Кучерявый Всеволод Владимирович курс лекций

Вид материалаКурс лекций

Содержание


Под дифференцировкой понимают процессы образования из одной зародышевой клетки клеток разных типов.
Первый уровень организации живой материи называется молекулярным или субклеточным.
Клетки – вот атомы жизни.
Клетка – это элементарная единица живого. Второй уровень организации живого – клеточный.
Третий уровень организации живой природы – это организменный уровень. Его единицей являются особи.
Четвертый уровень организации живого называется популяционно-видовым.
Уровень организации живой материи, где взаимодействие происходит в экосистемах, называется биоценологическим или экосистемным.
Биосфера – это оболочка Земного шара пригодная для жизни. Высший уровень организации живой материи называется биосферным
Клетка – элементарная единица живого, основа строения живых систем.
Вещества, нерастворимые в воде называются гидрофобными, а вещества, растворимые в воде – гидрофильными.
Жиры и жироподобные вещества
Последовательность аминокислот, соединенных пептидными связями называется первичной структурой белка.
Вторичная структура белка – это спираль, образуемая водородными связями.
Третичная структура белка – это клубочек или глобула.
Процесс репликации или редупликации ДНК иначе можно назвать удвоением.
Помимо ДНК в клетках встречаются три разновидности РНК: информационные (и-РНК), транспортные (т-РНК) и рибосомные (р-РНК).
2.Обмен веществ и энергии в клетках.
Реакции синтеза веществ составляют пластический обмен, а реакции расщепления – энергетический обмен.
На первой стадии энергетического обмена
На второй стадии
...
Полное содержание
Подобный материал:
  1   2   3   4   5   6   7   8   9

Автор: Кучерявый Всеволод Владимирович.

КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ОБЩЕЙ БИОЛОГИИ.

(для техникума физической культуры)


Раздел 1. ОСНОВЫ ЦИТОЛОГИИ.


Содержание раздела.

  1. Основные положения клеточной теории.

Химическая организация клетки.

2.Обмен веществ и энергии в клетках.

3. Реализация генетической информации.

4. Строение клетки. Особенности клеток растений, животных, грибов, бактерий. Вирусы.


  1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ КЛЕТОЧНОЙ ТЕОРИИ. ХИМИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ КЛЕТКИ.



  1. Отличия живого от неживого.


Жизнь –это одна из важнейших тайн Вселенной. Но дать определение этого понятия крайне сложно. Однако даже маленькие дети стараются определить это понятие. Обычно ребенок обращает внимание на то, что живые существа активно двигаются, дышат, питаются, растут… Правда, он редко совмещает все эти свойства живых существ. Однажды на уроке один мальчик высказал просто гениальную мысль: « Живое отличается от неживого тем, что умирает».

И все же? Где же проходит черта между жизнью и смертью? Между живым и неживым? Оказывается, строгого определения жизни просто не существует.

Современная наука выделяет некоторые характерные для живых систем свойства.
  1. Специфическая организация. 2. Обмен веществ и энергии. 3. Размножение.

4. Рост и развитие. 5. Способность адаптироваться, то есть приспосабливаться к изменениям окружающей среды.

Надо отметить, что некоторые из этих свойств присущи и неживой материи. Например, кристаллы тоже могут расти, но вот все пять свойств одновременно встречаются только в живых системах.

Свойства живой материи столь сложны, что являются предметом изучения нескольких биологических дисциплин, возникших на стыке биологии и физики, биологии и химии, биологии и информатики. Эти науки называются биофизика, биохимия, а вот информатика дает множество данных для нейрофизиологии.

В этой лекции речь пойдет, главным образом, о клетке.

Наука, изучающая строение, химический состав, биохимические и физиологические процессы, протекающие в клетках, называется цитологией.

Важнейшим свойством живых систем является обмен веществ. Это понятие включает ряд важных процессов. Во-первых, питание, во-вторых, дыхание, в-третьих, выделение, в-четвертых, метаболизм.

Химические реакции, протекающие в клетках живых организмов, результатом которых является получение энергии и синтез веществ, характерных для данного организма называется метаболизмом.

Питание может осуществляться организмами двумя способами. Первый способ характерен для растений, которые преобразуют неорганические вещества в органические. Второй способ характерен для животных, которые преобразуют уже готовые органические вещества в органические вещества, характерные для данного организма.

Первый способ питания называется автотрофным. Второй способ питания называется гетеротрофным.

Важнейшее свойство живого – это способность к размножению. Размножаются и одноклеточные и многоклеточные организмы. Результат при этом несколько разный. Одноклеточные организмы, практически, бессмертны, так как потомство, которое они образуют, является их полным повторением. Только внешние причины могут вызвать гибель одноклеточной инфузории или амебы.

