Факультет ветеринарной медицины и технологии животноводства

Кафедра общей зоотехнии

Методические указания

для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Общая генетика»

для студентов факультета ветеринарной медицины и технологии животноводства заочной формы обучения, обучающихся по направлению

111900 (36.03.01) – Ветеринарно-санитарная экспертиза

Воронеж – 2015

Составители: Аристов А.В., Кудинова Н.А., Якушева Т.Н.

Рецензент: Саврасов Д.А., доцент кафедры терапии и фармакологии

Раздел 1

Цитологические основы наследственности

Цитология – наука о структуре и функциях клетки, об организации живого на клеточном уровне.

Цитогенетика – раздел генетики, изучающий строение клетки и ее органоидов и изменение их при возникновении мутаций.

Тема 1

Строение и функции животной клетки

Задание 1.1 Изучить строение животной клетки и функции отдельных ее структурных элементов.

Клетка (Cellula ) представляет собой наименьшую элементарную структурно-функциональную единицу живых организмов, обладающую всеми основными свойствами живого и способную к самообновлению, саморегуляции и самовоспроизведению.

Клетка – это система взаимосвязанных, специализированных биополимеров, ограниченная билипидной клеточной мембраной, обладающей избирательной проницаемостью. У эукариот биополимеры образуют ядро и цитоплазму, последние обеспечивают совокупность метаболических процессов и осуществляют поддержание структуры и функции отдельных ее частей и воспроизведение всей системы в целом.

Основными частями эукариотической клетки являются ее поверхностный аппарат, цитоплазма (cytoplasma ) и ядро (nucleus ).

Кроме того, клетка состоит из различных по составу и выполняемой функции отделенных друг от друга мембранами компартментов. К ним относятся гиалоплазма, кариоплазма, перинуклеарное пространство, гранулярная и гладкая эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы, пероксисомы, митохондрии, включения, в том числе транспортные и секреторные пузырьки (рис. 1).

Клеточная мембрана (цитолемма, плазмалемма) образована двумя слоями липидов со встроенными в них белками. Выполняет барьерную функцию (отделяет внутреннюю среду клетки от межклеточного вещества или окружающей среды); транспортную функцию (непрерывный обмен с внешней средой, трансмембранный перенос веществ); рецепторную функцию (восприятие специфических – гормонов, мембран соседних клеток, адгезивных молекул межклеточного вещества) и адгезивную функцию (адгезия и агрегация – прилипание клеток к себе подобным и межклеточным структурам и взаимодействие клеток).

Ядро состоит из ядерной оболочки (кариолеммы) и содержимого (кариоплазмы). В кариоплазме выделяют ядрышко, матрикс, хроматин. Кариолемма представлена двумя мембранами, пронизанными ядерными порами. Ядро является хранилищем наследственной информации на хромосомах; в нем проходит репликация и репарация ДНК, синтез РНК на матрице ДНК (транскрипция), в ядрышке синтез рРНК и субъединиц рибосом.

Гранулярная (шероховатая) эндоплазматическая сеть (ЭПС) – это система уплощенных цистерн, канальцев, транспортных пузырьков. Они образованы мембраной, на поверхности которой прикреплены рибосомы. Гранулярная эндоплазматическая сеть осуществляет транспорт белка, синтезированного на рибосомах.

Гладкая (агранулярная) эндоплазматическая сеть (ЭПС) состоит из сложной сети канальцев, плоских и расширенных (вакуолей) цистерн и транспортных пузырьков. Гладкая эндоплазматическая сеть участвует в синтезе липидов и метаболизме гликогена и стероидных гормонов.

Рибосомы , плотные частицы, сформированные рибонуклеопротеидным комплексом, состоящие из двух субчастиц – большой и малой.

Различают цитоплазматические и митохондриальные рибосомы. Основной их функцией является синтез белка (трансляция с мРНК на белок).

Митохондрии состоят из матрикса, внутренней мембраны, образующей кристы (впячивания в матрикс), перимитохондриального пространства и наружной мембраны.

