Уровни организации живой материи

Размещено на http://www.allbest.ru/

План контрольной работы

1. Качественные особенности живой материи. Уровни организации живого

2. Клеточная мембрана. Поверхностный аппарат клетки, ее основные части, их назначение

3. Химический состав клетки (белки, их структура и функции)

4. Обмен веществ в клетке. Фотосинтез. Хемосинтез

5. Мейоз. Особенности первого и второго деления мейоза. Биологическое значение. Отличие мейоза от митоза

6. Формы биологических связей в природе. Симбиоз, его виды. Паразитизм как биологический феномен. Примеры

7. Плоские черви. Морфология, систематика, основные представители. Циклы развития. Пути заражения. Профилактика

8. Генотип. Геном. Фенотип. Факторы, определяющие развитие фенотипа. Доминантность, рецессивность. Взаимодействие генов в детерминации признаков: доминирование, промежуточное проявление, кодоминирование

9. Экологические факторы, их взаимодействие

Список используемой литературы

1. Качественные особенности живой материи. Уровни организации живого

Жизнь - макромолекулярная открытая система, которой свойственна иерархическая организация, способность к самовоспроизведению, обмен веществ, потоками информации. Качественным отличием живой материи от неживой являются особенности строения органических молекул, образующих клетки любого организма. Живые организмы представляют собой открытые, саморегулирующиеся, самовоспроизводящиеся системы, состоящие из биополимеров - белков и нуклеиновых кислот.

Особенности (свойства) живой материи:

1. Живые организмы имеют такой же химический состав элементов, как и неживые, но имеют молекулы веществ, которые присущи только им - белки, липиды, нуклеиновые кислоты.

2. Любой живой организм дискретен, то есть состоит из частей (клетка, вид). Их взаимодействие образует целостную систему (организм, состоящий из органов, функционально и структурно являющийся единым целым).

3. Для живой системы характерна структурная организация - комплекс сложных процессов обмена веществ, направленный на поддержание постоянства внутренней среды (гомеостаза).

4. Для живых организмов свойственен постоянный обмен веществами и энергией с окружающей средой. При ее изменении происходит саморегуляция организма по принципу обратной связи.

5. В связи с ограниченностью существования живого организма, происходит процесс самовоспроизведения, в результате которого образуются структуры, несущие наследственную генетическую информацию, содержащуюся в молекулах ДНК.

6. Наследственность - молекула ДНК хранит и передает наследственную информацию благодаря матричному принципу репликации.

7. Для живых организмов свойственна изменчивость - отклонения, возникающие при передаче наследственной информации, приводящие к изменению признаков.

8. В соответствии с наследственной информацией осуществляется рост и развитие организма.

9. Благодаря свойству раздражимости все живое реагирует на воздействия извне и отвечает на них движением.

Классификация уровней организации живого

В медико-биологической науке широко используют классификацию уровней в соответствии с важнейшими чертами, структурами и компонентами организма. Объектами служат организм, органы, ткани, клетки, внутриклеточные структуры, молекулы. В названной классификации выделяются молекулярно-генетический, клеточный, организменный или онтогенетический, популяционно-видовой, биогеоценотический уровни.

1. Молекулярно-генетический

На этом уровне изучаются физико-химические процессы, происходящие в организме - синтез и разложение белков, липидов, нуклеиновых кислот, обмен веществ и энергии, копирование генетической информации. Элементарной единицей на молекулярно-генетическом уровне служит ген, в котором записан определенный объем биологической наследственной информации.

Элементарное явление на этом уровне - редупликация (самовоспроизведение) ДНК, в процессе которой могут возникать нарушения, изменяющие смысл генетической информации, приводящие к изменчивости. Биологическая информация, заключающаяся в молекулах ДНК, не участвует непосредственно в процессах жизнедеятельности. Она переходит в действующую форму, будучи перенесена в молекулы белков. Отмеченный перенос осуществляется благодаря механизму матричного синтеза, в котором исходная ДНК служит, как и в случае с редупликацией, матрицей (формой), но для образования не дочерней молекулы ДНК, а матричной РНК, контролирующей биосинтез белков. В основе этого процесса лежит принцип комплементарности. Это дает основание причислить матричный синтез информационных макромолекул также к элементарному явлению на молекулярно-генетическом уровне организации жизни.

2. Клеточный

Элементарная структурная функциональная единица - клетка. Элементарное явление представлено реакциями клеточного метаболизма, составляющими основу потоков энергии, веществ и информации. Благодаря деятельности клетки поступающие извне вещества превращаются в субстраты и энергию, которые используются (в соответствии с имеющейся генетической информацией) в процессе биосинтеза белков и других соединений, необходимых организму. Таким образом, на клеточном уровне сопрягаются механизмы передачи биологической информации и превращения веществ и энергии. Элементарное явление на этом уровне служит энергетической и вещественной основой жизни на всех других уровнях ее организации.

3. Организменный

Элементарной единицей организменного уровня является особь (организм) в ее развитии от момента зарождения до прекращения существования в качестве живой системы, что позволяет также назвать этот уровень онтогенетическим.

Закономерность изменения организма в индивидуальном развитии составляют элементарное явление данного уровня.

4. Популяционно-видовой

Элементарной единицей популяционно-видового уровня служит популяция - совокупность особей одного вида. Объединение особей в популяцию происходит благодаря общности генофонда, используемого в процессе полового размножения для создания генотипов особей следующего поколения.

Популяция в силу возможности межпопуляционных скрещиваний представляет собой открытую генетическую систему. Действие на генофонд популяции элементарных эволюционных факторов, таких, как мутационный процесс, колебания численности особей, естественный отбор, приводит к эволюционно значимым изменениям генофонда, которые представляют элементарные явления на данном уровне.

5. Биогеоценотический и биосферный

В процессе совместного исторического развития на определенной территории организмов разных систематических групп образуются динамичные, устойчивые во времени сообщества - биогеоценозы, которые служат элементарной единицей биогеоценотического (экосистемного) уровня. Элементарное явление на рассматриваемом уровне представлено потоками энергии и круговоротами веществ. Ведущая роль в этих круговоротах и потоках принадлежит живым организмам.

