Программа и методические указания к изучению курса ''Биология клетки'' для студентов дневного, вечернего и заочного отделений биолого-почвенного факультета

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Ростовский-на-Дону государственный университет Биолого-почвенный факультет Кафедра генетики

Н. И. Беличенко, И.В. Тимофеева

Программа и методические указания к изучению курса "Биология клетки" для студентов дневного, вечернего и заочного отделений биолого-почвенного факультета

Ростов-на-Дону 1999 г.

2

Печатается по решению редакционной комиссии по биологическим наукам Протокол № __1____

от __6___ _сентября__ 1999 года

Авторы: доцент РГУ Беличенко Н.И., ассистент РГУ Тимофеева И.В.. Ответственный за выпуск: профессор Гуськов Е.П.

Рабочая программа по общему курсу

3

"Биология клетки" 1. Предмет и задачи цитологии. 1.1. Краткий исторический очерк развития мировой и отечественной цитологии. Начало микроанатомических исследований (Р. Гук, Мальпиги, Грю, Левенгук). Подготовка клеточной теории (Вольф, Бэр, Пуркинье, Шлейден). Клеточная теория Швана. Значение для развития клеточной теории работ Вирхова. Современные положения клеточной теории. Место цитологии среди других биологических дисциплин. Значение цитологии для медицины и сельского хозяйства. 1.2. Методы исследования клеток. Прижизненные наблюдения клеток. Культура клеток вне организма. Метод темного поля. Фазовоконтрастная микроскопия. Цейтраферная и рапид микросъемка. Микроманипулятор. Микрохирургия. Методы исследования физических свойств клеток. Суправитальная люминесцентная микроскопия. Витальные красители. Изучение фиксированных клеток. Понятие о фиксации. Артефакты при обработке

клеток.

Принципы

клеточных

окрашивания

структур.

Цитохимические качественные методы исследования: реакции на белки, ферменты, нуклеиновые кислоты, полисахариды, липиды, витамины, соли и т.д. Иммунохимия. Основы физических методов определения локализации и количества веществ в клетке: микроспектрометрия, цитофотометрия, интерференционная и люминесцентная микроскопия. Авторадиографическое изучение локализации, динамики синтеза и транспорта веществ в клетке; основы метода. Электронная микроскопия: основы, преимущества и недостатки метода. Электронные

микроскопы

просвечивающего

и

сканирующего

типа.

Мегавольтная электронная микроскопия. Дифференциальное центрифугирование - метод получения отдельных клеточных компонентов для цитохимического и биохимического анализа. 2. Строение и функции клеток.

4

Особенности в строении клеток прокариот и эукариот. Единство строения эукариотических клеток. Величина и форма клеток. Основные различия между клетками животных и растений. Общий химический состав цитоплазмы. Цитоплазма как сложно структурированная система. 2.1. Поверхностный аппарат клетки. Липидный

компонент

мембраны.

Состав.

Свойства.

Влияние

холестерина и жирнокислотного компонента липидов на свойства билипидного слоя. Ассиметричность

липидного бислоя. Функции. Адаптивная функция

липидов мембран. Белковый компонент мембраны. Состав. Ассиметричность белкового компонента. Белок-липидные взаимодействия. Функции мембранных белков. Опорная функция белкового скелета мембраны. Углеводный компонент мембраны. Функции гликокаликса. Общая схема строения всех клеточных мембран. Особенности плазмолеммы. Особенности плазматической мембраны прокариот. Свойства полупроницаемость,

биологических регенерация,

мембран:

вязкость,

ассиметричность,

эндо-

текучесть, и

экзоцитоз.

Обновление и рост мембран. Транспорт веществ через мембрану: пассивный, активный, транспорт крупных молекул биополимеров. Роль гликокаликса и цитоскелета в процессе эндоцитоза.

Эндоцитоз

как

один

из

видов

активного

транспорта.

Функциональная роль экзоцитоза. Рецепторная функция плазматической мембраны. Аденилатциклазная система. Природа клеточной адгезии. Антигенная функция мембранных белков. Типы межклеточных контактов. Строение и функции плотных соединений. Простые контакты. Особенности прикрепительных контактов. Строение и функции опоясывающей десмосомы. Роль адгезионных поясов в эмбриогенезе. Десмосомы и полудесмосомы: строение, функциональная роль в эпителиальных

тканях.

Коммуникационные

контакты: щелевой

контакт,

синапсы, плазмодесмы (в растительных тканях). Функции коммуникационных контактов.

