Молекулярно-генетический уровень - лекции по концепциям современного естествознания. Уровни организации жизни На молекулярно генетическом уровне жизни происходит
100 р бонус за первый заказ
Выберите тип работы Дипломная работа Курсовая работа Реферат Магистерская диссертация Отчёт по практике Статья Доклад Рецензия Контрольная работа Монография Решение задач Бизнес-план Ответы на вопросы Творческая работа Эссе Чертёж Сочинения Перевод Презентации Набор текста Другое Повышение уникальности текста Кандидатская диссертация Лабораторная работа Помощь on-line
Узнать цену
Представление о структурных уровнях организации живых систем сформировалось под влиянием клеточной теории строения живых тел. В середине прошлого века клетка рассматривалась как последняя единица живой материи, наподобие атома неорганических тел. Из клеток, благодаря принципу упорядоченности, мыслились построенными все живые системы различного уровня организованности. Такие идеи высказывал один из создателей клеточной теории М. Шлейден (1804-1881). Другой выдающийся биолог Э. Геккель (1834-1919) пошел дальше и выдвинул гипотезу, согласно которой протоплазма клетки также обладает определенной структурой и состоит из субмикроскопических частей.
Таким образом, в живой системе можно выделить новый структурный уровень организации. Эти идеи, далеко опережающие научные знания своей эпохи, встречали явное сопротивление, с одной стороны, последователей редукционизма, стремившихся свести процессы жизнедеятельности к совокупности определенных химических реакций, с другой - защитников витализма, которые пытались объяснить специфику живых организмов наличием в них особой «жизненной силы». Идеи редукционистов находили поддержку со стороны представителей механистического и «вульгарного» материализма, первые из которых пытались объяснить закономерности живой природы с помощью простейших механических и физических понятий и принципов, вторые же стремились редуцировать, свести эти законы к закономерностям химических реакций, происходящих в организме. Более того, некоторые представители «вульгарных» материалистов даже утверждали, что мозг порождает мысль подобно тому, как печень выделяет желчь.
Несмотря на эти философские дискуссии между механицистами и виталистами, ученые-экспериментаторы пытались конкретно выяснить, от каких именно структур зависят специфические свойства живых организмов, поэтому продолжали исследовать их на уровне не только клетки, но также и клеточных структур. В первую очередь исследовали структуру белков и выяснили, что они построены из 20 аминокислот, которые соединены длинными полипептидными связями, или цепями. Хотя в состав белков человеческого организма входят все 20 аминокислот, но совершенно обязательны для него только 9 из них. Остальные, по-видимому, вырабатываются самим организмом. Характерная особенность аминокислот, содержащихся не только в человеческом организме, но и в других живых системах, состоит в том, что все они являются левовращающими плоскость поляризации изомерами, хотя в принципе существуют аминокислоты и правого вращения. Обе формы таких изомеров почти одинаковы между собой и различаются только пространственной конфигурацией, и поэтому каждая из молекул аминокислот является зеркальным отображением другой. Впервые это явление открыл выдающийся французский ученый Л. Пастер (1822-1895), исследуя строение веществ биологического происхождения. Он обнаружил, что такие вещества способны отклонять поляризованный луч и поэтому являются оптически активными, вследствие чего они были впоследствии названы оптическими изомерами. В отличие от этого, у молекул неорганических веществ эта способность отсутствует, и они построены симметрично. На основе своих опытов Л. Пастер высказал мысль, что важнейшим свойством всей живой материи является их молекулярная асимметричность, подобная асимметричности левой и правой рук. Опираясь на эту аналогию, в современной науке это свойство называют молекулярной хиральностью (от греч. cheir - рука). Интересно заметить, что если бы человек вдруг превратился в свое зеркальное отображение, то его организм функционировал бы нормально до тех пор, пока он не стал бы употреблять пищу растительного или животного происхождения, которую он не смог бы переварить.
На вопрос, почему именно живая природа выбрала белковые молекулы, построенные из аминокислот левого вращения, до сих пор нет убедительного ответа. Сам Л. Пастер считал, что поскольку живое возникает из неживого, то необходимым предварительным условием для этого процесса должно стать превращение симметричных неорганических молекул в асимметричные. По его предположению, такое превращение могло быть вызвано различными космическими факторами, в частности, геомагнитными колебаниями, вращением Земли, электрическими разрядами и т.п. Попытки экспериментально проверить эту гипотезу не увенчались успехом. Поэтому высказывались предположения и о чисто случайном характере возникновения первых живых молекулярных систем, образованных из аминокислот левого вращения. В дальнейшем эта особенность могла быть передана по наследству и закрепиться как неотъемлемые свойства живого организма.
Наряду с изучением структуры белка в последние полвека особенно интенсивно изучались механизмы наследственности и воспроизводства живых систем. Особенно остро этот вопрос встал перед биологами в связи с определением границы между живым и неживым. Большие споры возникли вокруг природы вирусов, которые обладают способностью к самовоспроизводству, но не в состоянии осуществлять процессы, которые мы обычно приписываем живым системам: обмен веществ, реакцию на внешние раздражители, рост и т.п. Очевидно, если считать определяющим свойством живого организма обмен веществ, то вирусы нельзя назвать живыми организмами, но если таким свойством считать воспроизводимость, то их следует отнести к живым телам. Так естественно возникает вопрос: какие свойства или признаки характерны для живых систем? На этот вопрос ученые отвечали по-разному в различные исторические этапы развития естествознания в зависимости от достигнутого уровня исследований. Пока не существовало развитых методов биологического исследования и сколь-нибудь ясных теоретических концепций, сущность живого сводили к наличию некоей таинственной «жизненной силы», которая отличает живое от неживого. Однако такое определение оставалось чисто отрицательным, так как не раскрывало ни подлинной причины, ни механизма отличия живого от неживого, а все сводило к иррациональной, непознаваемой и потому таинственной способности живых организмов. На этом основании сторонников такого взгляда называли «виталистами». Если первые виталисты ограничивались простой констатацией различия между живым и неживым, то их последователи использовали недостатки и ограниченность физико-химических представлений о жизни для подкрепления своей позиции. Наиболее интересной в этом отношении представляется попытка немецкого биолога и философа Х. Дриша (18671941), который возродил существовавшее еще у Аристотеля понятие энтелехии для объяснения целесообразности живых систем. Основываясь на своих опытах по регенерации морских ежей, которые восстанавливают удаленные у них части тел, Дриш утверждал, что все живые организмы обладают особой способностью к целесообразным действиям по сохранению и поддержанию своей организации и жизнедеятельности, которую он назвал энтелехией. По сути дела энтелехия ничем не отличается от отличается от «жизненной силы» виталистов, хотя в духе своего времени (XX в.) X. Дриш вводит градации и различные ее степени для разных живых организмов. На упреки, что энтелехию невозможно установить никакими эмпирическими методами, он отвечал, что магнитную силу также нельзя увидеть непосредственно. На этом примере можно убедиться, что современные виталисты используют понятия о ненаблюдаемых объектах (магнетизм, электричество и т.д.) для защиты своих взгляНдеосвм. отря на критику виталистов, биологи-экспериментаторы продолжали свою трудную и кропотливую работу по анализу структуры и функций живых систем. Как изменились наши представления о живых системах в связи с переходом на новый, молекулярный уровень исследования?
