ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ НА КЛЕТОЧНОМ УРОВНЕ. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ КЛЕТКИ

Задание б. Основные риотической клетки

Изучите схему субмикроскопического строения бактериальной клетки (рис. 3). На рисунке обозначьте: клеточную стенку, плазмалемму, мезосомы, фотосинтетические мембраны, цитоплазму, рибосомы, хромосому, плазмиды, скопление запасных веществ.

Ответьте на вопросы:

• Какие древнейшие прокариоты, живущие в настоящее время,
занимают промежуточное положение между вирусами и бак
териями?

• В каких структурах клетки происходит синтез АТФ у гете
ротрофных и автотрофных прокариот?

• Какие системы жизнеобеспечения присущи любой клетке?
Чем представлена система самовоспроизведения в прокарио-
тической клетке?

Рис 3. Обобщенная схема строения клетки бактерий"

Задание 7. Строение эукариотической растительной клетки

Рассмотрите схему строения растительной клетки (рис. 46). На рисунке обозначьте: оболочку, плазмалемму, цитоплазму, митохондрии, пластиды, комплекс Гольджи, ЭПС, вакуоли, рибосомы, ядро, ядрышко, ядерную мембрану, кариоплазму.

Перечислите структуры, свойственные только растительным клеткам.

Какие органеллы, характерные для животных клеток, отсутствуют в клетках высших растений?

Приготовьте временный препарат листа элодеи. Зарисуйте 1-2 клетки, обозначьте: оболочку, плазмалемму, цитоплазму, ядро, хлоропласты. Обратите внимание на движение хлоропластов под воздействием света. Укажите основные структурные отличия между животными и растительными клетками.

-18-

-19-

Рис. 4. Комбинированная схема строения эукариотической клетки а - клетка животного происхождения; б - растительная клетка.

Задание 8. Строение животной эукариотической клетки

Рассмотрите схему субмикроскопического строения животной клетки (рис. 4а). На рисунке обозначьте: ПМ, цитоплазму, ЭПС, КГ, митохондрии, лизосомы, рибосомы, клеточный центр. Обратите внимание на компартментацию клетки, определяемую большим количеством внутриклеточных мембран. Рассмотрите электронные микрофотографии органелл эукариотической клетки.

На микропрепаратах под малым и большим увеличениями микроскопа рассмотрите строение клеток слизистой полости рта человека или клеток печени крысы. Зарисуйте 1-2 клетки, обозначьте: ПМ, цитоплазму, ядро, включения гликогена (клетки печени).

Задание 9. Поверхностный комплекс животной клетки

Вклеточной оболочке животной клетки различают над-мембранный комплекс (гликокаликс), ПМ и кортикальный (корковый) слой, который изнутри примыкает к ПМ.

Изучите по табл. 5 особенности организации и функции компонентов поверхностного комплекса животной клетки.

Ответьте на вопросы:

• Как поступают в клетку неполярные(холестерин и его производные) вещества (1), полярные высокомолекулярные соединения (2) и ионы (3):

а) свободно без участия мембранных пузырьков; ' б) через белковые ионные насосы;

в) только путем эндо- и экзоцитоза при помощи мем
бранных пузырьков;

г) путем осмоса?

-20-

-21-

Для каких клеток крови человека важное значение имеет транспорт веществ в мембранной упаковке (пино- и фагоцитоз)? Какие элементы цитоскелета клетки, соединяясь с ПМ, обеспечивают изменение ее конфигурации и далее - пино- и фагоцитоз? Липосомы - это искусственно приготовленные из фос-фолипидов мембранные пузырьки. Почему их можно использовать для введения внутрь клеток лекарственных препаратов?

Таблица 5

Поверхностный комплекс животной эукариотической клетки

Компонент	Особенности и функции
Гликокаликс	Представлен периферическими белками ПМ и углеводами (2 - 10%) в составе гликолигшдов и гликопро-теидов. Определяет межклеточные узнавания, антигенные, адгезивные и рецепторные свойства клетки.
Плазмалемма	Бислой фосфолипидов (25 - 60%) в комплексе с белками (40 - 75%). Периферические белки расположены на поверхности ПМ, связаны с полярными головками ли-пидных молекул. Основная их функция - рецепторная. Полупогруженные в бислой белки связаны с липидами гидрофобными взаимодействиями. Пронизывающие бислой белки определяют рецепторную, ферментативную и транспортную функции.
Кортикальный слой	Представлен микротрубочками и микрофиламентами. Определяет форму клетки, передачу внешних сигналов глубинным структурам клетки.

Задание 10. Ядро

Изучите по табл. 6 особенности строения и функции компонентов ядра. На электронной микрофотографии ядра найдите оболочку, поры, хроматин, ядрышко. Обратите внимание на связь наружной мембраны ядерной оболочки с каналами ЭПС.

-22-

Ответьте на вопросы:

• Сколько ядер имеют большинство клеток человека? Ка
кие клетки человека безъядерные? Имеют два и много
ядер?

• Зависит ли количество пор в ядерной мембране от фун
кционального состояния клетки? Увеличивается или
уменьшается их количество с повышением синтети
ческой активности в клетке? Чем это можно объяснить?

Таблица 6 Функции компонентов ядра

Компонент	Функции
Оболочка	Состоит из двух мембран, пронизана порами. Разъединяет процессы транскрипции и трансляции, обеспечивает передачу внешних воздействий на хромосомы.
Плотная пластинка	Белковый слой, подстилающий внутреннюю ядерную мембрану, сохраняет форму ядра, способствует упорядоченному расположению хромосом в ядре.
Перинуклеоляр-ное пространство	Регулирует ядерно-цитоплазматические перемещения веществ и структур.
Поровый комплекс	Состоит из двух рядов белковых гранул, отверстие поры закрыто тонкой диафрагмой. Через поры осуществляется избирательный транспорт молекул и частиц из ядра в цитоплазму и обратно.
Кариоплазма	Коллоид в форме геля, выполняет опорную функцию за счет фибриллярных белков, обеспечивает нормальное функционирование генетического материала.
Ядрышко	Одно или несколько в одном ядре. В ядрышке синтезируются рРНК и образуются субчастицы рибосом.
Хроматин	Форма существования хромосом в интерфазе. Комплекс ДНК и белков. Обеспечивает хранение и передачу наследственного материала, регулирует все обменные процессы в клетке.