Для многоклеточных организмов характерны разные пути размножения. При бесполом размножении потомство полностью повторяет наследственные признаки родителя. При половом размножении образуются особые половые клетки, которые, сливаясь, дают новое потомство.

Бесполое размножение осуществляется либо с помощью вегетативных органов, либо с помощью специальных клеток – спор. Родитель в этом случае один.

Половое размножение осуществляется с помощью специализированных клеток – гамет. Слияние гамет называется оплодотворением. В результате оплодотворения образуется зигота. Из зиготы развивается зародыш.

Размножение – это начало нового этапа роста и развития организмов. Ростэто, прежде всего, увеличение размеров организмов. Рост может быть ограничен размерами и временем, как это происходит у животных.

У растений рост ограничен временем их существования. Их девиз: «Пока живу, буду расти». Например, американские секвойи растут и живут приблизительно 3000 лет, а баобабы – 5000 лет.

Рост животных ограничен временем роста. Например, человек растет до 25 лет, а собака вырастает до максимальных размеров за 2 года. Но и в том и в другом случае рост не ограничивает времени существования, хотя и в значительной мере с ним связан.

Рост многоклеточных организмов сопровождается развитием. Чем сложнее устроены организмы, тем сложнее их развитие. Усложнение процессов развития выражается, прежде всего, в дифференцировке.

^ Под дифференцировкой понимают процессы образования из одной зародышевой клетки клеток разных типов.

У высших растений в результате дифференцировки возникают такие типы тканей как покровная, проводящая, запасающая, механическая.

У животных возникают четыре типа тканей: эпителиальная, соединительная, мышечная, нервная, которые составляют органы и системы органов.

Способность адаптироваться к окружающей среде – это также важнейшее свойство живого, живые системы меняются по мере того, как меняется окружающая среда. Адаптация - это очень широкое понятие. Она затрагивает поведенческие реакции животных, а также морфологические и генетические особенности организмов. Взаимоотношения организма и окружающей среды весьма жесткие. Поиск ответа на вечный вопрос, «быть или не быть» – главная тема живой природы. Если организмы способны изменит свое поведение, форму, процессы жизнедеятельности и саму наследственность, то они выживут, а если нет, то их ждет гибель. История жизни на Земле не раз демонстрировала это.

Однако не все так жестоко! Ведь существуют же организмы, которые миллионы лет не меняли своего облика. Вопрос о том, каким образом они дожили до наших дней, не менее интересен, чем вопрос о происхождении человека от обезьяны. Например, история известного моллюска наутилуса, ближайшие родственники которого вымерли 450 миллионов лет назад, а он все еще бороздит воды тропических морей.

Механизмами адаптации занимаются очень многие биологические дисциплины:
  • этология – наука о поведении животных,
  • экология – наука о взаимоотношениях живых существ друг с другом и с окружающей средой,
  • физиология – наука о функциях организма,
  • сравнительная анатомия – наука об изменениях в строении тела,
  • генетика – наука о механизмах наследственности и изменчивости.

Основной идеологической основой современной биологии является теория эволюции. Её основой является учение Чарльза Дарвина о движущих силах эволюции. Современная теория эволюции использует для доказательств существования этого процесса достижения различных биологических дисциплин, в том числе и самых современных, таких как молекулярная биология и генетика.

Теория эволюции – это каркас, на котором базируется современная биология, а фундаментом современной биологии является клеточная теория.
  1. Специфическая организация.


Итак, первым и наиболее характерным свойством живых систем является специфическая организация.

Организация живой материи подчиняется строгой иерархии. Это означает, что существует несколько уровней организации, которые обеспечивают конечный результат – жизнь и выживание в определенных условиях.

В основе организации живых систем лежат особые молекулярные механизмы. Эти химические процессы гораздо сложнее, чем в неживой природе. Большинство биологических молекул – это полимеры. Наиболее сложно организованы молекулы белков. Они составляют основу жизни. Не меньшее значение имеют нуклеиновые кислоты, в которых записана информация о строении белков.

^ Первый уровень организации живой материи называется молекулярным или субклеточным.

Однако сами по себе молекулы жизненными свойствами не обладают. Они проявляют их лишь в клетках.^ Клетки – вот атомы жизни. Все, что проще клетки – это неживое. Даже вирусы, которые называют неклеточными формами жизни, осуществляют свою жизнедеятельность лишь внутри клеток.

^ Клетка – это элементарная единица живого. Второй уровень организации живого – клеточный.

Клетка может обладать всеми жизненными свойствами, Так, например, организованы одноклеточные организмы.