Долгое время в связи с изучением синтеза неорганических веществ внимание ученых было сосредоточено на исследовании той части клеточной структуры, которая образована из белков. Многим казалось, что именно белки составляют фундаментальную основу жизни, и поэтому пытались свести свойства живых систем к свойствам и структуре белков. По-видимому, именно опираясь на это, Ф. Энгельс (1820-1895) выдвинул свое известное определение жизни как способа существования белковых тел, которое продолжали некритически повторять в нашей литературе, несмотря на глубокие исследования, выяснившие, что ни сам белок, ни его составные элементы не представляют ничего уникального в химическом отношении. В связи с этим дальнейшие исследования были направлены на изучение механизмов воспроизводства и наследственности в надежде обнаружить в них то специфическое, что отличает живое от неживого. Наиболее важным открытием на этом пути было выделение из состава клетки богатого фосфором вещества, обладающего свойствами кислоты и названного впоследствии нуклеиновой кислотой. В дальнейшем удалось выявить углеводный компонент этих кислот, в одном из которых оказалась D-дезоксирибоза, а в другом - D-рибоза. Соответственно этому, первый тип кислот стали называть дезоксирибонуклеиновыми кислотами (сокращенно -ДНК), а второй тип - рибонуклеиновыми (или кратко - РНК) кислотами. Потребовалось, однако, почти сто лет, прежде чем была расшифрована роль нуклеиновых кислот в хранении и передаче наследственности, участии в синтезе белка и обмене веществ.
Не вдаваясь в детали, кратко рассмотрим эти важнейшие для биологии и естествознания вопросы. Роль ДНК была выяснена после того, как в 1 944 г. американским микробиологам удалось доказать, что выделенная из пневмококков свободная ДНК обладает свойством передавать генетическую информацию. До этого существовали либо косвенные, либо не совсем надежные свидетельства этого факта. В 1953 г. Д. Уотсоном и Ф. Криком была предложена и экспериментально подтверждена гипотеза о строении ДНК как носителя информации. В 1 960-е гг. французскими учеными Ф. Какобом (р. 1920) и Ж. Моно (1910-1976) была решена одна из важнейших проблем генной активности, раскрывающая фундаментальную особенность функционирования живой природы на молекулярном уровне. Они доказали, что по своей активности все гены разделяются на «регуляторные», кодирующие структуру регуляторного белка, и «структурные гены», кодирующие синтез метаболитов, в том числе ферментов. Дальнейшими исследованиями была установлена непосредственная зависимость синтеза белков (ферментов) от состояния генов (ДНК). Оказалось, что если воздействовать на генетический аппарат микроорганизмов определенными физическими факторами (ультрафиолетовые, рентгеновские и другие лучи), то они перестают синтезировать необходимые им метаболиты, в частности, белки. Благодаря этим исследованиям было показано, что основная функция генов состоит в кодировании синтеза белков. В связи с этим возник вопрос: каким образом осуществляется передача информации от ДНК к морфологическим структурам?
Согласно упомянутой выше модели Уотсона и Крика, наследственную информацию в молекуле ДНК несет последовательность четырех оснований: два пуриновых и два пиримидиновых. Между тем в белках содержится 20 аминокислот, и поэтому становится необходимым объяснить, как четырехбуквенная матрица может быть переведена в 20-буквенную запись аминокислот белков. Первое гипотетическое объяснение механизма такого перевода дал Г. Гамов, предположив, что для кодирования одной аминокислоты требуется сочетание из трех нуклеотидов ДНК. Спустя семь лет его гипотеза была подтверждена экспериментально, и тем самым был раскрыт механизм считки генетической информации.
Переход на молекулярный уровень исследования во многом изменил представления о механизме изменчивости. Согласно доминирующей точке зрения, основным источником изменений и последующего отбора являются мутации, возникающие на молекулярно-генетическом уровне. Однако, кроме переноса свойств от одного организма к другому, существуют и другие механизмы изменчивости, важнейшим из которых являются «генетические рекомбинации». В одних случаях, называемых «классическими», они не приводят к увеличению генетической информации, что наблюдается главным образом у высших организмов. В других, «неклассических» случаях рекомбинация сопровождается увеличением информации генома клетки. При этом фрагменты хромосомы клетки-донора могут включаться в хромосому клетки-реципиента, а могут оставаться в латентном, скрытом, состоянии, но под влиянием внешних факторов они становятся активными и потому могут соединиться с клеткой-реципиентом. Дальнейшее исследование генетических рекомбинаций привело к открытию целого вида переносимых или «мигрирующих» генетических элементов.
Дальнейшие исследования «неклассических» форм генетических рекомбинаций привели к открытию целого ряда переносимых, или «мигрирующих» генетических элементов. Важнейшими из них являются автономные генетические элементы, названные плазмидами, которые служат активными переносчиками генетической информации. На основе этих результатов некоторыми учеными высказано предположение, что «мигрирующие» генетические элементы вызывают более существенные изменения в геномах клеток, чем мутации. Все это не могло не поставить вопроса о том, работает ли естественный отбор на молекулярно-генетическом уровне. Появление теории «нейтральных мутаций» еще больше обострило ситуацию, поскольку она доказывает, что изменения в функциях аппарата, синтезирующего белок, являются результатом случайных мутаций, не оказывающих влияния на эволюцию. Хотя такой вывод и не является общепризнанным, но хорошо известно, что действие естественного отбора происходит на уровне фенотипа, т.е. живого, целостного организма, а это связано уже с более высоким уровнем исследования.
Теория Эволюции
Методические указания к лабораторным занятиям
для студентов агрономического факультета
Миасское
Методические указания к выполнению лабораторных занятий предназначены для студентов агрономического факультета обучающихся по направлению 35.03.04 «Агрономия», 35.03.07 «Технология производства и переработки сельскохозяйственной продукции» на очной и заочной формах обучения с целью освоения дисциплины «Теория эволюции».
Составитель:
Матвеева Е. Ю. – канд. биол. наук (Институт агроэкологии – филиал ФГБОУ ВО ЮУрГАУ)
© Южно-Уральский государственный аграрный университет, 2016
© Институт агроэкологии, 2016
Структура и оценивание отчета по лабораторному занятию……………….4
Свойства и уровни организации живой материи………………….………….5
Моделирование эволюции………………………………………….…………24
Эволюционные взгляды ученых………………………………….…………..26
Эволюционные теории Ж. Б. Ламарка и Ч. Дарвина………….…………….79
Основные этапы развития органического мира……………….…………….90
Эволюция организмов как адаптациогенез…………………………………108
Генетические основы эволюции……………………………………………..118
Факторы макроэволюции……………………………………………………..128
Структура и оценивание отчета по лабораторному занятию
Отчет по лабораторному занятию используется для оценки качества освоения студентом образовательной программы по темам дисциплины. Отчет оценивается оценкой «зачтено», «не зачтено» (таблица 1).
Таблица 1 – Критерии оценивания отчета
1 Тема лабораторного занятия
2 Выполненные задания
3 Ответы на контрольные вопросы
Свойства и уровни организации живой материи
Введение
Органический мир представляет собой единое целое, т. к. составляет систему взаимосвязанных частей (в которых существование одних организмов зависит от других), и в то же время дискретен (состоит из отдельных единиц – организмов, или особей). Каждый живой организм также дискретен, так как состоит из отдельных органов, тканей, клеток, но вместе с тем каждый из органов, обладая определенной автономностью, действует как часть целого. Каждая клетка состоит из органоидов, но функционирует как единое целое. Наследственная информация осуществляется генами, но ни один из генов вне всей совокупности не определяет развитие признака и т. д.