В матриксе митохондрий содержаться ферменты, одноцепочечная цикличная ДНК, митохондриальная РНК, митохондриальные рибосомы. В кристах происходит окислительное фосфорилирование (клеточное дыхание) и перенос электронов, в матриксе работают ферменты, участвующие в цикле Кребса и в окислении жирных кислот.

Комплекс Гольджи (пластинчатый комплекс), стопка уплощенных мембранных мешочков – цистерн. На одном конце стопки мешочки непрерывно образуются, а с другого – отшнуровываются в виде пузырьков. Комплекс Гольджи участвует в транспорте веществ в цитоплазму и внеклеточную среду, синтезе жиров и углеводов, в росте и обновлении плазматической мембраны и в формировании лизосом.

Лизосома, простой сферический мембранный мешочек (мембрана одинарная), заполненный гидролитическими (пищеварительными) ферментами. Лизосомы участвуют во внутриклеточном переваривании (разрушение старых, измененных структур клетки).

Для изучения строения клетки используют постоянные или временные препараты при наблюдении в световом микроскопе. При этом клетки или их структуры окрашивают специальными красителями или изучают неокрашенными.

Задание 1.2 Изучить строение хромосом, основные их формы и типы спутников хромосом.

Хромосома – постоянный компонент ядра, отличающийся особой структурой, функцией и способностью к самовоспроизведению, что обеспечивает их преемственность, а тем самым и передачу наследственной информации от одного поколения растительных и животных организмов к другому.

Хромосомы животных и растений представляют собой палочковидные структуры разной длины с довольно постоянной толщиной. Снаружи хромосомы покрыты белковой оболочкой из гистонов.

Хромосома делящейся клетки состоит из двух хроматид соединенных между собой перетяжкой, которая делит хромосому на два плеча. Каждая из хроматид, в свою очередь, состоит из двух половинок – полухроматид или хромонем .

Первичная перетяжка представляет собой неспирализованный участок ДНК. В области первичной перетяжки находится центромера . Некоторые хромосомы имеют вторичную перетяжку . Вторичные перетяжки могут быть у одних хромосом на длинном плече, у других – на коротком.

Концевые участки хромосомы называют теломерами. Особенность их состоит в том, что они не способны к соединению с другими участками хромосом.

У некоторых хромосом есть спутники – это хромосомные сегменты, чаще всего гетерохроматические, расположенные дистально от вторичной перетяжки.

По классическим определениям спутник – сферическое тельце с диаметром, равным диаметру хромосомы или меньше его, которое связано с хромосомой тонкой нитью.

Вторичная перетяжка, соединяющая спутник с телом хромосомы, способна к участию в процессе формирования и сборки ядрышек. Такая вторичная перетяжка, поэтому называется еще ядрышковым организатором.

Спутник вместе с вторичной перетяжкой составляют спутничный район.

Рисунок 2. Схема строения хромосомы

Хроматин, основной компонент клеточного ядра – комплекс дезоксирибонуклеиновых кислот с белками, где ДНК находится в различной степени конденсации. В среднем в хроматине 40% приходится на ДНК и около 60% на белки.

По электронной и светооптической плотности выделяют плотный, грубо окрашенный гетерохроматин и более нежно окрашенный, менее плотный эухроматин.

Гетерохроматин – генетически неактивные участки хромосом, постоянно находящиеся в конденсированном состоянии. При электронной микроскопии формирует темные глыбки неправильной формы. Гетерохроматин в зависимости от локализации подразделяется на пристеночный, матричный и перинуклеарный.

Эухроматин – это весь генетический материал интерфазного ядра – область слабо конденсированной ДНК. С нуклеиновыми кислотами в эухроматине связаны в основном негистоновые белки.

Морфология хромосомы определяется в первую очередь положением центромеры. В соответствии с местом расположения центромеры выделяют основные формы хромосом (рис. 3):

· метацентрические,

· субметацентрические,

· акроцентрические.

Рисунок 3. Типы хромосом:

1 – метацентрические; 2 – субметацентрические; 3 – акроцентрические.

