Практическое занятие № 1. Изучение клеточных основ наследственности человека

Практическое занятие № 1. Изучение клеточных основ наследственности человека

Цель и задачи: изучить строение эукариотической клетки, процессы митоза, мейоза, гаметогенеза, научиться делать записи содержания генетического материала в разных фазах деления.

 

Оснащение: учебники, справочники, таблицы: «Митоз», «Мейоз», «Гаметогенез»

 

Вопросы для самоподготовки

1.Основные компоненты эукариотической клетки, их функции

2. Строение и функции компоненты ядра

3. Строение метафазной хромосомы.

4. Гетерохроматин, эухроматин. Х- и Y- хромосомы.

5. Виды хромосом. Кариотип. Идиограмма.

6. Жизненный, клеточный, митотический циклы клетки.

7. Типы деления клеток эукариот: амитоз, митоз, мейоз.

8. Гаметогенез

Самостоятельная работа учащихся.

1. Рассмотрите под микроскопом различные фазы митоза и зарисуйте их.

 

 

2. Зарисуйте различные формы хромосом с обозначением структурных элементов

 

 

3. Заполните таблицу»Митоз и мейоз»

	Содержание генетического материала	Клетки, образующиеся при делении	Результат деления
	Профаза I	Метафаза I	Анафаза I	Телофаза I	Профаза II	Метафаза II	Анафаза II	Телофаза II
Митоз
Мейоз

 

4. Заполните таблицу «Сравнительная характеристика периодов сперматогенеза и оогенеза»

	спераматогенез	оогенез
Периоды	Протекающие процессы	Название клеток	Содержание генетического материала	Протекающие процессы	Название клеток	Содержание генетического материала
Размножения
Роста
Созревания
Формирования

Сделайте вывод о сходстве и различии сперматогенеза и оогенеза

 

5. Назовите термины:

5.1.Непрямое деление клетки

5.2. Первичная перетяжка, место прикрепления «веретена деления»

5.3.Диплоидный хромосомный набор клетки

5.4.Генетическая информация организма

5.5. Деконденсированный хроматин (генетически активные участки хромосом)

5.6. Процесс обмена генами в процессе мейоза

5.7. Форма ядерного деления, сопровождающаяся уменьшением числа хромосом

5.8. Конденсированный хроматин (генетически неактивные участки хромосом)

5.9. Парное расположение хромосом в порядке их убывающей величины

5.10. Фаза митоза наиболее подходящая для изучения хромосом

Теоретическое обоснование

Клетка является основой строения любого организма, а при размножении – связующим звеном двух поколений. Клетки состоят из оболочки, цитоплазмы и ядра.

Плазматическая мембрана отделяет внутреннее содержимое клетки — цитоплазму от окружающей среды. Она состоит из двух слоев фосфолипидов и белков, которые могут пронизывать оба фосфолипидных слоя насквозь, или частично погружаться в них. На наружной поверхности мембраны имеется углеводный ком­понент (гликокаликс), который присоединяется чаще к белковым, чем к липидным молекулам.

На мембранах осуществляются многочисленные биохимические процессы: активное поглощение органичес­ких и неорганических веществ, синтез ряда соединений и др.

Цитоплазма – полужидкая коллоидная бесцветная масса сложного стро­ения. Она может быть в состоянии геля (вязкое состояние) и в состоянии золя (разжиженное состояние). В цитоплазме расположены ядро, органоиды и включения. Основное вещество цитоплазмы называется матриксом (гиалоплазма или цитозоль). Цитоплазма связывает все органо­иды, обеспечивает обмен веществ между ними, в ней протекает также ряд биохимических реакций (синтез нуклеотидов, некоторых аминокислот, жир­ных кислот, расщепление веществ).

Эндоплазматическая сеть – это система соединенных между собой канальцев и цистерн, вакуолей (пузырьков) различной формы и величины. Она контактирует со всеми органоидами клетки, ядром и наружной ядерной мембраной. Осуществляет транспорт и обмен веществ внутри клетки.