Однако организация живой системы может быть и гораздо сложнее. Для более эффективного выполнения жизненных функций клетки объединяются в ткани, а ткани составляют органы. Из органов состоят системы органов. Все эти ступени объединения клеток составляют организм. Они являются предметом изучения таких дисциплин как гистология (наука о тканях), анатомия (наука о строении органов и систем органов), физиология (наука о функционировании организма и его систем).

^ Третий уровень организации живой природы – это организменный уровень. Его единицей являются особи.

Особи существуют в окружающем мире. Особи, сходные по строению тела, образу жизни, наследственным особенностям составляют надорганизменный уровень организации. Иногда этот уровень развит так, что одна особь просто не может самостоятельно существовать, а является неотъемлемой частью общества организмов. Вспомните общественных насекомых – пчел, муравьев, термитов, где каждая особь – это, так сказать, «винтик» общественного механизма со своими функциями.

^ Четвертый уровень организации живого называется популяционно-видовым.

Однако популяции и виды взаимодействуют друг с другом. Это взаимодействие, а также взаимодействие с неживыми объектами, происходит в рамках экологических систем. Величина экологических систем сильно варьирует от капли воды до мирового океана. Природные, устойчивые экосистемы называются биогеоценозами.

^ Уровень организации живой материи, где взаимодействие происходит в экосистемах, называется биоценологическим или экосистемным.

Экосистемы объединяются в единую систему Земли, называемую биосферой.

^ Биосфера – это оболочка Земного шара пригодная для жизни. Высший уровень организации живой материи называется биосферным.

Этими тремя последними уровнями организации живой материи являются объектом изучения многих биологических дисциплин.

Популяциями и видами занимаются популяционная генетика, экология, этология.

Сообществами организмов, экосистемами и биосферой в целом занимается наука экология.

3.Методы изучения клетки. Клеточная теория.


Эту лекцию мы посвящаем клетке, так как именно она является атомом жизни. Матиас Шлейден, Теодор Шванн и Рудольф Вирхов сформулировали в 19 веке основные положения клеточной теории.

Это удалось сделать, благодаря развитию методов изучения клетки и, прежде всего, микроскопии. Развитие световой микроскопии связано с развитием цитохимических методов окрашивания. Возникли методы контрастной микроскопии. К середине ХХ столетия разрешающая способность светового микроскопа достигла предела увеличения в 1000 раз.

В двадцатом веке световую микроскопию дополнила электронная микроскопия, и мир узнал многие новые детали строения клетки.

Электронный микроскоп не позволял увидеть объекты живыми, так как пучок электронов убивал клетки.

Для изучения функций различных частей клеток пришлось применить косвенные методы, названные физико-химическими. Это такие методы, как метод меченых атомов, метод дифференциального центрифугирования, электрофорез и многие другие. Многие клеточные структуры раскрыли ученым тайны своего функционирования.

Однако и здесь человечество ожидало некоторое разочарование. Оказалось, что многие клеточные структуры ведут себя в пробирках или, так сказать «в стекле» не так как в живых клетках.

И все же сейчас о клетках мы знаем гораздо больше, чем во времена создания клеточной теории.

Клеточная теория продолжает оставаться главнейшей биологической теорией.

В современном изложении, ее основные положения таковы.
  1. ^ Клетка – элементарная единица живого, основа строения живых систем.
  2. Новые клетки возникают только из родительских клеток. В настоящее время неизвестно ни одного случая зарождения живой клетки из неживой материи.
  3. Строение и химический состав клеток во многом одинаков для всех организмов. Различия в химическом составе не принципиальны.
  4. Многоклеточные организмы развиваются из одной клетки. Все ткани, органы и системы органов являются результатом такого развития, называемого онтогенез.
  5. Клетки имеют единое эволюционное происхождение. Они прошли длинный путь развития от одноклеточных безъядерных организмов к сложнейшим ядерным организмам, состоящим из миллиардов клеток.


4. Неорганические вещества клеток и вода.


В состав живых организмов входит большая часть таблицы Менделеева, около 80 элементов. Но только 27 из них выполняют определенные функции. Поэтому обычно элементы, входящие в состав клеток разделяют на три группы: макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы.

К макроэлементам относится, прежде всего, углерод, кислород, водород и азот. Эти элементы – основа жизни, Их концентрация в клетке составляет до 98%. Хотя концентрации серы, фосфора, хлора, железа гораздо меньше, эти элементы, а также кальций, магний, натрий и калий, относят к разряду макроэлементов.

Роль микроэлементов скромнее, так как они встречаются в очень малых концентрациях. Это такие элементы как бор, медь, молибден, кобальт, йод и некоторые другие. Но и без них клетки нормально функционировать не могут.