-23-

Задание 11. Митохондрии (УИРС)

Рассмотрите на электронной микрофотографии субмикроскопическое строение митохондрии. Найдите наружную и внутреннюю мембраны, кристы, матрикс, рибосомы. Пользуясь материалом табл. 7, ответьте на вопросы:

• Какие факты свидетельствуют о том, что митохондрии -
потомки древних прокариотических клеток, вступивших
на ранних этапах происхождения эукариотической клетки
в эндосимбиотические отношения с другими прокарио-
тическими клетками?

• Общая масса митохондрий по отношению к массе клеток
различных органов крысы составляет: в поджелудочной
железе - 7,9%, в печени - 18,4%, в сердце - 35,8%. Почему
в клетках этих органов различное содержание митохонд
рий?

• В каких клетках человека - эмбриональных или взрослого
организма - митохондрии более многочисленны?

Таблица 7 Строение и функции митохондрий

Элемент органеллы	Особенности и функции
Наружная мембрана	Не образует впячиваний, способна растягиваться, содержит 15% белков и 85% липидов. Характеризуется высокой неспецифической проницаемостью, имеет туннельные белки с широкими порами, проницаема для большинства растворимых низкомолекулярных соединений.
Внутренняя мембрана	Легко меняет форму, образует листовидные (кристы) или трубчатые (тубулы) впячивания. Сходна по составу с ПМ прокариот, содержит 75% белков, 20% липидов, значительное количество кардиолипинов. Непроницаема для ионов. Содержит ферменты кислородного этапа дыхания.

-24-

Матрикс

Внутренняя среда митохондрии, в которой раз
мещена ДНК, мелкие рибосомы (70 S), ферменты
репликации, транскрипции, трансляции, цикла
Кребса. ____________________ '_________________

Задание 12. Проверка усвоения материала

Проверьте усвоение материала по тестам из методического пособия «Основы цитологии» (с. 16 - 50).

ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ НА КЛЕТОЧНОМ УРОВНЕ. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ КЛЕТКИ

Цель занятия: Знать

• Характеристику основных периодов жизненного цикла
клетки.

• Динамику структуры и функции хромосом в жизненном
цикле клетки.

• Биологическое значение митоза.

Уметь определять на микропрепаратах фазы митоза.

Ознакомиться с основными механизмами регуляции митоза и его патологией.

Внеаудиторная работа

Задание 1. Жизненный цикл клетки

Жизненный цикл клетки (ЖЦК) - период существования клетки от ее образования путем деления материнской клетки до собственного деления или смерти.

Жизненный цикл пролиферирующих клеток (способных к делению) складывается из гетерокаталитической интерфазы и

-25-

митотического цикла. В митотическом цикле выделяют период подготовки клетки к делению (автокаталитическая интерфаза) и само деление - митоз. Автокаталитическая интерфаза подразделяется на периоды: G! (пресинтетический), S (синтетический), G₂(постсинтетический).

В многоклеточном организме есть клетки, которые после своего рождения вступают в период покоя (G_o): они представлены клетками, выполняющими специфические функции в составе той или иной ткани; клетками, выходящими из митотического цикла; небольшим числом стволовых клеток (недифференцированные клетки с широкими потенциями). Все эти клетки рассеяны среди пролиферирующих клеток и практически неотличимы от них по морфологическим признакам.

Ответьте на вопросы:

• Какие клетки человека очень быстро обновляются? Как
складывается их жизненный цикл?

• Приведите примеры высокодифференцированных клеток
человека, не способных к делению. Каковы особенности
их жизненного цикла?

• Способны ли к делению стволовые клетки?

• На какие периоды подразделяется подготовка клетки к де
лению? Чем характеризуется G_b S, G₂ периоды подготовки
клетки к делению?

Задание 2. Типы деления клеток

Выделяют три типа деления клеток: митоз - непрямое деление; амитоз - прямое деление (встречается в основном в обреченных на гибель клетках); мейоз (лежит в основе гаметоге-неза - образования половых клеток).

Пользуясь материалом учебника и лекций,

ответьте на вопросы:

• За счет какого типа деления клеток происходит дробление
оплодотворенной клетки, развитие эмбриона, рост орга
низма, регенерация тканей и органов?

• Дочерние клетки, образовавшиеся в ходе митоза, генети
чески идентичны между собой и материнской клеткой?

• В каких органах человека происходит мейоз?

• Как называются клетки, возникшие в результате мейоза?

Аудиторная работа Задание 3. Митотический цикл клеток

Изучите материал табл. 8 «Митотический цикл». Обратите внимание, что в период S количество генетического материала удваивается за счет репликации ДНК. Репликация ДНК приводит, как правило, к появлению идентичных молекул ДНК, но иногда за счет возможного обмена участками сестринских хроматид (сестринский хроматидный обмен - СХО) идентичность молекул ДНК может немного нарушаться.

Ответьте на вопросы:

• В каком состоянии (конденсированном или деконденсиро-
ванном) находятся хромосомы в период подготовки клет
ки к делению?

• Одинакова ли продолжительность автокаталитической
интерфазы и митоза делящихся клеток: а) у разных
организмов, б) разных органов одного организма?

• В какой период митотического цикла клетки происходит
репликация ДНК и авторепродукция хромосом?

• Как называются дочерние хромосомы, образовавшиеся в
S-периоде?

-26-

-27-

• Сколько хроматид (1) и молекул ДНК (2) в одной хромосоме в периоды митотического цикла: a) G_o; б) G\; в) S; r)G₂?