5

Состав клеточной стенки растений. Образование первичной и вторичной клеточной оболочки. Функции клеточной стенки растений. Состав клеточной стенки прокариот. Строение клеточной стенки граммположительных и граммотрицательных бактерий. Функции мембраны и клеточной стенки прокариот. Методы изучения мембран: дифференциальное центрифугирование, искусственные мембраны, "тени эритроцитов", метод

"замораживания-

скалывания" и "замораживания-травления", негативное контрастирование, оттенение, использование антител для изучения мембранных белков. 2.2. Ядро. Строение ядерной оболочки: строение и функции наружной ядерной мембран; строение и функции внутренней ядерной мембраны; строение и функции ядерной ламины; схема строения порового комплекса. Связь ядерной оболочки с ЭР. Транспорт веществ через пору. Хроматин интерфазного ядра: химический состав. Химическое строение нуклеиновых кислот. Белки хроматина: гистоновые и негистоновые; их роль в компактизации хроматина. Классы нуклеотидных последовательностей ДНК эукариотических клеток: сателитная ДНК, умеренно повторяющиеся последовательности,

уникальные

последовательности.

Диффузный

и

конденситованный хроматин. Уровни компактизации хроматина. Нуклеосомы: строение, роль при функционировании

хроматина. Цикл конденсации хроматина во время

клеточного цикла. Строение митотических хромосом. Матрикс митотических хромосом. Типы митотических хромосом. Кариотип. Возможности различных методов окрашивания хромосом. Гетерохроматин: виды гетерохроматина, их функции;

расположение

гетерохроматина

в

митотических

хромосомах.

Эухроматин. Половой хроматин. Структурированность ядра. Политенные хромосомы. Хромосомы типа "ламповых щеток". Ядрышко: ультраструктуное строение и химия, функции. Число ядрышек в ядре, их хроомосомное происхождение. ДНК ядрышка, строение генов рРНК, полицистронность. Амплификация генов рРНК. Строение и химия рибосом.

6

Пути синтеза рибосом. Цикл изменения структуры ядрышка в связи с его функциональной активностью. Судьба ядрышка в течение клеточного цикла и его связь с митотическими хромосомами. 2.3. Вакуолярная система клетки. Гранулярная

эндоплазматическая

сеть:

строение

и

функции.

Популяции рибосом, связь рибосом с мембраной эндоплазматической сети. Система синтеза белка: транскрипция; трансляция, свойства генетического кода. Функции мембран и полости эндоплазматической сети. Синтез, накопление и транспорт синтезированных белков в системе эндоплазматической сети (секретируемых

белков

и

интегральных).

Связь

гранулярной

эндоплазматической сети с ядерной оболочкой и аппаратом Гольджи, везикулярный транспорт. Гладкая эндоплазматическая сеть: структурная характеристика и химия. Функциональная роль гладкой эндоплазматической сети в различных специализированных клетках животного организма: синтез полисахаридов, жиров, стероидов, других молекул; дезактивация химических веществ; саркоплазматический ретикулум мышечных клеток. Аппарат Гольджи: общая характеристика, локализация в клетке. Строение аппарата Гольджи, диктиосома. Функции аппарата Гольджи: сегрегация, накопление, созревание, сортировка и экскреция секретов и других веществ

в

клетке.

Значение

компартментализации

аппарата

Гольджи.

Секреторные пузырьки: два вида секреции - конститутивная и регулируемая. Лизосомы: структура, химическая характеристика. Функциональное значение лизосом, их происхождение. Типы лизосом: первичные, вторичные, остаточные тельца.

Пути поступления веществ в лизосому (эндолизосомы,

фагоцитоз, аутофагия). Пероксисомы: происхождение и функции. Вакуолярная система растительных клеток. Центральная вауоль. Тонопласт.

Развитие

функциональное значение.

и

происхождение

вакуолярной

системы,

ее

7

Генетические связи клеточных мембран. Сохранение индивидуальности компартментов. 2.4. Двумембранные органеллы. Митохондрии

-

система

энергообеспечения

клеток.

Структура

митохондрий: свойства наружной мембраны; свойства внутренней мембраны; кристы; матрикс. Строение крист, локализация в липопротеидных мембранах звеньев окислительного фосфорилирования. Изменение числа и структуры митохондрий

в

зависимости

от

функционального

состояния

клетки.

Локализация митохондрий в клетке. Морфология митохондрий при патологиях. Митохондрии как полуавтономные органеллы: белоксинтезирующий комплекс митохондрий. Теории происхождения митохондрий. Пластиды.

Ультраструктура и функции хлоропластов, их развитие.