Биогеоценоз - это открытая в вещественном и энергетическом плане система. Биогеоценозы, различаясь по видовому составу и характеристикам абиотической своей части, объединены на планете в единый комплекс - область распространения жизни, или биосферу. Биосфера - это совокупность всех биогеоценозов, образующих единый комплекс, охватывающий все явления жизни на планете.

2. Клеточная мембрана. Поверхностный аппарат клетки, ее основные части, их назначение

клеточный мембрана фотосинтез фенотип

Клетка представляет собой обособленную, наименьшую по размерам структуру, которой присуща вся совокупность свойств жизни и которая может в подходящих условиях окружающей среды поддерживать эти свойства в самой себе, а также передавать их следующим поколениям.

Клетка составляет основу строения, жизнедеятельности и развития всех живых форм - одноклеточных, многоклеточных и даже неклеточных. В природе существует значительное разнообразие клеток, различающихся по размерам, форме, химическим особенностям.

На планете существует две группы организмов: первая представлена вирусами и фагами, не имеющими клеточного строения; вторая делится на два типа организации клеток - прокариотический (бактерии и сине-зеленые водоросли) и эукариотический (все остальные организмы).

Все живые клетки отделены от окружающей среды поверхностью называемой клеточной мембраной. Над ней могут располагаться надмембранные структуры. Их строение является влажным классификационным признаком. У животных это гликокаликс (белково-углеводный комплекс), у растений, грибов и бактерий - клеточная стенка. В состав клеточной стенки растений входит целлюлоза, грибов - хитин, бактерий - белково-полисахаридный комплекс - муреин.

Клеточная мембрана - это оболочка клетки, выполняющая следующие функции:

- разделение содержимого клетки и внешней среды;

- регуляция обмена веществ между клеткой и средой;

- место протекания некоторых биохимических реакций (в том числе фотосинтеза, окислительного фосфорилирования);

- объединение клеток в ткани.

Оболочки делятся на плазматические (клеточные мембраны) и наружние.

Важнейшее свойство плазматической мембраны - полупроницаемость, то есть способность пропускать только определённые вещества. Через неё медленно диффундируют глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты и ионы, причём сами мембраны могут активно регулировать процесс диффузии.

Наибольшее значение имеет жидкостно - мозаичная модель строения мембраны. Согласно этой модели основу мембраны составляет билипидный слой, в который включены молекулы белков, большинство из которых являются ферментами. Липиды двух параллельных слоев обращены друг к другу неполярными концами (имеющими гидрофобный полюс), а наружу - полярными (имеющими гидрофильный полюс).

Белки, входящие в состав мембраны, делятся на три группы:

- периферические, стабилизирующие положение погруженных белков в мембране,

- погруженные (полуинтегральные), осуществляющие превращение веществ,

- пронизывающие (интегральные), обеспечивающие передачу информации через мембрану в клетку и обратно.

На внешней поверхности плазматической мембраны в животной клетке белковые и липидные молекулы связаны с углеводными цепями, образуя гликокаликс. Углеводные цепи выполняют роль рецепторов. Благодаря им клетка приобретает способность специфически реагировать на воздействия извне.

Под плазматической мембраной со стороны цитоплазмы имеются кортикальный слой и внутриклеточные фибриллярные структуры, обеспечивающие механическую устойчивость плазматической мембраны.

Рис. 1 Строение мембраны

Важнейшим свойством мембраны является также избирательная проницаемость. Это значит, что молекулы и ионы проходят через нее с различной скоростью, и чем больше размер молекул, тем меньше скорость прохождения их через мембрану. Это свойство определяет плазматическую мембрану как осмотический барьер. Максимальной проникающей способностью обладает вода и растворенные в ней газы; значительно медленнее проходят сквозь мембрану ионы. Диффузия - проникновение веществ через мембрану по градиенту концентрации (из области, где их концентрация выше, в область, где их концентрация ниже). Она может быть простой и облегченной.

Если вещества хорошо растворимы в жирах, то они проникают в клетку путем простой диффузии. Диффузия воды через мембрану называется осмосом. Кислород и углекислый газ в растворе быстро диффундируют через мембрану.

При облегченной диффузии специальные мембранные белки-переносчики избирательно связываются с тем или иным ионом или молекулой и переносят их через мембрану по градиенту концентрации.

Активный транспорт сопряжен с затратами энергии АТФ и служит для переноса веществ против их градиента концентрации. Он осуществляется специальными белками-переносчиками, образующими так называемые ионные насосы. Наиболее изученным является Na-/К- - насос в клетках животных, активно выкачивающих ионы Na+ наружу, поглощая при этом ионы К-. Благодаря этому в клетке поддерживается большая концентрация К- и меньшая Na+ по сравнению с окружающей средой. На этот процесс затрачивается энергия АТФ.

В результате активного транспорта с помощью мембранного насоса в клетке происходит также регуляция концентрации Mg₂-и Са₂+.

В процессе активного транспорта ионов в клетку через цитоплазматическую мембрану проникают различные сахара, нуклеотиды, аминокислоты.

Макромолекулы белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липопротеидные комплексы и др. сквозь клеточные мембраны не проходят, в отличие от ионов и мономеров. Транспорт макромолекул, их комплексов и частиц внутрь клетки происходит совершенно иным путем - посредством эндоцитоза. При эндоцитозе (эндо - внутрь) определенный участок плазмалеммы захватывает и как бы обволакивает внеклеточный материал, заключая его в мембранную вакуоль, возникшую вследствие впячивания мембраны. В дальнейшем такая вакуоль соединяется с лизосомой, ферменты которой расщепляют макромолекулы до мономеров.

Мембрана может захватывать как твердые частицы (фагоцитоз), так и капли жидкости (пиноцитоз).

