ЦИТОЛОГИЯ набор 2010 - Институт фундаментальной

Федеральное агентство по образованию
Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Сибирский федеральный университет»
УТВЕРЖДАЮ
Директор ИФБиБТ
_____________/В.А.Сапожников
«_____» _____________2010 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
Дисциплина
ЕН.В2. «Цитология, гистология, микробиология»
Укрупненная группа
01000 физико-математические науки
Направление
010708.65 Биохимическая физика
Институт
фундаментальной биологии и биотехнологии
Кафедра
биофизики
Красноярск
2010
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом
высшего профессионального образования по укрупненной группе 010000
«Физико-математические науки»
специальности 010700.65 «Биохимическая физика»
Программу составил проф. Сетков Н,А. ______________
(должность, фамилия, и. о., подпись)
Заведующий кафедрой д.б.н., проф. Кратасюк В.А. ____________________
(фамилия, и. о., подпись)
«_____»_______________2010 г.
Рабочая программа обсуждена на заседании
кафедры_________________________________
«______» _________________ 20__ г. протокол № _____________
Заведующий кафедрой д.б.н., проф. Кратасюк В.А. ___________________________
(фамилия, и. о., подпись)
Рабочая программа обсуждена на заседании НМСИ Института фундаментальной
биологии и биотехнологии
«______» __________________ 20___ г. протокол № _____________
Председатель НМСИ ______________________В.А.Сапожников
(фамилия и. о., подпись)
Дополнения и изменения в учебной программе на 20___/20___ учебный год.
В рабочую программу вносятся следующие изменения: _____________
_______________________________________________________________________
_____________________________________________________________
Рабочая программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры _______
«____» _____________ 20___г. протокол № ________
Заведующий кафедрой ______________________________________________
(фамилия, и.о., подпись)
Внесенные изменения утверждаю:
Директор института ___________________________________________
В.А.Сапожников
(фамилия, и. о., подпись)
2
1 Цели и задачи изучения дисциплины
Дисциплина “Цитология, гистология и микробиология” относится к циклу М.З.
учебного плана специальности 0107008.65 – Биохимическая физика и имеет своей
целью ознакомить студентов с существующими в настоящее время знаниями в
области клеточной биологии прокариотических и эукариотических организмов, а
также строением и организацией многоклеточных образований – тканей. Клетка –
элементарная функциональная и морфологическая единица всего живого на Земле,
что было подчёркнуто ещё клеточной теорией Т. Шванна, М. Шлейдена и Р.
Вирхова (1858 г.): Цитология, как описательная наука, традиционно изучавшая
морфологическое и структурное разнообразие клеток, и их тонкое строение,
перешла на молекулярный уровень изучения внутриклеточных физиологических
процессов, стремясь к познанию механизмов функционирования живых клеток.
Клеточная биология вплотную подобралась даже к решению проблемы создания
искусственной клетки. Решить её призвано новое направление в современной
биологии, получившее название “синтетическая биология”, в задачу которой
входит создание так называемой “минимальной клетки”. Возможность решения
этой труднейшей проблемы недавно была продемонстрирована экспериментами,
проведёнными под руководством Крейга Вентера (J. Craig Venter), по переносу
генома Mycoplasma mycoides, собранного из отдельных фрагментов (как бы
искусственного генома), в клетку родственной бактерии Mycoplasma capricolum,
которая в результате изменила своё метаболическое “поведение” и своё “лицо” и
стала похожа на Mycoplasma mycoides.
В связи с переходом цитологии на молекулярный уровень изучения жизни она
становится особенно важной дисциплиной в подготовке специалистов по
биохимии, биофизики, микробиологии и молекулярной биологии, которые должны
знать не только клетку во всех её разнообразных формах (чему также способствует
изучение гистологии), но и главные закономерности функционирования, общие для
всех клеток, вне зависимости от их происхождения. Особенности
функционирования и организации клеток в многоклеточных организмах, в которых
клетки объединёны в ткани и органы, рассматривает близкая по содержанию к
цитологии дисциплина – гистология. Поэтому интеграция курса гистологии и
микробиологии (курс ограничивается рассмотрением строения прокариотической
клетки) с цитологией позволяет сформировать у студентов цельную систему
представлений о строении и функционировании клеток.