Происхождение, ультраструктура и функции хромопластов и лейкопластов. Симбиотическая теория происхождения пластид. 2.5. Цитоскелет. Клеточный центр. Цитоскелет - опорно-двигательная система клеток. Микротрубочки, тонкое строение и химизм. Тубулины, их свойства и роль в образовании микротрубочек. Роль микротрубочек в образовании ахроматинового веретена деления клеток. Роль веретена деления в расхождении хромосом при митозе. Каркасная роль цитоплазматических микротрубочек. Роль цитоскелета в контроле положения и размещения структур клетки. Фибриллярные структуры цитоплазмы. Микрофиламенты, структура и химия. Свойства актиновых микрофиламентов. Роль актиновых нитей в мышечных сокращениях. Роль актиновых филаментов в движении клеток. Перемещение органелл. Промежуточные филаменты, структура и химия. Центриоль (клеточный центр). Встречаемость среди клеток растений и животных. Ультраструктура, репликация, участие в делении клетки. Аналоги центриолей у простейших. Связь центриолярных структур с органоидами движения

клетки;

базальные

тельца.

Строение

ресничек

и

жгутиков

эукариотических клеток; механизм их движения. Строение жгутиков бактерий

8

3. Деление клеток. 3.1. Деление прокариотических клеток. Репликация бактериальной ДНК. 3.2. Деление эукариотических клеток. Жизненный цикл клетки. Интерфаза: пресинтетический, синтетический и постсинтетический периоды. Значение этих периодов в жизни клеток. Особенности репликации ДНК эукариотических клеток. Митоз

у

клеток

продолжительность

и

животных

и

характеристика.

растений.

Стадии

Механизм

движения

митоза,

их

хромосом.

Цитокенез у животных и растительных клеток: образование клеточной перетяжки и фрагмопласта. Судьба клеточных органелл в процессе деления клетки. Метаболизм делящейся клетки. Регуляция митоза, вопрос о пусковом механизме митоза. Эндомитоз и соматическая полиплоидия. Образование политенных хромосом. Амитоз. Мейоз. Стадии мейоза. Редукционное деление: стадии профазы первого мейотического деления; конъюгация хромосом, строение синаптонемального комплекса; кроссинговер; хромосомы типа ламповых щеток; особенности метафазы и анафазы редукционного деления. Эквационное деление. Различия между митозом и мейозом. Биологический смысл мейоза. 4. Дифференциация клеток. Роль ядра и цитоплазмы в дифференцировке клетки. Морфологические признаки

специализации

клеток.

Факторы

регуляции

процесса

дифференцировки. Старение клетки. Механизмы старения. Структура клетки при старении. Механизмы гибели клетки при старении.

5. Патология клетки. Влияние повреждающих факторов на клетку. Теория паранекроза. Специфические и неспецифические реакции клетки на повреждение. Изменение структуры органоидов при повреждении клетки. Внутриклеточная репарация.

9

Гибель

клетки:

цитологические

признаки

гибели

клетки;

некроз.

Программированная клеточная гибель: теория апоптоза. Литература. 1. Ченцов Ю.С. "Общая цитология". - М.: Изд. МГУ, 1995. 2. Альбертс Б. и др. "Молекулярная биология клетки". Т. 1, 2. -М.: Мир, 1994. 3. Заварзин А.А., Харазова А.Д., Молитвин М.Н. "Биология клетки: общая цитология". - С.-Пб.: Изд. С.-Пб. Университета, 1992. 4. Беличенко Н.И., Палеев Н.Г. Методические указания к лабораторным занятиям по курсу "Биология клетки" для студентов ВиЗО биолого-почвенного факультета. Ростов-на-Дону: Изд. РГУ, 1994.- 23с. 5. Новиков В.С. "Программированная клеточная гибель".- СПб.: Наука, 1996.276с.

Контрольные задания для самостоятельной работы по курсу "Биология клетки". 1. Строение плазмолеммы.

Химические вещества

Свойства

Функции

2. Способы обмена веществ клетки с окружающей средой.

10

Способы поступления вещества в клетку

Способы выделения веществ из клетки

3. Клеточные контакты. Клеточные контакты с механической функцией

Контакты, обеспечивающие передачу веществ

4. Функции плазмолеммы.

Функции

Структуры, обеспечивающие данную функцию

5. Классификация клеточных органелл.

Мембранные органеллы

Немембранные органеллы

6. Функции органелл клетки.