С дискретностью жизни связаны различные уровни организации органического мира, которые можно определить как дискретные состояния биологических систем, характеризующихся свойствами соподчиненности, взаимосвязанности, специфическими закономерностями. При этом каждый новый уровень отличается особыми свойствами и закономерностями прежнего, низшего уровня, поскольку каждый организм, с одной стороны, состоит из подчиненных ему элементов, а с другой – сам является элементом, входящим в состав какой-то макробиологической системы. На всех уровнях жизни проявляются такие ее атрибуты, как дискретность и целостность, структурная организация, обмен веществом, энергией и информацией. Существование жизни на всех уровнях подготавливается и определяется структурой низшего уровня. Характер клеточного уровня организации определяется молекулярным и субклеточным уровнями, организменный – клеточным, тканевым и т. д.
Структурные уровни организации жизни чрезвычайно многообразны, но из всего их многообразия основными являются молекулярно-генетический, онтогенетический, популяционно-видовой и биосферный.
Молекулярно-генетический уровень жизни
Для нормального жизненного цикла любому организму необходим определенный набор основных химических элементов. Этот набор включает в себя три группы элементов: макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы.
К макроэлементам, которые называют, органогенами относятся четыре элемента – углерод, кислород, азот и водород. Эти элементы составляют основную массу органического вещества клетки (95–99%).
К макроэлементам относят также калий, натрий, кальций, магний, фосфор, серу, хлор и железо, количество которых в клетке колеблется от десятых до сотых долей процента (1,9%).
Микроэлементами называют такие элементы, которые присутствуют в живых тканях в очень малых концентрациях (0,001% до 0,000001%). Эту группу составляют: марганец, железо, кобальт, медь, цинк, ванадий, бор, алюминий, кремний, молибден, йод (.01%). Входят в состав биологически активных веществ – ферментов, витаминов, гормонов.
Ультрамикроэлементы – элементы, содержание которых в клетке не превышает 0,000001%. Эту группу составляют золото, уран, радий и др.
Таким образом, для нормальной жизнедеятельности живая клетка нуждается в 24 природных химических элементах, каждый из которых имеет свое назначение, всего в клетках обнаружено 80 элементов.
Основными органическими веществами клетки являются углеводы, липиды, аминокислоты, белки, нуклеиновые кислоты.
К углеводам относят соединения углерода, которые подразделяют на три группы сахаридов. Углеводы играют важную роль в жизни организмов: они являются компонентом соединительной ткани позвоночных животных, обеспечивают свертывание крови, восстановление поврежденных тканей, образуют стенки растений, бактерий, грибов и т. д.
Липиды – разнообразные группы водоотталкивающих соединений, большая часть липидов представляет собой сложные эфиры трехатомного спирта, глицерина и жирных кислот, т. е. жиры. Жиры служат источником энергии и воды для клетки и организма в целом, кроме того они участвуют в терморегуляции организма, создавая теплоизолирующий жировой слой. Другие виды липидов выполняют защитную функцию, входя в состав наружного скелета насекомых, покрывая перья и шерсть.
Аминокислотами называют соединения, имеющие в своем составе карбоксильную группу и аминогруппу. Всего в природе встречается более 170 аминокислот. В клетках они выполняют функцию строительного материала для белков. Однако в составе белков встречаются только 20 аминокислот. Большинство аминокислот производится растениями и микроорганизмами. Однако у некоторых животных отсутствует часть ферментов, необходимых для синтеза аминокислот, поэтому они должны получать некоторые аминокислоты с пищей. Такие кислоты называются незаменимыми. Для человека восемь кислот незаменимы, а еще четыре заменимы только условно. Важнейшим свойством аминокислот является их способность вступать в реакцию полконденсации с образованием полимерных цепей – полипептидов и белков.
Белки являются главным строительным материалом для клетки. Они представляют собой сложные биополимеры, элементами которых выступают мономерные цепи, состоящие из различных сочетаний двадцати аминокислот. В живой клетке белков больше, чем других органических соединений (до 50% сухой массы).
Большинство белков выполняют функцию катализаторов (ферментов). Также белки играют роль переносчиков; например, гемоглобин переносит кислород от легких к тканям. Мышечные сокращения и внутриклеточные движения – результат взаимодействия молекул белков, функция которых заключается в координации движения. Есть белки – антитела, функцией которых является защита организма от вирусов, бактерий и т. д. Активность нервной системы зависит от белков, с помощью которых собирается и хранится информация из окружающей среды. Белки, которые называются гормонами, управляют ростом клеток и их активностью.
Довольно хорошо изучены сегодня молекулярные основы обмена веществ в клетке.
Существует три основных типа обмена веществ (метаболизма):
Катаболизм, или диссимиляция – процесс расщепления сложных органических соединений, сопровождающийся выделением химической энергии при разрыве химических связей. Эта энергия запасается в фосфатных связях АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты).
Амфоболизм – процесс образования в ходе катаболизма мелких молекул, которые затем принимают участие в строительстве более сложных молекул.
Анаболизм, или ассимиляция – разветвленная система процессов биосинтеза сложных молекул с расходованием энергии АТФ.
Существует несколько механизмов изменчивости на молекулярном уровне. Важнейшим из них является механизм мутации генов – непосредственное преобразование самих генов, находящихся в хромосоме под воздействием внешних факторов. Факторами, вызывающими мутацию (мутагенами), являются: радиация, токсичные химические соединения, а также вирусы. При этом механизме порядок расположения генов в хромосоме не меняется.
Еще один механизм изменчивости – рекомбинация генов. Это создание новых комбинаций генов, располагающихся в конкретной хромосоме. При этом сами гены не меняются, а перемещаются с одного участка хромосомы на другой, или идет обмен генами между двумя хромосомами. Такой процесс имеет место при половом размножении у высших организмов. При этом не происходит изменения общего объема генетической информации, он остается неизменным. Этот механизм объясняет, почему дети лишь частично похожи на своих родителей – они наследуют признаки от обоих родительских организмов, которые сочетаются случайным образом.
Еще один механизм изменчивости был открыт лишь в 1950-е годы. Это – неклассическая рекомбинация генов, при которой происходит общее увеличение объема генетической информации за счет включения в геном клетки новых генетических элементов. Чаще всего эти элементы привносятся в клетку вирусами. Сегодня обнаружено несколько типов трансмиссивных генов. Среди них – плазмиды, представляющие собой двухцепочную кольцевую ДНК. Из-за них после длительного использования каких-либо лекарств наступает привыкание к этим лекарствам, и они перестают действовать. Патогенные бактерии, против которых действует наше лекарство, связываются с плазмидами, которые придают этим бактериям устойчивость к лекарству, и бактерии перестают его замечать.
Мигрирующие генетические элементы могут вызывать как структурные перестройки в хромосомах, так и мутации генов. Возможность использования таких элементов человеком привела к появлению новой науки – генной инженерии, целью которой является создание новых форм организмов с заданными свойствами. При этом конструируются новые, не существующие в природе сочетания генов с помощью генетических и биохимических методов. Для этого видоизменяется ДНК, которая кодируется для производства белка с нужными свойствами. На этом базируются все современные биотехнологии.
Онтогенетический уровень
Этот уровень возник в результате формирования живых организмов. Основной единицей жизни этого уровня выступает отдельная особь, а элементарным явлением – онтогенез. Биологическая особь может быть как одноклеточным, так и многоклеточным организмом, однако в любом случае она представляет собой целостную, самовоспроизводящуюся систему.
Онтогенез – процесс индивидуального развития организма от рождения через последовательные морфологические, физиологические и биохимические изменения до смерти, процесс реализации наследственной информации. В настоящее время не создана единая теория онтогенеза, поскольку не установлены причины и факторы, определяющие индивидуальное развитие организма.
