Клетка и ее строение

ВЕТЕРИНАРНАЯ ГЕНЕТИКА

Методические указания

для лабораторно-практических занятий для студентов факультета заочного обучения по направлению «Ветеринария»

 

Краснодар

 

Составители: Л.Д. Яровая,Ю.Ю. Петренко

 

Ветеринарная генетика: метод. указания для лабораторно-практических занятий /Л.Д. Яровая, Ю.Ю. Петренко.- Краснодар: КубГАУ, 2015. – с.

 

Методические указания содержат краткое изложение тем основных разделов дисциплины, предусмотренные типовой программой по курсу «Ветеринарная генетика», а так же содержат задания и примеры решения задач, позволяющие освоить учебный материал самостоятельно.

Предусмотрены для специалистов заочной формы обучения по направлению «Ветеринария».

 

Рассмотрено и одобрено методической комиссией факультета зоотехнологии и менеджмента Кубанского госагроуниверситета, протокол № 6 от 16 февраля

 

 

Председатель

методической комиссии Н.И. Куликова

 

© ФГБОУ ВПО «Кубанский

государственный аграрный

университет», 2015

 

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ

Цель дисциплины

Дисциплина "Ветеринарная генетика" входит в число специальных учебных дисциплин.

Ветеринарная генетика – это раздел генетики животных, изучающий наследственные аномалии и болезни с наследственным предрасположением, а также разрабатывающий методы диагностики, профилактики и селекции животных на устойчивость к болезням.

Цель изучения дисциплины - ознакомить студентов с современным состоянием общей и ветеринарной генетики, дать теоретические и практические знания в области генетической диагностики и профилактики наследственных аномалий и болезней с наследственной предрасположенностью.

 

Задачи изучения дисциплины

В ходе изучения дисциплины "Ветеринарная генетика" ставятся следующие задачи:

- приобретение систем знаний цитологических основ наследственности и закономерностей наследования признаков;

-молекулярных основ наследственности и мутации, основ биотехнологии и генетической инженерии;

- генетики пола и хромосомной теории наследственности;

- генетических основ иммунитета, полиморфизма групп крови, белков и других жидкостей и тканей организма;

- наследственных заболеваний, уродств, аномалий, профилактики их и повышения устойчивости к заболеваниям.

Рабочая тетрадь окажет помощь студентам при изучении:

- методов выявления гетерозиготных носителей наследственных аномалий;

- методов контролирования распространения вредных генов в популяциях;

-методов раннего выявления устойчивости и восприимчивости организма к болезням;

- методов создания резистентных к наследственным болезням стад, линий, семейств, пород.

 

ТЕМА: «ЦИТОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ»

Цель занятия: изучить строение соматической клетки животного и хромосом, способы деления клеток и их патологии, процессы образования половых клеток и оплодотворение и его патологии.

 

КЛЕТКА И ЕЕ СТРОЕНИЕ.

 

Организм животных состоит из двух типов клеток: соматических (клеток тела) и генеративных (или половых).

Соматические клетки тела, органов и тканей животных состоят из клеточной мембраны и протоплазмы. Протоплазма представлена ядром и цитоплазмой, содержащей различные органоиды. Клетка является элементарной единицей жизни.

 

 

 

 

Рисунок 1. Строение животной клетки по современным данным; многие детали строения открыты с помощью электронного микроскопа.

СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ ОРГАНОИДОВ КЛЕТКИ

 

1. Клеточная мембрана имеет сложное строение, белково-липидного происхождения, которое приспособлено к выполнению определенных функции. Главная ее роль – это защитная и избирательная полупроницаемость.

2. Эндоплазматическая сеть – система мембран. Она связывает клеточную и ядерную мембраны, имеет липидно-протеиновую природу. По сети канальцев эндоплазматической сети происходит движение питательных веществ внутри клетки.

3. Митохондрии – имеют разную форму, изменяющуюся в зависимости от функционального состояния клетки. Принимают участие в окислительном обмене клетки. Поставщики энергии.

4. Рибосомы – находятся в значительном количестве в цитоплазме (главным образом на поверхности мембран), а также в ядре. Они участвуют в синтезе клеточных белков под контролем ядра.