Решите задачу:

Общая масса всех молекул ДНК в 46 хромосомах одной соматической клетки человека (2п2с) составляет -6-10 ~⁹ мг. Определите, чему равна масса всех молекул ДНК в сперматозоиде; яйцеклетке; в соматической клетке: а) перед началом её деления (2п4с); б) после его окончания (2п2с).

Таблица 8 Митотический цикл

Фазы и периоды	ПС*	Цитологическая характеристика
Подг повка к делению (автокаталитическая интерфаза)	Пресин-тетичес-кий период G,	2п2с	Хромосомы однохроматидные, декон-денсированные, при световой микроскопии не выявляются. Накапливаются белки и РНК, увеличивается количество митохондрий.
Синтетический период S	2п4с	Репликация ДНК, хромосомы двухро-матидные, деконденсированные, при световой микроскопии не выявляются. Продолжается синтез РНК и белков.
Постсинтетический период G₂	2п4с	Остановка синтеза ДНК, хромосомы двухроматидные, деконденсированные, при световой микроскопии не выявляются. Накапливается энергия, синтезируется РНК и белки, формирующие нити веретена деления.
Митоз (М-фаза)	Профаза	2п4с	Начало конденсации хромосом, они различимы при световой микроскопии, двухроматидные. Демонтаж ядерной оболочки, исчезновение ядрышка, деление центриолей и расхождение их к полюсам клетки, построение веретена деления.

-28-

Фазы и периоды	ПС*	Цитологическая характеристика
Митоз (М-фаза)	Метафаза	2п4с	Хромосомы максимально конденсированы, двухроматидные, располагаются в плоскости экватора клетки, хорошо различимы при световой микроскопии. К центромерам прикрепляются нити веретена деления.
Анафаза	4п4с	Деление центромер, расхождение сестринских хроматид к различным полю- / сам клетки. Хромосомы максимально конденсированы, однохроматидные, различимы при световой микроскопии.
Телофаза	2п2с	Хромосомы однохроматидные, деконденсированные, не выявляемые при световой микроскопии. Формирование ядрышка, цитотомия, образование двух дочерних клеток.

* n - гаплоидный набор хромосом; с - количество молекул ДНК в гаплоидном наборе.

Задание 4. Митоз в. растительной клетке

Изучите на слайдах и постоянном микропрепарате фазы//
митоза в клетках кончика корешка лука. Зарисуйте клетки на/
разных фазах митоза. /_л Мк/

/м

Задание 5. Митоз в животной клетке' W J

Изучите при малом и большом увеличениях микроскопа фазы митоза на препарате «Дробление оплодотворенных яиц аскариды». Зарисуйте бластомеры на стадии метафазы и анафазы.

Задание 6. Пролиферативная активность клеток в ходе восстановитель^ных процессов (УИРС)

Клетки печени, почек, надпочечни/кшИи ряда других органов обновляются медленно. Однако в/процессе восстановле

/У"

ния после повреждения (например, удаления части органа) происходит усиление клеточного деления.

Рассмотрите фотографии и постоянные микропрепараты среза печени крысы: а) в норме; б) через два дня после удаления 70% массы печени. Зарисуйте клетки на разных стадиях митоза. Сделайте вывод о состоянии пролиферации в клетках печени после частичной гепатэктомии. Какое значение имеет усиление пролиферации после удаления части органа?

Решите задачу:

В клинику обратился больной с жалобой на длительно незаживающую кожную рану. Цитологический анализ отпечатков, взятых с поврежденного участка кожи, выявил отсутствие делящихся клеток.

Сделайте вывод о состоянии пролиферативных процессов поврежденного участка кожи.

Задание 7. Патология митоза

Ознакомьтесь с некоторыми нарушениями митоза:

• нарушение процесса конденсации хромосом ведет к на
буханию и слипанию хромосом;

• повреждение веретена деления является причиной за
держки митоза в метафазе и рассеиванию хромосом;

• нарушение расхождения хроматид в анафазу митоза ве
дет к появлению клеток с различным количеством хро
мосом;

• при отсутствии цитотомии в конце телофазы образуют
ся двух- и многоядерные клетки.

Используя вышеизложенную информацию, решите задачу:

В эмбриогенезе человека на стадии двух бластомеров в ihom из них в анафазе митоза не разошлись хроматиды одной

-зо-

из пары 21 аутосом. Какие хромосомные наборы будут в тических клетках эмбриона?

Задание 8. Регуляция митотического цикла (УИРС)

Ознакомьтесь с генной (табл. 9) Генная регуляция

У многоклеточных организмов регуляция митотической активности может быть внутри- и внеклеточной. Внутриклеточная регуляция проявляется в изменении соотношения объема ядра и цитоплазмы, в соотношении активности протоон-когенов (онкогенов) и антионкогенов; внеклеточная регуляция может осуществляться гуморально и под влиянием нервной системы.

регуляцией митотического цикла

Таблица 9 митотического цикла

Гены пролифератив-	Период	Продукты	Функция
ного ответа и мито-	экспрес-	генов	продуктов
тического цикла	сии
Гены раннего проли	Go/G,	онкобелки	Регуляция всту-
феративного ответа			пления клеток в
(«ранние гены», про-			период Gj
тоонкогены и
другие)
«Поздние гены»	G,/S	Белки-	Индукция
		инициаторы	репликации
			ДНК
Гон митотического	G,	Протеин-	Координация
цикла - «ген ede 2»		киназа р³⁴	вступления в
			митоз, выхода
			из митоза,
			прохождения
			периода Gi

-31-

ХРОМОСОМНЫЙ И ГЕНОМНЫЙ УРОВНИ

ОРГАНИЗАЦИИ НАСЛЕДСТВЕННОГО

МАТЕРИАЛА КЛЕТКИ

Цель занятия: Знать

• Особенности генетического материала
прокариотическои клетки.

• Особенности генетического материала
эукариотической клетки.

• Строение хромосомы эукариот на разных этапах
жизненного цикла клетки.

Ознакомиться со строением политенных хромосом, хромосом типа «ламповых щеток».

