Особенности организации кариотипа разных организмов
- 24-09-2021, 13:55
- 464
10 Клас , Биология 10 класс Балан, Вервес, Полищук (уровень стандарта, академический уровень)
§ 18. Особенности организации кариотипа разных организмов
Вспомните: какие хромосомные наборы неполовых и половых клеток человека? Какие растения называют однодомными и двудомными?
В предыдущем параграфе мы упоминали, что основными структурами ядра, содержащими генетический материал, являются хромосомы. Ознакомимся с их строением.
• Строение хромосом. Заметить хромосомы, подсчитать их количество и рассмотреть особенности с помощью микроскопа возможно лишь во время деления клетки. В период между последовательными делениями хромосомы раскручиваются и приобретают вид нитей хроматина.
Основу хромосомы составляет двойная молекула ДНК, связанная с ядерными белками (рис. 18.1). Кроме того, в состав хромосом входят РНК и ферменты.
Молекулы ДНК в хромосомах расположены в определенном порядке. Ядерные белки образуют особые структуры - нуклеосомы, вокруг которых как бы накручены нити ДНК. Каждая нуклеосома состоит из восьми белковых глобул. Кроме того, особые белки связывают нуклеосомы друг с другом. Такая организация обеспечивает компактное размещение молекул ДНК в хромосомах, поскольку длина этих молекул в развернутом состоянии значительно превышает длину хромосом. Например, длина хромосом во время деления клетки в среднем составляет 0,5-1,0 мкм, а развернутых молекул ДНК - несколько сантиметров. Такая упаковка молекулы ДНК позволяет эффективно управлять процессами биосинтеза белков и собственного удвоения, защищает от повреждений во время деления клетки.
Рис. 18.1. Взаимодействие ядерных белков и молекул ДНК в составе нити хроматина
Рис. 18.2. 1. Фотография хромосомы, сделанная при помощи электронного микроскопа. 2. Схема строения хромосомы
Каждая хромосома состоит из двух продольных частей - хроматид, соединенных между собой в месте, названном зоной первичной перетяжки (рис. 18.2). Она разделяет хромосомы на два участка - плечи. Если перетяжка расположена посредине длины хромосомы, то плечи имеют практически одинаковые размеры. А если она сдвинута к одному из концов хромосомы, то плечи отличаются по длине. В зоне пер
вичной перетяжки имеется участок особого строения, который соединяет сестринские хроматиды - центромера. Здесь формируются белковые структуры - кинетохоры (от греч. кинео - двигаюсь и хорео - иду вперед). Во время деления клетки к кинетохору присоединяются нити веретена деления, что обеспечивает упорядоченное распределение хромосом или отдельных хроматид между дочерними клетками. Некоторые хромосомы имеют еще и вторичную перетяжку, где расположены гены, отвечающие за образование ядрышек.
Каждая из хроматид содержит по молекуле ДНК со сходными наборами наследственной информации. Во время деления клетки хроматиды расходятся к дочерним клеткам, а в период между двумя делениями число хроматид снова удваивается. Это происходит благодаря способности молекул ДНК к самоудвоению.
Хромосомы, как вам известно, содержат гены - участки молекулы ДНК, которые несут закодированную информацию (генетический код) о строении молекул белка или РНК. Участок, занимающий определенный ген в хромосоме, называют локусом (от лат. локус - место).
Определение всех локусов в составе хромосомы позволило создать генетические карты хромосом организмов разных видов (рис. 18.3). На этих картах показан порядок расположения и относительные расстояния между генами в определенной хромосоме.
Для некоторых организмов (например, дрозофилы, кукурузы) уже созданы полные генетические карты всех хромосом. Генетические карты 23 хромосом человека еще неполные. Считают, что количество генов человека, определяющих все его признаки, достигает 30 000. Генетические карты позволяют исследователям изменять наследственную информацию различных организмов: удалять одни гены, встраивать другие, заимствованные у особей того же или других видов. Этим занимается особая область биологии - генная, или генетическая, инженерия.