Представляется также важным в курсе цитологии, гистологии и микробиологии не
только давать определённый объём конкретных знаний, но и показывать, как и кем,
эти знания были получены. Поэтому в описании клеточных структур и их свойств
должны быть введены и описания экспериментов и методических приёмов
современной науки, а также основных методов современной клеточной биологии.
Акцентирование на этом необходимо уже потому, что часто именно новые
методические приёмы и разработки ложатся в основу развития новых направлений
в изучении клетки.
Курс “Цитология, гистология и микробиология” служит основой для освоения
таких дисциплин как “Молекулярная биология клетки”, “Механизмы размножения
клеток и клеточный цикл” и “Современные проблемы молекулярной биологии и
генетики” (последний курс относится к магистерской программе), а также в
3
подготовке магистерских диссертаций, тематика которых связана с исследованием
клеток и тканей, а также с клеточными технологиями. Необходимо также
подчеркнуть значимость курса для последующего обучения, как по магистерским
программам, так и для поступления в аспирантуру.
2 Объем дисциплины и виды учебной работы
Всего
(часов)
Вид учебной работы
Общая
трудоемкость
Аудиторные занятия:
дисциплины
Самостоятельная работа:
Вид промежуточного контроля
(зачет, экзамен)
75
36
39
Экзамен
Семестр
6
75
36
39
Экзамен
3 Содержание дисциплины
3.1 Разделы дисциплины и виды занятий (тематический план занятий)
Лекция 1. Клеточная биология. Предмет клеточной биологии. Клеточная
теория. Теодор Шванн и Матиас Шлейден. Современные постулаты клеточной
теории. Клетка – элементарная единица живого. Клетка – система сопряжённых
функциональных единиц. Гомологичность клеток. Клетка от клетки (“Omnis cellula
ex cellula”). Клетка в системе многоклеточного организма. Тотипотентность клеток.
Определение клетки.
Лекция 2. Методы клеточной биологии и гистологии. Световая микроскопия
(история изобретения микроскопа). Фазовоконтрастная, интерференционная,
поляризационная
микроскопия,
конфокальная
сканирующая
световая
микроскопия, флуоресцентная микроскопия. Витальное изучение клеток. Методы
микрохирургии. Методы фиксации и окраски клеток (гистохимические и
цитохимические методы). Методы цитофотометрии. Метод радиоавтографии.
Электронная микроскопия (самостоятельно). Фракционирование клеток и
клеточная инженерия. Методы культуры клеток.
Лекция 3. Типы организации клеток: 1. Прокариотические клетки (бактерии и
синезелёные водоросли) и их комбинированная внутренняя организация. Ядерный
компонент прокариот. Нуклеоид. Репликон и модель организации бактериальной
“хромосомы”. Особенности транскрипции и трансляции. Петлевые домены 2.
Эукариотические клетки и их внутренняя организация. Ядро эукариотической
клетки, его обобщённое строение и структурные типы ядер. Эухроматин и
гетерохроматин.
Лекция 4. Хромосомный цикл (понятие о клеточном цикле). Общая морфология
митотических хромосом (типы хромосом, первичная перетяжка, кинетохор,
вторичная перетяжка, ядрышковый организатор и “спутник”). Хромосомные
наборы и понятие кариотипа. Соматические и половые хромосомы.
Дифференциальная окраска и денверовская система. Генетическая карта хромосом.
4
Эндорепродукция и полиплоидия. Политенные хромосомы. Пространственное
расположение хромосом в интерфазном ядре.
Лекция 5. Структура и химия хроматина. ДНК хроматина. Вариабельность
содержания ДНК в клетках различных организмов. Уникальные и повторяющиеся
последовательности. Центромерные и теломерные участки хромосм. Репликация
эукариотической ДНК. Полирепликонная структура. Кластерная организация
репликонов (кластеросомы). Основные белки хроматина – гистоны. Общие
свойства гистонов млекопитающих. Функциональные свойства гистонов.
Негистоновые белки хроматина. Нуклеосомы, их строение и структурная роль.
Первый уровень компактизации ДНК. Нуклеосомы при репликации и
транскрипции. Второй уровень компактизации ДНК, нуклеосомная фибрилла.
Петлевые домены ДНК, их связь с матриксом (скэффолдом). Хромомеры.
Хромомеры в дисках политенных хромосм. Ядерный белковый матрикс. Белки
ламины (А,В,С). Связь ДНК с компонентами белкового матрикса, участие матрикса
в регуляции транскрипции. Нуклеонемы. Хромонемы. Общая организация
митотических хромосом.
