Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ульяновский государственный педагогический университет имени И.Н.Ульянова» (ФГБОУ ВПО «УлГПУ им. И.Н.Ульянова») Естественно-географический факультет Кафедра зоологии УТВЕРЖДАЮ Проректор по учебной работе ________________И.В.Столярова «____»______________2012 г. ГЕНЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИЯ Программа учебной дисциплины для специальности 050103.65 География (заочная форма обучения) Составитель: Попова Л.М., кандидат биологических наук, доцент Рассмотрено и утверждено на заседании ученого совета естественно-географического факультета (протокол от «____» _______________ 20___ г. № ____). Ульяновск, 2012 ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования для специальности 050103 География, утверждённого Министерством образования Российской Федерации от 31 января 2005 г. (номер государственной регистрации № 700 пед./сп.). Материал курса служит основой общебиологической подготовки студентов, учит умению ориентироваться в проблемах смежных наук, дает фундаментальную подготовку по проблемам генетики. В программе учтены все новейшие достижения генетики, молекулярной биологии. В программу включены темы из смежных дисциплин, знание которых необходимо для понимания общебиологических закономерностей: разделы цитологии, биохимии, гистологии и других наук, относящихся к особенностям организации клеток, закономерностям размножения, закономерностям действия законов наследственности и изменчивости. Последовательность изложения материала отражает историю развития науки. Каждый раздел программы наряду с фундаментальными знаниями предполагает усвоение студентами возможностей применения этих знаний в практической деятельности человека. Программа практических занятий направлена на закрепление теоретического материала и выработку навыков работы с живыми и фиксированными объектами. Программа составлена с учетов профессиональной ориентации студентов и необходимости овладения навыками научно-исследовательской работы. Программа рассчитана на приобретение навыков использования информационных технологий для решения экспериментальных и практических задач в области профессиональной деятельности. Цель и задачи дисциплины Цель дисциплины: формирование у студентов современных научных знаний по генетике и биотехнологии. Задачи: - ознакомить студентов с основными закономерностями наследственности и изменчивости; - изучить хромосомную теорию наследственности; - изучить морфологию, тонкое строение и химический состав хромосом; - изучить структуру генома прокариот и эукариот; - ознакомиться с новейшими достижениями в области изучения генетического материала у разных объектов органического мира; - проанализировать новейшие достижения биотехнологии и генной инженерии; - научить связывать данные генетики и теории эволюции, а также данные генетики с достижениями цитологии, биохимии нуклеиновых кислот, биологических основ размножения растений и животных, с успехами в области изучения закономерностей онтогенеза. 2 Требования к результатам освоения дисциплины В результате изучения учебной дисциплины «Генетика и биотехнология» студент должен знать: - историю развития науки в России и в мире; - основные закономерности наследственности и изменчивости, хромосомную теорию наследственности; - структуру нуклеиновых кислот; - структуру геномов живых организмов с разными уровнями организации; - пути реализации наследственной информации в клетке; - методы, достижения и перспективы генетической инженерии. уметь: - ставить эксперименты, повторяющие опыты Менделя; - решать задачи по молекулярной биологии и генетике; владеть: - методикой изготовления временных препаратов хромосом, процессов митоза и мейоза; - навыками изучения закономерностей изменчивости в природных популяциях; - основами научного мировоззрения, диалектического и материалистического мышления. Объем дисциплины и виды учебной работы Курс Генетики и биотехнологии читается в 8 семестре. Общий объем дисциплины составляет 10 аудиторных часов (6 часов лекций + 4 часов лабораторно-практических занятий) и 42 часам на самостоятельную работу студентов. Вид учебной работы Всего часов Общая трудоемкость 52 Аудиторные занятия 10 Лекции 6 Лабораторно-практические занятия 4 Самостоятельная работа 42 Семестры 8 Вид итогового контроля зачёт Примерный тематический план дисциплины № Модуль, тема п/п 1 Введение. Генетика – наука о закономерностях наследственности и изменчивости. История, разделы и методы, достижения. 