Аппарат Гольджи – это стопка уплощенных мембранных цистерн (мешочков) и связанных с ними систем пузырьков. В нём накапливаются различные продукты кле­точного обмена и поступающие извне вещества. Комплекс Гольджи принимает участие в формировании лизосом

Митохондрии – это сферические или палочковидные образо­вания сложной структуры. Они состоят из матрикса, окруженного внутренней мембраной, межмембранного пространства и наруж­ных мембран. В них образуется и накапливается энергия в виде АТФ.

Рибосомы – состоят из двух субчастиц: большой и малой, в состав которых входят р-РНК и белки, расположенные на мембранах эндоплазматической сети или свободно в цитоплазме. Функция рибосом – синтез белков орга­низма.

Лизосомы – это простые мембранные мешочки, наполненные различными литическими ферментами. Лизосомы яв­ляются «пищеварительной системой» клетки. В случае разрушения мембраны лизосомы могут переваривать и содержимое цитоплаз­мы клетки — автолизис (самопереваривание).

Центросома, или «клеточный центр» - представляет собой пару центриолей, которые расположены под прямым углом друг к другу. Центросома участвует в процессе деления клетки, создавая веретено деления.

В цитоплазме встречаются включения — непостоянные компоненты клетки:

1) трофические (питательные): жиры, углеводы;

2) секреторные (нужные организму): гор­моны, ферменты;

3) экскреторные (ненужные и подлежащие выделению из организма): мочевая кислота и др.;

4) пигментные: меланин (коричневый пигмент).

Одним из основных компонентов клетки является ядро.

Ядро состоит: 1) ядерная оболочка; 2) ядерный сок; 3) хроматин; 4) ядрышко

Ядерная оболочка состоит из двух мембран, которые разделяются перинуклеарным пространством или цистерной ядерной оболочки. В ядерной оболочке имеются ядер­ные поры. Число ядерных пор зависит от метаболической актив­ности клетки: чем она выше, тем больше пор на единицу поверх­ности клеточного ядра. Каждая из мембран имеет строение, аналогичное плазматической мембране

Ядерный сок (кариоплазма, нуклеоплазма) – бесструктурная масса, в которой содержатся белки, различные виды РНК, свободные нуклеотиды, аминокислоты, промежуточные продукты обмена веществ, суб­частицы рибосом.

Ядрышко – самая плотная структура ядра. Формируется определенными участками хромосом (13—15, 21, 22) с генами, кодирующими синтез р-РНК; в нем образуются субчастицы рибосом. Обнаруживается только в неделящихся клетках, а во время деления оно исчезает. Образование и число ядрышек зависит от числа и активности ядрышковых организаторов (участков хромосомы, расположенных в зонах вторичных перетяжек).

Хроматин (or греч. chroma — цвет, краска) –дезоксирибонуклеопротеин (ДНП), комплекс ДНК и гистоновых белков;. В интерфазных клетках хроматин может быть рассеян по всему ядру или располагаться в виде отдельных интенсивно окрашенных глыбок, гранул и сетевидных структур. В делящихся клетках ДНП сильно спирализуется, уплотняется, упаковывается и с помощью белков приобретает определенную форму хро­мосом.

Хромосома – спирализованные нуклеопротеидные нитевидные структуры клеточного ядра, содержащие наследственную информацию. Интенсивно окрашенное тельца, которые формируются в начале деления клеток. В метафазе митоза, хромосомы располагаются в плоскости экватора и хорошо видны в световой микроскоп, так как в этот момент ДНК достигает максимальной спирализации. Морфологически в хромосомах раз­личают гетерохроматин и эухроматин.

Эухроматин – генетически активные участки хромосом (находятся струк­турные активные гены, контролирующие развитие приз­наков организма). В метафазных хромосомах виден в виде светлых полос, а в интерфазе находится в деспирализованном состоянии.