Лекция 6. Ядрышко – источник рибосом. Ядрышковый организатор.
Множественность рибосомных генов, их строение и функциональная организация
(полицистронная организация рибосомных генов, транскрипционная единица).
Процессинг 45 S РНК. Структура ядрышек (фибриллярные центры, фибриллярный
и гранулярный компоненты). Количество ядрышек,
связь с ядрышковыми
организаторами хромосом. Структурные типы ядрышек. Амплификация ядрышек.
Общая схема работы ядрышек. Неканонические функции ядрышек. Строение
прокариотических и эукариотических хромосом.
Лекция 7. Ядерная оболочка. Компоненты ядерной оболочки. Ядерная ламина
и ядерные поры (ядерный поровый комплекс – NPC и его различные модели). Роль
ядерной оболочки в ядерно-цитоплазматическом обмене. Импорт кариофильных
белков и экспорт из ядра в цитоплазму. Гиалоплазма и органеллы. Свойства
биологических
мембран
(самостоятельно).
Плазматическая
мембрана.
Гликокаликс. Трансмембранные переносы ионов и низкомолекулярных соединений
(каналы, белки-переносчики). Везикулярный перенос: эндоцитоз (фагоцитоз и
пиноцитоз) и экзоцитоз. Окаймлённые ямки и окаймлённые пузырьки (белки
клатрин и динамин). Трансцитоз. Лизосомы. Первичные и вторичные лизосомы.
Телолизосомы (остаточные тельца). Аутолизосомы. Лизосомные патологии.
Лекция 8. Рецепторная роль плазмалеммы. Межклеточное узнавание. Адгезия,
молекулы адгезии, кадхерины, селектины и интегрины. Белки главного комплекса
гистосовместимости (МНС). Межклеточные контакты (белки окклудин и клаудин).
Замыкающие
пластинки,
заякоривающие
соединения.
Десмосомы
и
полудесмосомы. Цитоплазматические филаменты (белки катенин, винкулин и актин). Фокальные контакты и бляшки сцепления. Щелевые контакты (коннексоны
и коннектины). Синаптические контакты. Плазмадёсмы.
Лекция 9. Вакуолярная система клетки. Гранулярный эндоплазматический
ретикулум. Гладкий (анранулярный) ретикулум. Котрансляционный транспорт
растворимых белков (SRP–частицы, 7SL-РНК сигнал узнающие частицы,
организация транслокона). Синтез мембранных белков. Транспорт между
эндоплазматическим ретикулумом и аппаратом Гольджи (интегральные
мембранные белки V-SNARE и T-SNARE). Аппарат Гольджи. Секреторная
5
функция аппарата Гольджи. Сортировка и модификация белков в аппарате
Гольджи. Другие мембранные вакуоли (сферосомы, пероксисомы).
Лекция 10 (2ч). Митохондрии: строение и функции. Общая морфология и
ультраструктура. Авторепродукция митохондрий. Понятие о хондриоме. Геном
митохондрий. Клеточный центр. Центросомы и центриоли, их тонкое строение в
интерфазе и при митозе. Центросомный цикл. Микротрубочки. Полимеризация
тубулинов, МАР-белки. Центры организации микротрубочек. Динеины и кинезины
– моторные белки. Базальное тельце, строение и движение ресничек и жгутиков.
Лекция 11 (1ч). Микробиология. Клеточная оболочка бактерий. Капсула.
Цитоплазматическая мембрана и её производные: ламеллярные структуры,
мезосома, впячивания плазмалеммы, пластинчатые тилакоиды. Периплазма.
Цитоплазма бактериальной клетки. Цитоплазматические включения (вакуоли).
Окислительное фосфорилирование у бактерий. Жгутики и пили (фимбрии). Споры.
Рост и размножение.
Лекция 12 (1ч). Генетическая организация бактериальной хромосомы
(цистрон, мутон, рекон). Рекомбинация у бактерий: трансформация, трансдукция и
конъюгация. Генетический контроль экспрессии генов. Молекулярные механизмы
регуляции экспрессии генов. Лизогения. Бактериальные плазмиды. Репликация и
рекомбинация плазмид. Плазмиды как векторы генетического материала.
Происхождение плазмид. Медицинские аспекты бактериальной резистентности к
антибиотикам.