Процесс, обратный эндоцитозу, - экзоцитоз (экзо - наружу). Благодаря ему клетка выводит внутриклеточные продукты или непереваренные остатки, заключенные в вакуоли или пузырьки. Пузырек подходит к цитоплазматической мембране, сливается с ней, а его содержимое выделяется в окружающую среду. Так выводятся пищеварительные ферменты, гормоны, белки, жировые капли и др.

Таким образом, биологические мембраны как основные структурные элементы клетки служат не просто физическими границами, а представляют собой динамичные функциональные поверхности. На мембранах органелл осуществляются многочисленные биохимические процессы, такие как активное поглощение веществ, преобразование энергии, синтез АТФ и др.

Функции биологических мембран следующие:

1. Отграничивают содержимое клетки от внешней среды и содержимое органелл от цитоплазмы.

2. Обеспечивают транспорт веществ в клетку и из нее, из цитоплазмы в органеллы и наоборот.

3. Выполняют роль рецепторов (получение и преобразование сигналов из окружающей среды, узнавание веществ клеток и т. д.).

4. Являются катализаторами (обеспечение примембранных химических процессов).

5. Участвуют в преобразовании энергии.

Внутреннее содержимое клетки - цитоплазма - состоит из основного вещества (гиалоплазмы), ее основных частей (органелл) и включений.

Гиалоплазма - основное вещество цитоплазмы, заполняет все пространство между плазматической мембраной, оболочкой ядра и другими внутриклеточными структурами. В ней протекают ферментативные реакции, метаболические процессы, синтез аминокислот. Гиалоплазма содержит множество белковых филаментов (нитей), пронизывающих цитоплазму и образующих цитоскелет, который определяет форму клетки.

Органеллы - компоненты клетки, выполняющие определенные функции. Эндоплазматическая сеть (одномембранная органелла) состоит из цистерн и каналов, пронизывающих цитоплазму, и делит ее на отсеки(компартменты).На поверхности шероховатой ЭПС находятся рибосомы, в которых происходит синтез белка; на гладкой - осуществляется синтез белков и стероидов. Здесь также синтезируется материал для построения мембран цитоплазмы.

Аппарат Гольджи состоит из одного слоя мембраны, образующей цистерны, переходящие в трубочки, от которых отделяются пузырьки, переносящие вещества к месту их назначения, выполняя транспортную функцию. Одна из важных задач Аппарата Гольджи - секреторная, заключается в синтезе сложных углеводов с образованием мукопротеидов. Он также участвует в образовании слизи, построении мембраны, в нем формируются лизосомы.

Лизосомы представляют собой одномембранные пузырьки, отделяющиеся от Аппарата Гольджи. Они наполнены ферментами, синтезирующимися на шероховатой ЭПС и транспортирующимися к Аппарату Гольджи. Основная функция - расщепление и переваривание веществ, поступающих в клетку, и удаление их из нее. Они также захватывают и переваривают попавшие в организм бактерии, выполняя защитную функцию (фагоциты), выводят наружу отработанный материал (телолизосомы), разрушают отработанные органеллы самой клетки (аутолизосомы).

Митохондрии содержат вещества, богатые энергией, участвуют в процессах клеточного дыхания и преобразования энергии в форму, доступную для использования клеткой. Количество, размеры и расположение митохондрий зависит от функции клетки, ее потребности в энергии. Внутри мембраны митохондрий образуются многочисленные складки (кристы), в которых протекают окислительно - восстановительные процессы с получением энергии для синтеза молекул АТФ из АДФ для работы клетки. Митохондрии содержат собственную ДНК. Около 2% ДНК клетки содержится в митохондриях.

Рибосомы относят к немембранным органеллам. В них образуются клеточные белки. Рибосомы участвуют в синтезе белка из аминокислотных остатков, присутствуют во всех клетках человека, за исключением зрелых эритроцитов. Рибосомы могут свободно располагаться в цитоплазме или на поверхности шероховатой ЭПС. Синтез белка связан с процессом транскрипции - переписывания информации, хранящейся в ДНК. Рибосома состоит из двух частей - большой и малой субъединиц, содержащих рибосомальные РНК и белки. Для осуществления синтеза белка матричная РНК с закодированной в ней последовательностью расположения нуклеотидов для постройки ДНК присоединяется к поверхности малой субъединицы. Транспортная РНК доставляет к рибосомам необходимые аминокислоты для построения полипептидной цепи, где каждая аминокислота занимает строго соответствующее ей место.

Клеточный центр, состоящий из парных центриолей и центросферы, располагается у ядра клетки. Центриоли принимают участие в делении ядра, удваиваясь в пресинтетическом периоде и формируя веретено деления.

Клеточное ядро необходимо для регуляции жизнедеятельности клетки, хранения наследственной информации (заключенной в ДНК и передающейся при делении дочерним клеткам), синтеза РНК.

Ядро имеет свою оболочку, кареоплазму - клеточный сок (содержит раствор белков, ионов, нуклеотидов), одно или несколько ядрышек, в которых происходит синтез РНК, и хроматин, состоящий из молекул ДНК и белков (гистонов и негистонов), РНК. Во время деления ядра хроматин конденсируется - спирализуется с образованием нитей хромосом. Основу хромосомы составляет молекула ДНК, связанная с белками(гистонами) в нуклеопротеид. У соматических клеток человека диплоидный набор хромосом(46), у половых - гаплоидный(23). Перенос генетической информации осуществляется от ДНК к ДНК при делении путем репликации(самовоспроизведения макромолекул нуклеиновых кислот) и от ДНК через и-РНК (м-РНК) к белку.

3. Химический состав клетки (белки, их структура и функции)

Рис. 2.

Химические процессы, протекающие в клетке, - одно из основных условий ее жизни, развития, функционирования.

Неорганические вещества.

Из 109 элементов периодической системы Менделеева в клетках обнаружено значительное их большинство. Одни элементы содержатся в клетках в относительно большом количестве, другие - в малом.