Метацентрические хромосомы отличаются тем, что плечи у них одинаковой или почти одинаковой длины.

Субметацентрические хромосомы имеют плечи разной длины. У акроцентрических хромосом центромера расположена к близко к одной из теломер.

При характеристике морфологии хромосом принимают во внимание следующие признаки: длину плеч, положение центромеры, наличие вторичной перетяжки или спутника.

Спутники разных хромосом отличаются по форме, величине и длине нити, соединяющей их с основным телом. Выделяют следующие пять типов спутников (рис. 4):

1. микроспутники – сфероидальной формы, маленькие спутники с диаметром вдвое или еще меньше диаметра хромосомы;

2. макроспутники – довольно крупные формы спутников с диаметром, превышающим половину диаметра хромосомы;

3. линейные спутники – спутники, имеющие форму длинного хромосомного сегмента. Вторичная перетяжка значительно удалена от терминального конца;

4. терминальные спутники – спутники, локализованные на конце хромосомы;

5. интеркалярные спутники – спутники, локализованные между двумя вторичными перетяжками.

Рисунок 4. Типы спутников хромосом:

1 – микроспутник; 2 – макроспутник; 3 – линейный спутник; 4 – интеркалярный спутник; 5 – терминальный спутник.

Размеры хромосом у разных организмов варьируют в широких пределах. Длина хромосом может колебаться от 0,2 до 50 мкм. Нормальная длина каждой хромосомы и суммарная длина всех хромосом кариотипа постоянна.

В настоящее время для каждой группы хромосом рекомендуют определять два параметра: общий размер, плечевой и центрометный индекс.

Общий размер вычисляют путем суммирования длины двух плеч. Абсолютную длину хромосомы выражают в мкм.

Плечевой индекс – это отношение длины длинного плеча хромосомы к длине короткого плеча, выраженное в процентах.

Центрометный индекс – это отношение длины одного из плеч к длине всей хромосомы, выражается в процентах.

Эта особенность была утеряна в далеком прошлом одноклеточными организмами, которые породили . Большинство клеток, как животных, так и растений, имеют размер от 1 до 100 мкм (микрометров) и поэтому видны только с помощью микроскопа.

Самые ранние ископаемые свидетельства животных датируются Вендским периодом (650-454 миллионов лет назад). Первое закончилось этим периодом, но в течение последующего , взрыв новых форм жизни привел к появлению многих основных групп фауны, известных сегодня. Есть свидетельства, что животные появились до раннего (505-438 миллионов лет назад).

Строение животных клеток

Схема строения клетки животных

• - самовоспроизводящиеся органеллы, состоящие из девяти пучков микротрубочек и встречающиеся только в клетках животных. Они помогают в организации деления клеток, но не являются существенными для этого процесса.
• - необходимы для передвижения клеток. В многоклеточных организмах реснички функционируют для перемещения жидкости или веществ вокруг неподвижной клетки, а также для или группы клеток.
• - сеть мешочков, которая производит, обрабатывает и переносит химические соединения внутри и снаружи клетки. Он связан с двуслойной ядерной оболочкой, обеспечивающей трубопровод между ядром и .
• Эндосомы - мембранно-связанные везикулы, образованные совокупностью сложных процессов, известных как , и обнаружены в цитоплазме практически любой клетки животных. Основным механизмом эндоцитоза является обратное тому, что происходит во время или клеточной секреции.
• - отдел распределения и доставки химических веществ клетки. Он модифицирует белки и жиры, встроенные в эндоплазматический ретикулум, а также подготавливает их к экспорту за пределы клетки.
• Промежуточные филаменты - широкий класс волокнистых белков, которые играют важную роль как структурных, так и функциональных элементов . Они функционируют как элементы, которые помогают поддерживать форму и жесткость клетки.
• - осуществляют пищеварительные функции, перерабатывая клеточные отходы.
• Микрофиламенты - нити из глобулярных белков, называемые актином. Эти филаменты являются преимущественно структурными по своей функции и важным компонентом цитоскелета.
• Микротрубочки - прямые, полые цилиндры, присутствующие в цитоплазме всех эукариотических клеток (у прокариот их нет) и выполняющие различные функции, от транспортировки до структурной поддержки.
• - продолговатые органеллы, которые находятся в цитоплазме каждой эукариотической клетки. В клетке животных они являются основными генераторами энергии, превращая кислород и питательные вещества в энергию.