Внеаудиторная работа

Задание 1. Генетический материал прокариотическои клетки

Наследственный материал прокариотическои клетки представлен нуклеоидом - образованием, состоящим из ДНК, белков и РНК. Оболочки вокруг нуклеоида нет. Ознакомьтесь по табл. 1 с особенностями организации и функциями компонентов генетического материала прокариотическои клетки на примере бактериальной.

-32-

Таблица 1

Генетический материал бактериальной

клетки

Компоненты	Особенности и функции
Хромосомная ДНК	Одна (п) кольцевая двухцепочечная суперкон-денсированная молекула ДНК. В нескольких местах контактирует с плазматической мембраной, что обеспечивает расхождение дочерних ДНК после репликации. Обеспечивает хранение генетической информации и регуляцию жизнедеятельности клетки.
Плазмиды, их виды (факторы) • F-фактор • Col-факторы • R-факторы	Внехромосомные кольцевые двухцепочечные молекулы ДНК. Ряд плазмид являются факторами устойчивости к условиям среды. Обладают способностью встраивать чужеродную ДНК и используются в генетической инженерии в качестве основных компонентов переносчиков чужой ДНК. Обеспечивает способность к передаче генов при конъюгации бактерий. Продуцируют бактериоцины - антибактериальные вещества. Определяют устойчивость бактерий к антибиотикам и ряду других лекарственных препаратов.
Мигрирумщие генетические элементы: • инсерционные последовательности (JS -элементы) • транспозоны	Сегменты ДНК, способные к перемещению в пределах одного генома или из одного генома в другой. Размеры от 700 до 5000 нуклеотидов. Обнаруживаются в плазмидах, в хромосомной ДНК. Представлены многими копиями и перемещаются с высокой частотой. По-видимому, участвуют в генетической рекомбинации. Размеры от 2000 до 20500 нуклетотидов. В этих сегментах ДНК заключен ген, окруженный ин-серционными последовательностями, обеспечивающими передвижение. Спопсобны включаться в любую плазмиду.

-33-

Задание 2. Генетический материал эукариотической клетки

Генетический материал эукариотической клетки представлен ДНК хромосом ядра, ДНК митохондрий, а в растительной клетке — ДНК хлоропластов.

Ядерный наследственный материал человека содержит 46 хромосом, в каждой хромосоме 1 молекула ДНК (2п2с). Хромосомы контактируют с оболочкой ядра теломерными районами.

Митохондриальный наследственный материал (обеспечивает цитоплазматическую материнскую наследственность) представлен двухнитчатой кольцевой молекулой ДНК, свободной от белков. Она содержит 16596 пар нуклеотидов. Ее структурные гены контролируют синтез двух различных молекул рРНК, 22 вариантов тРНК и 13 различных белков, включая некоторые из ферментов окислительного фосфорилирования. Более 95% митохондриальных белков кодируется генами ядерной ДНК.

ДНК хлоропласта - двухнитчатая, кольцевая, свободная от белков. Содержание G - С-пар нуклеотидов в ДНК хлоропласта значительно отличается от найденного в ядерной и ми-тохондриальной ДНК. Все гены в геноме хлоропласта транслируются на собственных рибосомах этой органеллы.

Ответьте на вопросы:

• Какой набор хромосом - гаплоидный или диплоидный
- в ядре, митохондриях, хлоропластах эукариотической
клетки?

• Какой тип наследственности определяет генетическая
система ядра? Митохондрий? Хлоропластов?

• По материнской или отцовской линии передается мито
хондриальный генетический материал?

Задание 3. Организация хромосомы эукариот.

Хромосома эукариот имеет разную морфологию на протяжении жизненного цикла клетки из-за различной степени ком-пактизации в хромосоме ДНП - ДНК-гистонового комплекса (ДНК + основные белки-гистоны или кислые белки).

Первый уровень компактизации хроматина - нуклеосом-ный. Нуклеосома представляет собой глобулу, состоящую из 8 молекул гистонов, на которую накручена ДНК (примерно из 200 нуклеотидных последовательностей), делая 1,5 оборота.

На втором уровне компактизации ДНП - фибриллярном -нуклеосомная нить укладывается в нитчатые структуры.

Третий и четвертый уровни компактизации ДНП соответствуют интерфазной и метафазной хромосомам.

Ознакомьтесь по табл. 2 с уровнями многоступенчатой укладки ДНП в хромосоме эукариот.

В интерфазе хромосомы деконденсированы и выявляются в виде глыбок хроматина. В метафазе митоза хромосомы максимально конденсированы, каждая хромосома состоит из двух хроматид, соединенных центромерой в области первичной перетяжки. В зависимости от положения центромеры хромосомы подразделяются на мета-, субмета- и акроцентрические.

В некоторых хромосомах есть вторичная перетяжка, связанная с ядрышковым организатором. Она отделяет участок хромосомы - спутник. Вторичная перетяжка в других хромосомах может быть и не связана с ядрышком.

Концевые участки хромосом - теломеры - у большинства видов сходны. В их состав входят сотни повторенных последовательностей ^нуклеотидов ДНК — TTAGGG.

Теломеры связаны с внутренней мембраной ядерной оболочки, представлены гетерохроматином, играют защитную роль и периодически наращиваются специальными ферментами за счет самовосстановления теломерной ДНК.

-34-

-35-

Таблица 2

Компактизация ДНП в хромосоме эукариот на протяжении жизненного цикла клетки

Уровни компактизации ДНП	Строение	Степень укорочения
Первый	Нуклеосомная нить. ДНК + белки-гистоны Н2А, Н2В, НЗ, Н4.	в 6-7 раз
Второй	Хроматиновая фибрилла. Нуклеосомная нить + белок-гистон HI.	в 42 раза
Третий	Интерфазная хромосома (хроматин). Хроматиновая фибрилла с помощью негистоновых белков укладывается в петли.	в 1600 раз
Четвертый	Метафазная хромосома. Суперконденсация хроматина.	в 8000 раз

В зависимости от компактизации хроматина в интерфазный период в хромосоме различают эухроматин и гетерохроматин. Эухроматин в интерфазе деконденсирован, слабо окрашивается, генетически активен, реплицируется в начале S-периода, содержит уникальные и умеренные повторы нуклеотидов. Гетерохроматин всегда конденсирован, интенсивно окрашивается, генетически неактивен, реплицируется в конце S-периода, содержит часто повторяющиеся последовательности нуклеотидов. Гетерохроматин чаще всего располагается в прицентромерных, иногда - в прителомерных областях, но вкрапления гетерохроматина есть и в эухроматиновых участках.