Неорганические вещества

На первом месте среди веществ клетки стоит вода. Она составляет почти 80% массы клетки. Вода определяет физические свойства клетки - ее объем, упругость. Велико значение воды в образовании структуры молекул органических веществ, в частности структуры белков, которая необходима для выполнения их функций. Велико значение воды как растворителя: многие вещества поступают в клетку из внешней среды в водном растворе и водном же растворе отработанные продукты выводятся из клетки. Наконец, вода является непосредственным участником многих химических реакций (расщепление белков, углеводов, жиров и др.).

Биологическая роль воды определяется особенностью ее молекулярной структуры, полярностью ее молекул.

Макроэлементы

К макроэлементам относят: кислород (65-75 %), углерод (15-18 %), водород (8-10 %), азот (2,0-3,0 %), калий (0,15-0,4 %), сера (0,15-0,2 %), фосфор (0,2-1,0 %), хлор (0,05-0,1 %), магний (0,02-0,03 %), натрий (0,02-0,03 %), кальций (0,04-2,00 %), железо (0,01-0,015 %. Элементы - C, O, H, N, S, P - входят в состав органических соединений.

Углерод - входит в состав всех органических веществ; скелет из атомов углерода составляет их основу. Кроме того, в виде CO2 фиксируется в процессе фотосинтеза и выделяется в ходе дыхания, в виде CO (в низких концентрациях) участвует в регуляции клеточных функций, в виде CaCO3 входит в состав минеральных скелетов.

Кислород - входит в состав практически всех органических веществ клетки. Образуется в ходе фотосинтеза при фотолизе воды. Для аэробных организмов служит окислителем в ходе клеточного дыхания, обеспечивая клетки энергией. В наибольших количествах в живых клетках содержится в составе воды.

Водород - входит в состав всех органических веществ клетки. В наибольших количествах содержится в составе воды. Некоторые бактерии окисляют молекулярный водород для получения энергии.

Азот - входит в состав белков, нуклеиновых кислот и их мономеров - аминокислот и нуклеотидов. Из организма животных выводится в составе аммиака, мочевины, гуанина или мочевой кислоты как конечный продукт азотного обмена. В виде оксида азота NO (в низких концентрациях) участвует в регуляции кровяного давления.

Сера - входит в состав серосодержащих аминокислот, поэтому содержится в большинстве белков. В небольших количествах присутствует в виде сульфат-иона в цитоплазме клеток и межклеточных жидкостях.

Фосфор - входит в состав АТФ, других нуклеотидов и нуклеиновых кислот (в виде остатков фосфорной кислоты), в состав костной ткани и зубной эмали (в виде минеральных солей), а также присутствует в цитоплазме и межклеточных жидкостях (в виде фосфат-ионов).

Магний - кофактор многих ферментов, участвующих в энергетическом обмене и синтезе ДНК; поддерживает целостность рибосом и митохондрий, входит в состав хлорофилла. В животных клетках необходим для функционирования мышечных и костных систем.

Кальций - участвует в свёртывании крови, а также служит одним из универсальных вторичных посредников, регулируя важнейшие внутриклеточные процессы (в том числе участвует в поддержании мембранного потенциала, необходим для мышечного сокращения и экзоцитоза). Нерастворимые соли кальция участвуют в формировании костей и зубов позвоночных и минеральных скелетов беспозвоночных.

Натрий - участвует в поддержании мембранного потенциала, генерации нервного импульса, процессы осморегуляции (в том числе работу почек у человека) и создание буферной системы крови.

Калий - участвует в поддержании мембранного потенциала, генерации нервного импульса, регуляции сокращения сердечной мышцы. Содержится в межклеточных веществах.

Хлор - поддерживает электронейтральность клетки.

Микроэлементы

К микроэлементам, составляющим от 0,001 % до 0,000001 % массы тела живых существ, относят ванадий, германий, йод (входит в состав тироксина, гормона щитовидной железы), кобальт (витамин В 12), марганец, никель, рутений, селен, фтор (зубная эмаль), медь, хром, цинк.

Цинк - входит в состав ферментов, участвующих в спиртовом брожении, в состав инсулина

Медь - входит в состав окислительных ферментов, участвующих в синтезе цитохромов.

Неорганические вещества содержатся в клетке не только в растворенном, но и в твердом состоянии. В частности, прочность и твердость костной ткани обеспечиваются фосфатом кальция, а раковин моллюсков - карбонатом кальция.

Органические вещества

Органические вещества образуют около 20 - 30% состава клетки.

Углеводы. В состав углеводов входят атомы углерода, кислорода, водорода. Различают простые и сложные углеводы. Простые - моносахариды. Сложные - полимеры, мономерами которых являются моносахариды (олигосахариды и полисахариды). С увеличением числа мономерных звеньев растворимость полисахаридов уменьшается, сладкий вкус исчезает. Биологическая роль углеводов - источник энергии.

Моносахариды - это твердые бесцветные кристаллические вещества, которые хорошо растворяются в воде и очень плохо (или совсем не) растворяются в органических растворителях. Среди моносахаридов различают триозы, тетрозы, пентозы и гексозы. Среди олигосахаридов наиболее распространенными являются дисахариды (мальтоза, лактоза, сахароза). Полисахариды наиболее часто встречаются в природе (целлюлоза, крахмал, хитин, гликоген). Их мономерами являются молекулы глюкозы. В воде растворяются частично, набухая образуют коллоидные растворы.

Белки - непериодические полимеры, мономерами которых являются аминокислоты. В состав всех белков входят атомы углерода, водорода, кислорода, азота. Во многие белки, кроме того, входят атомы серы. Есть белки, в состав которых входят также атомы металлов - железа, цинка, меди. Наличие кислотной и основной групп обусловливает высокую реактивность аминокислот. Из аминогруппы одной аминокислоты и карбоксила другой выделяется молекула воды, а освободившиеся электроны образуют пептидную связь: CO-NN, поэтому белки называют полипептидами. Молекулы белков - макромолекулы. Известно много аминокислот. Но в качестве мономеров любых природных белков - животных, растительных, микробных, вирусных - известно только 20 аминокислот.