Лекция 13 (2ч). Гистология. Понятие о дивергентном развитии организма и о
тканях. Эпителиальные ткани. Общая характеристика и классификация. Виды
эпителиев: плоский многослойный эпителий, переходный эпителий, однослойный
многорядный
призматический
мерцательный
эпителий.
Однорядные
призматические эпителии: однослойный плоский эпителий, однослойный
кубический эпителий. Железы.
Лекция 14 (2ч). Соединительные (опорно-трофические) ткани. Мезенхима.
Соединительная ткань. Рыхлая неоформленная соединительная ткань. Жировая
ткань. Плотная оформленная соединительная ткань (коллагеновая и эластичная
ткань). Эндотелий сосудов. Ретикулярная ткань. Развитие соединительной ткани и
её важнейшие биологические свойства. Хрящевая ткань (хондроциты). Гиалиновый
хрящ. Развитие хрящевой ткани (хондрогенез). Эластичный хрящ. Волокнистый
хрящ. Регенерация хрящевой ткани. Костная ткань. Строение костной пластинки.
Развитие костной ткани (остеогенез). Развитие кости из малодифференцированной
соединительной ткани. Развитие кости на месте хряща. Регенерация костной ткани.
Лекция 15 (2ч). Мышечные ткани. Классификация и общие свойства. Гладкая
мышечная ткань. Развитие и регенерация гладкой мышечной ткани.
Поперечнополосатые мышечные ткани. Скелетная (произвольная) мышечная
ткань. Сипласты – мышечные волокна. Сарколемма. Система Т-трубочек.
Саркоплазма. Актомиозиновые комплексы. Саркомер и его строение. Перимизий и
эндомизий.
Развитие и регенерация скелетной мускулатуры (миобласты).
Сердечная мышца (миокард) и её отличительные особенности (проводящая
мускулатура сердца). Гибель кардиомиоцитов (инфаркт). Возможности
регенерации миокарда (использование стволовых клеток).
Лекция 16 (2ч). Нервная ткань. Нейроны и их строение. Типы нейронов.
Вещество Ниссля. Глиальная ткань (нейроглия). Эпендима, Астроглия.
Олигодендроглия. Макроглия и микроглия. Нервные волокна. Безмякотные
6
нервные волокна. Мякотные нервные волокна (их строение). Шванновские клетки.
Миелин и миелиновые оболочки. Перехват Ранвье. Нервный ствол (эндоневрием,
периневрием, эпиневрием). Нервные окончания (чувствительные нервные
окончания): тельца Мейснера, генитальные тельца, тельца Фатер-Пачини,
мышечные веретёна, моторные блящки. Развитие и регенерация нервной ткани.
Невробласты, спонгиобласты. Стволовые клетки нервной системы. Регенерация
“вокального центра” у певчих птиц. Условия деления стволовых клеток.
Нейродегенеративные заболевания: болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера,
латеральный амитрофический синдром.
4 Учебно-методические материалы по дисциплине
4.1 Основная и дополнительная литература, информационные ресурсы
1. Ченцов, Ю. С. Введение в клеточную биологию / Ю. С. Ченцов. - 4-е изд.,
перераб. и доп. - Москва : Академкнига, 2005. - 494 с. (30 экз.)
2. Кольмен, Я. Наглядная биохимия / Я. Кольман, К. -. Г. Рем. - 2-е изд. Москва : Мир, 2004. - 469 с. (50 экз.)
Дополнительная литература
3. Ролан Ж.-К., Сёлюши А., Сёлюши Д. Атлас по биологии клетки.
Издательство “Мир”, 1980
4. Хэм А., Кормак Д. Гистология. В пяти томах. Издательство “Мир”, 1983.
5. Перечень контрольных вопросов
Клеточная теория. Современные постулаты клеточной теории.
Основные биологические свойства клеток.
Биополимеры и их роль в организации структуры и функций клетки.
Функции белков в клетке.
Методы клеточной биологии и гистологии.
История изобретения микроскопа (братья Янсены, Антони Ван Левенгук,
Роберт Гук и Ян Пуркинье).
7. Метод культивирования клеток как основа для современной фармакологии и
биотехнологии.
8. Внутренняя организация прокариотических клеток. Нуклеоид и репликон.
9. Особенности транскрипции и трансляции у прокариот.
10. Особенности внутренней организации эукариотических клеток.