Ответьте на вопросы:

• Имеют ли хромосомы постоянную структуру на разных стадиях жизненного цикла клетки?

-36-

• В виде чего окрашенные хромосомы выявляются в интерфазной клетке?

Аудиторная работа

Задание 4. Нуклеосомный уровень компактизации хроматина

Напишите последовательность уровней компактизации ДНП у эукариот в жизненном цикле клетки, начиная с нукле-осомного уровня.

Рассмотрите на слайде и зарисуйте схему строения нуклеосомы. Обозначьте белковый кор, накрученную на него ДНК, линкерную ДНК.

Рассчитайте число нуклеосом, необходимых для упаковки ДНК гена, кодирующего белок из 400 аминокислот. Величина фрагмента ДНК одной нуклеосомы равна примерно 200 парам нуклеотидов.

Ответьте на вопросы:

• Какие белки обеспечивают нуклеосомный уровень ор
ганизации хроматина? Какие функции они выполняют?

• Какова степень укорочения хроматина на уровне нук-
леосомной нити, элементарной фибриллы, интерфазной
и метафазной хромосом?

Задание 5. Метафазные хромосомы эукариот

Метафазные хромосомы можно рассмотреть на постоянном препарате «Клетки корешка лука» или на приготовленном самостоятельно временном препарате этого объекта.

Для изготовления препарата поместите отрезанный корешок лука в краситель на 30 минут, затем промойте в течение 2 минут в пузырьке с 45%-ным раствором уксусной кислоты.

-37-

Корешок, придерживая его препаровальной иглой, расщепите на поперечные полоски толщиной примерно 1мм. Полоски (1-2) поместите на предметное стекло в каплю 45%-ного раствора сахарозы, накройте покровным стеклом и через слой фильтрованной бумаги слегка надавите большим пальцем.

Под -малым увеличением микроскопа найдите делящиеся клетки, переведите на большое увеличение и изучите клетки, находящиеся на стадии метафазы. Зарисуйте несколько метафазных хромосом.

Задание 6. Политенные (или гигантские) хромосомы

Политенные хромосомы характерны для клеток слюнных желез личинок ряда видов двукрылых насекомых (дрозофил, хирономид). Они представляют собой лентовидные многонитчатые (до 500 нитей) образования. Формируются гигантские хромосомы в результате эндомитоза - многократной репликации ДНК в одной и той же клетке и последующем нерасхождении хромосомных нитей. По длине неоднородны - состоят из чередующихся дисков и междисков, создавая поперечную видоспецифичную исчерченность. Диски - более конденсированные участки, междиски - менее конденсированные. В таких хромосомах встречаются пуфы - локусы с рыхло упакованными фибриллами хроматина. Здесь идет активный синтез РНК.

Изучите под малым увеличением микроскопа постоянный препарат политенных хромосом. Зарисуйте участок политен-ной хромосомы, обозначив диски, междиски, пуфы, ядрышко.

Ответьте на вопросы:

• К интерфазным или метафазным хромосомам относятся
политенные хромосомы двукрылых насекомых?

• Какое значение имеют политенные хромосомы двукры
лых насекомых в цитогенетических исследованиях?

-38-

Задание7. Хромосомытипа «ламповых щеток»

Хромосомы типа «ламповых щеток» обнаружены в ядрах ооцитов и сперматоцитов животных и растений. У человека встречаются в ооцитах I порядка на стадии диплотены профазы I мейоза. Состоят из двух гомологов, каждый из которых окружен петлями из нитчатых структур; имеется ось и хромо-меры. Петли парносимметричные, они отходят от оси и представляют собой деконденсированные участки активного хроматина. Ось представлена спаренными сестринскими хромати-дами. Хромомеры - участки конденсированного хроматина -соответствуют дискам политенной хромосомы. В раскрученном состоянии представляют собой петлю хромосом типа «ламповых щеток».

Рассмотрите на фотографиях строение хромосом типа «ламповых щеток». Найдите ось хромосомы, хромомеры.

Задание 8. Проверка усвоения материала

Проверьте усвоение материала по тестам из методического пособия «Основы цитологии» (с. 12, 13, 65-69).

Кариотип и идиограмма человека

Цель занятия: Знать

• Характеристику кариотипа человека;

• Денверскую и Парижскую классификации хромосом че
ловека.

Уметь

• Идентифицировать хромосомы человека до групп.

• Использовать знания о кариотипе человека для выяв
ления геномных мутаций.

-39-

Под >малым увеличением микроскопа найдите делящиеся клетки, переведите на большое увеличение и изучите клетки, находящиеся на стадии метафазы. Зарисуйте несколько метафазных хромосом.

Задание 6. Политенные (или гигантские) хромосомы

Ответьте на вопросы:

• К интерфазным или метафазным хромосомам относятся
политенные хромосомы двукрылых насекомых?

• Какое значение имеют политенные хромосомы двукры
лых насекомых в цитогенетических исследованиях?

-38-

Задание 7. Хромосомы типа «ламповых щеток»

Рассмотрите на фотографиях строение хромосом типа «ламповых щеток». Найдите ось хромосомы, хромомеры.

Задание 8. Проверка усвоения материала

Проверьте усвоение материала по тестам из методического пособия «Основы цитологии» (с. 12, 13, 65-69).

Кариотип и идиограмма человека

Цель занятия: Знать

• Характеристику кариотипа человека;

• Денверскую и Парижскую классификации хромосом че
ловека.

Уметь

• Идентифицировать хромосомы человека до групп.