Что же касается третьей группы, которую называют ультрамикроэлементами, то их роль в функционировании клеток не совсем ясна. Они встречаются в клетках, буквально, в следовых количествах.

Многие элементы представлены в клетках в виде ионов. Это и не удивительно ведь в клетках много воды. Наиболее важными катионами, то есть положительно заряженными ионами, являются калий, натрий, кальций, магний, железо. Среди отрицательно заряженных ионов, анионов, наиболее важное место занимают хлор, а также остатки фосфорной и угольной кислот.

От концентрации анионов и катионов зависит химические особенности внутренней среды клетки.

Обычно среда в клетке – слабощелочная. Однако бывают и исключения. Умение сохранять постоянство химической среды клетки просто необходимо, так как белки-ферменты работают при определенных параметрах химической среды.

Вещества, входящие в состав клеток относятся к группам органических и неорганических веществ.

Среди неорганических веществ, пожалуй, самым удивительным является простая вода. Свойства воды просто уникальны. Вода во всем является исключением из правил, которые устанавливает периодический закон. Исходя из таблицы Менделеева, вода, при обычной температуре и давлении, должна быть… газом. Температура кипения и замерзания воды должны быть ниже, известных 100 и 0 градусов Цельсия, а лед должен быть тяжелее воды. Самое любопытное, что жизнь на Земле базируется как раз на этих странных, с точки зрения таблицы Менделеева свойств воды.

В природе, однако, чудес не бывает. Свойства воды вполне объясняет современная наука. Молекулы воды образуют межмолекулярные водородные связи. Именно этими связями и объясняются аномальные свойства воды.

Водородные связи играют в биологии важную роль. Многие свойства живых систем связаны именно с этими «слабыми», как их называют химики, взаимодействиями. Способность веществ растворятся или не растворятся в воде, также связана со способностью этих веществ, разорвать эти связи.

^ Вещества, нерастворимые в воде называются гидрофобными, а вещества, растворимые в воде – гидрофильными.

В клетках вода выполняет следующие функции.
  1. Вода является универсальным растворителем.
  2. Большая теплоемкость воды обеспечивает стабильность живых систем.
  3. Большая теплота плавления обеспечивает организмам выживание при достаточно низких температурах.
  4. Вода – активный участник химических процессов в клетке.


5.Органические вещества. Углеводы и жиры.


При всей важности неорганических веществ, в клетках главные функции выполняют органические вещества. Важнейшими в функциональном отношении являются углеводы, жиры, белки и нуклеиновые кислоты.

Начнем наш рассказ с углеводов. Эти вещества в химическом отношении разделяются на два класса – монозы или моносахариды и полиозы или полисахариды.

Среди моноз наибольшее значение имеют пятиатомные сахара пентозы и шестиатомные сахара гексозы. К пентозам относятся рибоза и дезоксирибоза – сахара, входящие в состав соответственно РНК и ДНК. Гексозы играют важнейшую роль в энергетическом обмене веществ и, прежде всего, глюкоза.

Полисахариды бывают первого и второго порядка. К полисахаридам первого порядка относят дисахариды и трисахариды. Важнейшими из них сахароза, лактоза, мальтоза.

К полисахаридам второго порядка относятся молекулы, имеющие молекулярную массу несколько миллионов дальтон. Наиболее важными из них являются крахмал и его аналог животного происхождения – гликоген.

Основными биологическими функциями углеводов являются.
  1. Энергетическая функция – углеводы важнейший источник энергии для организма.
  2. Структурная функция. Углеводы входят в состав клеток и клеточных образований.
  3. Запасающая функция. Многие живые существа запасают питательные вещества в виде крахмала и гликогена.
  4. Защитная функция. Слизи, которые выделяют железы, богаты углеводами и их химическими производными.

^ Жиры и жироподобные вещества играют также важную роль в клетках. Жиры – это соединения жирных кислот и глицерина. Среди жироподобных веществ или липоидов наибольшее значение имеют гликолипиды, липопротеины, фосфолипиды.

Функции жиров в живых системах следующие.
  1. Структурная функция. Жиры принимают участие в построении мембран клеток всех тканей и органов. Участвуют в образовании биосоединений.
  2. Энергетическая функция. Жиры обеспечивают 25 – 30% всей энергии необходимой клетке.
  3. Запасающая функция. В виде жира запасают энергию многие живые существа. Иногда жиры называют «энергетическими консервами».
  4. Функция терморегуляции, Жиры плохо проводят тепло и этим способствуют сохранению температуры тела.
  5. Регуляторная функция. Многие жиры являются предшественниками и входят в состав гормонов.