Гетерохроматин – генетически неактивные участки хромосом (нетранскибируются в РНК). В метафазных хромосомах при дифферен­циальном окрашивании в виде темных полос различных размеров, состоящих из конденсированной (спирализованной) плотно упакованной молекулы ДНК.

Половым хрома­тином или тельцем Бара называется инактивированная Х-хромосома. Отсутствие тельца Барра у женщин свидетельствует о хромосомном заболевании — син­дроме Шерешевского-—Тернера (кариотип 45, ХО). Присутствие у мужчин тель­ца Барра свидетельствует о наследственном заболевании — синдроме Клайнфельтера (кариотип 47, XXY).

Ученые считают, что в клетках по мере специализации все большее число генов инактивируется (выключается), эухроматин переходит в гетерохрома­тин.

Метафазные хромосомы состоят из двух сестринских хроматид (удвоенных молекул ДНК), соединенных друг с другом в области первичной перетяжки — центромеры. Центромера делит хромосому на два плеча. В зависимости от расположения центромеры хро­мосомы бывают:

1. метацентрические — центромера расположена по середине и плечи примерно равной длины;

2. субметацентрические — центромера смещена от середины хромосомы и одно плечо несколько короче другого;

3. акроцентрические — центромера расположена близко к концу хромо­сомы и одно плечо значительно короче другого.

 

Участок каж­дого плеча вблизи центро­меры называется прокси­мальным, удаленный от нее – дистальным. Конце­вые отделы дистальных участков называются теломерами. Теломеры препятствуют соединению концевых участков хромосом. Потеря этих участ­ков может сопровождаться хромосомными перестройками. Некоторые хромосомы имеют вторичные перетяжки, отделя­ющие от тела хромосомы участок, называемый спутником (спутничные хромосомы). В соматических клетках присутствует диплоидный (двойной) набор хро­мосом, в половых гаплоидный (одинарный).

Рис.1. Схема строения метафазной хромосомы (а) и типы хромосом (б): а: 1 - хроматиды; 2 - спутник; 3 - вторич­ная перетяж ка; 4 - центромера; 5 - плечо; 6 - теломеры; б: 7 - метацентрическая; 8 - субметащентрическая, 9 - акроцентрические

Половые хромосомы – это хромосомы, определяющие формирование мужского и женского полов (XX у женщины и XY y мужчи­ны (44+XX и 44+XY соответственно).

Аутосомы – все хромосомы в клетках, за исключением половых хро­мосом.

Совокупность хромосом клетки, характеризующаяся их числом, размером и формой, называется кариотипом (рис.2).

Для того чтобы легче разобраться в сложном комплексе хромосом, сос­тавляющих кариотип, их располагают в виде идиограммы.

Идиограмма – это систематизированный кариотип. По Денверской классификации (Денвер, США. 1960 г.) хромосомы располагаются попарно по мере убывания их величины, с учетом положения центромеры, наличия вторичных перетяжек и спутников. Исключением являются половые хромосомы, которые выделя­ются особо. В основу Парижской классификации (1971 г.) поло­жена дифференциальная окраска хромосом, при которой в каждой паре хро­мосом выявляется характерный только для нее уникальный порядок чередо­вания темных и светлых полос гетеро- и эухроматиновых районов (рис 3)

Рис. 2. Кариотип (а) и идиограмма (б) хромосом человека	Рис. 3. Парижская классификация хромосом человека (эухроматические районы представлены бе­лым цветом; гетерохроматические — черным; заштрихованы места вторичных перетяжек, или ядрышкообразующие районы)

Основные функции хромосом состоят в хране­нии, воспроизведении и передаче генетической информации при размножении клеток и организмов.

Существуют различные типы деления клеток: амитоз, митоз, мейоз.

Амитоз – прямое деление клетки. При этом сохраняется интерфазное состояние ядра (видны ядерная оболочка и ядрышко, хромосомы не выявляются, веретено деления не образуется). Ядро делится путем перетяжки, может возникнуть и двуядерная клетка, иногда перешнуровывается и цитоплазма. Описано амитотическое деление в клетках кожного эпителия, скелетной мускулатуре, в стареющих и патологически измененных клетках. После амитоза клетки не способна приступить к митотическому делению.