Клеточный уровень. Сегодня наукой достоверно установлено, что наименьшей самостоятельной единицей строения, функционирования и развития живого организма является клетка, которая представляет собой элементарную биологическую систему, способную к самообновлению, самовоспроизведению и развитию, т. е. наделена всеми признаками живого организма. Клеточные структуры лежат в основе строения любого живого организма, каким бы многообразным и сложным не представлялось его строение. Наука, изучающая живую клетку, называется цитологией. Она изучает строение клеток, их функционирование как элементарных живых систем, исследует приспособление к условиям среды и др. Также цитология изучает особенности специализированных клеток, становление их особых функций и развитие специфических клеточных структур. Таким образом, современная цитология может быть названа физиологией клетки.
Открытие существования клеток и их исследования произошло в конце XVII века, когда был изобретен первый микроскоп. Впервые клетка была описана английским ученым Робертом Гуком еще в 1665 году, когда он рассматривал кусочек пробки. Поскольку его микроскоп был не очень совершенным, то, что он увидел, было на самом деле стенками отмерших клеток. Потребовалось почти двести лет, чтобы биологи поняли, что главную роль играют не стенки клетки, а ее внутреннее содержание. Среди предшественников клеточной теории также следует назвать Антонии ван Левенгука (1632–1723), доказавшего, что ткани многих растительных организмов построены из клеток.
Т. Шванном и М. Шлейденом в 1838 году была создана клеточная теория, ставшая величайшим событием в биологии XIX века. Именно эта теория дала решающие доказательства единства всей живой природы, послужила фундаментом для развития эмбриологии, гистологии, физиологии, теории эволюции, а также понимания индивидуального развития организмов. Мощный толчок цитология получила с момента создания генетики и молекулярной биологии. После этого были открыты новые компоненты клетки – мембрана, рибосомы, лизосомы и др.
По современным представлениям клетки могут существовать как самостоятельные организмы (например, простейшие), так и в составе многоклеточных организмов, где есть половые клетки, служащие для размножения, и соматические клетки (клетки тела). Соматические клетки различаются по строению и функциям – существуют нервные, костные, мышечные, секреторные клетки. Размеры клеток могут варьироваться от 0,1 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе). В живом организме находятся миллиарды разнообразных клеток (до 1015), форма которых может быть самой причудливой (паук, звезда, снежинка и пр.).
Все клетки состоят из трех основных частей: плазматической мембраны, контролирующей переход вещества из окружающей среды в клетку и обратно; цитоплазмы с разнообразной структурой и клеточного ядра, в котором содержится генетическая информация. Кроме того, все животные и некоторые растительные клетки содержат центриоли – цилиндрические структуры, образующие клеточные центры. У растительных клеток также есть клеточная стенка (оболочка) и пластиды – специализированные структуры клеток, часто содержащие пигмент, от которого зависит окраска клетки.
Клетки растут и размножаются путем деления на две дочерние клетки. Существует два способа деления клеток. Митоз – это такое деление клеточного ядра, при котором образуются два дочерних ядра с набором хромосом, идентичным набору родительской клетки. При этом дочерним клеткам передается полный набор хромосом, несущих генетическую информацию. После расхождения дочерние нити ДНК превращаются в хромосомы, образуя характерные для данного организма структуры. Этот способ размножения характерен для всех клеток, кроме половых.
Мейоз – это деление клеточного ядра с образованием четырех дочерних ядер, каждое из которых содержит вдвое меньше хромосом, чем исходное ядро. Этот механизм клеточного деления в природе встречается только при подготовке к половому размножению, при образовании половых клеток (гамет). При слиянии гамет в процессе оплодотворения получается опять диплоидный набор хромосом. Этот способ размножения характерен только для половых клеток.
Многоклеточные организмы также развиваются из одной клетки – яйца, но в процессе его деления клетки видоизменяются, что приводит к появлению множества разных клеток – мышечных, нервных, кровяных и т. д. Разные клетки синтезируют разные белки. Тем не менее, в каждой клетке многоклеточного организма есть полная генетическая информация для построения всех белков, нужных для этого организма.
В зависимости от типа клеток все организмы делятся на две группы:
Прокариоты – клетки, лишенные ядра. В них молекулы ДНК не окружены ядерной мембраной и не организованы в хромосомы. К ним относятся бактерии.
Эукариоты – клетки, содержащие ядра. Кроме того, в них есть митохондрии – органеллы, в которых идет процесс окисления. К эукариотам относятся простейшие, грибы, растения и животные, поэтому они могут быть одноклеточными и многоклеточными.
Изучая живую клетку, ученые обратили внимание на существование двух основных типов ее питания, что позволило все организмы разделить на два вида:
Автотрофные организмы – они не нуждаются в органической пище и могут жить за счет ассимиляции углекислоты (бактерии) или фотосинтеза (растения), т. е. сами производят необходимые им питательные вещества;
Гетеротрофные организмы – это все организмы, которые не могут обходиться без органической пищи.
Многоклеточные организмы. Все многоклеточные организмы делятся на три царства: грибы, растения и животные. Их жизнедеятельность, а также работа отдельных частей многоклеточных организмов изучается физиологией. Эта наука рассматривает механизмы действия различных функций живого организма, их связь между собой, регуляцию и приспособление к внешней среде, происхождение и становление в процессе эволюции и индивидуального развития особи. По сути дела, это и есть процесс онтогенеза – развитие организма от рождения до смерти, при котором происходит рост, перемещение отдельных структур, дифференциация и усложнение организма. Этот процесс описывается на основе знаменитого биогенетического закона, сформулированного Эрнстом Геккелем (1834–1919), автором термина «онтогенез».
Биогенетический закон утверждает, что онтогенез в краткой форме повторяет филогенез, т. е. отдельный организм в своем индивидуальном развитии в сокращенной форме проходит все стадии развития своего вида. Таким образом, онтогенез представляет собой реализацию наследственной информации, закодированной в зародышевой клетке, а также проверку согласованности всех систем организма во время его работы и приспособления к окружающей среде.
Все многоклеточные организмы состоят из органов и тканей.
Ткани – это группа физически объединенных клеток и межклеточных веществ, сходных по строению и функции. Их изучение является предметом гистологии. Ткани могут образовываться как из одинаковых, так и из разных специализированных клеток. Например, у животных из одинаковых клеток построен плоский эпителий, а из разных клеток – мышечная, нервная, соединительная ткани.
Органы – это относительно крупные функциональные части организма, выполняющие определенную функцию, состоящие из клеток различных типов и управляемые общим механизмом организма. В свою очередь, органы входят в состав более крупных единиц – систем организма. Среди них выделяют нервную, пищеварительную, сердечнососудистую, дыхательную и др. системы. Каждая из этих систем включает действующие органы и иерархию управляющих механизмов.
Собственно живой организм можно представить как комплекс физиологических систем, обеспечивающих его гомеостаз и адаптации. Он образуется в результате взаимодействия генотипа (совокупности генов одного организма) с фенотипом (комплексом внешних признаков организма, сформировавшихся в ходе его индивидуального развития). Таким образом, организм представляет собой стабильную систему внутренних органов и тканей, существующих во внешней среде. Однако, поскольку общая теория онтогенеза пока еще не создана, многие процессы, происходящие во время развития организма, еще не получили своего полного объяснения.
Уровни организации живых систем отражают соподчиненность, иерархичность структурной организации жизни; отличаются друг от друга сложностью организации системы (клетка устроена проще по сравнению с многоклеточным организмом или популяцией).
Уровень жизни – это форма и способ ее существования (вирус существует в виде молекулы ДНК или РНК, заключенной в белковую оболочку – форма существования вируса. Однако свойства живой системы вирус проявляет, только попав в клетку другого организма, где он размножается – способ его существования).