2 Материальные основы наследственности. Цитологические основы размножения. 3 Закономерности наследования признаков и принципы наследственности. 4 Изменчивость, ее причины, методы Всего часов 2 Аудит. Лекции - - Лаб. раб. - Самост. раб. 2 8 4 2 2 4 8 2 2 - 6 4 - - - 4 3 5 6 7 8 9 изучения, значение. Природа гена. Эволюция представлений о гене. Искусственный синтез гена. Особенности молекулярно-генетических процессов у высших организмов. Генетические основы онтогенеза. Функциональные изменения хромосом в онтогенезе. Управление онтогенезом. Генетика популяций и генетические основы эволюции. Наследование в популяциях. Динамика популяции. Значение. Генетика человека. Методы, кариотип, Программа геном человека. Генетические основы селекции. Методы. Селекция как наука и технология. ИТОГО 8 4 2 2 4 4 - - - 4 6 - - - 6 6 - - - 6 4 - - - 6 52 10 6 4 42 СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ Тема 1. Введение. Генетика – наука о закономерностях наследственности и изменчивости. История, разделы и методы, достижения. Место генетики среди биологических наук. Значение генетики для современной систематики, физиологии, экологии, в проблеме охраны окружающей среды. Практическое значение генетики для сельского хозяйства, медицины, педагогики. Тема 2. Материальные основы наследственности. ДНК как носитель наследственной информации. Индивидуальность, парность хромосом. Кариотип. Упаковка. Клеточный цикл. Митоз, фазы митоза, разновидности митоза. Закономерности наследования признаков и принципы наследственности. Тема 3. Закономерности наследования признаков и принципы наследственности. Наследование при моногибридном скрещивании. Первый и второй законы Менделя и теоретические выводы из них. Цитологический механизм расщепления. Тетрадный анализ. Наследование при дигибридном скрещивании. Расщепление по генотипу и фенотипу. Закон независимого наследования признаков. Цитологические основы независимого комбинирования генов и признаков. Закономерности полигибридного скрещивания. Общие формулы расщепления. Комбинативная изменчивость и ее значение. Наследование при взаимодействии генов. Типы взаимодействия генов. Генетика пола и сцепленное с полом наследование. Биология пола у животных и растений. Хромосомная и балансовая теории определения пола. Явление сцепления генов. Основные положения хромосомной теории Моргана. Генетическое и цитологическое доказательства перекреста хромосом. Генетические карты хромосом. Значение рекомбинации генов для эволюции и селекции. Тема 4. Изменчивость, ее причины, методы изучения, значение. Изменчивость, ее причины, методы изучения, значение. Классификация форм изменчивости. Мутационная изменчивость. Классификации мутаций. Индуцированный и спонтанный мутационные процессы. Мутогенные факторы. Генетические последствия загрязнения окружающей среды физическими и химическими мутогенами. Репарация. Типы репарации. Модификационная изменчивость. Математический метод как основной при изучении 4 модификационной изменчивости. Константы вариационного ряда и их использование для выявления роли генотипа в определении нормы реакции. Тема 5. Природа гена. Эволюция представлений о гене. Искусственный синтез гена. Особенности молекулярно-генетических процессов у высших организмов. Природа гена. Эволюция представлений о гене. Молекулярные механизмы реализации наследственной информации. Транскрипция. Мир РНК в клетке. Обратная транскрипция, ревертаза. Генетический контроль и регуляция генной активности у прокариотических и эукариотических организмов. Трансляция. Основные свойства генетического кода. Структура и свойства транспортных РНК. Структура рибосом и их функция в белковом синтезе. Инициация и терминация белкового синтеза. Функциональные