5. Комплекс Гольджи – обеспечивает выделительную и секреторную функции клетки, является местом синтеза сложных углеводов.

6. Лизосомы – тельца содержащие ряд ферментов, выполняющие функцию пищеварения внутри клетки.

7. Центросома – (клеточный центр) – состоит из двух компонентов: небольших телец – центриолей и центросферы, особым образом дифференцированного участка цитоплазмы. Функция – образование ахроматинового веретена, возникающего при делении клетки.

8. Ядро – центр жизнедеятельности клетки, имеющее сложное строение, изменяющее свою структуру на разных фазах жизнедеятельности клетки. В неделящейся клетки ядро занимает 10-20% ее объема. Состоит из ядерной оболочки белково-липидного происхождения, пронизанной порами, через которые осуществляется обмен между ядром и цитоплазмой. Жидкое содержимое ядра называется – кариоплазмой (нуклеоплазмой). В ядре содержится одно или несколько ядрышек (нуклеол) – в них осуществляется синтез р-РНК, из которых формируются частицы рибосом. Обязательным элементом ядра являются хромосомы, они обеспечивают передачу наследственной информации при половом размножении от поколения к поколению или в онтогенезе от клетки к клетке.

Функция ядра: 1) хранение генетической информации и передача ее в дочерние клетки при ее делении;

2) контроль за жизнедеятельностью клетки, путем определения какие белки и в каком количестве должны быть синтезированы.

Такие органоиды, как митохондрии, центриоли имеют свою собственную ДНК; рибосомы – РНК.

 

СТРОЕНИЕ И ИНДЕНТИФИКАЦИЯ ХРОМОСОМ

 

Свое название эти органоиды получили от греческого слова hrom– цвет и soma - тело. Это указывает на интенсивное поглощение хромосомами красителей. Хромосомы можно видеть под микроскопом только в период деления клетки. Наиболее удачное время для наблюдения за хромосомами – это стадия метафазы. У большинства организмов хромосомы имеют палочковидную форму. Длина их колеблется от 1 до 30-40 мкм. Закономерности строения хромосом:

1. Постоянное их число.

2.Парность.

3.Индивидуальность.

4.Непрерывность.

Задание 1. Нарисуйте схематичное морфологическое строение хромосом.

 

В зависимости от расположения центромеры и размеров плеч хромосомы подразделяются на:

Метацен- рическая(М)

Субмета-центрическая(SM)

Акроцент-рическая(A)

Телоцент рическая(T)

Спутничная (S)

 

Химический состав хромосом, находящихся:

в соматических клетках –

в половых клетках –

Кариотип –

Хромосомы находятся в ядрах двух типов клеток: соматических и половых.

В соматических клетках двойной набор хромосом – диплоидный (2 n). Хромосомы, относящиеся к одной паре, называются гомологичными, они абсолютно одинаковы по размерам, форме и строению.

Хромосомы, по которым кариотип женской особи отличается от кариотипа мужской, называются половыми и обозначаются буквами Х и У. В половых клетках набор хромосом одинарный, или гаплоидный (n).

В хромосомах локализованы носители наследственной информации – гены. Совокупность генов в гаплоидном наборе хромосом носит название генома.

 

Число хромосом в ядре соматических и половых клеток человека и некоторых видов жиотных.

Вид	Соматические клетки (2n – хромосом)	Половые клетки (n –хромосом)
Человек
Крупный рогатый скот
Лошадь
Собака
Свинья
Овца
Курица
Кролик
Мушка Дрозофила
Коза
Кошка
Индейка, утка
Гусь
Осел

Постоянный набор хромосом сохраняется в результате деления клеток: митоза и мейоза.

Задание 2. Усвоить основные процессы деления разных типов клеток и их патологии.

МИТОЗ

 

Митоз – деление ядра соматической клетки, при котором в дочерних клетках сохраняется такой же набор хромосом, какой имела материнская клетка, то есть двойной, диплоидный (2 n). Митоз состоит из следующих фаз: профазы, метафазы, анафазы, телофазы. Между делениями клетка находится в интерфазе.