Уровни организации |
Биологи-ческая система |
Компоненты, образующие систему |
Основные процессы |
|
1. |
Молекула |
Отдельные биополимеры (ДНК, РНК, белки, липиды, углеводы и др.); |
На этом уровне жизни изучаются явления, связанные с изменениями (мутациями) и воспроизведением генетического материала, обменом веществ. |
|
2. |
Комплексы молекул химических соединений и органоиды клетки |
Синтез специфических органических веществ; регуляция химических реакций; деление клеток; вовлечение химических элементов Земли и энергии Солнца в биосистемы |
|
|
3. |
Клетки и межклеточное вещество |
Обмен веществ; раздражимость |
|
|
4. |
Ткани разных типов |
Пищеварение; газообмен; транспорт веществ; движение и др. |
|
|
5. Организменный |
Организм |
Системы органов |
Обмен веществ; раздражимость; размножение; онтогенез. Нервно-гуморальная регуляция процессов жизнедеятельности. Обеспечение гармоничного соответствия организма его среде обитания |
|
6. Популяционно-видовой |
Популяция |
Группы родственных особей, объединенных определенным генофондом и специфическим взаимо-действием с окружающей средой |
Генетическое своеобразие; взаимодействие между особями и популяциями; накопление элементарных эволюционных преобразований; выработка адаптации к меняющимся условиям среды |
|
7. |
Биогеоценоз |
Популяции разных видов; факторы среды; пространство с комплексом условий среды обитания |
Биологический круговорот веществ и поток энергии, поддерживающие жизнь; подвижное равновесие между живым населением и абиотической средой; обеспечение живого населения условиями обитания и ресурсами |
|
8. |
Биосфера |
Биогеоценозы и антропогенное воздействие |
Активное взаимодействие живого и неживого (косного) вещества планеты; биологический глобальный круговорот; активное биогеохимическое участие человека во всех процессах биосферы |
ТЕМАТИЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ
Часть А
А1. Уровень, на котором изучаются процессы биогенной миграции атомов, называется:
1) биогеоценотический
2) биосферный
3) популяционно-видовой
4) молекулярно-генетический
А2. На популяционно-видовом уровне изучают:
1) мутации генов
2) взаимосвязи организмов одного вида
3) системы органов
4) процессы обмена веществ в организме
А3. Поддержание относительного постоянства химического состава организма называется
1) метаболизм
2) ассимиляция
3) гомеостаз
4) адаптация
А4. Возникновение мутаций связано с таким свойством организма, как
1) наследственность
2) изменчивость
3) раздражимость
4) самовоспроизведение
А5. Какая из перечисленных биологических систем образует наиболее высокий уровень жизни?
1) клетка амебы
2) вирус оспы
3) стадо оленей
4) природный заповедник
А6. Отдергивание руки от горячего предмета – это пример
1) раздражимости
2) способности к адаптациям
3) наследования признаков от родителей
4) саморегуляции
А7. Фотосинтез, биосинтез белков – это примеры
1) пластического обмена веществ
2) энергетического обмена веществ
3) питания и дыхания
4) гомеостаза
А8. Какой из терминов является синонимом понятия «обмен веществ»?
1) анаболизм
2) катаболизм
3) ассимиляция
4) метаболизм
Часть В
В1. Выберите процессы, изучаемые на молекулярно-генетическом уровне жизни:
1) репликация ДНК
2) наследование болезни Дауна
3) ферментативные реакции
4) строение митохондрий
5) структура клеточной мембраны
6) кровообращение
В2. Соотнесите характер адаптации организмов с условиями, к которым они вырабатывались
Часть С
С1. Какие приспособления растений обеспечивают им размножение и расселение?
С2. Что общего и в чем заключаются различия между разными уровнями организации жизни?
Основные свойства живых организмов.
Вопросы о происхождении жизни, закономерностях исторического развития в различные геологические эпохи всегда интересовали человечество. Понятие жизнь охватывает совокупность всех живых организмов на Земле и условия их существования.
Сущность жизни заключается в том, что живые организмы оставляют после себя потомство. Наследственная информация передается из поколения в поколение, организмы саморегулируются и восстанавливаются при воспроизводстве потомства. Жизнь — это особая качественная, наивысшая форма материи, способная, оставляя потомство, к самовоспроизведению.
Понятию жизнь в разных исторических периодах давались различные определения. Первое научно правильное определение дал Ф. Энгельс: "Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел". При прекращении процесса обмена веществ между живыми организмами и окружающей средой белки распадаются, и жизнь исчезает. Опираясь на современные достижения биологической науки, русский ученый М. В. Волькенштейн дал новое определение понятию жизнь: "Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров — белков и нуклеиновых кислот". Это определение не отрицает наличие жизни и на других планетах космического пространства. Жизнь называется открытой системой, на что указывает непрерывный процесс обмена веществ и энергии с окружающей средой.
На основании последних научных достижений современной биологической науки дано следующее определение жизни: "Жизнь — это открытые саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы совокупностей живых организмов, построенные из сложных биологических полимеров — белков и нуклеиновых кислот".
Основой всего живого считаются нуклеиновые кислоты и белки, так как они функционируют в клетке, образовывают сложные соединения, которые входят в структуру всех живых организмов.
,
Основные свойства живых организмов
Живые организмы отличаются от неживой природы присущими им свойствами. К характерным свойствам живых организмов относятся: единство химического состава, обмен веществ и энергии, сходство уровней организации. Для живых организмов характерны также размножение, наследственность, изменчивость, рост и развитие, раздражимость, дискретность, саморегуляция, ритмичность и др.
Уровни организации жизни
Все живые организмы в природе состоят из одинаковых уровней организации, это общая для всех живых организмов характерная биологическая закономерность. Выделяют следующие уровни организации живых организмов — молекулярный, клеточный, тканевый, органный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический, биосферный.
1. Молекулярно-генетический уровень.
Это наиболее элементарный характерный для жизни уровень. Как бы сложно или просто ни было строение любого живого организма, они все состоят из одинаковых молекулярных соединений. Примером этого являются нуклеиновые кислоты, белки, углеводы и другие сложные молекулярные комплексы органических и неорганических веществ. Их называют иногда биологическими макромолекулярными веществами. На молекулярном уровне происходят различные процессы жизнедеятельности живых организмов: обмен веществ, превращение энергии. С помощью молекулярного уровня осуществляется передача наследственной информации, образуются отдельные органоиды и происходят другие процессы.
2. Клеточный уровень.
Клетка является структурной и функциональной единицей всех живых организмов на Земле. Отдельные органоиды в составе клетки имеют характерное строение и выполняют определенную функцию. Функции отдельных органоидов в клетке взаимосвязаны и выполняют единые процессы жизнедеятельности. У одноклеточных организмов (одноклеточные водоросли и простейшие) все жизненные процессы проходят в одной клетке, и одна клетка существует как отдельный организм. Вспомните одноклеточные водоросли, хламидомонады, хлореллу и простейших животных — амебу, инфузорию и др. У многоклеточных организмов одна клетка не может существовать как отдельный организм, но она является элементарной структурной единицей организма.
Тканевый уровень
Совокупность сходных по происхождению, строению и функциям клеток и межклеточных веществ образует ткань. Тканевый уровень характерен только для многоклеточных организмов. Также отдельные ткани не являются самостоятельным целостным организмом. Например, тела животных и человека состоят из четырех различных тканей (эпителиальная, соединительная, мышечная, нервная). Растительные ткани называются: образовательная, покровная, опорная, проводящая и выделительная. Вспомните строение и функции отдельных тканей.
Органный уровень
У многоклеточных организмов объединение нескольких одинаковых тканей, сходных по строению, происхождению и функциям, образует органный уровень. В составе каждого органа встречается несколько тканей, но среди них одна наиболее значительная. Отдельный орган не может существовать как целостный организм. Несколько органов, сходных по строению и функциям, объединяясь, составляют систему органов, например пищеварения, дыхания, кровообращения и т. д.