Двадцать аминокислот, входящих в состав природных белков:

Аланин - Ала

Аргинин - Арг

Аспарагин - Асн

Аспарагиновая кислота - Асп

Валин - Вал

Гистидин - Гис

Глицин - Гли

Глутамин - Глн

Глутаминовая кислота - Глу

Изолейцин - Иле

Лейцин - Лей

Лизин - Лиз

Метионин - Мет

Пролин - Про

Серин - Сер

Тирозин - Тир

Треонин - Тре

Триптофан - Три

Фенилаланин - Фен

Цистеин - Цис

В строении молекул белков различают 4 уровня организации:

Первичная структура - полипептидная цепь из аминокислот, связанных в определенной последовательности ковалентными пептидными связями;

Вторичная структура - полипептидная цепь в виде спирали. Между пептидными связями соседних витков и другими атомами возникают многочисленные водородные связи, обеспечивающие прочную структуру;

Третичная структура - специфическая для каждого белка конфигурация - глобула. Удерживается малопрочными гидрофобными связями или силами сцепления между неполярными радикалами, которые встречаются у многих аминокислот.

Четвертичная структура возникает при соединении нескольких макромолекул, образующих агрегаты. Так, гемоглобин крови человека представляет агрегат из четырех макромолекул.

Нарушение природной структуры белка называют денатурацией. Она возникает под воздействием высокой температуры, химических веществ, лучистой энергии и др. факторов.

Роль белка в жизни клеток и организмов:

Строительная (структурная) - белки - строительный материал организма (оболочки, мембраны, органоиды, ткани, органы);

Каталитическая функция - ферменты, ускоряющие реакции в сотни миллионов раз;

Опорно-двигательная функция - белки, входящие в состав костей скелета, сухожилий; движение жгутиковых, инфузорий, сокращение мышц;

Транспортная функция - гемоглобин крови;

Защитная - антитела крови обезвреживают чужеродные вещества;

Энергетическая функция - при расщеплении белков 1 г освобождает 17,6 кДж энергии;

Регуляторная и гормональная - белки входят в состав многих гормонов и принимают участие в регуляции жизненных процессов организма;

Рецепторная - белки осуществляют процесс избирательного узнавания отдельных веществ и их присоединение к молекулам.

Ферменты - белки и биополимеры. Синтезируются в рибосомах. Бывают двух типов: однокомпонентные (состоят только из белка) и двухкомпонентные (из белка и небелкового компонента неорганического [металла] и органического [витамина]).

Почти каждая химическая реакция в клетке катализируется особым ферментом. Обязательным этапом в катализируемой реакции является взаимодействие фермента с веществом, превращение которого он катализирует - с субстратом. Образуется фермент - субстратный комплекс. Активный центр - это участок белковой молекулы, который обеспечивает соединение фермента с субстратом и дает возможность для дальнейших превращений субстрата (это или функциональная группа, или отдельная аминокислота). Фермент ориентирует функциональные группы, входящие в активный центр, чтобы проявилась наибольшая каталитическая активность. Ферменты участвуют в синтезе белка, ДНК и РНК. Они содержатся в слюне, в желудочном соке, в каждой клетке.

Липиды - нерастворимые в воде жиры и жироподобные вещества, состоящие из глицерина и высокомолекулярных жирных кислот. Жиры - сложные эфиры трехатомного спирта глицерина и высших жирных кислот. Животные жиры содержатся в молоке, мясе, подкожной клетчатке. У растений - в семенах, плодах. Кроме жиров в клетках присутствуют и их производные - стероиды (холестерин, гормоны и жирорастворимые витамины А, D, К, Е, F).

Липиды являются:

- структурными элементами мембран клеток и клеточных органелл;

- энергетическим материалом (1г жира, окисляясь, выделяет 39 кДж энергии);

- запасными веществами;

- выполняют защитную функцию (у морских и полярных животных);

- влияют на функционирование нервной системы;

- источник воды для организма (1кг, окисляясь, дает 1,1кг воды).

Нуклеиновые кислоты. Впервые были обнаружены в клеточных ядрах. Биологическое значение нуклеиновых кислот очень велико. Они играют центральную роль в хранении и передаче наследственных свойств клетки, поэтому их часто называют веществами наследственности. Нуклеиновые кислоты обеспечивают в клетке синтез белков, точно таких же, как в материнской клетке и передачу наследственной информации.

Существует два вида нуклеиновых кислот - дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК).

Молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных цепей. ДНК - полимер, мономерами которого являются нуклеотиды. Нуклеотиды - соединения, состоящие из молекулы 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. Удвоение ДНК - редупликация - обеспечивает передачу наследственной информации от материнской клетки к дочерним.

РНК - полимер, по структуре сходный с одной цепочкой ДНК, но меньших размеров. Мономеры РНК - нуклеотиды, состоящие из фосфорной кислоты, углевода рибозы и азотистого основания. Вместо тимина в РНК присутствует урацил. Известны три вида РНК: информационная (и-РНК) - передает информацию о структуре белка с молекулы ДНК; транспортная (т-РНК) - транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка; рибосомная (р-РНК) - содержится в рибосомах, участвует в поддержании структуры рибосомы.

АТФ. Очень важную роль в биоэнергетике клетки играет адениловый нуклеотид, к которому присоединены два остатка фосфорной кислоты. Такое вещество называют аденозинтрифосфорной кислотой (АТФ). АТФ - универсальный биологический аккумулятор энергии: световая энергия солнца и энергия, заключенная в потребляемой пище, запасается в молекулах АТФ. АТФ - неустойчивая структура, при переходе АТФ в АДФ (аденозиндифосфат) выделяется 40 кДж энергии. АТФ образуется в митохондриях клеток животных и при фотосинтезе в хлоропластах растений.

Энергия АТФ используется для совершения химической (синтез белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот), механической (движение, работа мышц) работ; трансформации в электрическую или световую (разряды электрических скатов, угрей, свечение насекомых) энергии.