6..Строение белков.


Среди органических соединений белки играют особую роль, так как очень многие жизненные свойства организмов определяют именно эти химические вещества.

С химической точки зрения, белки – это нерегулярные полимеры. Они состоят из 20 разновидностей аминокислот, причем, эти мономеры могут соединяться в любом порядке. Расчеты показывают, что для белка, построенного из 20 аминокислот и содержащего всего 100 аминокислотных остатков, число вариантов будет десять в сто тридцатой степени. А ведь есть молекулы белков значительно длиннее.

Аминокислоты в белках соединяются с помощью так называемых пептидных связей. Поэтому белки часто называют полипептидами.

В результате исследований было показано, что структура белковых молекул очень строго организована.

^ Последовательность аминокислот, соединенных пептидными связями называется первичной структурой белка. Первичная структура лежит в основе всей организации белковой молекулы.

^ Вторичная структура белка – это спираль, образуемая водородными связями. Белки, имеющие преимущественно вторичную структуру называются фибриллярными.

^ Третичная структура белка – это клубочек или глобула. Он образуется под воздействием межмолекулярных гидрофобных связей. Белки, имеющие третичную структуру, называются глобулярными.

Для большинства белков глобулярная структура – это высшая степень организации. Однако есть еще и четвертичная структура. Белки, имеющие такие структуры, состоят из нескольких субъединиц, объединенных общей функцией. Пример такой структуры – гемоглобин, состоящий из четырех субъединиц.

Белки в организме выполняют различные функции.
  1. Важнейшей функцией белков является каталитическая функция. Значительная часть известных науке белков являются ферментами.
  2. Белки-гормоны являются регуляторами физиологических процессов.
  3. Белки выполняют транспортную функцию, переносят различные вещества из одной части организма в другую.
  4. Защитная функция белков выражается, прежде всего, в том, что антитела представляют собой белки.
  5. Строительная функция белков выражается в участии их в создании многих клеточных структур.
  6. Часть белков выполняют сократительные функции.
  7. В редких случаях белки могут быть использованы клеткой в качестве источников энергии.


7. Нуклеиновые кислоты.


Четвертый класс органических веществ – это нуклеиновые кислоты.

С точки зрения химии нуклеиновые кислоты – нерегулярные полимеры, состоящие из довольно сложно устроенных мономеров, называемых нуклеотидами.

Нуклеиновых кислот в клетках встречается два класса – ДНК и РНК. ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота, а РНК – рибонуклеиновая кислота.

Структура ДНК очень сложна и своеобразна. Каждый нуклеотид, из которого состоит ДНК, состоит из остатков сахара дезоксирибозы, остатка фосфорной кислоты и азотистого основания. Азотистых оснований четыре разновидности: аденин, гуанин, цитозин, и тимин. Нуклеотиды соединены в длинные цепи с помощью фосфорно-диэфирных связей.

В 1953 году исследователи Джеймс Уотсон и Френсис Крик предложили модель, которая объясняла строение молекулы ДНК. Согласно их теории ДНК состоит из двух спиральных цепей, соединенных водородными связями. Эти связи соединяют цепи ДНК не случайным образом, а по принципу комплементарности или соответствия. Суть этого принципа в следующем, если в одной цепи стоит тимин, то в противоположной цепи, ему соответствует аденин, а против гуанина всегда стоит цитозин. Это значит, что при удвоении ДНК на каждой из её цепей может быть достроена другая, и вместо одной молекулы получатся сразу две.

Принцип комплементарности лежит в основе всех процессов связанных с реализацией генетической информации: репликации ДНК, транскрипции, и трансляции.

^ Процесс репликации или редупликации ДНК иначе можно назвать удвоением. Он происходит перед делением клетки. Осуществляет его специальный фермент ДНК полимераза. Этот фермент разделяет две цепи двойной спирали и достраивает к каждой из них комплементарную ей цепь. Таким образом, из одной молекулы образуется две одинаковые дочерние молекулы. Процесс этот идет с очень высокой точностью – ошибки крайне редки.

^ Помимо ДНК в клетках встречаются три разновидности РНК: информационные (и-РНК), транспортные (т-РНК) и рибосомные (р-РНК). Все они отличаются от ДНК рядом особенностей. Во-первых, вместо азотистого основания тимина они содержат урацил. Во-вторых, вместо сахара дезоксирибозы они содержат рибозу. В-третьих, они, как правило, односпиральные.


Рекомендуемые темы для семинарских занятий.