границы гена. Искусственный синтез генов. Особенности молекулярно-генетичеких процессов у высших организмов. Некоторые тенденции в эволюции гена. Тема 6. Генетические основы онтогенеза. Функциональные изменения хромосом в онтогенезе. Управление онтогенезом. Генетические основы онтогенеза. Онтогенез как реализация программы развития в определенных условиях среды. Генетические основы дифференцировки. Функциональные изменения хромосом в онтогенезе. Регуляция активности генов в связи с деятельностью желез внутренней секреции. Методы онтогенетики. Управление онтогенезом. Онтогенетическая изменчивость. Онтогенетическая адаптация и ее роль в обеспечении пластичности организма. Сигнальная наследственность и ее значение. Дискретность онтогенеза. Тератогенез, морфозы и фенокопии. Тема 7. Генетика популяций и генетические основы эволюции. Наследование в популяциях. Динамика популяции. Значение. Популяция и ее генетическая структура. Наследование в популяциях. Генетическое равновесие в панмиктической популяции и его теоретический расчет в соответствии с законом Харди-Вайнберга. Факторы генетической динамики популяций. Популяционные волны (дрейф генов), и их роль в динамике генных частот. Полиморфизм популяций. Значение генетики популяций для экологии, биогеоценологии, для решения проблем охраны окружающей среды и разработки мер по сохранению генофонда планеты. Тема 8. Генетика человека. Методы, кариотип, Программа геном человека. Генетика человека. Человек как объект генетических исследований. Методы изучения генетики человека. Кариотип человека, идиограмма хромосом человека. Методы диффернциальной окраски хромосом. Международная программа «Геном человека». Генная терапия. Проблемы медицинской генетики. Понятие о наследственных и врожденных аномалиях. Генетические механизмы канцерогенеза. Генетическая опасность радиации химических мутогенов и канцерогенов. Медико-генетическое консультирование. Тема 9. Генетические основы биотехнологии. Генетика как теоретическая основа биотехнологии. Биотехнология как наука и технология. Молекулярная и клеточная инженерия. Роль микроорганизмов в синтезе органических веществ. Искусственное оплодотворение. Биотехнология и ее роль в селекции. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОРГАНИЗАЦИИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ Методические рекомендации преподавателю 5 По каждой теме дисциплины «Генетика и биотехнология» предполагается проведение аудиторных занятий и самостоятельной работы, т. е. чтение лекций, подготовка к семинарским занятиям и выполнение индивидуальных заданий. Подготовка и проведение лекций, семинарских и практических занятий должны предусматривать определенный порядок. Для подготовки студентов к семинарскому занятию преподаватель должен определить основные вопросы и проблемы, выносимые на обсуждение, рекомендовать дополнительную учебную и периодическую литературу, рассказать о порядке и методике его проведения. Методы проведения семинаров предусматривают следующие виды деятельности: 1. Выполнение лабораторных работ. 2. Обсуждение тем, рассмотренных на лекциях и в ходе самостоятельной работы по вопросам преподавателя. 3. Отчеты по индивидуальным заданиям. Важное место занимает подведение итогов практического занятия: преподаватель должен указать на достоинства, недостатки и ошибки студентов при выполнении индивидуальных работ, а также оценить слабые и сильные стороны выступлений. Методические рекомендации студенту В соответствии с учебным планом соответствующей специальности дисциплина изучается студентами очниками в 8 семестре. Успешное изучение курса требует от студентов посещения лекций, активной работы на семинарах, выполнения всех учебных заданий преподавателя, ознакомления с базовыми учебниками, основной и дополнительной литературой. Запись лекции – одна из форм активной самостоятельной работы студентов, требующая навыков и умения кратко, схематично, последовательно и логично фиксировать основные положения, выводы, обобщения, формулировки. В конце лекции преподаватель оставляет время (5 минут) для того, чтобы студенты имели возможность