11. Биологическая роль обособления клеточного ядра.
12. Общие принципы воспроизводства генетической информации.
13. Общие принципы реализации генетической информации.
14. Генетический код и его свойства.
15. Тотипотенность соматических клеток.
16. Диминуция генетического материала.
17. Морфология и структура ядер в эукариотических клетках.
18. Биологические функции эухроматина.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7
19. Факультативный и облигатный гетерохроматин дифференцированных
клеток.
20. Общая морфология митотических хромосом.
21. Организация и функции кинетохора.
22. Ядрышковый организатор и хромосомы человека, имеющие ядрышковый
организатор.
23. Биологическая роль диспергирования генетического материала и
хромосомные наборы.
24. Понятие о клеточном цикле. Периоды клеточного цикла.
25. Понятие кариотипа и его роль в систематике.
26. Половые и соматические хромосомы.
27. Отличительные особенности половых хромосом.
28. Методы дифференциальной окраски митотических хромосом.
29. Хромосомные карты и их роль в систематике.
30. Гаплоидные, диплоидные и полиплоидные наборы хромосом и их
биологическая роль.
31. Парадокс С и вариабельность содержания ДНК в клетках разных видов
организмов.
32. Гистоновые белки хроматина и их общие свойства.
33. Организация нуклеосом и их внутренняя пространственная структура и
функции в упаковке ДНК в хроматине.
34. Негистоновые белки хроматина и их роль в формировании хроматина и
хромосом.
35. Хромомерный уровень организации хромосом.
36. Хромонемный уровень организации хромосом.
37. Внутренняя структура и уровни организации митотических хромосом.
38. Эндорепродукция и полиплоидия (биологическая роль полиплоидии).
39. Политенные хромосомы двукрылых насекомых и явление пуфинга.
40. Хромосомы типа “ламповых щёток”.
41. Ядрышковый организатор и множественность рибосомных генов.
42. Организация рибосомного цистрона и его репликация. Процессинг 45 S
РНК.
43. Внутренняя структура ядрышка и его составные компоненты.
44. Общие принципы синтеза рибосом и их транспортировки в цитоплазму.
45. Биологическая роль амплификации ядрышек.
46. Неканонические функции ядрышек.
47. Структурная основа биологических мембран и их химический состав.
48. Интегральные белки мембран и их функции.
49. Роль плазматической мембраны и её компоненты.
50. Структура и функции ядерной оболочки.
51. Связь плазматической мембраны с цитоплазматическими белками на
примере мембраны эритроцита. Функция анкирина и спектрина.
52. Строение ядерного порового комплекса и его функции.
53. Компоненты ядерной оболочки и организация ламины.
54. Роль ламины в организации хроматина (петлевая модель организации
хроматина).
55. Везикулярный перенос, его виды и функции в клетке.
56. Биологическая роль лизосом.
8
Межклеточные взаимодействия и клеточные контакты.
Отличительные особенности гранулярного и агранулярного ретикулума.
Аппарат Гольджи и его функции, связь с везикулярной системой клетки.
Энергетические станции клетки – митохондрии. Особенности организации
генома митохондрий.
61. Цитоскелет и система микротрубочек. Белки тубулины.
62. Цитоскелет и актиновые микрофиламенты, их функции в клетке.
63. Тонкое строение клеточного центра и центриолей. Их функции в делящихся
клетках.
64. Производные цитоплазматической мембраны бактерий и их функции в
клетке.
65. Генетическая организация бактериальной “хромосомы” и петлевая
структура нуклеоида.
66. “Внехромосомный” генетический материал бактериальных клеток (эписомы
и плазмиды). Механизмы бактериальной резистентности к антибиотикам.
67. Тканевый уровень организации клеток в многоклеточном организме, его
биологическая роль.
68. Виды эпителиальных тканей и их функции в многоклеточном организме.
69. Соединительная ткань и её опорно-трофическая функция.
70. Основные белки соединительной ткани и их структурные особенности.
71. Остеон и строение костной пластинки.
72. Симпластическая
структурная
организация
мышечных
волокон.
Сарколемма и её функции.
73. Тонкая организация актомиозинового комплекса. Модель “скользящих
нитей”.
74. Общая морфология и строение нейронов. Аксоны и дендриты.
75. Глия и её функции в организации межнейронных взаимодействий.
57.
58.
59.
60.
9