Организменный уровень
Растения (хламидомонада, хлорелла) и животные (амеба, инфузория и т. д.), тела которых состоят из одной клетки, представляют собой самостоятельный организм)А отдельная особь многоклеточных организмов считается как отдельный организм. В каждом отдельном организме происходят все жизненные процессы, характерные для всех живых организмов, — питание, дыхание, обмен веществ, раздражимость, размножение и т. д. Каждый самостоятельный организм оставляет после себя потомство. У многоклеточных организмов клетки, ткани, органы и системы органов не являются отдельным организмом. Только целостная система органов, специализированно выполняющих различные функции, образует отдельный самостоятельный организм. Развитие организма, начиная с оплодотворения и до конца жизни, занимает определенный промежуток времени. Такое индивидуальное развитие каждого организма называется онтогенезом. Организм может существовать в тесной взаимосвязи с окружающей средой.
Популяционно-видовой уровень
Совокупность особей одного вида пли группы, которая длительно существует в определенной части ареала относительно обособленно от других совокупностей того же вида, составляет популяцию. На популяционном уровне осуществляются простейшие эволюционные преобразования, что способствует постепенному появлению нового вида.
Биогеоценотический уровень
Совокупность организмов разных видов и различной сложности организации, приспособленных к одинаковым условиям природной среды, называется биогеоценозом, или природным сообществом. В состав биогеоценоза входят многочисленные виды живых организмов и условия природной среды. В природных биогеоценозах накапливается энергия и передается от одного организма к другому. Биогеоценоз включает неорганические, органические соединения и живые организмы.
Биосферный уровень
Совокупность всех живых организмов на нашей планете и общей природной среды их обитания составляет биосферный уровень. На биосферном уровне современная биология решает глобальные проблемы, например определение интенсивности образования свободного кислорода растительным покровом Земли или изменения концентрации углекислого газа в атмосфере, связанные с деятельностью человека. Главную роль в биосферном уровне выполняют "живые вещества", т. е. совокупность живых организмов, населяющих Землю. Также в биосферном уровне имеют значение "биокосные вещества", образовавшиеся в результате жизнедеятельности живых организмов и "косных" веществ (т. е. условий окружающей среды. На биосферном уровне происходит круговорот веществ и энергии на Земле с участием всех живых организмов биосферы.
Уровни организации жизни
Уровни организации органического мира - дискретные состояния биологических систем, характеризующиеся соподчиненностью, взаимосвязанностью, специфическими закономерностями.
Структурные уровни организации жизни чрезвычайно многообразны, но основными являются молекулярный, клеточный, онтогенетический, популяционно-видовой, бигиоценотический и биосферный.
1. Молекулярно-генетический уровень жизни. Важнейшими задачами биологии на этом этапе является изучение механизмов передачи генной информации, наследственности и изменчивости.
Существует несколько механизмов изменчивости на молекулярном уровне. Важнейшим из них является механизм мутации генов - непосредственное преобразование самих генов под воздействием внешних факторов. Факторами, вызывающими мутацию, являются: радиация, токсические химические соединения, вирусы.
Еще один механизм изменчивости - рекомбинация генов. Такой процесс имеет место при половом размножении у высших организмов. При этом не происходит изменения общего объема генетической информации.
Еще один механизм изменчивости был открыт лишь в 1950 -е гг. Это - неклассическая рекомбинация генов, при котором происходит общее увеличение объема генетической информации за счет включения в геном клетки новых генетических элементов. Чаще всего эти элементы привносятся в клетку вирусами.
2. Клеточный уровень. Сегодня наукой достоверно установлено, что наименьшей самостоятельной единицей строения, функционирования и развития живого организма является клетка, которая представляет собой элементарную биологическую систему, способную к самообновлению, самовоспроизведению и развитию. Цитология - наука, изучающая живую клетку, ее строение, функционирование как элементарной живой системы, исследует функции отдельных клеточных компонентов, процесс воспроизводства клеток, приспособление к условиям среды и др. Также цитология исследует особенности специализированных клеток, становление их особых функций и развитие специфических клеточных структур. Таким образом, современная цитология была названа физиологией клетки.
Значительным продвижением в изучении клеток произошло в начале 19 века, было открыто и описано клеточное ядро. На основании этих исследований и была создана клеточная теория, ставшая величайшим событием в биологии 19 в. Именно эта теория послужила фундаментом для развития эмбриологии, физиологии, теории эволюции.
Важнейшая часть всех клеток - ядро, которое хранит и воспроизводит генетическую информацию, регулирует процессы обмена веществ в клетке.
Все клетки делятся на две группы:
· Прокариоты - клетки, лишенные ядра
· Эукариоты - клетки содержащие ядра
Изучая живую клетку, ученые обратили внимание на существование двух основных типов ее питания, что позволило все организмы разделить на два типа:
· Автотрофные - сами производят необходимые им питательные вещества
· Гетеротрофные - не могут обходиться без органической пищи.
Позднее были уточнены такие важные факторы, как способность организмов синтезировать необходимые вещества (витамины, гормоны), обеспечивать себя энергией, зависимость от экологической среды и др. Таким образом, сложный и дифференцированный характер связей свидетельствует о необходимости системного подхода к изучению жизни и на онтогенетическом уровне.
3. Онтогенетический уровень. Многоклеточные организмы. Этот уровень возник в результате формирования живых организмов. Основной единицей жизни выступает отдельная особь, а элементарным явлением - онтогенез. Изучением функционирования и развития многоклеточных живых организмов занимается физиология. Эта наука рассматривает механизмы действия различных функций живого организма, их связь между собой, регуляцию и приспособление к внешней среде, происхождение и становление в процессе эволюции и индивидуального развития особи. По сути дела это и есть процесс онтогенеза - развитие организма от рождения до смерти. При этом происходит рост, перемещение отдельных структур, дифференциация и усложнение организма.
Все многоклеточные организмы состоят из органов и тканей. Ткани - это группа физически объединенных клеток и межклеточных веществ для выполнения определенных функций. Их изучение является предметом гистологии.
Органы - это относительно крупные функциональные единицы, которые объединяют различные ткани в те или иные физиологические комплексы. В свою очередь органы входят в состав более крупных единиц - систем организма. Среди них выделяют нервную, пищеварительную, сердечнососудистую, дыхательную и другие системы. Внутренние органы есть только у животных.
4. Популяционно-биоценотический уровень. Это надорганизменный уровень жизни, основной единицей которого является популяция. В отличии от популяции видом называется совокупность особей, сходных по строению и физиологическим свойствам, имеющих общее происхождение, могущих свободно скрещиваться и давать плодовитое потомство. Вид существует только через популяции, представляющие генетически открытые системы. Изучением популяций занимается популяционная биология.
Термин "популяция" был введен одним из основоположником генетики В. Иогансеном, который назвал так генетически неоднородную совокупность организмов. Позднее популяция стала считаться целостной системой, непрерывно взаимодействующей с окружающей средой. Именно популяции являются теми реальными системами, через которые существуют виды живых организмов.
Популяции - генетически открытые системы, так как изоляция популяций не абсолютна и периодически не бывает возможным обмен генетической информацией. Именно популяции выступают в качестве элементарных единиц эволюции, изменения их генофонда ведут к появлению новых видов.
Популяции, способны к самостоятельному существованию и трансформации, объединяются в совокупности следующего надорганизменного уровня - биоценозы. Биоценоз - совокупность популяций, проживающих на определенной территории.