задать уточняющие вопросы по изучаемому материалу. Лекции имеют в основном обзорный характер и нацелены на освещение фундаментальных вопросов цитологии. Конкретное применение этих знаний осуществляется на семинарских занятиях. Практическое занятие – важнейшая форма работы студентов. Именно на практическом занятии каждый студент демонстрирует умение работать с лабораторным оборудованием и применяет усвоенные знания. Практические занятия в основном направлены на развитие и совершенствование навыков выполнения лабораторных работ, а также умения свободно ориентироваться в фундаментальных и прикладных вопросах цитологии. Основным методом обучения является самостоятельная работа студентов с учебнометодическими материалами и научной литературой, а также лабораторные работы. Основной формой итогового контроля и оценки знаний студентов по дисциплине «Генетика и биотехнология» является зачёт в 8 семестре. В курсе практических занятий предусмотрены следующие темы на самостоятельное изучение: История развития генетики в России и в мире. Выдающиеся ученые. Хромосомная теория наследственности. Нарушение закона независимого наследования признаков. Типы ДНК в клетке. Их функции. Репарация ДНК. Искусственные хромосомы. Механизмы рекомбинации. Молекулярные модели кроссинговера. влияющие на кроссинговер. 7. Нерегулярные типы полового размножения. 8. Жизненные циклы. Процессы, ведущие к рекомбинации у эукариот. 1. 2. 3. 4. 5. 6. Факторы, 6 9. Жизненные циклы. Процессы, ведущие к рекомбинации у бактерий и бактериофагов. 10. Нехромосомное наследование. Генетика хлоропластов. Цитоплазматическая мужская стерильность у растений. 11. Генетика митохондрий. Предетерминация цитоплазмы, или собственно цитоплазматические наследование. 12. Клеточная и генная инженерия. Получение генов и продуктов их деятельности. Клонирование генов. Векторы. Банки генов. 13. Рестрикционное картирование и секвенирование. 14. Генетические основы эволюции. Эволюция гена. Эволюция систем регуляции. Проблемы генетической безопасности. Генетическая токсикология. Мутагенез и канцерогенез. 15. Генетические основы биотехнологии. Биотехнология в Ульяновской области. Примерные вопросы к зачёту 1. Генетика как наука о законах наследственности и изменчивости. Основные проблемы и разделы современной генетики. Значение генетики. 2. Краткая история генетики. Роль отечественных ученых. 3. Формы размножения организмов. Половое размножение и половой процесс. 4. Современное представление о строении, химическом составе и структуре хромосом. Типы хромосом. Особенности строения хромосом у прокариот. 5. Митоз, его фазы, значение. Формы митоза. 6. Мейоз, его фазы, значение. Место мейоза в жизненных циклах животных и растений. 7. Оплодотворение. Нерегулярные формы полового размножения. Двойное оплодотворение у растений. 8. Закономерности у моногибридного скрещивания. Доминирование. Закон чистоты гамет. Цитологические основы расщепления. 9. Закономерности дигибридного и полигибридного скрещиваний. Принцип дискретности генотипа как основной принцип генетики. 10. Реципрокные скрещивания. Анализирующее скрещивание и его значение для изучения наследственности и изменчивости. 11. Эпистаз. Примеры расщепления по генотипу и фенотипу. 12. Полимерия. Особенности наследования количественных признаков, примеры. 13. Генетическое и цитогенетическое доказательства кроссинговера. 14. Одинарный и множественный кроссинговер. Интерференция. Факторы, влияющие на кроссинговер. 15. Основные положения хромосомной теории наследственности Т.Моргана и ее теоретические и ее экспериментальные основы. 16. Сцепленное с полом наследование у человека и других организмов. Признаки, ограниченные полом и зависимые от пола. Дифференциация и перераспределение пола в онтогенезе. 17. Сущность балансовой теории пола. Половые индексы. 18. Генные мутации. Молекулярные механизмы возникновения генных мутаций. 19. Геномные мутации. Полиплоидные ряды. Методы получения полиплоидов. Значение полиплоидов в эволюции и селекции. 20. Мутационная изменчивость и принципы классификации мутации. Хромосомные перестройки и их роль в эволюции. 