• Особенности организации кариотипа различных организмов. Клетки каждого вида животных, растений, грибов имеют определенный набор хромосом. Совокупность признаков хромосомного набора (количество хромосом, их форма и размеры) называют кариотипом (от греч. карион - ядро ореха и типос - форма) (рис. 18.4). Каждому виду присущ особый уникальный кариотип. Например, в неполовых клетках мухи-дрозофилы всего 8 хромосом (4 пары), человека - 46 (23 пары), у морских одноклеточных животных радиолярий - до 1600.
Рис. 18.3. Генетические карты хромосом дрозофилы
Постоянность кариотипа обеспечивает существование видов. Специфический кариотип особей одного вида дает им возможность спариваться между собой и производить жизнеспособных потомков. При спаривании особей разных видов потомство не появляется вообще или же оно нежизнеспособно или бесплодно.
Хромосомный набор ядра может быть гаплоидным, диплоидным или полиплоидным. В гаплоидном (от греч. гаплоос - одиночный, плоос - кратный и ейдос - вид) наборе (его условно обозначают 1n) все хромосомы по строению отличаются одна от другой. Вместе с тем в диплоидном (от греч. диплоос - двойной) наборе (2n) каждая хромосома имеет парную, подобную по размерам и особенностям строения; их называют гомологическими (от греч. гомологиа - соответствие). Соответственно хромосомы, которые относятся к разным парам, не гомологичны друг другу.
Если же количество гомологических хромосом превышает две, то такие хромосомные наборы относят к полиплоидному (от греч. полис - многочисленный): триплоидному (3n), тетраплоидному (4n) и т. д.
Рис. 18.4. Кариотипы разных животных: 1 - щуки; 2 - курицы; 3 - кошки; 4 - саламандры
Рис. 18.5. Кариотип человека (мужчины)
У раздельнополых животных и двудомных растений у особей одного пола хромосомы одной из пар различаются между собой, тогда как у особей другого - они подобны. Это половые хромосомы, которые еще называют гетерохромосомами (от греч. гетерос - другой). Хромосомы других пар, подобные у особей разных полов, называют неполовыми, или аутосомами (от греч. аутос - сам). Так, в хромосомном наборе женщины две X-хромосомы, а мужчины - одна Х-хромосома и одна Y-хромосома (мал. 18.5). Естественно, если аутосомы имеют подобный набор генов, то в X- и Y-хромосомах он разный.
У мух и млекопитающих разные половые хромосомы имеют особи мужского пола, а вот у бабочек, пресмыкающихся и птиц, наоборот, - женского. У некоторых животных особи разных полов имеют разное количество половых хромосом. Так, самки кузнечиков (класс Насекомые) имеют 2 половые хромосомы, тогда как самцы - лишь одну (рис. 18.6).
В ядрах отдельных клеток личинок двукрылых насекомых, некоторых инфузорий и растений (пшеница, лук и т. п.) встречаются хромосомы гигантских размеров, которые в сотни раз превышают размеры обычных. Это происходит потому, что в них многократно увеличенное количество молекул ДНК, иногда в 1000 раз, что служит видовым признаком.
Рис. 18.6. Кариотипы особей разных полов у определенных групп животных
• Изменения кариотипа и его последствия. Значение исследования кариотипа. Кариотип может изменяться вследствие мутаций. Мутантные особи (мутанты) часто неспособны скрещиваться с теми, которые имеют нормальный кариотип, и оставлять плодовитых потомков. Кроме того, изменения хромосомного набора могут вызывать различные заболевания. В качестве примера можно привести болезнь Дауна. Мы уже упоминали, что человек имеет 23 пары хромосом. Каждой паре хромосом исследователи присвоили определенный порядковый номер, например хромосомы 1-й пары, 2-й пары и т. п. (рис. 18.5). Если у человека хромосом 21-й пары становится три (вместо двух), у него проявляется болезнь Дауна. У больных снижается умственное развитие, продолжительность жизни у них небольшая (обычно не больше 30 лет), размеры головы уменьшены, лицо плоское, разрез глаз косой и т. п. Несмотря на эти недостатки, такие дети отличаются доброжелательностью и послушанием.