Процессы Синтез липидов, холестерина Синтез гликогена Детоксикация ядов Депонирование ионов (кальция, хлора и т.д.) Транспорт веществ в клетке Синтез белков на экспорт Формирование третичной и четвертичной структур белков Присоединение сахаров к белкам Конденсация секретов Синтез белков мембран Синтез ферментов лизосом Синтез белков гиалоплазмы Синтез специфических и добавочных белков для роста клетки Накопление секреторных продуктов Синтез полисахаридов Образование сложных белково-сахаридных комплексов Участие в выведении секретов образование лизосом Предохранение клеток от накопления продуктов метаболизма Обезвреживание бактерий Обезвреживание перекисей Преобразование энергии и запасание ее в виде АТФ Формирование опорно-двигательного аппарата клетки Формирование цитоскелета клетки

Органеллы

11

Построение веретена деления Сократительная функция 7. Строение и функции интерфазного ядра. Составные компоненты интерфазного ядра

Их функциональное значение

8. Основные этапы синтеза белков.

Основные этапы синтеза белков

Локализация в клетке

9. Жизненный цикл клетки.

Периоды

Основные процессы

10. Митоз

Фазы

Основные процессы

Набор хромосом

11. Мейоз

Фазы

Основные процессы

Набор хромосом

12. Сравнительная характеристика митоза и мейоза.

Фазы

Митоз

Мейоз

13. Сравнение растительной, животной и прокариотической клетки. Признаки

Растительная клетка

Животная клетка

Бактериальная клетка

Ситуационные задачи. 1. В клетках хорошо развита гранулярная эндоплазматическая сеть и комплекс Гольджи. Какую основную функцию выполняют эти клетки? 2. В клетках печени происходит активный синтез гликогена и белков. Какие виды органелл должны быть хорошо развиты в этих клетках? 3. Предложена электронная микрофотография клетки, поверхность которой образует многочисленные микровыросты цитоплазмы, а в цитоплазме присутствуют многочисленные лизосомы. Какова функция этой клетки? 4. Под

электронным

микроскопом

в

клетках

обнаружена

митохондрий. Какие процессы в клетках будут нарушены?

деструкция

12

5. Экспериментальному животному в течение длительного времени давали снотворные вещества. Какая органелла в клетках печени будет усиленно функционировать? 6. На препарате видны две клетки. Ядро одной из них содержит много интенсивно окрашенных глыбок хроматина. В другой клетке ядро светлое, хроматин распространен диффузно. Какой тип хроматина преобладает в той или иной клетках и чем они отличаются функционально? 7. На клетки, находящиеся в состоянии митоза, подействовали препаратом, разрушающим веретено деления. К чему это приведет? Какой набор хромосом будут содержать клетки? 8. В препарате видны расположенные в центре хромосомы, образующие фигуру звезды. Какая стадия митоза? 9. На

препарате

видны

клетки

кубической,

призматической,

округлой,

веретеновидной и отросчатой формы. Какая из этих клеток выполняет сократительную функцию? 10. На апикальной поверхности клетки имеются многочисленные пальцевидные выросты цитоплазмы, покрытые снаружи плазмолеммой. Что это за структуры и каково их функциональное значение? 11. Поверхность одной клетки образует многочисленные микровыросты цитоплазмы. Поверхность другой гладкая. У которой из этих клеток активнее эндоцитоз? 12. Под плазмолеммой клетки на электронной микрофотографии видны многочисленные мелкие светлые пузырьки. Что это за структуры и с каким процессом они связаны? 13. Известно, что общий принцип строения всех мембран, входящих в состав органелл, одинаков. Чем объяснить специфичность их функций? 14. Цитоплазма клетки заполнена цистернами гранулярной эндоплазматической сети. Что можно сказать о ее функции? 15. При усиленной физической нагрузке организма в его клетках уменьшается содержание трофических включений. С чем это связано?

13

16. В клетку проник фактор, нарушающий целостность мембран лизосом. Какие можно ожидать изменения? 17. При загаре в клетках кожи появляются гранулы пигмента. К каким структурным элементам клетки относятся эти гранулы? 18. Известно, что молодые быстрорастущие клетки имеют базофильную цитоплазму. Чем это объяснить? 19. При митотическом делении соматической клетки человека образовались дочерние клетки. Сколько в них хромосом? 20. Клетка находится в митозе. Происходит ли в ней при этом синтез белков? 21. Количественным методом определили, что в ядре интерфазной клетки, имеющем нормальные размеры, содержится удвоенное количество ДНК. В каком периоде клеточного цикла находится клетка? 22. При окраске пиронином цитоплазма и ядрышко окрасились одинаково в малиновый цвет. Чем это можно объяснить? 23. В каком процессе и на какой стадии подавление синтеза ДНК приводит к прекращению конъюгации хромосом? 24. Что происходит с ядрышком при подавлении синтеза рРНК? 25. С чем связано изменение окраски различных животных (хамелиона, камбалы)? 26. В какой фазе какого деления происходит расхождение к полюсам хромосом, состоящих из двух хроматид? 27. Составить ситуационную задачу.