 

Интерфаза – при фиксации и окраске ядро имеет сетчатую структуру, образуемую тонкими нитями хромосом. Происходят подготовительные процессы деления: разрыв водородных связей в молекуле ДНК (участвует фермент дезоксирибонуклеаза), удвоение цепей ДНК (участвует фермент ДНК-полимераза) и на её основе удвоение структуры хромосом – репликация. Накапливается энергия для митоза.

 

Профаза – происходит формирование хромосом. Каждая хромосома состоит из двух хроматид, закрученных спирально. Хроматиды укорачиваются и утолщаются в процессе спирализации. Начинает выявляться слабо окрашенная область хромосомы - центромера, которая в каждой хромосоме расположена в определенном месте. Вследствие спирализации хроматиновые нити уменьшаются в десятки тысяч раз – поэтому они становятся видимыми. Ядрышки постепенно уменьшаются и исчезают. Ядерная оболочка растворяется, и хромосомы оказываются в общей массе цитоплазмы.

 

Метафаза – стадия расположения хромосом по экватору деления клетки. Расположение гомологичных хромосом случайное. Центриоли с половиной центросфер отходят к полюсам клетки, от них к центромерам хромосом протягиваются белковые тяжи (нити), формируется ахроматиновое веретено.

 

Анафаза – нити веретена сокращаются, хромосомы в центромерах делятся на две равные части (сестринские хроматиды), которые превращаются в обособленные дочерние хромосомы, отходя к противоположным полюсам клетки. Деление одновременное и к полюсам клетки отходят не целые хромосомы, а их половинки – хроматиды, поэтому в дочерних клетках оказывается такое же число хромосом, как и в материнской.

 

Телофаза – дочерние хромосомы концентрируются у полюсов клетки, деспирализуются, удлиняются, становятся тонкими, образуется ядерная оболочка. Тело клетки симметрично делится (цитокинез) на две части. Образуется две дочерние клетки с двойным набором хромосом.

Продолжительность митоза разная: от 30 мин. до 3 часов, в зависимости от вида клеток, температуры и других внутренних и внешних факторов.

 

Патология митоза

 

При делении соматических клеток могут возникать различные нарушения, связанные с повреждением хромосом, митотического аппарата, цитоплазмы. К числу этих нарушений относятся:

1. Задержка митоза в профазе (с задержкой цитокинеза) – характеризуется тем, что ядро клетки делится многократно, и лишь потом происходит цитокинез. В результате образуются многоядерные клетки.

2. Амитоз – прямое деление ядра без образования фигур деления. Из одного ядра образуется сразу несколько ядер, что наблюдается в раковых опухолях, а также при воздействии повреждающих агентов (ионизирующие излучения и высокая температура).

3. Эндомитоз – удвоение, или увеличение числа хромосом без деления ядра и клетки. Возникает полиплоидия.

4. Политения – увеличение числа хромосом. После репликации они не расходятся, а остаются прилегающими друг к другу: образуются гигантские хромосомы.

5. Эндорепродукция – удвоение одной или нескольких хромосом без каких-либо преобразований ядра.

6. Нарушение спирализации и деспирализации хромосом.

7. Раннее разделение хроматид.

8. Задержка митоза в метафазе.

9. Фрагментация и пульверизация хромосом (множественные разрывы). Наблюдается при заражении свиней вирусом чумы, под действием химических веществ, радиации;

10. К-митоз – обработка колхицином. Колхицин – митотический яд, под действием которого полностью или частично подавляется образование митотического веретена. Алкалоид колхицин получают из лекарственного растения Colchicum autumnale. В результате воздействия возникают полиплоидные клетки.

 

 

МЕЙОЗ

 

Сложное деление, которое происходит только у высших организмов, размножающихся половым путем. Связано с процессом образования и развития половых клеток (гаметогенезом).

Мейоз состоит из двух последовательных делений ядра: редукционного (уменьшительного) и эквационного (уравнительного). Так как каждое деление имеет одинаковые фазы, то они в редукционном делении обозначаются римской цифрой I, а в эквационном римской цифрой II.