Жизнь клетки от момента ее возникновения в результате деления мате­ринской клетки до ее собственного деления или смерти называется жизненным циклом. В течение всей жизни клетки растут, дифференцируются, выполняю специфические функции.

Митотический цикл – это период в жизнедеятельности клетки от момента ее образования и до разделения на дочерние клетки. Митотический цикл включа­ет интерфазу и митоз.

Интерфаза состоит из трех периодов: пресинтетического (постмитотического) G₁, синтетическо­го S и постсинтетического (премитотического) – G₂.

Содержание генетической информации в клетке обо­значают следующим обра­зом: n – набор хромосом, хр – число хроматид в одной хромосоме, с – число моле­кул ДНК.

Образовавшаяся после митоза клетка содержит диплоид­ный набор хромосом т.е. каждая хромосома имеет одну хроматиду (2n1хр2с).

В пресинтетический период (G₁) интер­фазы, клетка выполняет свои функции, увеличивается в размерах, в ней идет синтез белков и нуклеотидов, накапливается энергия в виде АТФ.

В синтетический период (S) происходит репликация мо­лекул ДНК, т. е. каж­дая хроматида достраивает себе подобную, и генетиче­ская информация к концу этого периода становится 2n 2хр4с.

В постсинтетический период – G₂ затухают все синтетические процессы. Содержание генетической информации не изменяется (2 n 2хр4с).

Митоз – непрямое деление клеток, сопровождающееся спирализацией хромосом. Митозом делятся соматические клет­ки, в результате чего дочерние клетки получают точно такой набор хромосом, какой имела материнская клетка. Процесс митоза подразделяют на 4 стадии: профазу, метафазу, анафазу и телофазу, которым предшеству­ет интерфаза (рис. 4).

Профаза – происходит увеличение объема ядра, спирализация хроматиновых нитей, расхождение центриолей к полюсам клетки и формирование веретена деления. К концу профазы фрагментируются ядрышки и ядерная оболочка, хромосомы выходят в цитоплазму и устремляются к центру клетки. В конце профазы к центромерам хромосом прикрепляются нити веретена деления. Содержание генетического материала при этом не изменяется (2 n2хр4с).

Метафаза – самая короткая фаза, когда хромосо­мы располагаются на экваторе клетки. Содержание генетического материала остается прежним (2 n2хр4с).

 

 

Анафаза – происходит продольное разделение хроматид в области центромеры. Нити веретена деления со­кращаются, и хроматиды (дочерние хромосомы) расходятся к полюсам клетки. Содержание генетической информации ста­новится 2n1хр2с у каждого полюса. Телофаза – формируются ядра дочерних клеток: хромосомы деспирализуются, строятся ядерные оболочки, в ядре появляются ядрышки. Митоз заканчивается цитокинезом — делением цито­плазмы материнской клетки. В конечном итоге образуются две дочерние клетки, каждая из которых имеет 2n хромосом, одну хроматиду в хромосоме и 2с наборов ДНК. Основное значение митоза заключается в под­держании постоянства числа хромосом, обусловленном точ­ным распределением генетической информации между до­черними клетками. Мейоз – деление, приводящее к уменьшению числа хромосом вдвое. С помощью мейоза происходит обра­зование и созревание половых клеток (яйцеклеток и сперматозоидов) из особых соматических клеток яичников и семенников (рис.5.) Мейотическое деление протекает в два этапа — мейоз-I и мейоз-II. Каждое мейотическое деление, также как и митотическое, подразделяют на 4 фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу. Мейоз - I. Профаза 1 – хроматиновые нити спирализуются, начинается конъю­гация – попарное со­единение гомологич­ных хромосом, гомологичные хромосомы тесно со­прикасаются по всей длине, образуя биваленты. Бивалент — это пара гомологичных хромосом, каждая из которых состоит из двух хроматид. Конъюгирующие хро­мосомы могут обмениваться участками хроматид – происхо­дит кроссинговер. Центриоли расходятся к полюсам клет­ки, а в конце профазы фрагментируются ядрышко и ядерная оболочка.