4. Обмен веществ в клетке. Фотосинтез. Хемосинтез

Все живые организмы на Земле представляют собой открытые системы, способные активно организовывать поступление энергии и веществ извне.

Энергия необходима для осуществления жизненно важных процессов, прежде всего для химического синтеза веществ, используемых для построения структур клетки и организма. Живые существа способны использовать только два вида энергии - световую (энергию солнечного излучения) и химическую (энергию связей химических соединении). По этому признаку организмы делятся на две группы - фототрофы и хемотрофы.

Главным источником структурных молекул является углерод. В зависимости от источников углерода живые организмы делят на две группы: автотрофы, использующие не органический источник углерода (диоксид углерода), и гетеротрофы, использующие органические источники углерода. Пищевые вещества, попавшие в организм, вовлекаются в процессы метаболизма. Метаболизм представляет собой совокупность взаимосвязанных и сбалансированных процессов, включающих разнообразные химические превращения в организме. Реакции синтеза, осуществляющиеся с потреблением энергии, составляют основу анаболизма (пластического обмена или ассимиляции).

Реакции расщепления, сопровождающиеся высвобождением энергии, составляют основу катаболизма (энергического обмена или диссимиляции).

Энергия, высвобождающая при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в форме высокоэнергетических соединений, как правило, в форме аденозинтрифосфата (АТФ). По своей химической природе АТФ относится к мононуклеотидам и состоит из азотистого основания аденина, углевода рибозы и трех остатков фосфорной кислоты.

Энергия, высвобождающаяся при гидролизе АТФ, используется клеткой для совершения всех видов работы. Значительные количества энергии расходуются на биологические синтезы. АТФ является универсальным источником энергообеспечения клетки. Запас АТФ в клетке ограничен и пополняется благодаря процессу фосфорилирования, происходящему с разной интенсивностью при дыхании, брожении и фотосинтезе. АТФ обновляется чрезвычайно быстро (у человека продолжительность жизни одной молекулы АТФ менее 1 минуты).

Синтез АТФ происходит в клетках всех организмов в процессе фосфорилирования, т.е. присоединения неорганического фосфата к АДФ. Энергия для фосфорилирования АДФ образуется в ходе энергетического обмена.

Энергетический обмен, или диссимиляция, представляет собой совокупность реакции расщепления органических веществ, сопровождающихся выделением энергии. В зависимости от среды обитания диссимиляция может протекать в два или три этапа.

У большинства живых организмов - аэробов, живущих в кислородной среде, в ходе диссимиляции осуществляется три этапа: подготовительный, бескислородный, кислородный.

У анаэробов, обитающих в среде лишенной кислорода, или у аэробов при его недостатке, диссимиляция протекает лишь в два первых этапа с образованием промежуточных органических соединений, еще богатых энергией.

Первый этап - подготовительный - заключается в ферментативном расщеплении сложных органических соединении на более простые:белков на аминокислоты; полисахаридов на моносахариды; нуклеиновых кислот на нуклеотиды. Внутриклеточное расщепление органических веществ происходит под действием гидролитических ферментов лизосом. Высвобождающаяся при этом энергия рассеивается в виде теплоты, а образующиеся малые органические молекулы могут подвергнутся дальнейшему расщеплению и использоваться клеткой как "строительный материал" для синтеза собственных органических соединений.

Второй этап - неполное окисление - осуществляется непосредственно в цитоплазме клетки, в присутствии кислорода не нуждается и заключается в дальнейшем расщеплении органических веществ. Главным источником энергии в клетке является глюкоза. Бескислородное-неполное- расщепление глюкозы называют гликолизом.

Третий этап - полное окисление - протекает при обязательном участие кислорода. В его результате молекула глюкозы расщепляется до неорганического диоксида углерода, а высвободившаяся при этом энергия частично расходуется на синтез АТФ.

Пластический обмен, или ассимиляция, представляют собой совокупность реакций, обеспечивающих синтез сложных органических соединений в клетке.

Гетеротрофные организмы строят собственные органические вещества из органических компонентов пищи. Автотрофные организмы способны полностью самостоятельно синтезировать органические вещества из неорганических молекул, потребляемых из внешней среды.

Фотосинтез - синтез органических соединении из неорганических, идущий за счет энергии клетки. Ведущую роль в процессах фотосинтеза играют фотосинтезирующие пигменты, обладающие свойством улавливать свет и превращать в химическую энергию. Главным и наиболее важным в энергетическом плане является пигмент хлорофилла. Фотосинтезирующие пигменты встроены во внутреннюю мембрану пластид у эукариот или во впячивания цитоплазматической мембраны у прокариот.

В процессе фотосинтеза кроме моносахаридов (глюкоза и др.), которые превращаются в крахмал и запасаются растением, синтезируются мономеры других органических соединении - аминокислоты, глицерин и жирные кислоты.

Таким образом, благодаря фотосинтезу растительные, а точнее - хлорофиллосодержащие, клетки обеспечивают себя и все живое на Земле необходимыми органическими веществами и кислородом.

Хемосинтез также представляет собой процесс синтеза органических соединении из неорганических, но осуществляется он не за счет энергии света, а за счет химической энергии, получаемой при окислении неорганических веществ (серы, сероводорода, железа, аммиака, нитрита и др.). Наибольшее значение имеют нитрифицирующие железо- и серобактерии.

Высвобождающаяся в ходе реакций окисления энергия запасается бактериями в виде АТФ и используется для синтеза органических соединений.

Хемосинтезирующие бактерии играют очень важную роль в биосфере. Они участвуют в очистке сточных вод, способствуют накоплению в почве минеральных веществ, повышают плодородие почвы.

5. Мейоз. Особенности первого и второго деления мейоза. Биологическое значение. Отличие мейоза от митоза

Мейоз - процесс образования половых клеток. Он состоит из двух последовательных делений исходной диплоидной клетки (содержат два набора хромосом - 2n) и формирования четырёх гаплоидных половых клеток, или гамет (содержат по одному набору хромосом - n). Уменьшение (редукция) числа хромосом (2nn) происходит за счёт того, что на два деления приходится лишь одно удвоение (репликация) хромосомного материала. При оплодотворении гаплоидные гаметы - яйцеклетка и сперматозоид - сливаются и диплоидное число хромосом, характерное для каждого вида, восстанавливается(n+n2n).