• Использовать знания о кариотипе человека для выяв
ления геномных мутаций.

-39-

Ознакомиться

• С методикой приготовления препаратов хромосом чело
века.

• С современными методами индентификации хромосом
человека.

• С полиморфизмом кариотипа человека.

• С показаниями для проведения цитогенетического ана
лиза человека.

. Внеуадиторная работа Задание 1. Кариотип

Каждый вид имеет характерный и постоянный для него хромосомный набор - кариотип. В характеристику кариотипа входят диплоидное (2п) число хромосом, размеры и форма их, наличие перетяжек и спутников, соотношение длин плеч, чередование эу- и гетерохроматина.

Ознакомьтесь с хромосомными числами (2п) ряда видов животных и растений (табл. 1).

Ответьте на вопросы:

• Зависит ли число хромосом в кариотипе от уровня орга
низации вида?

• В чем суть правила парности хромосом в диплоидном
наборе?

• Какие хромосомы в кариотипе называют аутосомами,
половыми хромосомами?

• Отличаются ли кариотипы мужских и женских
организмов?

• Напишите хромосомные формулы мужчины и жен
щины.

• В чем суть правила индивидуальности хромосом?

-40-

Таблица 1

Хромосомные числа ряда видов животных и

растений

Виды	2п	Виды	2п
Человек		Сазан
Горилла		Речной рак
Шимпанзе		Таракан
Собака		Аскарида
Кошка		Малярийный плазмодий
Свинья
Осел		Радиолярия
Крыса		Пшеница
Мышь		Лук
Курица		Картофель

Задание 2. Строение метафазной хромосомы

Пользуясь материалом занятия «Воспроизведение на клеточном уровне. Жизненный цикл клетки» ответьте на вопросы:

• На какой стадии митотического цикла происходит уд
воение хромосом? Как называются образующиеся в этот
период две, морфологически идентичные, нити?

• На какой стадии митоза морфологическое строение
хромосом становится хорошо выраженным?

• Какие выделяют типы метафазных хромосом в зависи
мости от локализации центромерного района в хромо
соме?

• Какие хромосомы называются спутничными?

• Всегда ли в районе вторичной перетяжки хромосом ло
кализуется ядрышко?

• Отличаются ли по морфологии половые х- и у- хро
мосомы друг от друга?

-41-

• С какими аутосомами сходны по морфологии Х-хро-мосома и Y-хромосома?

Изучите по табл. 2 особенности строения разных участков метафазной хромосомы. Зарисуйте схему строения метафазной хромосомы и обозначьте короткое и длинное плечи хромосомы, хроматиды, первичную и вторичную перетяжку, спутник, теломеры.

Таблица 2

Строение и роль разных участков метафазных хромосом

Участок хромосомы	Строение и роль
Центромера - первичная перетяжка (С)	Имеется во всех хромосомах. Участок центромеры содержит кинетохор, к которому прикрепляются микротрубочки - нити ми-тотического веретена деления клетки. Играет ведущую роль в движении хромосом к полюсам деления и точном распределении хромосом по дочерним клеткам. Делит хромосому на плечи — короткое (р) и длинное (q).
Вторичная перетяжка (h)	Имеется не во всех хромосомах. У человека перетяжки короткого плеча (ph) в хромосомах 13, 14, 15, 21, 22 - области формирования ядрышек (здесь локализованы гены рРНК). Перетяжки длинного плеча (qh) в хромосомах 1, 9, 16 и Y-хромосомах не связаны с ядрышком и представлены гетеро-хроматином.
Спутник (s)	Небольшой участок, отделяемый вторичной перетяжкой, в хромосомах 13, 14, 15, 21, 22.
Теломеры (t)	Концевые участки хромосом. Представлены гетерохроматином. Играют защитную роль.

-42-

Задание 3. Методика приготовления метафазных хромосом человека

Ознакомьтесь с основными этапами приготовления препаратов метафазных хромосом человека.

Объектом для приготовления препаратов могут служить делящиеся клетки костного мозга, ткани семенника, хорион, фибробласты кожи, клетки амниотической жидкости.

Наиболее удобным объектом является культура лимфоцитов периферической крови - берут 1-2 мл венозной крови и добавляют её в смесь питательной среды с фитогемагглю-тинином (стимулятором митоза). Культивирование лимфоцитов составляет 48-72 часа.

Для остановки процесса деления клеток на стадии ме-тафазы используют колхицин. Для получения четких метафазных пластинок клетки помещают в гипотонический раствор хлорида кальция или цитрата натрия, где они набухают, разрываются, хромосомы разобщаются и свободно располагаются в цитоплазме.

В результате образуется клеточная суспензия, которую ¹ фиксируют смесью метанола и уксусной кислоты (3:1), наносят на предметное стекло, высушивают и окрашивают красителем.

Анализируют препараты под большим увеличением микроскопа с использованием иммерсионного объектива, отыскивая такие метафазные пластинки, в которых хромосомы располагаются в одной плоскости, и фотографируют их.

Задание 4. Основные методы окрашивания хромосом

Ознакомьтесь по табл. 3 с основными методами окрашивания хромосом человека.

Определить число, структуру и групповую принадлежность хромосом (Денверская классификация) позволяет простой метод равномерной окраски хромосом - рутинный

-43-

Методы

Рутинный

С-метод

G-метод

Ag-метод

Q-метод

" FISH-метод (флуоресцентная гибридизация in situ)

(стационарная таблица в учебной комнате). Но индивидуализировать хромосомы (Парижская классификация) можно только с помощью методов дифференциальной окраски, которые основаны на неоднородности (гетерогенности) хромосом по длине, что проявляется в наличии темных поперечных полос - мест связывания с определенным красителем (рис.1).

Поперечным темным полосам (бэндам), выявляемым с помощью дифференциальной окраски, присвоены определенные номера, относительно них картируют гены.

