации ДНК новые дочерние хромосомы продолжают оставаться в деконденсированном состоянии. Политенные хромосомы - интерфазные, они участвуют в синтезе ДНК и РНК, представляют многонитчатые, не разошедшиеся после репликации хромосомы. Они встречаются в слюнных железах двукрылых насекомых (комаров). Политенные хромосомы структурно не однородны. Состоят из дисков, междисковых участков и. пуфов. С помощью политенных хромосом можно изучать работу хромосом в интерфазе. Диски это участки, конденсированного хроматина, в междисковых участках он менее конденсирован, а в пуфах хроматин максимально деконденсирован. Часто политенные хромосомы встречаются только во время личиночной стадии у насекомых. Это связано с необходимостью синтеза большого количества белка, нужного для развития личинки.
9.Контрольно-учебная карта внеаудиторной подготовки к занятии:
Цель этапа: путем самостоятельной работы с учебной литературой освоить ключевые вопросы темы.
| Ключевые вопросы темы | Цель | Вопросы для самоподготовки |
| 1.Воспроизведение на-следственного материала у эукариот на моле-кулярном уровне. Био-логическое значение редупликации. Редупли-кация ДНК in vitro. Вклад учёных в определении механизма репликации ДНК. | Изучить воспроизве-дение наследственного материала на моле-кулярном уровне. Знать механизмы редуплика-ции ДНК. | Способность к реду-пликации – основное свойство ДНК. Изучить способы редупликации ДНК. |
| 2.Биологическое значе-ние хромосомного уро-вня организации насле-дственного материала. | Показать, значение ауто-репродукции хромосом. | Определить значение ауторепродукции хро-мосом. |
| 3. Строение хромосом. Правила хромосом. Кариотип человека. | Изучить строение хромосом. Знать правила хромосом и кариотип человека. | Рассмотреть строение и правила хромосом. Изучить кариотип чело-века. |
| 4. Химический состав и ультраструктура хрома-тина. Виды хроматина (гетерохроматин и эухро-матин). | Знать химический состав хроматина, характерис-тику гетеро- и эу-хроматина. | Определить химический состав хроматина. Отличие гетеро- и эу-хроматина, особенности их строения. |
| 5.Компактизация хрома-тина и биологическое значение. | Уметь назвать уровни компактизации хромати-на. | Охарактеризовать уровни компактизации хроматина. |
| 6. Типы и классификация хромосом. | Знать типы хромосом. | Дать характеристику ти-пов хромосом. Пере-числить группы хро-мосом в соответствии с Денверской классифика-цией. |
| 7. Клеточный цикл и его периоды. | Выделить периоды клеточного цикла. Дать их характеристику. | Дать понятие «клето-чный цикл». Рассмотреть лабильные, стабильные и константные клетки. |
| 8. Интерфаза и её основные периоды. Биологическое значение хромосомного уровня организации насле-дственного материала. | Отметить главное собы-тие интерфазы – удво-ение ДНК. | Рассмотреть периоды интерфазы: пресинтетический, синтетический, постсинтетический. Написать хромосомный комплекс для каждого периода: указать количество хромосом, массу ДНК, количество хроматид в хромосоме. |
| 9. Митоз. Фазы митоза, основная характеристика процессов, происхо-дящих в разные фазы митоза. Регуляция кле-точного деления. | Знать 4 основные фазы митоза. Уметь выделить сущность каждой фазы Отметить значение мито-за для одноклеточных и многоклеточных орга-низмов. | Перечислить основные фазы митоза. |
| 10. Биологическое значе-ние митоза. | Обосновать биологическое значение митоза. | Определить сущность и биологическое значение митоза. |
| 11. Амитоз. Виды ами-тоза и значение для организма. | Объяснить отличие митоза от амитоза. | Определить сущность амитоза. Знать его классификацию. Отметить особенности, причины и значение амитоза. |
| 12) Эндорепродукция и её значение. | Определить биологическое и медицинское значение эпдорепродукции. | Дать понятие «эндорепродукция». Рассмотреть и отметить значение политеиии и энднмитоза. |
10.План самостоятельной работы в аудитории:
| Название этапа 1 | Описание этапа 2 | Цель этапа 3 | Время |
| 1.Собеседование | Определение темы и цели занятия. Обосновать актуальность темы | Активизация мыслительной деятельности. | |
| 2.Контроль исходного уровня знаний. | Выполнение входного тестового контроля. | Выявление уровня знаний. | |
| 3. Подготовка к самостоятельной работе. | Разбор основных вопросов темы, обучающих и тренирующих задач. | Коррекция знаний. | |
| 4.Самостоятельная работа. | Студенты самостоятельно выполняют практическую работу, ход которой изложен в приложении. | Выработка навыков самостоятельной работы с микроскопом, при изучении фаз митоза и амитоза. | |
| 5. Оформление результатов практической работы. | В ходе практической работы оформить протокол в альбоме. Изучить митоз в препаратах животных и растительных клетках. | Выработка умения микроскопировать и различать стадии митоза. Документировать результаты работы для дальнейшего использования. | |
| 6. Обсуждение результатов практической работы | Студенты подписывают протоколы практической работы, отчитываются о проделанной работе. | Умение делать теоретические выводы. | |
| 7.Контроль знаний после обсуждения темы. | Выполнение выходного тестового контроля. | Контроль за уровнем усвоения материала. | |
| 8.Самостоятельное решение контролирующих задач | Студенты решают задачи. | Выявление степени усвоения учебной темы. | |
| 9. Заключение | Подведение итогов занятия. | Ориентация студентов на самостоятельную домашнюю подготовку. |
11. Литература:
1. Ярыгин В.Н., Васильев В.И., Волков И.Н., Синельников В.В. Биология В 2 кн. Учеб. для медиц. спец. вузов. –М.: Высш. шк., 2000
2. Н.Грин. У. Стаут. Д. Тейлор. Биология в 3-х томах. Москва. Мир 1996.