  1. Основные свойства живых существ.
  2. В чем состоит специфическая организация живых существ.
  3. Методы изучения клетки. Клеточная теория.
  4. Неорганические вещества клеток.
  5. Углеводы и жиры.
  6. Строение и функции белков.
  7. Строение и значение нуклеиновых кислот.



^ 2.ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ В КЛЕТКАХ.

  1. Основные стадии обмена веществ.


Химические реакции, протекающие в живых клетках, называют метаболизмом или обменом веществ. Можно выделить пять основных функций обмена веществ.
  1. Извлечение из окружающей среды энергии.
  2. Превращение пищевых веществ в строительные блоки – предшественники молекулярных компонентов клеток.
  3. Сборка органических макромолекул из этих блоков.
  4. Синтез и разрушение тех молекул, которые необходимы для выполнения функций клетки.
  5. Энергетическое обеспечение всех процессов жизнедеятельности.

^ Реакции синтеза веществ составляют пластический обмен, а реакции расщепления – энергетический обмен.

И энергетический и пластический обмен проходят три стадии.

^ На первой стадии энергетического обмена происходит расщепление пищевых веществ на строительные блоки – аминокислоты, нуклеотиды, простые сахара, глицерин и жирные кислоты.

^ На второй стадии эти строительные блоки превращаются в менее разнообразный набор промежуточных соединений.

И, наконец, на третьей стадии эти промежуточные соединения окисляются до углекислого газа и воды.

^ Пластический обмен также проходит в три стадии. На первой стадии из низкомолекулярных соединений образуются промежуточные соединения. На второй стадии из промежуточных соединений образуются строительные блоки. И, наконец, на третьей стадии из строительных блоков образуются макромолекулы.

Ключевую роль в процессах превращения и расходования энергии играют молекулы АТФ (аденозинтрифосфат). Энергия, заключенная в этих молекулах, благодаря особенностям их химического строения, используется на осуществление, практически, всех функций клетки.

  1. Основные стадии энергетического обмена.


Рассмотрим основные стадии энергетического обмена веществ на примере крахмала и глюкозы. Это вполне оправданно, так как путь окисления глюкозы является основным путем энергетического обмена.

^ Первый этап подготовительный. У одноклеточных организмов он проходит в пищеварительных вакуолях, а у многоклеточных животных – в пищеварительном тракте. Его суть заключается в гидролизе высокомолекулярных соединений до мономеров. При этом крахмал распадается на мономеры, то есть глюкозу.

^ Второй этап происходит в матриксе цитоплазмы. Это бескислородный этап энергетического обмена, называемый гликолиз. Он заканчивается образованием пировиноградной кислоты. У некоторых организмов, главным образом, бактерий пировиноградная кислота превращается либо в этиловый спирт, либо в молочную кислоту. И на этом извлечение энергии заканчивается. Такой тип энергетического обмена малоэффективен, в результате молочнокислого и спиртового брожения образуется всего 2 молекулы АТФ.

У абсолютного большинства организмов пировиноградная кислота вовлекается в сеть реакций так называемого цикла лимонной кислоты и дыхательной цепи. Эти процессы происходят у эукариотических организмов в митохондриях. Они гораздо эффективнее в плане накопления энергии, чем процесс гликолиза. В результате этого этапа расщепления глюкозы образуется углекислый газ и вода. Энергетическая ценность этих процессов – 36 молекул АТФ, то есть в 18 раз выше, чем у гликолиза. Столь высокая эффективность объясняется участием на последнем этапе окисления такого сильного окислителя, как кислород.

Таким образом, в результате реакций расщепления одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ.

  1. Стадии пластического обмена. Фотосинтез.


Первый этап пластического обмена происходит у организмов, способных к фотосинтезу. ^ Процесс превращения неорганических веществ в органические, происходящий с использованием энергии солнечного света, называется фотосинтезом. Фотосинтез во многом противоположен дыханию, так как здесь из углекислого газа и воды образуется глюкоза. Этот процесс протекает, главным образом, в хлоропластах растений.

Фотосинтез проходит в две фазы. Первая фаза проходит на свету. Она включает три процесса: фотолиз воды, фотофосфорилирование, восстановление вещества НАДФ+ до НАДФ.Н2.

^ Фотолиз воды – это процесс разложения воды с образованием молекулярного кислорода. Именно этот кислород используется организмами, живущими на нашей планете для дыхания.

Фотофосфорилирование – это процесс превращения АДФ в АТФ, происходящий под действием энергии света. Такой же процесс происходит и при дыхании, но там используется химическая энергия.

^ Восстановление НАДФ+ - это процесс связывания молекулярного водорода, который высвобождается при фотолизе воды. Энергия, накапливаемая таким способом, идет затем на процессы темновой фазы фотосинтеза.