В главных чертах мейоз протекает сходно у разных групп организмов и у особей женского и мужского пола. Два следующих друг за другом деления первичной половой клетки обозначаются как мейоз I и мейоз II.

Подобно делению соматических клеток - митозу, и мейоз I, и мейоз II состоят из четырёх основных стадий - профазы, метафазы, анафазы и телофазы. Вступающая в мейоз клетка диплоидна, а каждая хромосома содержит удвоенное количество ДНК.

В первом мейотическом делении особенно сложна и длительна профаза I (у человека она занимает 22,5 сут). Ее условно делят на пять стадий:

- лептотена - характеризуется увеличением ядра и началом спирализации хромосом,

- зиготена - в процессе этой стадии происходит коньюгация (сближение) гомологичных хромосом, имеющих одинаковую форму и размер, одна получена от матери, другая от отца. Центромера одной точно прилегает к центромере другой хромосомы.

- пахитена - конъюгирующие хромосомы тесно прилегают друг к другу, образуя биваленты. Каждый бивалент состоит из четверки хроматид, число бивалентов становится равным гаплоидному набору хромосом. В процессе дальнейшей спирализации возможен обмен идентичными участками гомологичных хромосом - кроссинговер.



Рис. 3.

- диплотена - под действием сил отталкивания хромосомы начинают отходить друг от друга, оставаясь соединенными в хиазмах(местах перекреста, где происходит кроссинговер), они спирализуются и укорачиваются.

- диакинез - продолжается спирализация и отталкивание, ядрышко и ядерная оболочка растворяются, центриоли клеточного ядра расходятся к полюсам, образуя веретено деления.

В метафазе I мейоза завершается формирование веретена деления. Его нити прикрепляются к центромерам хромосом, объединенных в биваленты, таким образом, что от каждой центромеры идет лишь одна нить к одному из полюсов веретена. В результате нити, связанные с центромерами гомологичных хромосом, направляясь к разным полюсам, устанавливают бивалентны в плоскости экватора веретена деления.

В анафазе I мейоза ослабляются связи между гомологичными хромосомами в бивалентах и они отходят друг от друга, направляясь к разным полюсам веретена деления. При этом к каждому полюсу отходит гаплоидный набор хромосом, состоящих из двух хроматид.

В телофазе I мейоза у полюсов веретена собирается одинарный, гаплоидный набор хромосом, каждая из них содержит удвоенное количество ДНК. Формула генетического материала образующихся дочерних клеток соответствует п 2с.

Особенностью мейоза в овогенезе является наличие специальной стадии - диктиотены, отсутствующей в сперматогенезе. На этой стадии, достигаемой у человека еще в эмбриогенезе, хромосомы, приняв особую морфологическую форму "ламповых щеток", прекращают какие-либо дальнейшие структурные изменения на многие годы. По достижении женским организмом репродуктивного возраста под влиянием лютеинизирующего гормона гипофиза, как правило, один овоцит ежемесячно возобновляет мейоз.

После мейоза I обычно сразу или после короткой интерфазы, во время которой удвоение хромосом не происходит, следует мейоз II.

Профаза II - происходит конденсация хромосом, клеточный центр делится и продукты его деления расходятся к полюсам ядра, разрушается ядерная оболочка, образуется веретено деления.

Метафаза II - унивалентные хромосомы (состоящие из двух хроматид каждая) располагаются на "экваторе" (на равном расстоянии от "полюсов" ядра) в одной плоскости, образуя так называемую метафазную пластинку.

Анафаза II - униваленты делятся и хроматиды расходятся к полюсам.

Телофаза II - хромосомы деспирализуются и появляется ядерная оболочка.

Это деление аналогично митозу с той разницей, что делятся гаплоидные клетки. В анафазе II сестринские хроматиды разделяются и, став хромосомами, расходятся к полюсам. Число хромосом и количество ДНК приходят в соответствие, и мейоз II завершается образованием четырёх гаплоидных гамет, каждая из которых несёт уникальный генетический материал.

Мейоз - один из ключевых биологических процессов. Его значение состоит в поддержании в поколениях постоянства хромосомных наборов (кариотипов), т.е. в обеспечении наследственности, и в создании новых сочетаний отцовских и материнских генов, т.е. в обеспечении генотипической изменчивости.

Мейоз имеет несколько принципиальных различий по сравнению с митозом.

При мейозе из одной диплоидной клетки образуются четыре гаплоидных, при митозе - две аналогичных диплоидных.

В процессе мейоза происходит конъюгация с образованием бивалентов и кроссинговер, дающий возможность перекомбинации наследственного материала, при митозе этого нет - дочерние клетки точно копируют материнскую (исключения - мутации).

Мейоз имеет место во время во время овогенеза и сперматогенеза в половых клетках, митоз же обеспечивает клеточный механизм процессов роста, регенерации, бесполого размножения организма.

6. Формы биологических связей в природе. Симбиоз, его виды. Паразитизм как биологический феномен. Примеры

Ничто в природе не существует само по себе. Все живое прямо или косвенно взаимодействует между собой. Эта взаимосвязь определяет основные условия жизни в сообществе, предоставляя возможность добывания пищи и завоевывания нового пространства.

Живые организмы поселяются друг с другом не случайно, а образуют определенные сообщества, приспособленные к совместному обитанию. По направленности действия на организм все воздействия подразделяются на позитивные, негативные и нейтральные. В структуре экосистемы преобладают взаимоотношения, при которых один из видов извлекает пользу, а другому наносит вред.

Позитивные отношения, при которых совместная жизнь организмов приносит обоюдную пользу, называются симбиозом. Есть несколько форм симбиоза:

Кооперация - при этой форме совместное существование выгодно для обоих.