Появление третьей хромосомы в 8-й паре тоже приводит к нарушениям, однако не таким значительным (косоглазие, укороченные пальцы, увеличенные размеры ушей, носа, незначительная умственная отсталость и др.). Встречаются мутации, при которых количество хромосом не увеличивается, а, наоборот, уменьшается. У человека зародыши, которые имеют хромосомный набор 44 аутосомы и лишь одну Х-хромосому (вместо двух), развиваются в женский организм со значительными нарушениями строения и жизненных функций (укороченная шея с крыловидной складкой кожи, нарушение формирования костей, кровеносной системы, половые железы не развиты). Следовательно, степень и характер нарушений зависят от того, в какой именно паре произошли изменения количества хромосом.
Таким образом, исследование кариотипа человека имеет значение для диагностики его наследственных заболеваний. В частности, оно позволяет диагностировать много наследственных заболеваний даже на ранних этапах развития (болезнь Дауна и проч.). Строение кариотипа учитывают в систематике организмов для распознавания близких по строению видов (так называемых видов-двойников). Это связанно с тем, что даже у близких видов хромосомные наборы всегда отличаются или количеством хромосом, или особенностями их строения. По другим структурным признакам виды-двойники различить трудно или вообще невозможно.
Например, два близких вида хомяков (китайский и даурский) очень подобны по строению и отличаются лишь набором хромосом (соответственно 22 и 20 в диплоидном наборе) (рис. 18.7). Примеры видов-двойников известны среди насекомых, земноводных, пресмыкающихся и т. п.
Кроме того, изучение кариотипа позволяет устанавливать степень исторического родства между организмами. Ведь чем подобнее кариотипы двух видов, тем эти организмы ближе по происхождению.
Рис. 18.7. Китайский (1) и даурский (2) хомяки
Ключевые термины и понятия. Хроматиды, кариотип, аутосомы, гетерохромосомы.
Кратко о главном
- Каждая хромосома состоит из двух хроматид.
- Клетки каждого вида эукариот имеют свой особый набор хромосом - кариотип.
- Хромосомы, подобные по строению и набору генов, называют гомологичными, а те, что отличаются по этим показателями - негомологичными. Исключение составляют лишь половые хромосомы, которые у представителей разных полов каждого вида различаются размерами и особенностями строения. Их называют гетерохромосомами, в отличие от неполовых - аутосом.
- Исследование кариотипа важно для диагностики наследственных заболеваний (у человека), для распознавания близких по строению видов (видов-двойников).
Вопросы для самоконтроля
1. Что называют кариотипом? Чем он характеризуется? 2. Каковы строение и функции хромосом? 3. Какие хромосомы называют половыми?4. Какие хромосомы называют гомологичными? 5. Какое значение имеет исследование хромосомного набора ядра человека и других организмов? 6. Чем отличаются носители наследственного материала прокариот и эукариот?
Подумайте
Почему само существование видов зависит от стабильности их кариотипов?
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3
СТРОЕНИЕ КЛЕТОК ПРОКАРИОТ И ЭУКАРИОТ
Цель: изучить особенности строения клеток прокариот и эукариот; научиться распознавать на схемах, постоянных микропрепаратах, микрофотографиях прокариотические и эукариотические клетки.
Оборудование и материалы: микроскопы, предметные и покровные стекла, пинцеты, стеклянные и деревянные палочки, препаровочные иглы; постоянные микропрепараты бактерий, эпителия ротовой полости, кожицы лука, гифов гриба мукора; электронно-микроскопические фотографии клеток бактерий, животных, растений и грибов.