Основные отличия мейоза от митоза наблюдаются в профазе I. Эта фаза состоит из ряда последовательных стадий подготовки хромосом к делению: лептотены, зиготены, пахитены, диплотены, диакинеза.

Лептотена – стадия тонких нитей, когда сетчатая структура ядра переходит в состояние отдельных тонких нитей хромосом, называемых моноваленты.

Зиготена – стадия парных нитей, когда гомологичные хромосомы притягиваются друг к другу идентичными участками – конъюгация или синапсис. Образуются двойные хромосомы – биваленты или тетрады (четыре плеча).

Пахитена – стация толстых нитей, происходит спирализация хромосом, они становятся короче и толще.

Диплотена - стадия двойной нити, происходят процессы, противоположные зиготене, хромосомы начинают отталкиваться друг от друга, но это происходит неравномерно: в одних участках происходит расхождение, а в других нет, в результате образуются Х-образные фигуры – хиазмы. В местах образования хиазм происходит обмен участками хромосом, и как следствие – кроссинговер.

Диакинез – характеризуется максимальным укорочением хромосом, они отходят к периферии ядра, и их легко подсчитать в электронном микроскопе.

Метафаза I начинается с момента исчезновения ядерной оболочки. Биваленты располагаются по экватору клетки. Формируется ахроматиновое веретено, состоящее из нитей компонентов клетки.

Анафаза I отличается полным расторжением взаимосвязи гомологичных хромосом, тетрады распадаются на диады и расходятся к разным полюсам клетки. Так как в этом случае отходят целые хромосомы, то в дочерних клетках получается уменьшенное количество хромосом. Таким образом, именно в анафазе происходит сокращение числа хромосом ровно в два раза.

Телофаза I – эта фаза заканчивается расхождением хромосом, формируются ядерные оболочки, делится цитоплазма, образуются две клетки первого поколения.

Интеркинез – небольшой промежуток времени между двумя делениями мейоза, рассматривают как состояние покоя.

Второе деление мейоза происходит в обоих дочерних ядрах клеток первого поколения, так же как при митозе.

В результате образуются четыре половые клетки с одинарным (гаплоидным) набором хромосом (это будут клетки второго поколения).

Патология мейоза

Нерасхождение хромосом: пара гомологичных хромосом остается в яйцеклетке или переходит в направительное тельце. При этом происходит гибель зародыша в эмбриогенезе или развитие у него различных патологий.

Нерасхождение может быть первичным, вторичным и третичным.

Первичное нерасхождение возникает у особей с нормальным кариотипом. При этом на стадии анафазы I нарушается разделение бивалентов и обе хромосомы переходят в одну клетку, что приводит к избытку хромосом (n + 1) и недостатку в другой (n - 1).

Вторичное нерасхождение возникает в гаметах у особей с избытком одной хромосомы в кариотипе. В результате образуются и биваленты и униваленты.

Третичное нерасхождение наблюдают у особей, имеющих структурные перестройки хромосом, например, транслокации (перемещения отдельных фрагментов хромосом из одного участка в другой, обмены фрагментами между разными хромосомами, слияния хромосом). Нерасхождение хромосом отрицательно влияет на жизнеспособность.

 

 

Отличие мейоза от митоза:

 

 

1. Митоз происходит в соматических клетках, а мейоз – деление клеточного ядра, в результате которого образуются половые клетки (гаметы).

 

2. При митозе дочерние клетки получают такой же набор хромосом, который был в материнской клетке, при мейозе число хромосом уменьшается в двое. При мейозе на одно удвоение вещества хромосом происходит два клеточных деления, а при митозе одно.

 

3. Мейоз отличается от митоза в стадии профазы I. В мейозе эту стадию разделяют на 5 подфаз, каждая из которых имеет свои особенности.

 

4. В мейозе гомологичные хромосомы конъюгируют, в митозе этого процесса нет. Как правило, в мейозе происходит обмен (кроссинговер) участками хромосом. В митозе редко наблюдается соматический кроссинговер.