Биоценоз представляет собой закрытую для чужих популяций систему, для составляющих его популяций - это открытая система.
5. Биогеоцетонический уровень. Биогеоценоз - устойчивая система, которая может существовать на протяжении длительного времени. Равновесие в живой системе динамично, т.е. представляет собой постоянное движение вокруг определенной точки устойчивости. Для ее стабильного функционирования необходимо наличие обратных связей между ее управляющей и исполняющей подсистемами. Такой способ поддержания динамического равновесия между различными элементами биогеоценоза, вызвано массовым размножением одних видов и сокращением или исчезновением других, приводящее к изменению качества окружающей среды, называют экологической катастрофой.
Биогеоценоз - это целостная саморегулирующаяся система, в которой выделяется несколько типов подсистем. Первичные системы - продуценты, непосредственно перерабатывающие неживую материю; консументы - вторичный уровень, на котором вещество и энергия получаются за счет использования продуцентов; затем идут консументы второго порядка. Также существуют падальщики и редуценты.
Через эти уровни в биогеоценозе проходит круговорот веществ: жизнь участвует в использовании, переработки и восстановлении различных структур. В биогеоценозе - однонаправленный энергетический поток. Это делает его незамкнутой системой, непрерывно связанной с соседними биогеоценозами.
Саморегуляция биогеоценлзов протекает тем успешнее, чем разнообразнее количество составляющих его элементов. От многообразия его компонентов зависит и устойчивость биогеоценозов. Выпадение одного или нескольких компонентов может привести к необратимому нарушению равновесия и гибели его как целостной системы.
6. Биосферный уровень. Это наивысший уровень организации жизни, охватывающий все явления жизни на нашей планете. Биосфера - это живое вещество планеты и преобразованная им окружающая среда. Биологический обмен веществ - это фактор, который объединяет все другие уровни организации жизни в одну биосферу. На этом уровне происходит круговорот веществ и превращение энергии, связанные с жизнедеятельностью всех живых организмов, обитающих на Земле. Таким образом, биосфера является единой экологической системой. Изучение функционирования этой системы, ее строения и функций - важнейшая задача биологии на этом уровне жизни. Занимаются изучением этих проблем экология, биоценология и биогеохимия.
Разработка учения о биосфере неразрывно связана с именем выдающегося российского ученого В.И. Вернадского. Именно ему удалось доказать связь органического мира нашей планеты, выступающего в виде единого нераздельного целого, с геологическими процессами на Земле. Вернадский открыл и изучил биогеохимические функции живого вещества.
Живые организмы являются открытыми высокоупорядоченными системами. Упорядоченность и иерархическая подчиненность поддерживаются за счет контролируемого обмена веществами и энергией с внешней средой - одного из основных свойств живого.
Обмен веществ (метаболизм) для удобства изучения делят на два противоположных и взаимосвязанных процесса, которые происходят одновременно:
I. Анаболизм (ассимиляция) включает процессы биосинтеза сложных органических веществ из более простых. При этом организм расходует энергию либо световую, либо химическую. Другие виды энергии живые организмы расходовать не могут .
Сложные органические вещества в свою очередь могут синтезироваться из неорганических соединений углерода (углекислый газ) или других, более простых органических соединений.
Исходя из этого, принята классификация живых организмов в соответствии с источником углерода и энергии :
|
Источник энергии |
Источник углерода |
||
|
Автотрофы (СО 2) |
Гетеротрофы (орг. в-ва) |
||
|
Фототрофы (энергия света) |
Фотоавтотрофы: зеленые растения (H 2 O) цианобактерии (H 2 O) зеленые и пурпурные серобактерии (H 2 S) |
Фотогетеротрофы: пурпурные несерные бактерии |
|
|
Хемотрофы (энергия химических реакций) |
Хемоавтотрофы: азотфиксирующие бактерии |
Хемогетеротрофы: Подавляющее большинство видов относится к фотоавтотрофам и хемогетеротрофам. При этом по биомассе автотрофы преобладают, т.к. дают химическую энергию для существования гетеротрофов. Но разнообразие видов значительно больше у гетеротрофов. Важнейшим процессом анаболизма является фотосинтез у растений и цианобактерий, в результате синтезируется крахмал из углекислого газа и воды. Фотосинтез является основным источником нарастания биомассы на Земле. Практически у всех организмов происходит биосинтез белка, нуклеиновых кислот (в т.ч. репликация ДНК), углеводов и липидов из других органических веществ, а также витаминов, восков, терпенов и др. соединений. II. Катаболизм (диссимиляция) включает процессы распада сложных органических веществ до более или менее простых с целью получения в первую очередь энергии (в виде носителей - АТФ, ГТФ, КФ). При этом образовавшиеся вещества могут в дальнейшем использоваться или выделяться из организма. Окисление субстрата, приводящее к получению химической энергии в виде АТФ, называется клеточным дыханием . Его следует отличать от внешнего дыхания , т.е. газообмена между организмом и внешней средой. Универсальным источником энергии для человека и большинства живых организмов является глюкоза. Фруктоза также может подвергаться окислению. Глюкоза расщепляется до конечных продуктов - углекислого газа и воды - в присутствии кислорода. У организмов-аэробов, т.е. тех, которые имеют ферменты для кислородного расщепления, это происходит в интенсивно работающих тканях, например, в сердечной мышце. Другие ткани довольствуются энергией бескислородного расщепления - гликолиза. Глюкоза при этом расщепляется до ПВК и быстро получается небольшое количество энергии (2 молекулы АТФ на 1 молекулу глюкозы). При функциональной нагрузке эти ткани переходят на кислородные процессы. Следует отметить, что в результате катаболизма образуется не только химическая , но тепловая и электрическая энергия, иногда световая и механическая. Важным источником энергии, кроме углеводов, являются жиры, белки для получения энергии разрушаются только в случае голодания организма. ХИМИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА. СТРОЕНИЕ НУКЛЕИРНОВЫХ КИСЛОТ. ПОТОКИ ВЕЩЕСТВА И ИНФОРМАЦИИ В ЖИВЫХ ОРГАНИЗМАХ ДНК и РНК - нуклеиновые кислоты, они определяют синтез белков и передачу наследственной информации. Молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных цепей. Диаметр двойной спирали 2 нм (1 нм = 10 - 9 м), длина - несколько десятков или сотен микрометров (в сотни или тысячи раз больше самой крупной белковой молекулы). ДНК - полимер, мономерами которого являются нуклеотиды. Нуклеотиды ДНК - соединения, состоящие из остатков молекул фосфорной кислоты, углевода дезоксирибозы и азотистого основания. У ДНК четыре типа азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т). Каждая цепь ДНК - полинуклеотид, состоящий из нескольких десятков тысяч нуклеотидов. РНК - полимер, по структуре сходный с одной цепочкой ДНК, но меньших размеров. Мономеры РНК - нуклеотиды, состоящие из фосфорной кислоты, углевода рибозы и азотистого основания. Три азотистых основания РНК - аденин, гуанин и цитозин - соответствуют таковым ДНК, а вместо тимина в РНК присутствует урацил. Известны 3 вида РНК: информационная (иРНК) - передает информацию о структуре белка с молекулы ДНК; транспортная (тРНК) - транспортирует аминокислоты к рибосомам; рибосомальная (рРНК) - содержится в рибосомах, участвует в поддержании структуры рибосомы. Поток информации в живых организмах: ̾® ДНК ¾® Репликация (потомки) | ¾® ¯ (транскрипция (ядро)) | ¯ (трансляция (рибосомы)) | ¬¾ полипептид ͬ¾ признак Таким образом, информация о всех признаках организма хранится в ДНК, она передается потомкам и реализуется непосредственно данным организмом. Но на процесс реализации могут влиять образовавшиеся полипептиды и сформировавшиеся признаки. Это называется механизмом обратной связи. Репликация ДНК - это процесс, в результате которого из одной молекулы образуются две дочерние, полностью идентичные материнской, что обеспечивает передачу наследственной информации от поколения к поколению. Репликация осуществляется в соответствии со следующими принципами:
В процессе репликации принимает участие много белков-ферментов. ДНК-геликаза расплетает двойную спираль ДНК, разделяя ее полинуклеотидные цепи. ДНК-топоизомераза разрывает связь между остатками фосфорной кислоты и дезоксирибозы в одной из полинуклеотидных цепей ДНК, что дает ей возможность вращаться вокруг второй и снимать напряжение, вызываемое расплетением спирали и расхождением цепей в репликационной вилке. РНК-праймаза синтезирует РНК-затравки. ДНК-полимераза осуществляет непрерывный синтез лидирующей цепи и синтез фрагментов Оказаки отстающей цепи. ДНК-лигаза сшивает фрагменты после удаления РНК-затравки. РЕПАРАЦИЯ ДНК Данный механизм отличается очень высокой точностью воспроизведения структуры ДНК. 1. Главная роль в нем принадлежит ферменту ДНК-полимеразе, которая может допустить ошибку только в среднем 1 раз на 10 6 комплементарных пар оснований. Тогда вступает в действие механизм самокоррекции - отщепление ошибочного нуклеотида самой ДНК-полимеразой и замена его необходимым. 2. Ошибки, оставшиеся после самокоррекции между циклами репликации, обнаруживаются специфическими ферментами. Искажение структуры обнаруживается специфическими ферментами. Затем данный участок удаляется и замещается новым, синтезированным на второй цепи ДНК. Такую репарацию называют эксцизионной (т.е. с «вырезанием») или дорепликативной . 3. Иногда дорепликативная репарация не может устранить все изменения, и они входят в обе дочерние молекулы. Эти изменения устраняются в ходе пострепликативной репарации. Она состоит в рекомбинации (обмене фрагментами) между двумя вновь образованными двойными спиралями ДНК. Примером такой репликации может служить удаление возникших тиминовых димеров. 4. SOS-репарация осуществляется при очень большом количестве ошибок специальными ферментами, активируемыми электромагнитным излучением (светом). При этом изменения структуры ДНК (мутации) закрепляются в генотипе. Данный вид репарации имеет важное значение в тех случаях, когда необходимо быстро восстановить функциональную активность ДНК. СИНТЕЗ БЕЛКА Биосинтез белков идет в каждой живой клетке. Наследственная информация хранится в молекулах ДНК, а передается в цитоплазму информационной РНК (иРНК), которая комплементарна одной нити молекулы ДНК. Отрезок ДНК, содержащий информацию о структуре одного белка, называют геном. Свойства кода ДНК:
Транскрипцией называется перенос информации с ДНК на РНК. Причем матрицей для синтеза РНК служит только одна из двух цепей молекулы ДНК, называемая кодогенной цепью. Данный процесс происходит в ядре по принципу комплементарности. В транскрипции различают 4 стадии: 1. Связывание РНК-полимеразы (фермента, осуществляющего синтез РНК) с промотором . 2. Инициация - начало синтеза иРНК. В реакции участвуют нуклеотидтрифосфаты. Инициация - образование первой связи между двумя нуклеотидами (первый обычно АТФ или ГТФ). 3. Элонгация - рост цепи РНК. Для этого процесса необходимы ионы магния. В процессе элонгации образуется молекула РНК, состоящая из нуклеотидмонофосфатов, и освобождается пирофосфат (Н 4 Р 2 О 7). 4. Терминация - завершение синтеза РНК в участках-терминаторах. Пройдя через поры ядерной оболочки, иРНК направляется к рибосомам, где осуществляется расшифровка генетической информации. Трансляцией называется процесс синтеза белка на рибосомах, направляемый матрицей иРНК. Стадии: 1. Стадия активации аминокислот . Каждая аминокислота взаимодействует с молекулой АТФ под действием особого фермента, специфичного для каждой аминокислоты. Все эти ферменты носят общее название кодазы . 2. Присоединение фосфорилированных аминокислот к тРНК с образованием комплекса. Фермент при этом освобождается. 3. Собственно трансляция , или полимеризация, аминокислотных остатков с образованием пептидных связей. 4. Конформационная стадия (белок приобретает необходимую форму). Две первые стадии идут в цитоплазме. Третья стадия - в рибосомах. ПОСТТРАНСКРИПЦИОННЫЕ И ПОСТТРАНСЛЯЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ Внутри самого структурного гена также различают участки смысловые (экзоны ) и несмысловые, «молчащие» (интроны ), т.е. ген имеет прерывистую, мозаичную структуру. На матрице структурного гена синтезируется так называемая про-иРНК, копия всего гена. Затем про-иРНК подвергается созреванию, или процессингу , в ходе которого там же в ядре все несмысловые участки вырезаются, а концы кодирующих последовательностей соединяются. Этот процесс называется сплайсингом . Все интроны вырезаются не всегда. При изменении условий часть из них может остаться в зрелой иРНК подобно экзонам. Иногда же вырезаются какие-либо экзоны. Таким образом, один ген способен кодировать структуру нескольких белков. По окончании трансляции первая аминокислота в белковой цепи вырезается. Полученный полипептид имеет только первичную структуру, чтобы он приобрел функциональную активность, по выходу из рибосомы синтезируется вторичная, третичная, а у некоторых белков - четвертичная структура. РЕГУЛЯЦИЯ БИОСИНТЕЗА БЕЛКА Регуляцию процессов биосинтеза белков описали в 1961 г. описали французские ученые Франсуа Жакоб, Андре-Мишель Львов, Жан Люсьен Моно у бактерий. За эту работу они получили нобелевскую премию. У прокариот можно выделить структуру, называемую опероном . Это участок ДНК, состоящий из следующих частей:
При поступлении субстрата в клетку его молекулы связываются с белком-репрессором, который после этого теряет способность взаимодействовать с оператором, происходит инициация, а РНК-полимераза начинает синтезировать иРНК, комплементарную структурным генам (элонгация). Затем в рибосомах синтезируются соответствующие ферменты, расщепляющие данный субстрат. Если субстрата не остается, освобождается белок-репрессор, который вновь блокирует оператор, и синтез иРНК и ферментов прекращается. Таким образом, бактерия синтезирует только те ферменты, которые ей необходимы в данный момент, что позволяет экономить энергию. Другой вариант регуляции связан с накоплением конечного вещества какого-либо биохимического процесса. Это вещество является одновременно корепрессором, который, связываясь с репрессором, делает его активным, и активность оператора подавляется. У эукариот регуляция активности генов значительно сложнее. На нее влияют гормоны, медиаторы, другие биологически активные вещества, причем транскрипция, выход иРНК и трансляция регулируются отдельно и могут быть разделены во времени. Кроме того, структурные гены, кодирующие белки, необходимые для выполнения одной функции, могут быть расположены в разных хромосомах. Структура самих генов эукариот также более сложная. У эукариот собственно гены разделены участками «молчащей», нетранскрибируемой ДНК - спейсерами . Они играют важную роль в регуляции транскрипции. На них, в частности, расположены последовательности нуклеотидов, усиливающие или угнетающие ее (например, при связывании гормонов). Функции промотора выполняет так называемый блок TATAAT, обогащенный последовательностями аденина и тимина (иногда встречаются и другие последовательности). Затем идет собственно ген, а затем участок-терминатор. После чего вновь идет спейсерный участок. | |