Ход работы
1. Подготовьте микроскоп к работе.
2. При малом увеличении микроскопа на постоянных микропрепаратах найдите клетки бактерий, грибов, растений, животных.
3. При отсутствии постоянных микропрепаратов изготовьте временные:
- а) стерилизованной стеклянной или деревянной палочкой снимите с поверхности зубов налет возле десен, перенесите его на предметное стекло и накройте покровным;
- б) изготовьте препарат эпителия ротовой полости в капле слюны, для чего проведите стеклянной палочкой по внутренней поверхности щеки, перенесите мазок на предметное стекло;
- в) изготовьте препарат кожицы мясистой чешуи лука, для чего перенесите кожицу в каплю воды на предметном стекле и накройте покровным;
- г) соберите с куска хлеба или овощей плесень белого цвета - грибницу мукора; разместите ее на предметном стекле и накройте покровным.
- 4. Рассмотрите при большом увеличении микроскопа клетки бактерий, грибов, растений и животных. Сравните особенности их строения.
5. Рассмотрите электронно-микроскопические фотографии клеток бактерий, грибов, растений и животных. Найдите клеточную стенку, плазматическую мембрану, ядро, эндоплазматическую сеть, комплекс Гольджи, митохондрии, пластиды, вакуоли.
6. Сделайте выводы.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4
НАБЛЮДЕНИЕ ЗА ЯВЛЕНИЯМИ ПЛАЗМОЛИЗА И ДЕПЛАЗМОЛИЗА В КЛЕТКАХ РАСТЕНИЙ
(выполняют учащиеся академического уровня обучения)
Цель: наблюдать движение цитоплазмы в клетках растений; исследовать явления плазмолиза и деплазмолиза.
Оборудование и материалы: световые микроскопы, предметные и покровные стекла, пинцеты, препаровочные иглы, фильтровальная бумага, дистиллированная вода, 9 %-й водный раствор хлорида натрия, мясистая чешуя лука или лист элодеи.
Ход работы
1. Подготовьте микроскоп к работе.
2. Изготовьте временный микропрепарат живых клеток кожицы сочной чешуи луковицы или листа элодеи, поместите их в каплю воды на предметное стекло и накройте покровным стеклом.
3. Рассмотрите препарат при малом увеличении микроскопа, выберите участок с живыми клетками. При большом увеличении микроскопа проследите за движением цитоплазмы и хлоропластов (при необходимости подогрейте препарат до +38...40 °С, вводя под покровное стекло теплую воду).
4. Замените воду под покровным стеклом раствором хлорида натрия: с одной стороны стекла введите раствор соли, а у другого (для удаления воды из-под покровного стекла) приложите фильтровальную бумагу. Проследите за явлением плазмолиза - отслоением цитоплазмы от клеточной стенки.
5. После завершения плазмолиза замените раствор хлорида натрия под покровным стеклом дистиллированной водой. Для этого с одной стороны покровного стекла введите дистиллированную воду, а с другой, чтобы удалить раствор хлорида натрия, приложите фильтровальную бумагу. Проследите за явлением деплазмолиза - восстановлением объема цитоплазмы.
6. Сделайте выводы.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5
МИКРОСКОПИЧЕСКОЕ И УЛЬТРАМИКРОСКОПИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ ЯДРА
(выполняют учащиеся академического уровня обучения)
Цель: ознакомиться с особенностями строения ядра; научиться распознавать на схемах, постоянных микропрепаратах, микрофотографиях структуры ядер.
Оборудование, материалы и объекты исследования: микроскопы, предметные и покровные стекла, препаровочные иглы, пинцеты; фильтровальная бумага; постоянные микропрепараты яйцеклетки.
Ход работы
1. При малом увеличении микроскопа рассмотрите постоянный микропрепарат яйцеклетки.
2. Найдите на препарате большие округлые яйцеклетки, окруженные мелкими фолликулярными клетками с удлиненными ядрами, окрашенными в сине-фиолетовый цвет.