21. Особенности организации, репликации и генетического аппарата вирусов. Профаги и плазмиды, их использование в генной инженерии. 22. Коньюгация у бактерий. Перенос генов и репликация при коньюгации. 23. Значение ДНК в наследственности. Явление трансдукции у бактерий, особенности и механизм. 24. Особенности строения генома прокариот и эукариот. 7 25. Эволюция представлений о гене. Явление ступенчатого аллелизма. Тонкая структура гена, выявленная опытами С.Бензера. 26. Современные представления о гене. Ген и механизм синтеза белка. Системы регуляции работы генов. 27. Генетический код. Основные свойства кода, его универсальность. 28. Репарации, их роль в восстановлении структуры ДНК. Типы репараций. 29. Наследование в панмиктических популяциях. Закон Харди-Вайнберга. 30. Наследование в автогамных популяциях. Опыты Иоганнсена. Инбридинг и гетерозис. 31. Генетический гомеостаз и его механизмы. 32. Действие отбора как направляющего фактора эволюции популяций. Типы отбора. Понятие об адаптивной ценности генотипа и о коэффициенте отбора. 33. Популяционные волны (дрейф генов), их специфичность и роль в динамике генных частот. 34. Генная инженерия. Достижения и перспективы. 35. Хромосомные болезни человека и причины их возникновения. Опасность радиации и химических мутагенов для здоровья человека и его потомства. 36. Близнецовый метод в генетике человека. Использование метода в изучении проблемы «Наследственность и среда». 37. Методы изучения генетики человека, их особенности и специфика. 38. Международная программа «Геном человека», итоги и перспективы использования. 39. Биотехнология как наука и технология. Предмет, задачи, направления. 40. Основные методы биотехнологии. 41. Генная и клеточная инженерия.. 42. Роль микроорганизмов в пищевой промышленности, в синтезе органических веществ, в борьбе с нефтяными загрязнениями. Критерии оценивания знаний студентов - Отметка «отлично» выставляется, если студент: - - владеет всеми базовыми генетическими понятиями, знает принципы, правила и законы генетики; - - грамотно, последовательно и полно излагает материал; - - не имеет пропусков без уважительной причины по лекционным и практическим занятиям, выполнил все индивидуальные задания по всем практическим занятиям; - - сдал коллоквиум и защитил реферат; - - умеет решать генетические задачи разного уровня сложности. - Отметка «хорошо» выставляется, если студент: - - владеет частью базовых генетических понятий, знает некоторые принципы, правила и законы генетики; - - непоследовательно и относительно полно излагает материал; - - имеет не более 40% пропусков лекционных и 20% практических занятий без уважительной причины, выполнил не менее 80% всех индивидуальных заданий; - - сдал коллоквиум; - - решает несложные генетические задачи; - Отметка «удовлетворительно» выставляется, если студент: - - слабо владеет понятийным аппаратом; - - не последовательно и неполно излагает материал; - - имеет не более 50% пропусков лекционных и 40% практических занятий без уважительной причины, выполнил не менее 60% всех индивидуальных заданий; - - сдал или пытался сдать коллоквиум; - - решает генетические задачи только с помощью преподавателя. - Отметка «неудовлетворительно» ставится, если студент: - - не владеет базовыми генетическими понятиями; - - неспособен внятно излагать материал; 8 - - пропустил более 70% лекционных, 60% практических занятий без уважительной причины, выполнил менее 50% индивидуальных заданий; - - не сдал коллоквиум; - - не умеет решать генетические задачи даже с помощью преподавателя. Основная литература 1. Бокуть С.Б., Герасимович Н.В., Милютин А.А. Молекулярная биология: молекулярные механизмы хранения, воспроизведения и реализации генетической информации. - Минск: Вышэйшая школа, 2005. - 363 с. (Библиотека УлГПУ). 2. Генетика: учебник для вузов / В. И. Иванов, Н. В. Барышникова, Дж. Билева и др; под ред. В. И. Иванова. - М.: ИКЦ "Академкнига", 2006. - 638 с. (Библиотека УлГПУ). 3. Генетика: учеб. пособие для вузов по агрон. спец. / под ред. А.А. Жученко. - М.: КолосС, 2006. - 479 с. (Библиотека УлГПУ). 