Гетерогенность хромосом по длине обусловлена различным чередованием эу- и гетерохроматина в хромосоме; асинхронностью репликации и конденсации отдельных районов хромосомы, например, хромосомы группы А содержат больше эухроматина и поэтому быстрее реплицируются и позднее конденсируются, Y-хромосома более гетерохрома-тизирована и поэтому реплицируется позднее, а конденсируется быстрее; различным нуклеотидным составом хромосом.

Задание 5. Показания для цитогенетического анализа хромосом

Показаниями к исследованию хромосом человека служат:

1. Подозрение на хромосомную болезнь.

2. Наличие у ребенка множественных врожденных пороков
развития.

3. Многократные (более двух) спонтанные выкидыши,
мертворождения.

4. Нарушение репродуктивной функции у женщин или
мужчин.

5. Существенная задержка умственного и физического раз
вития у ребенка.

6. Лейкозы.

7. Оценка мутационных воздействий.

Таблица 3 Основные методы окрашивания хромосом

Участки хромосом

Краситель

Простой метод окраски

Основное применение

Равномерная окраска по всей длине хромосомы^

Ацетокармин, ацетооорсеин

Групповая идентификация хромо-

сом

Дифференциальные методы окраски

Гетерохроматин (С-сегменты)

Гимза, орсеин, кармин Гимза

Выявление

структурного

гетерохроматина

G-сегменты

Индивидуализация метафазных хромосом и их фрагментов (сегментов)

Ядрышкообразу-ющие районы

Нитрат серебра

Выявление

полиморфизма

хромосом по яд-

рышкообразу-

ющим районам

Гетерохроматиновые районы (Q-cer-менты)

Акрихин, акрихин-иприт, пропил-акрихин

Индивидуализация метафазных хромосом, определение Х- и Y-полового хроматина

Каждая хромосома окрашивается своим собственным цветом

Флуорохромы

Индивидуализация каждой хромосомы. Выявление хромосом-_ных перестроек^

-44-

-45-

Группа В 4 5

0,34 0,35

0,34 0,40

Группа Е

J6. 17 18

0,41 ' 0,34 0,31

ГруппаG 21 22 Y

0,27

q 0,30

Рис. 1. Хромосомы человека (группы, схема сегментации, центромерный индекс (Парижская классификация)

Аудиторная работа

Задание 6. Изучение метафазных хромосом человека на препаратах

Рассмотрите под иммерсионным объективом микроскопа препарат метафазных хромосом человека (рутинная окраска)

Найдите метафазную пластинку с хорошим разбросом всех хромосом.

Подсчитайте количество хромосом. Различаются ли они по размеру и форме?

Найдите метацентрические, субметацентрические, акро-центрические хромосомы.

Можно ли при такой окраске выделить половые хромосомы?

Задание 7. Идиограмма человека

Графический рисунок кариотипа называется идиограммои (рис. 2). На идиограмме хромосомы гаплоидного набора расположены в порядке уменьшения их длины. Хромосомы объединены в группы в зависимости от длины, положения центромеры, наличия вторичных перетяжек и спутников.

Пользуясь стационарным стендом в учебной аудитории «Кариотип человека» заполните табл. 4 «Характеристика метафазных хромосом человека».

Ответьте на вопросы:

• Какие хромосомы в кариотипе человека являются мета-,
субмета- и акроцентрическими?

• Какие хромосомы имеют вторичную перетяжку, связан
ную с ядрышковым организатором и не связанную с
ним?

• Какие хромосомы являются спутничными?

-46-

-47-

lS "17 "18

1.1

i i i •

L Il3 'it

[tl

X "У

L 'lS "17 " L t

Таблща 4

Характеристика метафазных хромосом человека

Группа	Колич. пар хро"мосом в группе	№ хромое омы	размеры (крупные средние, мелкие)	Тип хромосомы	Наличие
вторич. перетяжки h	спутника s
А


В

С






I)


И


F

G

ПОЛОВЫЕ ХРОМОСОМЫ

Х-хром.
У-хром.

Рис. 2. Идиограмма хромосомного набора мужчины

-48-

-49-

Задание 8. Центромерный индекс

Центромерный индекс (I^е) - это отношение длины короткого плеча ко всей длине хромосомы, выраженное в процентах или долях единицы. Центромерный индекс метацентрических хромосом от 45 до 50% (0,45 - 0,5), субметацентрических хромосом - от более 25 до 45% (0,25 - 0,45), акроцентрических -меньше или равен 25% (0,25).

Вычислите центромерные индексы Х- и Y-хромосом, если известно, что длина Х-хромосомы в среднем 6,8 мкм, длина короткого плеча - 2,6 мкм; длина Y-хромосомы - 2,8 мкм, длина короткого плеча - 0,5 мкм.

К какому типу хромосом относятся Х- и Y-хромосомы с учетом их центромерного индекса?

Задание 9. Кариотипический анализ (УИРС)

Основная задача кариотипического анализа состоит в установлении качественных и количественных отклонений хромосом от нормы.

Ознакомьтесь с методическими указаниями кариотипического анализа человека и проанализируйте по рис. 3 или 4 предложенные фотографии метафазных пластинок (рутинная окраска).

Методические указания к кариотипическому анализу метафазных хромосом человека

1. На метафазной пластинке найдите крупные хромосомы
группы А, подсчитайте из количество и обозначьте каж
дую хромосому буквой А.

2. Найдите крупные субметацентричные хромосомы группы
В, подсчитайте их количество, обозначьте каждую хромо
сому буквой В.

3. Найдите средние акроцентрические хромосомы группы D,
подсчитайте их число, обозначьте каждую хромосому
буквой D.

-50-

4. Найдите мелкие акроцентричные хромосомы группы G,
подсчитайте их число, обозначьте каждую хромосому
буквой G. Обратите внимание, что Y-хромосома по своим
параметрам является мелким акроцентриком и поэтому
идентифицируется вместе с хромосомами группы G.

5. Найдите мелкие метацентрические хромосомы группы F,
подсчитайте их число, обозначьте каждую хромосому
буквой F.

6. Найдите мелкие метацентрические хромосомы группы Е,
подсчитайте их число, обозначьте каждую хромосому
буквой Е.