3. Обратите внимание на цитоплазму яйцеклетки, окрашенную в розовый цвет.
4. Найдите большое ядро, расположенное в центре клетки.
5. Обратите внимание на многочисленные ядрышки разного размера внутри ядра, окрашенные в темно-фиолетовый цвет.
6. Зарисуйте яйцеклетку, указав на рисунке ее оболочку, цитоплазму, ядро, ядрышки.
7. Рассмотрите электронно-микроскопические фотографии ядра и найдите отдельные детали строения.
8. Сделайте выводы.
Микроскопическое строение ядра
ТЕСТ НА ЗАКРЕПЛЕНИЕ ЗНАНИЙ
I. ВЫБЕРИТЕ ИЗ ПРЕДЛОЖЕННЫХ ОТВЕТОВ ПРАВИЛЬНЫЙ
1. Укажите соединения, из которых в основном состоит плазматическая мембрана: а) белки и углеводы; б) углеводы и липиды; в) белки и липиды; г) липиды и минеральные соли.
2. Укажите организмы, клетки которых способны к фагоцитозу: а) бактерии; б) грибы; в) растения; г) животные.
3. Назовите организмы, в состав клеточной оболочки которых входит гликокаликс: а) бактерии; б) грибы; в) растения; г) животные.
4. Укажите соединения, из которых в основном состоят хромосомы: а) белки и липиды; б) белки и ДНК; в) белки и РНК; г) липиды и РНК.
5. Назовите фамилию ученого, который предложил термин «клетка»: а) Р. Гук; б) Т. Шванн; в) М. Шлейден; г) Р. Вирхов.
II. ВЫБЕРИТЕ ИЗ ПРЕДЛОЖЕННЫХ ОТВЕТОВ ДВА ПРАВИЛЬНЫХ
1. Назовите организмы, в клетках которых есть вегетативные и генеративные ядра: а) дрожжи; б) улотрикс; в) фораминиферы; г) инфузории.
2. Назовите клетки, которые не имеют ядер: а) эритроциты большинства млекопитающих; б) клетки эпителия; в) лейкоциты; г) тромбоциты млекопитающих.
3. Назовите организмы, клетки которых имеют ядро: а) цианобактерии; б) пеницилл; в) мукор; г) кишечная палочка.
4. Назовите структуры, расположенные внутри ядра: а) субъединицы рибосом; б) нити хроматина; в) пластиды; г) митохондрии.
5. Назовите механизмы пассивного транспорта веществ в клетку: а) диффузия; б) изменение пространственной структуры белков, пронизывающих мембрану; в) калий-натриевый насос; г) фагоцитоз.
6. Назовите свойства плазматической мембраны: а) полупроницаемость; б) способность к самообновлению; в) жесткость; г) способность синтезировать собственные белки.
III. ЗАДАНИЯ НА УСТАНОВЛЕНИЕ СООТВЕТСТВИЯ
1. Определите принадлежность хромосом к тем или иным типам.
2. Определите соответствие органелл и структур клетки группам организмов, в которых они представлены.
3. Установите соответствие между фамилиями ученых и их вкладом в развитие цитологии.
IV. ВОПРОСЫ ПОВЫШЕННОЙ СЛОЖНОСТИ
1. Как отсутствие ядра влияет на свойства клетки? Ответ обоснуйте.
2. Чем можно объяснить то, что некоторые эукариотические клетки лишены ядра? Приведите примеры таких клеток.
3. Какое значение имеет изучение кариотипов организмов для систематики? Ответ обоснуйте.
4. Что общего и отличного между наследственным материалом клеток прокариот и эукариот?
5. Что общего и отличного между процессами пиноцитоза и фагоцитоза? Клетки каких организмов могут осуществлять эти процессы?
6. Какая связь существует между поступлением воды в клетку и поддержанием ее формы? Ответ обоснуйте.
Коментарі (0)