Вторая фаза фотосинтеза в свете не нуждается и поэтому называется темновой. Это ряд ферментативных реакций, в результате которых богатые энергией вещества (АТФ и НАДФ Н2), отдают её углекислому газу, который постепенно превращается в глюкозу и крахмал.


Рекомендуемые темы для обсуждения на семинарских занятиях.
  1. Опишите основные стадии обмена веществ.
  2. Каковы стадии энергетического обмена.
  3. Фотосинтез: основные этапы и биологическое значение.



^ 3. РЕАЛИЗАЦИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ.


1.Основная догма молекулярной биологии. Транскрипция.


Примером третьей стадии пластического обмена веществ является биосинтез белков.

После открытия структуры ДНК начала развиваться особая отрасль биологии – молекулярная биология. К середине 60-х годов ХХ века был сформулирован основной принцип молекулярной биологии, который выражается в формуле ДНК РНКбелок. Это значит, что на матрицах ДНК синтезируются молекулы информационной РНК, а с молекул информационной РНК считывается информация о белке.

^ Ген – это участок ДНК или РНК, на котором записана последовательность одного белка.

Процесс синтеза информационной РНК называется транскрипцией. Процесс образования белков на матрицах информационной РНК называется трансляцией.

Транскрипцию осуществляет фермент РНК-полимераза. Этот фермент соединяет между собой рибонуклеотиды, составляющие остов молекулы РНК. Делает это фермент на основании считывания последовательности молекулы ДНК и, достраивая комплементарные ей последовательности. Показано, что в этом процессе только одна из двух цепей ДНК играет роль матрицы. Бывают, правда, и исключения – это ДНК некоторых вирусов.


2.Генетический код.


Следующий этап биосинтеза белка – трансляция – происходит на особых органоидах – рибосомах. Здесь возникает проблема генетического кода, так как в белке 20 аминокислот, а в нуклеиновых кислотах всего 4 нуклеотида.

Природа генетического кода была определена к началу 60-х годов ХХ века. Код обладает рядом особенностей.
  1. Код триплетный, то есть каждой аминокислоте в белке соответствуют три нуклеотида. Эта тройка называется триплетом или кодоном.
  2. Код вырожденный. Вариантов триплетов 64, а аминокислот всего 20. Значит, некоторым аминокислотам в белках соответствует не один, а несколько кодонов.
  3. Код неперекрывающийся и не имеет запятых. Иными словами два триплета, кодирующие соседние аминокислоты в белке в ДНК и РНК идут друг за другом, и между ними нет вставок.
  4. Генетический код является универсальным для всей живой природы.


3. Трансляция.


Процесс трансляции происходит на рибосомах. Посредником между информационной РНК и аминокислотами, которые не имеют химического сродства, являются особые молекулы – транспортные РНК. Они устроены таким образом, что имеют разные концы, имеющие сродство и с РНК и с аминокислотами. Поскольку значащих аминокислот в генетическом коде 61, то и транспортных РНК столько же разновидностей. Три кодона УАА, УГА и АУГ называются бессмысленными. Они стоят на концах генов и указывают на окончание считывания.

Для соединения аминокислот с транспортными РНК служит особый фермент тРНК синтетаза или, точнее, амино-ацил - тРНК синтетаза.

Таким образом, для нормального протекания трансляции необходимы следующие компоненты: информационная РНК, транспортные РНК, свободные аминокислоты, рибосомы, тРНК синтетаза, белковые факторы и АТФ.

Процессы транскрипции и трансляции у безъядерных и ядерных организмов протекают по-разному. У безъядерных организмов эти процессы протекают одновременно. Рибосомы во время трансляции двигаются по РНК как бусины по нитке. У ядерных организмов рибосомы, напротив, неподвижны, так как прикреплены к мембранам. Кроме того, процессы транскрипции и трансляции разорваны во времени и пространстве. Эти, на первый взгляд незначительные различия играют важную роль в регуляции активности генов.


Рекомендуемые темы для обсуждения на семинарских занятиях.

  1. В чем сущность процессов репликации и транскрипции.
  2. Свойства генетического кода.
  3. Опишите процесс трансляции.



  1. ^ СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ. ОСОБЕННОСТИ КЛЕТОК ЖИВОТНЫХ, РАСТЕНИЙ, ГРИБОВ, БАКТЕРИЙ. ВИРУСЫ.



  1. Строение клетки. Клеточная мембрана.


Клетка – это целый мир. Её устройство достаточно сложно. Кроме того, говоря о клетках, мы можем иметь в виду клетки разных организмов, тканей органов. Таким образом, каждая разновидность клетки имеет свои неповторимые особенности. Давайте постараемся выбрать из этого разнообразия те черты и особенности, которые объединяют клетки разных типов. Идеальная клетка состоит из трех частей: ядра, цитоплазмы, клеточной мембраны.