Все живые организмы имеют во многом схожее клеточное строение. Однако у клеток разных царств живого имеются свои особенности. Так клетки бактерий не имеют ядер, а у клеток растений есть жесткая целлюлозная клеточная стенка и хлоропласты. Строение животных клеток также имеет свои характерные особенности.

Чаще всего клетки животных мельче, чем клетки растений. По форме они очень разнообразны. Форма и строение животной клетки зависит от выполняемых ею функций. У сложно организованных животных тела состоят из множества тканей. Каждую ткань составляют свои клетки, имеющие характерные для них особенности строения. Но несмотря на все разнообразие, можно выделить общее в строении всех животных клеток.

От внешней среды содержимое клетки животного ограничено только клеточной мембраной . Она эластична, поэтому многие клетки имеют неправильную форму, могут незначительно изменять ее. Мембрана имеет сложное строение, в ней выделяют два слоя. Клеточная мембрана отвечает за избирательный транспорт веществ внутрь клетки и из нее.

Внутри животной клетки содержится цитоплазма, ядро, органоиды, рибосомы, различные включения и др. Цитоплазма представляет собой вязкую жидкость, находящуюся в постоянном движении. Движение цитоплазмы способствует протеканию различных химических реакций в клетке, т. е. обмену веществ.

Во взрослой растительной клетке есть большая центральная вакуоль. В животной клетке такой вакуоли нет. Однако в животных клетках постоянно образуются и исчезают маленькие вакуоли . В них могут содержаться питательные вещества для клетки или продукты распада, подлежащие удалению.

Строение животной клетки отличается от растительной еще тем, что в животной клетке достаточно большое ядро располагается обычно в центре (а у растений оно смещено из-за наличия большой центральной вакуоли). Внутри ядра содержится ядерный сок, а также находятся ядрышко и хромосомы . Хромосомы содержат наследственную информацию, которая при делении передается дочерним клеткам. Также они управляют жизнедеятельностью самих клеток.

У ядра есть своя мембрана, отделяющая его содержимое от цитоплазмы. Кроме ядра в цитоплазме клетки есть другие структуры, имеющие собственные мембраны. Эти структуры называют органоидами клетки, или, по-другому, органеллами клетки. В обычной по строению животной клетке, кроме ядра, есть следующие органоиды: митохондрии, эндоплазматическая сеть (ЭПС), аппарат Гольджи, лизосомы.

Митохондрии - это энергетические станции клетки. В них образуется АТФ - органическое вещество, в последствие при расщеплении которого выделяется много энергии, обеспечивающей протекание процессов жизнедеятельности в клетке. Внутри митохондрии есть множество складок - крист.

Эндоплазматическая сеть состоит из множества каналов, по которым транспортируются синтезируемые в клетке белки, а также другие вещества. По каналам ЭПС вещества поступают в аппарат Гольджи , который в животных клетках выражен сильнее, чем в растительных. В аппарате Гольджи, который представляет собой комплекс трубочек, вещества накапливаются. Далее по мере надобности они будут использованы в клетке. Кроме того на мембране аппарата Гольджи происходит синтез жиров и углеводов для построения всех мембран клетки.

В лизосомах содержатся вещества, расщепляющие ненужные клетке и вредные для нее белки, жиры и углеводы.

Кроме органелл, окруженных мембраной, в животных клетках есть немембранные структуры: рибосомы и клеточный центр. Рибосомы есть в клетках всех организмов, а не только у животных. А вот клеточного центра у растений нет.

Рибосомы располагаются группами на эндоплазматической сети. ЭПС, покрытая рибосомами, называется шероховатой. Без рибосом ЭПС называется гладкой. На рибосомах происходит синтез белков.