 

5. В метафазе мейоза хромосомы располагаются в экваториальной плоскости попарно, в митозе – отдельные хромосомы, состоящие из двух сестринских хроматид.

 

6. При мейозе в стадии анафазы I к полюсам отходят (независимо) из каждой пары гомологичных хромосом одна к одному полюсу, другая – к другому, в митозе к полюсам отходят половинки хромосом всего набора, поэтому количество хромосом остается прежним, но с измененной морфологией.

 

7. При мейозе после стадии телофаза I хромосомы не деспирализуются. не происходит удвоение вещества хромосом. Промежуток между I и II делениями называется интеркинезом.

Мейоз является одним из этапов процесса развития половых клеток, после мейоза наступает этап формирования зрелых половых клеток – гамет. Процесс образования зрелых половых клеток называется гаметогенезом.

 

Задание 3. Обозначьте генетические схемы митоза и мейоза.

 

 

МитозМейоз

 

 

 

Задание 4. Усвоить основные процессы, происходящие в клетках при гаметогенезе у особей разного пола.

Гаметогенез

Гаметогенез – это процесс образования и созревания половых клеток – гамет (сперматозоидов и яйцеклеток). Гаметы проходят стадии развития в половых железах (гонадах): яйцеклетки в яичнике, сперматозоиды в семенниках. В гонадах имеется зародышевая гониальная ткань, в клетках которой (в ядре) двойной набор хромосом, из которой образуются овогонии и сперматогонии. Они растут, увеличиваются в размерах, делятся по типу митоза и образуется либо сперматоцит первого порядка, либо овоцит первого порядка.

 

Сперматогенез – процесс образования и созревания мужских половых клеток. Сперматоцит первого порядка делится по типу мейоза – редукционное деление и образуются два сперматоцита второго порядка. Они делятся по типу мейоза – эквационное деление и образуются четыре сперматиды. Сперматиды, теряя цитоплазму, образуют органы движения – шейку и хвостик, формируются четыре сперматозоида с одинарным набором хромосом. Сперматозоид состоит из головки, шейки и хвостика. Головка содержит ядро и небольшое количество цитоплазмы. Между головкой и шейкой находятся центриоли. На верхней части головки расположена акросома, где образуются ферменты, необходимые для проникновения спермия в яйцеклетку при оплодотворении.

 

Овогенез – процесс образования и созревания женских половых клеток. Овоцит первого порядка делится по типу мейоза – редукционное деление и образуются овоцит второго порядка и первое полярное или направительное тельце. Вся цитоплазма отходит в овоцит второго порядка. Овоцит второго порядка делится по типу мейоза – эквационное деление и образуется яйцеклетка и второе направительное тельце. Вся цитоплазма отходит в яйцеклетку. Первое направительное тельце делится и образуется два вторых. Таким образом, под общим чехлом образуются яйцеклетка и три вторых направительных тельца с одинарным набором хромосом. После окончания деления и созревания яйцеклетка способна к оплодотворению.
Сперматогенез-

 

Задание 5. Представьте схему развития и образования мужских половых клеток.

 

 

Овогенез-

 

 

Задание 6. Представьте схему развития и образования женских половых клеток.

 

 

 

Задание 7. Изучить фазы оплодотворения и его патологии, ознакомиться с типами нерегулярного полового размножения.

 

Оплодотворение

 

Оплодотворенная яйцеклетка называется зиготой, имеет диплоидный, т.е. двойной набор хромосом (2 n).

Процесс оплодотворения делится на 2 фазы.

Первая фаза: сперматозоид проникает или прикрепляется к яйцеклетке. Яйцеклетка вырабатывает фертизилин – белковое вещество, взаимодействующее с антифертизилином – веществом, находящимся на поверхности спермия. В яйцеклетку проникает только ядро и одна из центриолей спермия. При этом в оболочке, покрывающей снаружи яйцеклетку, происходят изменения, после которых она становится непроницаемой для других спермиев. Первая фаза оплодотворения называется фазой активации яйцеклетки.

Вторая фаза: ядро сперматозоида набухает и приобретает вид интерфазного ядра. Такое ядро называют семенным, или мужским пронуклеусом. Ядро яйцеклетки, готовое к слиянию с ядром сперматозоида, называют женским пронуклеусом.