Начнем разговор о строении клетки с клеточной мембраны. Строение мембраны во многом остается загадочным. Известно, что главное её свойство – это избирательная проницаемость. Но чем она обеспечивается?

Еще в 30-х годах ХХ века была выдвинута гипотеза, названная по имени её авторов моделью Давсона – Данеэли. По этой модели в основе мембраны лежит двойной гидрофобный слой жиров. Этот слой окружен двумя слоями белков.

Однако к началу 70-х годов накопились данные, противоречащие этой гипотезе. В результате была выдвинута модель, получившая название модели Сингера – Николсона. Это модель динамической мембраны. В основе этой модели все тот же двойной слой жиров, но белки, согласно этой модели подвижные острова в море жиров. Белки образуют гидрофильные каналы или поры, через которые могут проникать в клетки вещества. Этим и объясняется полупроницаемость мембраны

Способов проникновения в клетку веществ через мембрану несколько. Прежде всего, это пассивная диффузия. Диффузия – это движение веществ в сторону их меньшей концентрации. Диффузия воды через полупроницаемую мембрану называется осмосом. При этом на мембрану раствор большей концентрации оказывает давление, называемой осмотическим давлением. Если внешнее осмотическое давление слишком велико, клетка как бы сморщивается, а если, напротив, слишком мало, то она как бы разрывается изнутри. Например, эритроциты – красные клетки крови – можно сохранить только в физиологическом растворе, концентрация которого составляет 0,9 % хлорида натрия, причем, и не больше и не меньше.

Еще одним способом проникновения веществ через клеточную мембрану является активный транспорт. Этот способ сопряжен с затратами энергии. Яркий пример действия активного транспорта – это, так называемый, натриево-калиевый насос. Благодаря этому механизму, в клетку свободно проникают ионы калия, а ионы натрия остаются на поверхности клетки. Это механизм важен для проведения нервного импульса. Не вдаваясь в детали, отметим, что из-за разницы в способности этих ионов проникать в клетку возникает, так называемый, потенциал покоя, который во время проведения нервного импульса превращается в потенциал действия, а иными словами, электрический ток.

Клеточная мембрана – это ворота клетки, а за этими воротами начинаются цитоплазма и ядро.


  1. Ядро. Отличия ядерных и безъядерных организмов.


Ядро – генеральный штаб клетки. Здесь сосредоточена большая часть наследственной информации. Ядро отделено от цитоплазмы ядерной мембраной, которая также обладает избирательной проницаемостью. Внутри ядро заполнено ядерным соком, в котором находится хроматин. Хроматин – это комплекс нуклеиновых кислот и белков. Белкам в этом комплексе отводится, на первый взгляд, второстепенная роль, так как наследственная информация сосредоточена, главным образом, в ДНК клеток. Однако, по-видимому, белки играют роль регуляторов активности генов в клетках. Во время деления клетки ДНК упаковывается с помощью белков в хромосомы. В таком виде она передается от материнской клетки к дочерним клеткам. Число хромосом строго видоспецифично, например, у человека их 46, а у плодовой мушки – 8.

В клетках, где активно синтезируются белки, наблюдается еще одно образование – ядрышко. Это образование место активного синтеза РНК.

Наиболее принципиально различаются клетки ядерных или эукариотических организмов с клетками безъядерных или прокариотических организмов. Главные отличия состоят в следующем.
  1. ^ Прокариотические клетки не имеют ядра. В цитоплазме имеется ядерная область, где находится кольцевая ДНК.
  2. У бактерий и других прокариотических организмов отсутствуют многие органоиды – эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, митохондрии, лизосомы и другие.
  3. Рибосомы у прокариотических организмов меньших размеров и как бы свободно плавают в цитоплазме. Это, как подчеркивалось выше, имеет весьма принципиальное значение при протекании процесса биосинтеза белка.
  4. ^ В клетках фотосинтезирующих бактерий нет пластид. Их роль выполняет клеточная мембрана.
  5. Клеточная мембрана играет также важную роль и в половом процессе бактерий.

Все эти отличия не позволили безъядерным организмам увеличить размеры клетки. Не создали безъядерные организмы и многоклеточных форм.

Отличия между клетками многоклеточных и одноклеточных ядерных организмов также весьма существенны. Клетка одноклеточного организма по строению сложнее любой отдельно взятой клетки многоклеточного


Схема строения клетки.


Клетка




ядро цитоплазма клеточная мембрана


3. Цитоплазма.