Клеточный центр состоит из пары цилиндрических телец. Эти тельца на определенном этапе создают своеобразное веретено деления, которое способствует правильному расхождению хромосом при делении клетки.

Клеточные включения представляют собой различные капли и зерна, состоящие из белков жиров и углеводов. Они постоянно присутствуют в цитоплазме клетки и участвуют в обмене веществ.

Органоиды клетки, они же органеллы, представляют собой специализированные структуры собственно клетки, отвечающие за различные важные и жизненно необходимые функции. Почему же все-таки «органоиды»? Просто тут эти компоненты клетки сопоставляются с органами многоклеточного организма.

Какие органоиды входят в состав клетки

Также порой под органоидами понимается исключительно лишь постоянные структуры клетки, которые находятся в ее . По этой же причине ядро клетки и ее ядрышко не называют органоидами, равно как и не являются органоидами , реснички и жгутики. А вот к органоидам, входящим в состав клетки относятся: , комплекс , эндоплазматическая сеть, рибосомы, микротрубочки, микрофиламенты, лизосомы. По сути это и есть основные органоиды клетки.

Если речь идет о животных клетках, то в число их органоидов также входят центриоли и микрофибриллы. А вот в число органоидов растительной клетки еще входят только свойственные растениям пластиды. В целом состав органоидов в клетках может существенно отличатся в зависимости от вида самой клетки.

Рисунок строения клетки, включая ее органоиды.

Двумембраные органоиды клетки

Также в биологии существует такое явление как двумембраные органоиды клетки, к ним относятся митохондрии и пластиды. Ниже мы опишем свойственные им функции, впрочем, как всех других основных органоидов.

Функции органоидов клетки

А теперь коротко опишем основные функции органоидов животной клетки. Итак:

• Плазматическая мембрана – тонкая пленка вокруг клетки состоящая из липидов и белков. Очень важный органоид, который обеспечивает транспортировку в клетку воды, минеральных и органических веществ, удаляет вредные продукты жизнедеятельности и защищает клетку.
• Цитоплазма – внутренняя полужидкая среда клетки. Обеспечивает связь между ядром и органоидами.
• Эндоплазматическая сеть – она же сеть каналов в цитоплазме. Принимает активное участие в синтезе белков, углеводов и липидов, занимается транспортировкой полезных веществ.
• Митохондрии – органоиды, в которых окисляются органические вещества и синтезируются молекулы АТФ с участием ферментов. По сути митохондрии это органоид клетки, синтезирующий энергию.
• Пластиды (хлоропласты, лейкопласты, хромопласты) – как мы упоминали выше, встречаются исключительно у растительных клеток, в целом их наличие является главной особенностью растительного организма. Играют очень важную функцию, например, хлоропласты, содержащие зеленый пигмент хлорофилл, у растения отвечают за явление .
• Комплекс Гольджи — система полостей, отграниченных от цитоплазмы мембраной. Осуществляют синтез жиров и углеводов на мембране.
• Лизосомы - тельца, отделенные от цитоплазмы мембраной. Имеющиеся в них особые ферменты ускоряют реакцию расщепления сложных молекул. Также лизосома является органоидом, обеспечивающим сборку белка в клетках.
• - полости в цитоплазме, заполненные клеточным соком, место накопления запасных питательных веществ; они регулируют содержание воды в клетке.

В целом все органоиды являются важными, ведь они регулируют жизнедеятельность клетки.

Основные органоиды клетки, видео

И в завершение тематическое видео про органоиды клетки.

Наука, изучающая строение и функции клеток, называется цитология .

Клетка - элементарная структурная и функциональная единица живого.

Клетки, несмотря на свои малые размеры, устроены очень сложно. Внутреннее полужидкое содержимое клетки получило название цитоплазмы .

Цитоплазма является внутренней средой клетки, где проходят различные процессы и расположены компоненты клетки - органеллы (органоиды).

Клеточное ядро

Клеточное ядро - это важнейшая часть клетки.
От цитоплазмы ядро отделено оболочкой, состоящей из двух мембран. В оболочке ядра имеются многочисленные поры для того, чтобы различные вещества могли попадать из цитоплазмы в ядро, и наоборот.
Внутреннее содержимое ядра получило название кариоплазмы или ядерного сока . В ядерном соке расположены хроматин и ядрышко .
Хроматин представляет собой нити ДНК. Если клетка начинает делиться, то нити хроматина плотно накручиваются спиралью на особые белки, как нитки на катушку. Такие плотные образования хорошо видны в микроскоп и называются хромосомами .

Ядро содержит генетическую информацию и управляет жизнедеятельностью клетки.

Ядрышко представляет собой плотное округлое тело внутри ядра. Обычно в ядре клетки бывает от одного до семи ядрышек. Они хорошо видны между делениями клетки, а во время деления - разрушаются.

Функция ядрышек - синтез РНК и белков, из которых формируются особые органоиды - рибосомы .
Рибосомы участвуют в биосинтезе белка. В цитоплазме рибосомы чаще всего расположены на шероховатой эндоплазматической сети . Реже они свободно взвешены в цитоплазме клетки.

Эндоплазматическая сеть (ЭПС) участвует в синтезе белков клетки и транспортировке веществ внутри клетки.

Значительная часть синтезируемых клеткой веществ (белков, жиров, углеводов) не расходуется сразу, а по каналам ЭПС поступает для хранения в особые полости, уложенные своеобразными стопками, “цистернами”, и отграниченные от цитоплазмы мембраной. Эти полости получили название аппарат (комплекс) Гольджи . Чаще всего цистерны аппарата Гольджи расположены вблизи от ядра клетки.
Аппарат Гольджи принимает участие в преобразовании белков клетки и синтезирует лизосомы - пищеварительные органеллы клетки.
Лизосомы представляют собой пищеварительные ферменты, “упаковываются” в мембранные пузырьки, отпочковываются и разносятся по цитоплазме.
В комплексе Гольджи также накапливаются вещества, которые клетка синтезирует для нужд всего организма и которые выводятся из клетки наружу.

Митохондрии - энергетические органоиды клеток. Они преобразуют питательные вещества в энергию (АТФ), участвуют в дыхании клетки.

Митохондрии покрыты двумя мембранами: наружная мембрана гладкая, а внутренняя имеет многочисленные складки и выступы - кристы.

Плазматическая мембрана

Чтобы клетка представляла собой единую систему, необходимо, чтобы все ее части (цитоплазма, ядро, органоиды) удерживались вместе. Для этого в процессе эволюции развилась плазматическая мембрана , которая, окружая каждую клетку, отделяет ее от внешней среды. Наружная мембрана защищает внутреннее содержимое клетки - цитоплазму и ядро - от повреждений, поддерживает постоянную форму клетки, обеспечивает связь клеток между собой, избирательно пропускает внутрь клетки необходимые вещества и выводит из клетки продукты обмена.

Строение мембраны одинаково у всех клеток. Основу мембраны составляет двойной слой молекул липидов, в котором расположены многочисленные молекулы белков. Некоторые белки находятся на поверхности липидного слоя, другие - пронизывают оба слоя липидов насквозь.

Специальные белки образуют тончайшие каналы, по которым внутрь клетки или из нее могут проходить ионы калия, натрия, кальция и некоторые другие ионы, имеющие маленький диаметр. Однако более крупные частицы (молекулы пищевых веществ - белки, углеводы, липиды) через мембранные каналы пройти не могут и попадают в клетку при помощи фагоцитоза или пиноцитоза:

• В том месте, где пищевая частица прикасается к наружной мембране клетки, образуется впячивание, и частица попадает внутрь клетки, окруженная мембраной. Этот процесс называется фагоцитозом (клетки растений поверх наружной клеточной мембраны покрыты плотным слоем клетчатки (клеточной оболочкой) и не могут захватывать вещества при помощи фагоцитоза).
• Пиноцитоз отличается от фагоцитоза лишь тем, что в этом случае впячивание наружной мембраны захватывает не твердые частицы, а капельки жидкости с растворенными в ней веществами. Это один из основных механизмов проникновения веществ в клетку.