Оплодотворение – это слияние отцовского и материнского пронуклеусов, которое возможно лишь после окончания мейоза, когда яйцеклетка будет зрелой.

Спермий, проникая в яйцеклетку, стимулирует ее к развитию; вносит гаплоидный набор хромосом в качестве отцовского генетического материала в формирующуюся зиготу и центриоль, которая участвует в механизме клеточного деления. После слияния гаплоидных ядер образуется зигота, дающая начало развитию эмбриона. При делении клеток эмбриона, содержащих хромосомы матери и отца, генетическая информация поступает во все клетки нового организма.

 

Патология оплодотворения

 

1. Полиандрия (полиспермия), когда в процессе оплодотворения активно участвуют лишние сперматозоиды.

2. Полигиния, когда один сперматозоид сливается с двумя гаплоидными ядрами в яйцеклетке, принимают активное участие один или несколько женских пронуклеусов. Полиандрия наблюдается у крыс, хомячков, полевок, но зародыш доживает только до половины беременности.

3. Анэугамия, когда один сперматозоид сливается с диплоидной (не созревшей) яйцеклеткой (сочетание полиандрии и полигинии).

Нарушения в системе половых хромосом и патология

 

Половые хромосомы	Вид животных	Патология
ХО	свиньи, лошади	гипоплазия яичников, задержка роста, синдром Шерешевского-Тернера (у человека 45 хромосом)
ХО/ХХ/ХУ	свиньи	интерсексуальность
ХХХ	корова	гипоплазия яичников
ХО/ХХ	кошка	смерть до рождения
ХХУ	лошади, КРС, овцы, свиньи, собаки, кошки	стерильность, высоконогость, гипоплазия семенников, синдром Клайнфельтера, (у человека 47 хромосом)
ХХУ/ХУ	КРС	стерильность, гипоплазия семенников
ХХУ/ХХ	КРС, свиньи, лошади	интерсексуальность
ХХХУ	лошади	интерсексуальность
ХХУ/ХХ/ХУ ХХУ/ХУ/ХО	КРС	тестикулярная гипоплазия
ХХУ/ХУ/ХХ/ХО	лошади	крипторхизм

 

Гипоплазия – недоразвитие

Интерсексуальность – животные с промежуточным проявлением признаков пола, у которых наблюдается более или менее отчетливое развитие тканей как семенника, так и яичников.

Крипторхизм – непрохождение одного или обоих семенников через паховый канал в мошонку.

 

Нерегулярные типы полового размножения:

ТЕМА: «ЗАКОНОМЕРНОСТИ НАСЛЕДОВАНИЯ ПРИЗНАКОВ ПРИ ПОЛОВОМ СПОСОБЕ РАЗМНОЖЕНИЯ»

 

Цель занятия: изучить закономерности наследования качественных признаков при половом способе размножения.

Моногибридное скрещивание -это такой вид скрещивания, при котором родительские особи отличаются друг от друга по одной паре альтернативных (противоположных) признаков

Мендель назвал признаки, проявляющиеся у гибридов первого поколения доминантными (преобладающими) и обозначил их заглавными буквами - А, В, С и т. д., а противоположные им, отсутствующие, не проявляющиеся у гибридов первого поколения, - рецессивными (подавляемыми), которые обозначил строчными буквами — а, в, с и т. д. Поскольку каждая хромосома (носитель аллелей или генов) содержит лишь одну из двух аллелей, а гомологичные хромосомы всегда парные (одна отцовская, другая материнская), в диплоидных клетках всегда есть пара аллелей: АА, аа, Аа, ВВ, bb. Bb и т. д. Особи и их клетки, имеющие в своих гомологичных хромосомах пару одинаковых аллелей (АА или аа), называются гомозиготными. Они могут образовывать только один тип половых клеток: либо гаметы с аллелью А, либо гаметы с аллелью а. Особи, у которых в гомологичных хромосомах их клеток имеются и доминантный, и рецессивный гены Аа, называются гетерозиготными

Фенотип –

Генотип –