Рис. 4. Схемы интерфазы и последовательных стадий митоза

Содержание генетического мате­риала составляет 2 n 2хр4с.

Метафаза-I – биваленты выстраиваются в экваториальной плос­кости клетки, образуя метафазную пластинку. Хромосомы при этом сильно спирализованы — утолщены и укорочены. Число бивален­тов вдвое меньше, чем число хромосом в соматической клетке организма, то есть равно гаплоидному числу. Нити веретена деления прикрепляются к центро­мерами. Содержание генетического мате­риала составляет 2n2хр4с.

Анафаза-I – гомологичные хромосомы, со­стоящие из двух хроматид, расходятся к противопо­ложным полюсам. Принципиальное отличие анафазы мейоза от анафазы митоза заключается в том, что в редуцированный гапло­идный набор попадает по одной гомологичной хромосоме из каж­дого бивалента. Содержание генетического материала 1n2хр2с у каждого полюса клетки, а в целом в клетке - 2∙(1n2хр2с). Телофаза I очень короткая. Она характеризуется формировани­ем новых ядер и ядерной мембраны. Так заканчивается первое мейотическое деление — редукционное. Далее наступает стадия интеркинеза; она непродолжительна и в ней не происходит син­теза ДНК и удвоения хромосом. В результате мейоза-I образуются две дочерние клетки, со­держащие гаплоидный набор хромосом, но каждая хромосома имеет две хроматиды (1n 2хр2с). Мейоз-II – эквационное деление – протекает по типу обыч­ного митоза. В профазе II хромосомы спирализуются, исчезает ядерная оболочка и ядрышко; формируется веретено деления (1 n 2хр2с). Непродолжительная В метафазе II хромосо­мы располагаются в экваториальной плоскости.

Рис. 5. Схема основных этапов мейоза (дупликация одной хромосомы и два последующие ядерные и клеточные деления)

 

На этой стадии мей­оза хромосомы морфологически отличаются от митотических более четкой двойной структурой и спирализацией. Нити веретена при­креплены к центромере (1 n 2хр2с). В анафазе II после продольного деления цен­тромеры одна хроматида идет к одному полюсу, а другая к другому. (1n1хр1с у каждого полюса)

В телофазе II образуется четыре гаплоидных ядра. В клетке происхо­дит цитокинез, в результате которого образуются четыре клетки (lnlxplc).

Таким образом, в результате двух последовательных деле­ний мейоза из одной диплоидной клетки образуются 4 гапло­идные.

Значение мейоза состоит в поддержании постоянст­ва числа хромосом и рекомбинации генетического материала, обусловленной кроссинговером и случайным расхождением к полюсам гомологичных хромосом и хроматид.

Сходство митоза и мейоза:

- имеют одинаковые фазы (профаза, метафаза, анафаза, телофаза);

- перед обоими делениями происходит самоудвоение хромосом, редупликация ДНК, клетка проходит подготовительный этап;

- распространены у всех живых организмов (кроме прокариотов).

Различия:

Митоз

Мейоз

Одно деление; образуются соматические клетки; ДНК удваивается перед каждым делением; в профазе парные хромосомы не притягиваются друг к другу; в метафазе выстраиваются по эк­ватору удвоенные хромосомы; в анафазе к полюсам клетки рас­ходятся хроматиды; в телофазе дочерние клетки со­храняют диплоидный набор хромо­сом (2п), и каждая хромосома состо­ит из одной хроматиды; интерфаза перед митозом продол­жительная, в S-периоде происходит удвоение ДНК.