3. В. Альберте, Д. Брей, Д. Льюис, М. Рэфф, К. Роберте, Д. Уотсон. Молекулярная биология в 3-х томах. Москва. Мир. 1994.
4. Лекции по биологии.
5. Пехов А.П. Биология основами экологии. - Спб.: Лань,2001.-198с.
6. Мушкамбаров Н.Н., Кузнецов С.Л. Молекулярная биология. Изд. Медицинское информационное агентство. Москва, 2003.
12. Задачи: Обучающие задачи:
1. Судебная экспертиза мазка крови определила, что кровь принадлежит женщине. При изучении ядер нейтрофильных лейкоцитов после дифференциальною окрашивания на препарате были четко видны хромосомы, их плечи, центромеры хромосом.Сколько хромосом в кариотипе женщины, соответствует ли это норме? По каким признакам было сделано заключение, что кровь принадлежит
женщине? Какие типы хромосом выявляются в препарате? На каком уровне компактизации находится хроматин?Какова генетическая активность хроматина в этих клетках?
Ответ: В кариотипе женщины должно присутствовать 46 хромосом, что соответствует норме. Кровь женской особи характеризует наличие полового хроматина, который обнаруживается в форме барабанной палочки в одном из сегментов нейтрофильных лейкоцитов. В препарате крови будут выявляться различные по талу расположения центромер хромосомы - метацентрические, субметадентрические, акроцентрические, спутничные.Хроматин в клетках будет выявляться в двух формах - диффузной, что соответствует первым уровням компактизации (нуклеосомному, нуклеомерному), а там, где четко видны хромосомы, он находится на высшем уровне компактизации - хромосомном.
2. В результате митотического деления клеток красного костного мозга образовались 2 клетки. Количественным методом установили, что в каждой из них содержится уменьшенное в двое количество ДНК. в каком периоде клеточного цикла находятся клетки? Какой у них хромосомный комплекс? Какая степень конденсации хроматина в этом периоде? Может ли эта клетка войти в новый митотический цикл?
Ответ: Если в клетках содержится уменьшенное в двое количество ДНК, следовательно можно предположить, что эта клетка только что прошла митоз. А точнее телофазу митоза, что подтверждается фактом образования двух дочерних клеток. Сразу после митоза клетка вступает в Gj. в этом периоде количественным методом фиксируется уменьшенное количество ДНК, так как редупликации ДНК наступает позднее, в S период интерфазы. А каждая хромосома состоит из одной хроматиды. Хромосомный набор 2п 1хр 2с. в этот период хроматин максимально деконденсирован. в норме клетки красного костного мозга пройдя интерфазу, вновь вступают в новый митотический цикл. Они относятся к лабильным, то есть постоянно делящимся_клеткам.
Тренирующая задача:
При исследовании клеток печени человека были выявлены двуядерные клетки. В результате какого типа деления они образовались? Какое количество хромосом содержится в этих клетках? Могут ли эти клетки вступить в новый митотический цикл?
Контролирующая задача:
В препарате, приготовленном из культуры крови человека, после предварительной окраски по Романовскому-Гимзе, были выявлены клетки на разных стадиях деления. В одних были видны сильно конденсированные двух хроматидные хромосомы на экваторе. Объясните, на какой стадии митоза находятся эти клетки? Что можно изучать на этой стадии? Каков хромосомный комплекс? Покажите схематично расположение хромосом в клетке. Укажите, какие микротрубочки участвуют в образовании аппарата веретена деления?
Приложение:
Задание №1.
Демонстрационно рассмотреть следующие препараты:
· кариотип человека
· политенные хромосомы
· кариотип мыши
Дата добавления: 2015-01-05; просмотров: 222 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |