Клеточная мембрана
Клетка со всех сторон окрухена плотно прилегающей мембраной, которая приспосабливается к любому изменению её формы с кажущейся лёгкой пластичностью. Эта мембрана называется плазматической мембраной, или плазмалеммой (греч. plasma - форма; lemma - оболочка).
Клеточная мембрана или плазмолема, представляет тонкую биологическую пленку, которая ограничивает клетку. Все известные биологические мембраны образуют замкнутые пространства – компартменты. Таким образом, главная функция клеточной мембраны – обеспечить поступление в клетку веществ и сохранить постоянство ее состава, то есть клеточной.
Все клетки отделены от окружающей среды плазматической мембраной. Клеточные мембраны не являются непроницаемыми барьерами. Клетки способны регулировать количество и тип проходящих через мембраны веществ, а часто и направление движения.
Общая характеристика клеточных мембран:
-
Разные типы мембран различаются по своей толщине, но в большинстве случаев толщина мембран составляет 5 - 10 нм; например, толщина плазматической мембраны равна 7,5 нм.
-
Мембраны - это липопротеиновые структуры (липид + белок). К некоторым липидным и белковым молекулам на внешних поверхностях присоединены углеводные компоненты (гликозильные группы). Обычно на долю углевода в мембране приходится от 2 до 10%.
-
Липиды образуют бислой. Это объясняется тем, что их молекулы имеют полярные головы и неполярные хвосты.
-
Мембранные белки выполняют различные функции: транспорт веществ, ферментативная активность, перенос электронов, преобразование энергии, рецепторная активность.
-
На поверхностях гликопротеинов находятся гликозильные группы - разветвлённые олигосахаридные цепи, напоминающие антенны. Эти гликозильные группы связаны с механизмом распознавания.
-
Две стороны мембраны могут отличаться одна от другой и по составу, и по свойствам.
Рис 7. В настоящее время наибольшим признанием пользуется жидкостно-мозаичная модель мембраны, предложенная в 1972 году Сингером и Николсоном (Singer, Nicolson). Согласно этой модели мембрана состоит из бислоя липидов, в котором плавают (или закреплены) белковые молекулы, образуя в нём своеобразную мозаику. Мембранные белки могут пронизывать бислой насквозь (интегральный белок - 1), примыкать к бислою (периферический белок - 2) или погружаться в него. Многие белки мембраны являются гликопротеинами (3), а мембранообразующие липиды - гликолипидами (4). на схеме также показаны: холестерол (5); углевод (6); элементы цитоскелета (7).
Функции клеточных мембран:
-
ограничение клеточного содержимого от окружающей среды
-
регуляция обменных процессов на границе "клетка - окружающая среда"
-
передача гормональных и внешних сигналов, контролирующих рост и дифференцировку клеток
-
участие в процессе клеточного деления.
Типы проникновения веществ в клетку через мембраны
Транспорт через мембраны жизненно важен, т.к. он обеспечивает:
-
соответствующее значение рН и концентрации ионов
-
доставку питательных веществ
-
выведение токсичных отходов
-
секрецию различных полезных веществ
-
создание ионных градиентов, необходимых для нервной и мышечной активности.
Регуляция обмена веществ через мембраны зависит от физических и химических свойств мембран и идущих через них ионов или молекул.
Вода - основное вещество, поступающее в клетки и выходящее из них. Движение воды как в живых системах, так и в неживой природе подчиняется законам объёмного потока и диффузии. Объёмный поток - это общее движение воды (или другой жидкости), которое происходит благодаря разнице в потенциальной энергии воды, обычно называемой водным потенциалом.
Другой источник водного потенциала - давление. Вода перемещается из области более высокого водного потенциала в область более низкого независимо от причины, создающей это различие. Например, вода, находящаяся на вершине водопада, обладает потенциальной энергией. При падении воды, её потенциальная энергия переходит в кинетическую, которая может быть превращена в механическую и способна совершить работу.
Диффузия - это распространение вещества в результате движения их ионов или молекул, которые стремятся выровнять свою концентрацию в системе.
Признаки диффузии: каждая молекула движется независимо от других; эти движения хаотичны. Диффузия - процесс медленный. Но она может быть ускорена в результате тока плазмы, метаболической активности.
Обычно вещества синтезируются в одном участке клетки, а потребляются в другом. Т. о. устанавливается концентрационный градиент, и вещества могут диффундировать по градиенту из места образования к месту потребления.
Органические молекулы, как правило, полярны. Поэтому они не могут свободно диффундировать через липидный барьер клеточных мембран. Однако двуокись углерода, кислород и другие вещества, растворимые в липидах, проходят через мембраны свободно. В обе стороны проходит вода и некоторые мелкие ионы.
Пропуская воду, клеточные мембраны в то же время не пропускают большинство растворённых в ней веществ. Такие мембраны называют полупроницаемыми, а диффузию через такие мембраны - осмосом.
Эндоцитоз и экзоцитоз
Эндоцитоз и экзоцитоз - это два активных процесса, посредством которых различные материалы транспортируются через мембрану либо в клетки (эндоцитоз), либо из клеток (экзоцитоз). При эндоцитозе плазматическая мембрана образует впячивания или выросты, которые затем, отшнуровываясь, превращаются в пузырьки или вакуоли. Различают два типа эндоцитоза:
1. Фагоцитоз - поглощение твёрдых частиц. Специализированные клетки, осуществляющие фагоцитоз, называются фагоцитами.
Рис 8. Макрофаг, фагоцитирующий
две красные кровяные клетки
2. Пиноцитоз - поглощение жидкого материала (раствор, коллоидный раствор, суспензия). Часто при этом образуются очень мелкие пузырьки (микропиноцитоз).
Экзоцитоз - процесс, обратный эндоцитозу. Таким способом выводятся гормоны, полисахариды, белки, жировые капли и другие продукты клетки. Они заключаются в пузырьки, ограниченные мембраной, и подходят к плазмалемме. Обе мембраны сливаются, и содержимое пузырька выводится в среду, окружающее клетку.
Молекулы проходят через мембраны благодаря трём различным процессам: простой диффузии, облегчённой диффузии, активному транспорту.
Простая диффузия - пример пассивного транспорта. Его направление определяется только разностью концентраций вещества по обеим сторонам мембраны (градиентом концентрации). Путём простой диффузии в клетку проникают неполярные (гидрофобные) вещества, растворимые в липидах и мелкие незаряженные молекулы (например, вода).
Большинство веществ, необходимых клеткам, переносится через мембрану с помощью погружённых в неё транспортных белков (белков-переносчиков). Все транспортные белки, по-видимому, образуют непрерывный белковый проход через мембрану.
Различают две основные формы транспорта с помощью переносчиков: облегчённая диффузия и активный транспорт.
Облегчённая диффузия обусловлена градиентом концентрации, и молекулы движутся соответственно этому градиенту. Однако если молекула заряжена, то на её транспорт влияет как градиент концентрации, так и общий электрический градиент поперёк мембраны (мембранный потенциал).
Активный транспорт - это перенос растворённых веществ против градиента концентрации или электрохимического градиента с использованием энергии АТФ. Энергия требуется потому, что вещество должно двигаться вопреки своему естественному стремлению диффундировать в противоположном направлении.
Некоторые транспортные белки переносят одно растворённое вещество через мембрану (унипорт).
Другие функционируют как котранспортные системы, в которых перенос одного растворённого вещества зависит от одновременного или последовательного переноса второго вещества.
Второе вещество может транспортироваться в том же направлении (симпорт) либо в противоположном (антипорт).
Na-K насос
Одной из важнейших и наиболее изученных систем активного транспорта в клетках животных является Na-K насос. Большинство клеток животных поддерживают разные градиенты концентрации ионов натрия и калия по разные стороны плазматической мембраны: внутри клетки сохраняется низкая концентрация ионов натрия и высокая концентрация ионов калия. Энергия, необходимая для работы Na-K насоса, поставляется молекулами АТФ, образующимися при дыхании. О значении этой системы для всего организма свидетельствует тот факт, что у находящегося в покое животного более трети АТФ затрачивается на обеспечение работы этого насоса.
Рис 9. Модель работы Na-K насоса
А. Ион натрия в цитоплазме соединяется с молекулой транспортного белка.
Б. Реакция с участием АТФ, в результате которой фосфатная группа (Р) присоединяется к белку, а АДФ высвобождается.
В. Фосфорилирование индуцирует изменение конформации белка, что приводит к высвобождению ионов натрия за пределами клетки
Г. Ион калия во внеклеточном пространстве связывается с транспортным белком (Д), который в этой форме более приспособлен для соединения с ионами калия, чем с ионами натрия.
Е. Фосфатная группа отщепляется от белка, вызывая восстановление первоначальной формы, а ион калия высвобождается в цитоплазму. Транспортный белок теперь готов к выносу другого иона натрия из клетки.
Типы обменных процессов
Совокупность всех реакций биосинтеза принято называть ассимиляцией (лат. ассимиляцию – уподобление), или пластическим обменом. В се реакции пластического обмена идут с поглощением энергии.
Противоположный процесс – распад и окисление клеткой органических соединений – носит название диссимиляции. (лат. диссимиляцию-делать неподобным).или энергетического обмена. Все реакции этого процесса идут с выделением энергии.
АТФ как источник клеточной энергии. Для того чтобы осуществлять и выполнять определенные функции клетка нуждается в энергии. Энергия, приобретаемая клеткой сохраняется главным образом в виде молекул аденозитрифосфата – АТФ (аденозитрифосфорная кислота). Молекула АТФ является нуклеотидом, так как состоит из азотистого основания – аделина, сахара, рибозы и трех фосфатных групп (остатки фосфорной кислоты).
АТФ - это макроэргическое соединение, поскольку в двух фосфатных связях накапливается большое количество энергии. Химические связи которыми соединены молекулы фосфорной кислоты, неустойчивы. Под действием фермента АТФ – в ходе гидролиза (присоединения воды) один богатый энергией остаток фосфорной кислоты отщепляется от молекулы АТФ с образованием аденозиндифосфата АТФ и выделением энергии в количестве около 40 кДж/моль. Указанный процесс называется дефосфорилированием.
Обратное явление переход АДФ в АТФ путем присоединения неорганического фосфата – фосфорилированием. Накопление и концентрация энергии в макроэнергетических фосфатных связях при образовании АТФ происходит в ходе энергетического обмена, а также во время фотосинтеза.
Образование АТФ в процессе энергетического обмена.
Энергетическим обменом или диссимиляцией называются процессы распада и окисления клеткой органических соединений. Внутриклеточный этап энергетического обмена подразделяется на два периода.
Первый период безкислородный (анаэробный). Глюкоза поступает из крови в цитоплазму клеток, где под действием ферментов преобразуется в две молекулы молочной кислоты. В реакции участвуют АДФ и Н2 РО4.
С6Н2 О6 + 2Н3 РО4 + 2АДФ → С 3Н6 О3 + 2АТФ + 2Н2О
Образование двух молекул АТФ из одной молекулы глюкозы в целом мало эффективно. Количество выделяемой энергии невелико 200 кДж. Основные процессы связанные с накоплением энергии, происходит во втором периоде.
Второй период – кислородный (аэробный) называют окислительным фосфолирированием (клеточное дыхание). Входе его наблюдается полное кислородное расщепление молочной кислоты до двуокиси углерода СО2. Происходит освобождение атомов водорода Н ( водород выделяется из углеводов в результате прохождения ими сложного ряда химических превращений, называемых циклом Кребса).
Реакция протекает с участием АДФ и Н3 РО4.
2С2 Н6 О3 + 6О + 36АДФ + 36НРО → 6СО + 36 АТФ + 42НО
При этом выделяется большое колличество энергии 2600 кДж. Окислительное фосфорирование совершается в митохондриях клеток. Атомы водорода Н (электроны и протоны) переносятся на систему ферментов в митохондриальной мембране. Здесь они окисляются, то есть теряют электроны: Н 2 __- 2 е → 2Н+. Образуются свободные электроны е и ионы водорода Н + (протоны). В ходе дыхания элетктроны несколько раз пересекают мембрану вынося протоны Н+ в наружную поверхность. Количество положительно заряженных протонов там резко возрастает. Возникает градиент концентрации протонов и электрический потенциал. Благодаря ему протоны стремятся вернутся назад во внутрь.
1.4. ОРГАНИЗАЦИОННАЯ СТРУКТУРА ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ
1.4.1. ПРОВЕРКА ИСхОДНОГО УРОВНЯ ЗНАНИЙ СТУДЕНТОВ
Клетка как открытая система. Ассимиляция, диссимиляция. Клеточные мембраны. Их структура и функции. Принцип компартментации Рецепторы клеток. Транспорт веществ через плазмолему. Организация потоков веществ и энергии в клетке. Этапы энергетического обмена. Энергетическое обеспечение клеток АТФ. Разделение энергии. Этапы энергетического обмена. Энергетическое обеспечение клеток АТФ, Разделение энергии.
1.4.2. ПРОВЕРКА ИСХОДНОГО УРОВНЯ знаний по тестам
-
Необходимейшим веществом в клетке, участвующим почти во всех химических реакциях является:
А. Полинуклеотид. Б. Полисахарид. В. Полипептид. Г. Вода.
-
Какая структура клетки образует своеобразный барьер, через тонкие каналы этой части клетки осуществялется транспорт веществ в клетку и обратно?
А. Эндоплазматическая сеть. Б. Цитоскелет В. Плазматическая мембрана. Г. Пластиды
-
Вода – основа жизни:
А. Она может находиться в трех состояниях (жидком, твердом и газообразном). Б. В клетках зародыша ее больше 90%. В. Является растворителем, обеспечивающим как приток веществ в клетку так и удаление из нее продуктов обмена. Г. Охлаждает поверхность при испарении.
-
Биоэлементами называют химические элементы:
А. входящие в состав живой и не живой природы
Б. Участвующие в жизнедеятельности клетки
В. Входящие в состав неорганических молекул
Г. Являющиеся главным компонентом всех органических соединений клетки
-
Понятие «гомеостаз» характеризует:
А. Состояние динамического равновесия природной системы, поддерживаемое деятельностью регуляторных систем.
Б. Процесс разрушения клеток путем их растворения.
В. Общее снижение жизнеспособности организма.
Г. Процесс расщепления углеводов в отсутствии кислорода.
-
Метаболизм складывается из двух взаимосвязанных и противоположно направленных процессов:
А. Жизни и смерти, Б. Синтеза и распада. В. возбуждения и торможения.
Г. Поглощения кислорода и выделение углекислого газа.
1.4.3. ПРОВЕДЕНИЕ ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНОГО ТЕСТОВОГО КОНТРОЛЯ
КРОК 1
-
На практическом занятии по биологии клеток студенты изучали плазматическую мембрану. Преподаватель спросил, как в клетку попадают макромолекулы, которые связываются со специфическими рецепторами на поверхности клетки?
А. через ионные каналы благодаря
В. эндоцитозу
С. с помощью белков переносщиков которые перемещаются наподобие вращающейся двери
Д. путем пассивного транпорта
Е. благодаря работе натрий –калиевого насоса.
| -
При электронно-микроскопичес-ком изучении клетки выявлена трехслойная ультраструктура, которая ограничивает цитоплазму. Внешняя поверхность ее представлена гликокаликсом, внутрення – лабильными белками. Что представляет собой эта ультраструктура?
А. цитоскелет
В. оболочка ядра
С. плазмолемма
Д. ЭПС гладкая
Е. ЭПС гранулярная.
|
3. Вследствие полного (анаэробного и аэробного) распада одного моля глюкозы в клетках человека высвободилась энергия. Часть ее рассеялась, а часть была аккумулирована в виде:
А. 2 молей АДФ А
В. 2 молей АТФ
С. 36 молей
Д. 38 молей
Е. 40 молей
|
4. С помощью электронной микроскопии обнаружено, что поверхность большинства клеток образует многочисленные выросты цитоплазмы. Какой процесс активно происходит в этих клетках?
А. биосинтез белка
В. фагоцитоз
С. биологическое окисление
Д. диффузия
Е. Синтез АТФ.
|
1.5. ПОДВЕДЕНИЕ ИТОГОВ ЗАНЯТИЯ преподавателем и проверка правильности выполнения работ каждым студентом.
1.6. МЕСТО И ВРЕМЯ ЗАНЯТИЯ: учебная комната, 2 академических часа.
1.7. ОСНАЩЕНИЕ ЗАНЯТИЯ: микроскопы, микропрепараты, таблицы, схемы.
ЛИТЕРАТУРА: основная (1), дополнительная (2).
1.1. В.П. Пишак Биология медицинская Винница 2004
1.3. Королев В.А. Лекции по медицинской биологии. - Киев: Вища школа, 1993.
1.5. Пехов А.П. Биология с общей генетикой. – М.: Медицина, 1993.
2.1. Королев В.А., Ромашова М.Ф. Биология живой клетки. – Симферополь, 1999.
ЗАНЯТИЕ 4
Морфология хромосом. Кариотип человека
1.1. Значение темы: С помощью хромосом осуществляется передача наследственной информации дочерним клеткам и последующим поколениям организмов. Изменения в структуре хромосомного набора приводят к тяжелым заболеваниям. Врачу необходимо владеть методикой кариотипиро-вания, т. к. этот метод используется для диагностики хромосомных болезней.
1.2. Цели занятия: Общая — знать принципы организации наследственного материала эукариот.
1.3. Конкретные цели. Уметь
1.3.1. Охарактеризовать морфологию метафазной хромосомы, ее микроскопическую и субмикроскопическую структуру.
1.3.2. Распознавать хромосомы разных групп в кариотипе человека.
Основные теоретические сведения
Американский генетик Томас Морган в 1911 г. сформулировал хромосомную теорию наследственности, в которой впервые показал, что передача признаков по наследству связана с хромосомами.
Хромосомы — это самовоспроизводящиеся структурные элементы клеточного ядра, содержащие гены, предназначенные для хранения наследственной информации и правильного ее распределения в ходе митоза (рис. 5).
По форме хромосомы бывают в виде палочек, нитей, петель. В зависимости от расположения первичной перетяжки — центромеры, различают три типа хромосом: метацентрические, субметацентрические и акроцентрические (рис. 6, А).
-
В
Рис. 10. Метафазная хромосома.
метацентрических — центромера расположена посередине.
-
Для субметацентрических — характерно наличие плечей разной длины.
-
Акроцентрические — центромера находится на конце хромосомы.
Концевые участки хромосомы называют теломерами. Особенность их состоит в том, что они не способны к соединению с другими участками хромосом.
Основными химическими компонентами хромосом эукариот являются ДНК, белки и небольшое количество РНК. Хромосомы способны менять свою структуру и длину на протяжении клеточного цикла. Так, в период интерфазы они находятся в деконденсированном состоянии и выполняют функции репликации и транскрипции. Максимальная конденсация хромосом характерна для делящейся клетки, особенно в метафазе. В период деления клетки хромосомы выполняют функцию перемещения и распределения наследственной информации.
К
А Б
Рис. 11. Типы (А) и идиограмма хромосом человека (Б).
аждому виду характерен свой кариотип, т.е. определенное постоянное число, форма и размеры хромосом. В диплоидном наборе хромосом соматической клетки (его условно обозначают 2n) следует различать гомологичные хромосомы, которые имеют одинаковую морфологию, но происходят из разных геномов: одна от материнской гаметы, другая — от отцовской. Если пары гомологичных хромосом расположить в порядке убывания их размеров, то получится так называемая идиограмма (рис. 6 Б).. У человека кариотип состоит из 46 хромосом. Причем различают 44 аутосомы и 2 половые хромосомы, которые отличаются у мужчин (ХУ) и у женщин (XX). Следовательно, кариотип мужского организма — 46,ХУ, женского — 46, XX.
В генетике человека широко используют цитогенетичеокий метод, с помощью которого изучают строение отдельных хромосом, а также особенности набора хромосом клеток человека в норме и патологии. По половому хроматину интерфазных ядер можно судить о состоянии половых хромосом, что позволяет провести экспресс-диагностику некоторых наследственных болезней.
1.4. Организационная структура практического занятия
1.4.1. Проверка исходного уровня знаний по тестам исходного контроля
1. Назовите вещества, входящие в состав хромосом:
а) белки, б) углеводы, в) нуклеиновые кислоты, г) жиры.
2. Где располагается центромера у акроцентрических хромосом:
а) посередине хроматиды. б) несколько сдвинута к одному
концу, в) у одного конца, г) в центре
3. Какое число хромосом в кариотипе женщины:
а) 23, б) 69, в) 46. г) 92.
4. Какое значение имеет уменьшение числа хромосом в гаметах:
а) в зиготу поступают хромосомы отца и матери,
б) в ряду поколений сохраняется одно и тоже число хромосом,
в) обеспечивает разнообразие форм в природе,
г) обеспечивает постоянство признаков в процессе филогенеза.
5. Какие хромосомы называются политенными:
а)имеющие одну хроматиду, б) две хроматиды,
в) три хроматиды, г) много хроматид.
6. Из перечисленных периодов клеточного цикла выберите те, которые относятся к интерфазе:
а) S, б) G 1, в) G 2, г) М.
1.4.2. Теоретические вопросы, которые необходимо усвоить для достижения целей занятия
а) структура ядра в интер- и метафазе,
б) хромосомы, их строение и химический состав,
в) понятие о кариотипе и идиограмме,
г) классификация хромосом человека,
д) эухроматин, гетерохроматин и половой хроматин,
е) методика изучения кариотипа человека.
1.4.3. Самостоятельная работа студентов:
а) рассмотреть при большом увеличении микроскопа и зарисовать
микропрепарат “Политенные хромосомы дрозофилы “.
б) рассмотреть демонстрационный микропрепарат " Хромосомы человека из культуры лейкоцитов". Зарисовать хромосомы на стадии метафазы,
в) составить идиограмму хромосом. Для этого используются фотографии: хромосомы в метафазе из культуры лейкоцитов человека. Хромосомы вырезают, составляют пары и располагают все хромосомы по группам, согласно Денверской классификации,
г) приготовить временный микропрепарат "Х-половой хроматин в клетках слизистой оболочки полости рта". Изучить препарат с помощью иммерсионного объектива, зарисовать.
1.4.4. Решение целевых обучающих задач:
Задача 1. Некоторые клетки больного человека имеют нормальный кариотип; другие - 47 или 45 хромосом. Укажите названия и возможные механизмы этого явления.
Задача 2. При исследовании буккального эпителия, взятого у мужчины с нормальным кариотипом, в одной из клеток был обнаружен Х-хроматин. Как это можно объяснить ?
Задача 3. Может ли нормальная стволовая клетка костного мозга человека иметь 92 хромосомы ?
1.4.5. Проведение заключительного тестового контроля:
1. Укажите основные компоненты интерфазного ядра:
а) ядерная мембрана, б) ядрышки, в)хроматин,
г) клеточный центр, д) нуклеоплазма, е) диктиосомы.
2. Какое значение имеет эухроматин:
а) передает информацию, направляющую синтез белка,
б) участвует в процессах клеточного метаболизма,
в) тормозит синтез белка в клетке.
3. Укажите, является ли гетерохроматин генетически актиным:
а) да, б) нет.
4. Что такое кариотип ?
а) совокупность хромосом соматической клетки организма, характерная для данного вида; б) совокупность половых хромосом, характерная для данного вида;
в) наличие хроматина в клеточном ядре.
5. Какая стадия митоза используется для изучения кариотипа ?
а) профаза, б) метафаза, в) анафаза, г) телофаза.
6. С помощью какого метода можно идентифицировать наличие в ядре У-половой хромосомы ?
а) световая микроскопия,
б)электронная микроскопия,
в) люминисцентная микроскопия.
7. С чем связано наличие в интерфазном ядре женщин одной глыбки полового хроматина ?
а) у женщин две Х-хромосомы, одна находится в активном состоянии, а вторая - в гетерохроматиизированном,
б) у женщин половые хромосомы одинаковые,
в) т.к. у женщин в ядре хроматина больше.
8. Какое действие оказывает алкалоид колхицин на митоз ?
а) тормозит метафазу,
б) удлиняет анафазу,
в) останавливает процесс кариокинеза.
9. Какой механизм действия колхицина ?
а) усиливает процесс расхождения центриолей к полюсам клетки,
б) подавляет образование микротрубочек веретена деления.
в) препятствует спирализации хромосом.
10. Какие клетки человека чаще всего используют для изучения кариотипа?
а) эритроциты, б) тромбоциты, в) лейкоциты.
11. Какое значение имеют теломеры?
а) способствуют удвоению хромосом,
б) препятствуют соединению хромосом между собой,
в) участвуют в процессе синтеза белков.
12. Что такое идиограмма?
а) схема, на которой хромосомы располагаются в ряд по мере убывания их длины,
б) схема, на которой хромосомы идентифицируются по расположению центромеры.
КРОК 1
1. При обследовании 2-х месячного мальчика педиатр обратил внимание, что плач ребенка похож на кошачье мяуканье. Кроме того, у ребенка отмечались микроцефалия и порок сердца. Его кариотип 46, ху, 5р-. В какую стадию митоза был исследован кариотип?
А. Интерфаза,
В. Профаза,
С. Метафаза,
D. Анафаза,
Е. Телофаза.
2. Известно, что в интерфазных ядрах мужских соматических клеток в норме содержится не более 0-5 % глыбок полового хроматина, а в женских 60-70%. С какой целью в практической медицине используют определение глыбок полового хроматина?
А. Для изучения структуры Х-половой хромосомы,
В. Для экспресс-диагностики пола человека,
С. Для изучения структуры У-половой хромосомы,
D. Для определения кариотипа,
Е. Для изучения структуры аутосом
1.5. Подведение итогов занятия преподавателем и проверка правильности выполнения работы каждым студентом
1.6. Место и время занятия: учебная комната, 2 академических часа.
1.7. Оснащение занятия: таблицы, схемы.
1.8. Литература основная (I) и дополнительная (II):
(I) 1. Биология (под ред. Ярыгина В.Н.), М., Медицина, 1999.
2.Слюсарев А.А., Жукова С.Н. Биология, Вища школа, 1987, с. 85-97.
З. Пехов А.П. Биология с общей генетикой. Медицина, 1993,
(II) 4. Альюин В. Гены, Мир, 1987.
5. Георгиев Г. П. Гены высших организмов и их экспрессия, Мир, 1987.
6. Инге-Вечтамов A.B., Введение в молекулярную генетику, 1987.
7. Щипков В.П. Кривошеина Г.Н. «Общая медицинская генетика». Москва 2003
ЗАНЯТИЕ 5
характеристика нуклеиновых кислот
1.1. Значение темы: молекулярно—биологические представления о строении и функционировании генов позволяют будущим врачам глубже понять процессы нормальной жизнедеятельности человека, механизмы наследственной патологии (на молекулярном уровне), перспективы генной инженерии и биотехнологии.
1.2. Цели занятия. Общая — знать принципы организации наследственного материала эукариот, этапы механизма реализации наследственной информации и уметь связывать основные процессы молекулярно-генетической регуляции жизнедеятельности организма с патологией человека.
1.3. Конкретные цели. Уметь:
1.3.1. Оперировать понятиями молекулярной биологии о структуре и функциях генов, реализации наследственной информации в нормальные и патологические признаки.
1.3.2. Объяснять процесс молекулярно-генетической регуляции активности генов.
Основные теоретические сведения
Генетическая информация в клетке связана с нуклеиновыми кислотами. Их два типа: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Мономерными структурными единицами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды. Нуклеотид состоит из молекулы фосфорной кислоты, моносахарида (дезоксирибозы — ДНК или рибозы — РНК) и одного из 4-х азотистых оснований: аденина (А), гуанина (Г), цитозина (Ц) и тимина (Т) — ДНК или урацила (У) — РНК (рис. 2).
М
Рис. 12. Схема участка молекулы ДНК (1) и ее спиральной структуры (2).
одель строения молекулы ДНК предложили в 1953 году Ж. Уотсон и Ф. Крик. ДНК представляет собой двойную правозакрученную спираль, построенную из двух полинуклеотидных цепей.
По современным представлениям ДНК имеет две функции.
-
Аутосинтетическая — способность к самоудвоению в синтетическом периоде интерфазы.
-
Гетеросинтетическая — передача информации о структуре белка на молекулу и-РНК, которая играет главную роль в процессе биосинтеза белка в клетке.
В ходе репликации после удвоения ДНК в ней обнаруживаются ошибки, возникающие под действием различных факторов физической и химической природы - при этом возникает репарация - самовосстановление первичной структуры ДНК, которая может быть экцизионной, фотерепарацией и рекомбинантной репарацией.
РНК – состоит из одной полинуклипептидной цепи. В зависимости от функции или локализации в клетке различают три вида РНК: информационную ( и-РНК) , транспортную (т-РНК) и рибосомную (р-РНК).
1.4. Организационная структура практического занятия
1.4.1. Проверка исходного уровня знаний по тестам исходного контроля
1. Последовательность нуклеотидов в гене молекулы ДНК определяет:
а) структуру молекулы углеводов.
б) порядок размещения аминокислот в молекуле белка,
в) первичную структуру молекулы белка,
г) взаимодействие белков.
2. Каковы функции и-РНК ?
а) доставляет аминокислоты к рибосомам — месту синтеза белка,
б) переписывает информацию с ДНК о первичной структуре белковой молекулы,
в) переносит информацию о структуре белка к рибосоме,
г) активизирует аминокислоты в процессе синтеза белка.
3. Одно звено цепочки молекул ДНК имеет такую последовательность нуклеотидов: ТГА - ЦЦА - ГАТ - АЦГ - ЦTT - ...
Какую последовательность нуклеотидов будет иметь звено другой цепочки при восстановлении этой молекулы:
а) УЦГ - ГГТ - ЦУТ - УГЦ - ГТТ ...
б) АЦТ - ГГТ - ЦТА - ТГЦ - ГАА ..,
Какой принцип лежит в основе этого процесса:
в) редупликация, г) комплементарность.
-
Из чего построена молекула ДНК ?
а) из аминокислот
б) из гистонов
с) из липидов
д) из нуклеотидов
-
Как называется способ репликации ДНК?
а) синтетический
б) консервативный
с) полуконсервативный
д) редупликационный
-
В какую стадию интерфазы происходит репликация ДНК?
а) профаза
б) синтетическая
с) постсинтетическая
д) метафаза
-
Какое количество нуклеотидов содержит т- РНК?
а) 50 –70
б) 75-95
с) 100 –150
д) 200 – 300
-
Чему соответствует триплет и- РНК?
а) белку
б) аминокислоте
с) нуклеотиду
д) полипептиду
1.4.2. Теоретические вопросы, которые необходимо усвоить для достижения целей занятия:
а) строение и функции ДНК;
б) процесс репликации ДНК;
в) строение и функции и –РНК, т –РНК и р-РНК;
г) репарация ДНК и ее виды
1.4.3. Самостоятельная работа студентов
1. Решить задачи:
Задача 1. Ядро яйцеклетки и ядро сперматозоида имеет равное число хромосом, но у яйцеклетки объем цитоплазмы и количество цитоплазматических органелл гораздо больше, чем у сперматозоидов. Одинаково ли содержание ДНК в этих клетках?
Задача 2. Сколько и каких видов свободных нуклеотидов потребуется при редупликации молекулы ДНК, в которой количество А = 600 тыс., Г = 2400 тыс.
Задача 3. В молекуле ДНК на долю цитидиловых нуклеотидов приходится 18%. Определите процентное содержание других нуклеотидов, входящих в молекулу ДНК?
Задача 4. Дана молекула ДНК с относительной молекулярной массой в 9000 , из них 8625 приходится на долю адениловых нуклеотидов. Относительная молекулярная масса одного нуклеотида в среднем - 345. Сколько содержится нуклеотидов в молекуле ДНК по отдельности?
Задача 5. Конечный кодон т-РНК — ГГА. Какому порядку нуклеотидов на ДНК он соответствует ?
2. Заполнить таблицу:
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДНК и РНК
ПРИЗНАКИ
|
ДНК
|
РНК
|
1. Местонахождения в клетке
|
|
|
2. Местонахождения в ядре
|
|
|
3.Строение макромолекулы
|
|
|
4. Мономеры
|
|
|
5. Состав нуклеотида
|
|
|
6.Функции
|
|
|
1.4.5. Проведение заключительного тестового контроля
1. Укажите доказательства роли ДНК в передаче наследственных свойств организма:
а) эксперименты по трансформации бактерий;
б) процессы транскрипции;
в) явление трансдукции у бактерий;
г) процессы трансляции;
д) процессы конъюгации у бактерий.
2. Какие свойства молекулы ДНК обеспечивают стабильность структуры гена как единицы наследственности в ряду поколений ?
а) способность к редупликации;
б) способность к репарации;
в) способность к замене азотистых оснований.
3. Что такое нуклеосомы ?
а) шаровидные тельца, состоящие из отрезка ДНК и 8 гистоновых белков;
б) участок молекулы ДНК, состоящий из 100 нуклеотидов;
в) участок и-РНК, состоящий из 50 нуклеотидов.
4. Что такое антикодон ?
а) участок молекулы т-РНК, узнающий комплементарный ему участок (кодон) в молекуле и-РНК;
б) участок молекулы и-РНК, принимающий участие в транскрипции;
в) часть гена, кодирующего одну аминокислоту.
5. Сколько нуклеотидов содержат фрагменты ОКАЗАКИ у эукариот?
а) 100 –200
б) 10 – 50
с) 1000 –2000
д) 300 – 500
6. Что такое репарация ДНК?
а) репликация
б) самовосстановление
с) дубликация
д) трансформация
7. Как называется репарация ДНК с «вырезанием»?
а) эксцизионная
б) транспортная
с) темновая
д) световая
КРОК 1
1. Нуклеиновая кислота ДНК состоит из двух комплементарных цепей, способных к самокопированию — репликации, что обеспечивается особенностями ее химической организации. Как называется способ удвоения молекул ДНК?
А. Полуконсервативный
В. Матричный
С. Полимеразный
D. Cинтетический
Е. Консервативный
|
2) В эукариотческих клетках молекулы ДНК находятся не только в ядре, но и в цитоплазме. В какой органелле имеется ДНК?
А. рибосомы
В. митохондрии
С. лизосомы
Д. комплекс Гольджи
Е. эндоплазматическая сеть
|
1.5. Подведение итогов занятия преподавателем и проверка правильности выполнения работы каждым студентом
1.6. Место и время занятия: учебная комната, 2 академических часа.
1.7. Оснащение занятия: таблицы, схемы.
Литература основная (I) и дополнительная (II):
(I) 1. Медицинская биология (под. редакцией Пишак В.Н.), Винница, 2004, с. 82 – 94.
2. Биология (под ред. Ярыгина В.Н.), М., Медицина, 2004.
3.Слюсарев А.А., Жукова С.Н. Биология, Вища школа, 1987, с. 85-97.
4. Пехов А.П. Биология с общей генетикой. Медицина, 1993,
(II) 4. Альюин В. Гены, Мир, 1987.
5. Георгиев Г. П. Гены высших организмов и их экспрессия, Мир, 1987.
6. Инге-Вечтамов A.B., Введение в молекулярную генетику, 1987.
7. Королев В.А., Ромашова М.Ф. Живая клетка. Симферополь, 1996, с.34-44.
8. Щипков В.П. Кривошеина Г.Н. «Общая медицинская генетика». Москва, 2003.
ЗАНЯТИЕ 6
СТРОЕНИЕ ГЕНА ПРО – И ЭУКАРИОТ. ГЕНЫ СТРУКТУРНЫЕ, РЕГУЛЯТОРНЫЕ. Процессы реализации генетической информации
1.1. Значение темы: молекулярно—биологические представления о строении и функционировании генов позволяют будущим врачам глубже понять процессы нормальной жизнедеятельности человека, механизмы наследственной патологии (на молекулярном уровне), перспективы генной инженерии и биотехнологии.
1.2. Цели занятия. Общая — знать принципы строения гена про-и эукариот, функциональные характеристики гена, экзонно-интронную организацию генома эукариот, а также генетический код и его свойства.
1.3. Конкретные цели. Уметь:
1.3.1. Оперировать понятиями молекулярной биологии о структуре и функциях генов.
1.3.2. Объяснять основные свойства генетического кода и решать соответствующие задачи.
Основные теоретические сведения
По современным представлениям ген – участок молекулы ДНК содержащий информацию о синтезе одного полипептида. Различают гены – структурные, которые кодируют определенные белки и регуляторные – направляют деятельность структурных генов.
Последовательность аминокислот в белке определяется последовательностью нуклеотидов в молекуле ДНК, его генетическим кодом. Т. о., наследственная информация на ДНК записана с помощью генетического вода.
Код имеет следующие основные свойства:
1. Триплетность — одну аминокислоту кодируют три нуклеотада.
2. Вырожденность (избыточность) — одну аминокислоту кодируют от двух до четырех триплетов. Всего имеется 64 триплета: 61 триплет несет информацию об аминокислотах, а 3 стоп-кодона обозначают окончание синтеза полипептидной цепи.
3. Неперекрываемость — нуклеотид одного триплета не может входить в состав соседнего триплета.
4. Универсальность — код един для всех живых организмов (синтез белка).
Генетический код и-рнк
первый нуклеотид триплета
(5 – конец)
|
второй нуклеотид триплета
|
третий нуклеотид триплета (3-конец)
|
|
а
|
г
|
у
|
ц
|
|
а
|
лиз
лиз
асн
асн
|
арг
арг
сер
сер
|
иле
мет
иле
иле
|
тре
тре
тре
тре
|
а
г
у
ц
|
г
|
глу
глу
асп
асп
|
гли
гли
гли
гли
|
вал
вал
вал
вал
|
ала
ала
ала
ала
|
а
г
у
ц
|
у
|
стоп
стоп
тир
тир
|
стоп
три
цис
цис
|
лей
лей
фен
фен
|
сер
сер
сер
сер
|
а
г
у
ц
|
ц
|
глн
глн
гис
гис
|
арг
арг
арг
арг
|
лей
лей
лей
лей
|
про
про
про
про
|
а
г
у
ц
|
1.4. Организационная структура практического занятия
1.4.1. Проверка исходного уровня знаний по тестам исходного контроля
1. Что такое ген ?
а) ген - единица наследственности;
б) ген - участок молекулы ЛНК, содержащий информацию о синтезе одного полипептида;
в) ген - наследственный фактор, отвечающий за синтез определенного белка.
2. В чем выражается дозированность действия гена ?
а) в способности определять возможность развития нескольких признаков в зависимости от дозы аллеля;
б) в свойстве гена обеспечивать разную выраженность признака;
в) в свойстве гена приводить к изменению степени выраженности
признака в зависимости от количества определенного аллеля в генотипе.
3. Что такое генетический код?
а) триплет нуклеотидов
б) последовательность нескольких аминокислот
в) способ символической записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот с помощью триплетов нуклеотидов.
4. В чем выражается свойство триплетности генетического кода?
а) в кодировании трех аминокислот одним нуклеотидом
б) в кодировании одной аминокислоты сочетанием из трех соседних нуклеотидов
в) в соответствии одной аминокислоте трех соседних триплетов нуклеотидов.
5. В чем выражается свойство универсальности генетического кода?
а) в соответствии определенных триплетов ДНК определенным аминокислотам.
б) в единстве кода для всех организмов и вирусов
в) в соответствии нескольких триплетов ДНК одной и той же аминокислоте
6. В чем выражается свойство вырожденности генетического кода?
а) в том что все аминокислоты кодируются несколькими триплетами
б) в том, что большинство аминокислот кодируется более чем одним триплетом
в) в том, что один и тот же триплет нуклеотидов кодирует несколько аминокислот
7. Что такое аллели?
а) пара генов, отвечающих за развитие одного и того же признака в генотипе
б) гены контролирующие проявление вариантов одного признака
в) разные варианты одного и того же гена занимающие один и тот же локус в гомологичных хромосомах и определяющие возможность развития разных вариантов одного и того же признака.
1.4.2. Теоретические вопросы, которые необходимо усвоить для достижения целей занятия:
а) ген - структурно-функциональная единица наследственности.
б) гены: структурные, регуляторные;
в) строение генов у прокариот и эукариот. г) экзонно-интронная организация генома.
д) генетический код и его свойства
1.4.3. Самостоятельная работа студентов
Решение задач:
Задача 1. Допустим, что в эукариотической и прокариотической клетках имеются структурные гены одинаковой длины. Одинакова ли длина полипептидов, закодированных в этих генах ?
Задача 2. Можно ли, зная структуру белка, определить состав структурного гена, в котором запрограммирован этот белок в клетке человека ?
Задача 3. Белок имеет следующую последовательнозть аминокислот:
валин, пролин, лейцин, лизин, аланин, серии. Запишите последовательность участка нуклеотидов ДНК, контролирующего синтез этого белка.
Задача 4. Цепочка аминокислот белка лидазы имеет следующее начало: треанин, валин, аланин, пролил, лейцин, глютамин, треанин. С какой последовательности нуклеотндов начинается ген, соответствующий этому белку ?
Задача 5. Средняя молекулярная масса аминокислоты около 110, а нуклеотида — 300. Что тяжелее белок или определяющий его ген ?
Задача 6. Белок состоит из 158 аминокислот. Какую длину имеет определяющий его ген, если расстояние между соседними нуклеотидами в спирализованной молекуле ДHK составляет 3,4 А0?
Задача 7. У больных серповидноклеточной анемии в молекуле гемоглобина валин замещает глютаминовую кислоту. Чем отличается ДНК человека, больного серповидноклеточной анемией, от ДНК здорового человека? Сделайте записи в таблице.
Здоровый человек
|
Больной серповидноклеточной анемией
|
Аминокислоты
|
ГЛУ
|
ВАЛ
|
Кодоны и- РНК
|
|
|
Состав ДНК
|
|
|
Задача 8. Какие изменеия произойдут в строении белка, если в фрагменте молекулы и-РНК, имеющим состав АУАУГУЦАУГЦУГУУА, произойдет замена нуклеотида в положении 7 на цитозин, а в положении 2 на аденин?
1.4.5. Проведение заключительного тестового контроля
1. Укажите основные свойства генетического кода
а) триплетность; б) универсальность;
в) компактность; г) вырожденность.
2. Что такое мутон ?
а) способность гена изменяться;
б) наименьший участок ДНК, изменение которого ведет к мутации;
в) участие гена в мутации.
в) единица считывания генетической информации, участвующая в трансляции.
3. В чем выражается свойство неперекрываемости генетического кода?
а) каждый нуклеотид в ДНК входит в состав лишь одного триплета
б) каждый нуклеотид в ДНК входит в состав не менее чем трех триплетов
в) каждая аминокислота кодируется лишь одним триплетом
4. Какое свойство гена обеспечивает константность наследственности у живых организмов?
а) специфичность действия гена
б) дозированность действия гена
в) стабильность структуры являющейся результатом ауторепродукции гена.
5. Какое свойство гена обеспечивает изменчивость как свойство живых организмов?
а) специфичность действия
б) стабильность структуры
в) способность мутировать
6. В чем выражается специфичность действия гена?
а) в определении морфологии, локализации и степени изменчивости обусловленного им определенного признака
б) в определении возможности развития одновременно нескольких признаков
7. В чем заключается свойство дискретности генов?
А) в том что он представляет собой отдельную структурную единицу наследственного материала
Б) в том что ген определяет присутствие и отсутствие отдельной биохимической реакции.
КРОК 1
-
Под действием мутагена в гене изменился состав нескольких триплетов, но несмотря на это клетка продолжала синтезировать один и тот же белок. С каким свойством гентического кода это может быть связано?
А. с триплетностью
В. с универсальностью
С. с неперекрываемостью
Д. с вырожденностью
Е. с колинеарностью
| -
Аминокислотная последовательность в полипептиде детерминируется информация, которая закодирована в :
А. т- РНК
В. нонсенс кодоны ДНК
С. р-РНК
Д. и-РНК
Е. т-РНК + р-РНК
|
Достарыңызбен бөлісу: |