Два деления (1 — редукционное; 2 — уравнительное); образуются половые клетки, спо­ры; ДНК удваивается один раз перед первым делением; в профазе I пары гомологичных хромосом конъюгируют, происходит кроссинговер; в метафазе I выстраиваются пары гомологичных хромосом; в анафазе I к полюсам клетки рас­ходятся гомологичные хромосомы; в телофазе I образуются дочер­ние клетки с гаплоидным числом хромосом и и в каждой хромосоме две хроматиды; интерфаза между I и II деления­ми короткая, ДНК не удваивается.

Процесс развития (образования) гамет называется гаметогенезом, развитие сперматозоидов — сперматогенезом, развития яйцеклеток — овогенезом.

Сперматогенез. (рис. 6)Семенник состоит из многочисленных канальцев. Развитие сперматозоидов происходит в стенке извитых канальцев семенников. В канальцах имеется несколько слоев клеток (зон).

Зона размножения – в наружном слое семенного канальца происходит деление клеток митозом (это диплоидные клетки – 2п2с). Они размножаются на протяжении всего периода половой зрелости мужской особи и называются сперматогониями.

Зона роста – сперматогонии растут и образуется сперматоцит первого порядка (2п4с).

Зона созревания – сначала происходит 1-е мейотическое деление и образуется сперматоцит второго порядка (п2с); затем – 2-е мейотическое деление и образуются сперматиды (пс).

Зона формирования – хорошо выражена, из сперматиды (у которой еще много цитоплазмы) формируются головка, шейка и хвостик, образуется сперматозоид.

Сперматозоиды имеют малые размеры, по­движны. На переднем конце головки расположена акросома (видоизмененный комплекс Гольджи), способствующая про­никновению сперматозоида в яйцеклетку. Ядро занимает всю головку и окружено тонким слоем цитоплазмы. В шейке на­ходятся центриоль и спиральная нить митохондрий, которые поставляют энергию для движения сперматозоида.

Овогенез (рис. 6) происходит в яичниках.

В эмбриональный период клетки яичника делятся митозом и образуются овогонии (2п2с), которые к моменту рождения превращаются в овоцит первого порядка и задерживают свое раз­витие, сохраняясь без изменений до полового созревания.

С наступлением половой зрелости отдельный овоцит первого порядка переходит к росту: удваивается ДНК (2п4с), увеличивается его размер, накапливаются белки, жиры, углеводы, пигменты. Каждый овоцит окружается мелкими фолликулярными клетками, обеспечивающими его питание. Сначала обрадуется первичный, затем вторичный и зрелый фолликулы.

Далее происходит овуляция (стенка зрелого фолликула лопается, яйце­клетка попадает в воронку маточной трубы) и наступает созревание яйцеклет­ки – первое мейотическое деление. Из овоцита первого порядка образуется овоцит второго порядка и направительное тельце. В направительное тельце уходит только избыток хромосомного материала (п2с), а запас питательных веществ остается в овоците второго порядка.

2-е мейотическое деление заканчивается при проникновении сперматозо­ида в овоцит второго порядка. Образуется овотида, которую называют зрелой яйцеклеткой, и направительное тельце с половиной генетического материала (пс).

Яйцеклетка имеет относительно крупные размеры, шарообразную или слегка вытя­нутую форму. Она неподвижны. Со­держат полный набор органоидов, индукторов и запас пита­тельных веществ (желток). Покрыты оболочкой и клетками фолликулярного эпителия.

 

Рис. 6. Гаметогенез (схема). Прослежены изменения двух пар хромосом

 

Отличие сперматогенеза от овогенеза.

1. При сперматогенезе из одной исходной клетки образуется 4 сперматозоида, а при овогенезе и: одной исходной клетки образуется одна яйцеклетка и три направительных тельца (в которые уходит только избыток хромосомного материала, и набо(хромосом в яйцеклетке становится гаплоидным).

2. При сперматогенезе зона роста относительно короткая, а при овогенезе — длинная (накапливается запас питательных веществ для будущей зародыша).

3. При сперматогенезе зона формирования хорошо выражена, при ово­генезе — не выражена.