7. Оставшиеся средние субметацентрические хромосомы
обозначьте буквой С, подсчитайте их число, учитывая,
что Х-хромосома по своим параметрам является суб-
метацентриком и поэтому идентифицируется вместе с
хромосомами группы С.

Ответьте на вопросы:

• Мужчине или женщине принадлежит исследуемый ка-
риотип?

• Имеются ли (и какие) количественные нарушения в
анализируемомхромосомном наборе?

• Напишитехромосомную формулу проанализированного
кариа гипачеловека.

• Позволяетли рутинный метод окраски индивиду-
ализироватьitce хромосомы внутри каждой группы?

• Вычислитецентромерный индекс для всех хромосом
группы А. Для этого измерьте длину каждой
хромосомы и длину её короткого плеча. По
центромерному индексу определите тип каждой
хромосомы группы А.

-51-

ь***°

Рис. 3. Метафазные хромосомы человека

-52-

Рис. 4. Метафазные хромосомы человека

-53-

Задание 10. Половой хроматин (Х- иY-хроматин)

Х-хроматин (тельце Барра) - это инактивированная и конденсированная одна из двух Х-хромосом соматических интерфазных клеток женщины. В клетках женского эмбриона она инактивируется примерно на 16-20 день развития. Y-хроматин представляется собой блок гетерохроматина в длинном плече Y-хромосомы и выявляется в интерфазных ядрах соматических клеток мужчин.

Препараты полового хроматина можно приготовить, используя клетки слизистой ротовой полости, лейкоцитов, фиб-робластов кожи и клетки волосяной луковицы, окрашивая их ацетоорсеином или флуоресцентными красителями.

Рассмотрите фотографии препаратов Х- и Y-хроматина. Х-хроматин выявляется с внутренней стороны ядра в виде плотной, хорошо окрашенной глыбки, имеющей форму треугольника или овала. Клетки мужчины, как правило, без этой глыбки. Зарисуйте несколько клеток эпителия женщины и мужчины и обозначьте Х-хроматин,Y-хроматин.

Ответьте на вопросы:

• Каков биологический смысл явления гетерохроматизации
одной из двух Х-хромосом женского организма у человека и
млекопитающих?

• Сколько Х- и Y-хроматина выявляется в клетках при сле
дующих кариотипах:

а) 45,Х0 (синдром Тернера-Шерешевского); 6)47,XXY; 48,XXYY; 48,XXXY (разные варианты синдрома Клайнфельтера);

в) 47,ХХХ (синдром трипло-Х);

г) 48,ХХХХ (синдром тетра-Х)?

Задание 11. Полиморфизм хромосом человека

Постоянство числа и формы хромосом у каждого биологического вида является одной из важнейших его характеристик. Однако, внутри вида между индивидуумами могут быть различия (полиморфизм) по отдельным хромосомам. Для полиморфизма хромосом человека характерно:

• присутствие варианта полиморфной хромосомы во всех
клетках;

• передача варианта хромосомы как простого менде-
лирующего признака от родителей к детям;

• отсутствие заметного фенотипического эффекта (этот
критерий не абсолютен).

Истинный полиморфизм хромосом обусловлен вариабельностью в размерах их гетерохроматиновых районов и является широко распространенным явлением, обеспечивая уникальность кариотипа каждого человека. У разных людей обнаруживаются увеличенные районы вторичных перетяжек длинных плеч аутосом 1, 9, 16 в их околоцентромерной части; вариации размеровкоротких плеч всех акроцентрических хромосом; увеличенныйспутник в акроцентрических хромосомах; раз-ничиые размеры спутничнои нити в ядрышкообразующих хромосомах и др.

Одной из самых вариабельных является Y-хромосома, т.к. примерно половина её длины представлена гетерохроматином. Длинагетерохроматинового блока варьирует от 0,8 до 1,6 мкм. Однако, как увеличение, так и уменьшение количества i етерохроматина не приводит к заметным дефектам фенотипа, ж ичпедеятельности и плодовитости. У человека даже наличие и горой Y-хромосомы (47,XYY) не нарушает репродуктивную функцию.

-54-

-55-

Ответьте на вопросы:

• Что такое эухроматин и гетерохроматин? Какие виды
гетерохроматина существуют? Укажите особенности
функционального состояния различных видов гетеро
хроматина.

• Каким гетерохроматином - структурным или факу
льтативным — представлены околоцентромерные блоки
хромосом?

• Какие методы окраски необходимо применить для
идентификации гетерохроматиновых районов хромо
сом?

• Эухроматина или гетерохроматина в большей степени
содержит Y-хромосома? Каким гетерохроматином -
структурным или факультативным - представлена дис-
тальная часть Y-хромосомы? Каким методом окраски
можно выявить этот участок Y-хромосомы?

• Гетерохроматиновые или эухроматиновые районы под
вержены хромосомному полиморфизму? Приводит ли
полиморфизм хромосом к аномалиям фенотипа у чело
века?

-56-

Рекомендуемая литература

I Биология:Учеб. для студ. мед. вузов: В 2 кн. / Под ред.

U Н.Ярыгина.М.: Высш. шк., 1997. ' Босток К., СамнерЭ. Хромосома эукариотической клетки.

М Мн|>, 1981. i ЖимулевИ.Ф. Общая и молекулярная генетика.

Новосибирск:Сиб. унив. изд-во, 2003. I ЧоицовК).С. Общая цитология: Учеб. М.: Изд-во МГУ,

1995,

Оглавление

Устройствосветового микроскопа и техника микроскопирова-

ИНЯ ...................................................................................................... 3

i ipyKiypnoфункциональная организация прокариотической и эука-

|)И<...... ЮСХОЙ кис ток........................................................................................................ 9

Пи, щит чк-дснис на клеточном уровне. Жизненный цикл кле-

.......................................................................................................................... 25

I I Id i'iii кип материал клетки.................................................................................... 32

I биотип ii мдиограммачеловека................................................ 39

и идусмаяпитсратура............................................................ 57