Примером является симбиоз раков-отшельников с актиниями или губками. Во всех морях встречаются актинии, поселяющиеся на раковинах моллюсков, в которых живет рак-отшельник. При передвижении рак таскает с собой раковину с сидящей на ней актинией, благодаря чему последняя получает возможность менять место и находить все новые, богатые пищей места и свежую, насыщенную кислородом воду. Кроме того, актиния питается остатками пищи рака. С другой стороны, рак-отшельник находится под защитой актинии, щупальца которой вооружены стрекательными клетками. Наличие у актиний такого мощного стрекательного аппарата отпугивает от нее и ее симбионта даже таких опасных хищников, как каракатицы. Активной стороной в этом симбиозе обычно бывает рак, который с помощью своих клешней отрывает партнера от субстрата и пересаживает на свою раковину.

Мутуализм - форма симбиоза, выгодная для обоих симбионтов, при котором ни одна из сторон не может существовать без другой.

Типичным примером мутуализма является сожительство некоторых жгутиковых и термитов. Термит, потребляя древесную пищу, не может сам переваривать древесину. Живущие же в его кишечнике жгутиковые питаются этой древесиной, причем продукты ее разложения усваиваются вторым симбионтом.

Общеизвестен пример симбиоза водорослей с грибами, приводящего к возникновению особых органических форм - лишайников, в которых грибы получают от водорослей, содержащих хлорофилл, органическую пищу, снабжая их в свою очередь водой и растворенными в ней минеральными веществами. Примером мутуалистических взаимоотношений является сожительство человека с микрофлорой его кишечника, основным компонентом которой являются разнообразные штаммы бактерий кишечной палочки Escherichia coli.

Комменсализм - симбиотические взаимоотношения между двумя видами, когда один вид питается за счет другого, не нанося ему никакого ущерба. Рыбы-лоцманы, следующие за акулами, черепахами, дельфинами, кормятся остатками пищи этих животных, а также их экскрементами и паразитами. Такие отношения между видами называют нахлебничеством (один из вариантов комменсализма). Другая форма комменсализма получила название квартиранства: в полости голотурии "морского огурца" находят убежище разнообразные мелкие виды животных. На деревьях поселяются водоросли, лишайники, мхи, орхидеи - они питаются за счет фотосинтеза и отмирающих тканей хозяина, но не их соками. Еще один вид комменсализма - сотрапезничество - подразумевает потребление разных веществ из одного и того же ресурса. Например, сапрофиты, перерабатывающие разные органические вещества из перегнивших растительных остатков.

Нейтральные взаимоотношения - форма взаимоотношений, при которых обитающие на одной территории организмы не влияют друг на друга. Они не связаны друг с другом непосредственно, но одинаково зависят от состояния сообщества в целом. Например, белки и лоси, обитая в одном лесу, практически не контактируют друг с другом. Однако угнетение леса длительной засухой либо оголение его при массовом размножении вредителей сказывается на каждом из этих видов, хотя и в неодинаковой степени.

К антибиотическим (отрицательным) отношениям можно отнести следующие формы отношений: конкуренцию, паразитизм, хищничество, аменсализм.

Если популяции являются антагонистами в борьбе за пищу, место обитания и другие необходимые для жизни факторы, то их отношения называют конкуренцией.

При аменсализме страдает один вид, а другой развивается нормально: например, плесневый гриб Penicillium выделяет пенициллин - вещество, подавляющее рост различных бактерий, но бактерии не оказывают влияния на плесневый гриб. При клинических испытаниях пенициллина было выявлено, что при его применении увеличилось число грибковых заболеваний, поскольку в естественных условиях развитие грибов сдерживается присутствием бактерий.

В природе возникают ситуации, когда один вид наносит ущерб другому, но в то же время не может существовать без него. Такой тип взаимоотношений называют либо паразитизмом (когда представители какого-либо вида обитают внутри или на поверхности другого - например, паразитические черви, обитающие внутри млекопитающих и человека), либо хищничеством (когда представители одного вида ловят и поедают представителей другого - например, отношения между волками и грызунами и др.).

Паразитический образ жизни могут вести самые разнообразные организмы, не имеющие между собой ничего общего. Паразитизм известен в царстве Вирусы, среди прокариотических организмов, в царствах Грибы, Растения, Животные. Все вирусы являются паразитами. Их изучает отдельная наука - вирусология. Паразитические прокариоты изучаются микробиологией, паразитические грибы - микологией, паразитизм в растительном мире - фитопатологией, паразиты-животные, или зоопаразиты, - паразитологией.

От общего числа известных видов животных зоопаразиты составляют 6-7%.

Формы паразитизма чрезвычайно многообразны, и классификация их возможна по разным основаниям. С точки зрения обязательности паразитического образа жизни для данного вида различают истинный и ложный, а также облигатный и факультативный паразитизм.

При истинном паразитизме взаимоотношения между паразитом и хозяином являются закономерными и имеют эволюционную основу. Паразитология изучает в основном феномен истинного паразитизма.

Ложный паразитизм - явление для данного вида случайное. В нормальных условиях данный вид ведет свободный образ жизни. При попадании в организм хозяина ложный паразит может некоторое время сохранять жизнеспособность и нарушать жизнедеятельность хозяина. Примерами ложного паразитизма являются случаи обнаружения пиявок в носовой полости и носоглотке человека. Ложный паразитизм пиявок может привести хозяина к смерти в связи с закупоркой дыхательных путей или из-за носовых кровотечений, которые они могут вызвать.

Облигатный паразитизм - паразитизм, являющийся обязательным для данного вида организмов. Абсолютное большинство видов паразитов относятся к этой группе.

Факультативные паразиты способны вести свободный образ жизни, но, попадая в организм хозяина, проходят в нем часть цикла своего развития и нарушают его жизнедеятельность. Таковы многие виды синантропных мух, личинки которых могут нормально развиваться либо в пищевых продуктах человека, либо в его кишечнике, вызывая кишечный миаз.

...