4. Жимулев И. Ф. Общая и молекулярная генетика: [учеб. пособие для вузов]. - Новосибирск: Издательство Новосибирского ун-та: Сибирское университетское изд-во, 2006. - 478 с. (Библиотека УлГПУ). 5. Щипков В. П., Кривошеина Г.И. Общая и медицинская генетика: учеб. пособие для студентов мед. вузов. - М.: Академия, 2003. - 252 с. (Библиотека УлГПУ). Дополнительная литература 1. Генетика / Б. Гуттман, Э. Гриффитс, Д. Сузуки, Т. Куллис; [пер. с англ. О. Перфильева]. М.: Гранд - Фаир, 2004. 442 с. 2. Задачи по современной генетике: учеб. пособие для вузов. [под ред. М.М. Асланяна]. 2-е изд. - М. : Книжный дом Университет, 2008. - 222 с. (Библиотека УлГПУ). 3. Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика: [учеб. пособие для вузов]. - Новосибирск: Издательство Новосибирского ун-та; Сибирское университетское изд-во, 2002. - 458 с. (Библиотека УлГПУ). 4. Клаг У.С., Каммингс М.Р. Основы генетики. - М.: Техносфера, 2007. - 894 с. (Библиотека УлГПУ). 5. Курчанов Н.А. Генетика человека с основами общей генетики: учеб. пособие. - СПб.: СпецЛит, 2006. - 174 с. (Библиотека УлГПУ). 6. Наумов Р. В. Курс лекций по генетике: [учеб. пособие]. - Ульяновск: УлГПУ, 2005. - 116 с. (1. Библиотека УлГПУ; 2. Электронный ресурс. – Режим доступа: http://ulspu.ru). 7. Гладков Л.А., Курейчик В.В., Курейчик В.М. Генетические алгоритмы: учебник. - М.: Издательство: ФИЗМАТЛИТ, 2010 г. - 366 с. (Электронный ресурс. – Режим доступа: http://www.knigafund.ru/books/106361). 8. Курчанов Н.А. Генетика человека с основами общей генетики: учебное пособие. - М.: Издательство: СпецЛит, 2009 г. - 192 с. (Электронный ресурс. – Режим доступа: http://www.knigafund.ru/books/87674). 9. Нахаева В.И. Практический курс общей генетики: учебное пособие для студентов биологических специальностей педагогических высших учебных заведений. - М.: Издательство: Флинта, 2011 г. - 210 с. (Электронный ресурс. – Режим доступа: http://www.knigafund.ru/books/114243). 10. Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика: учебное пособие. - М.: Издательство: Сибирское университетское издательство, 2007 г. - 480 с. (Электронный ресурс. – Режим доступа: http://www.knigafund.ru/books/18890). 11. Спирина Е.В. Решение трудных задач по биологии. «Молекулярная биология» и «Генетика»: Практическое пособие. - М.: Издательство: АРКТИ, 2011 г. - 80 с. (Электронный ресурс. – Режим доступа: http://www.knigafund.ru/books/76556). 9 Лист согласования рабочей программы учебной дисциплины Рабочая программа учебной дисциплины (практики) «Генетика» Составитель: Л.М. Попова - Ульяновск: УлГПУ, 2012. - 9 с. Программа составлена с учетом государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по специальности 050103.65 География (заочная форма обучения), Положения о рабочей программе учебной дисциплины в ФГБОУ ВПО «УлГПУ им. И.Н. Ульянова» Составитель ____________________ Л.М. Попова (подпись) Рабочая программа учебной дисциплины одобрена на заседании кафедры зоологии "___" __________ 20__г., протокол № ____ Заведующий кафедрой ____________________________________________________________________ личная подпись расшифровка подписи дата Рабочая программа учебной дисциплины согласована с библиотекой Сотрудник библиотеки ____________________________________________________________________ личная подпись расшифровка подписи дата Программа утверждена на заседании ученого совета ____________________ факультета "___" __________ 20__г., протокол № ____ Председатель ученого совета естественно-географического факультета ____________________________________________________________________ личная подпись расшифровка подписи дата Программа согласована с учебным управлением "___" __________ 20__г., протокол № ____ Начальник учебного управления. ____________________________________________________________________ личная подпись расшифровка подписи дата Программа зарегистрирована в университетском редакционно-издательском секторе под учетным номером __________ на правах учебно-методического электронного издания. Начальник УРИС __________________________________________________________________ личная подпись расшифровка подписи дата 10