1. Биология. Жизнь, происхождение. Уровни организации жизни. Термин биология
 Скачать 0.87 Mb.
|
|
1.Биология. Жизнь, происхождение. Уровни организации жизни. Термин биология (от греч. биос — жизнь, логос — наука) - введен в начале XIX в. независимо Ж.-Б. Ламарком и Г. Тревиранусом для обозначения науки о жизни как особом явлении природы. В настоящее время его используют и в ином смысле, относя к группам организмов, вплоть до вида (биология микроорганизмов, биология северного оленя, биология человека), биоценозам (биология арктического бассейна), отдельным структурам (биология клетки). Предметом биологии как учебной дисциплины служит жизнь во всех ее проявлениях: строение, физиология, поведение, индивидуальное (онтогенез) и историческое (эволюция, филогенез) развитие организмов, их взаимоотношение друг с другом и с окружающей средой. Жизнь, происхождение: К примеру, жизнь определяли как «совокупность функций, сопротивляющихся смерти» (М. Биша); «химическую функцию» (А. Лавуазье); «сложный химический процесс» (И. П. Павлов). Неудовлетворенность ученых этими определениями понятна. Наблюдения показывают, что свойства живого не носят исключительного характера и по отдельности обнаруживаются среди объектов неживой природы. Определение жизни как «особой, очень сложной формы движения материи» (А. И. Опарин) отражает ее качественное своеобразие, несводимость биологических законов к химическим и физическим. Однако оно носит общий характер, не раскрывая конкретного содержания этого своеобразия. В практическом отношении полезны определения, основанные на выделении комплекса свойств, который обязателен для живых форм. Одно из них характеризует жизнь как макромолекулярную открытую систему, которой свойственны иерархическая организация, способность к самовоспроизведению, обмен веществ, тонко регулируемый поток энергии Существуют две главные гипотезы, по-разному объясняющие появление жизни на Земле. Согласно гипотезе панспермии, жизнь занесена из космоса либо в виде спор микроорганизмов, либо путем намеренного «заселения» планеты разумными пришельцами из других миров. В середине прошлого столетия Л. Пастер окончательно доказал невозможность самозарождения жизни в теперешних условиях. В 20-х годах текущего столетия биохимики А. И. Опарин и Дж. Холдейн предположили, что в условиях, имевших место на планете несколько миллиардов лет назад, образование живого вещества было возможно. К таким условиям они относили наличие атмосферы восстановительного типа, воды, источников энергии (в виде ультрафиолетового (УФ) и космического излучения, теплоты остывающей земной коры, вулканической деятельности, атмосферных электрических явлений, радиоактивного распада), приемлемой температуры, а также отсутствие других живых существ. Главные этапы на пути возникновения и развития жизни, по-видимому, состоят в: 1) образовании атмосферы из газов, которые могли бы служить «сырьем» для синтеза органических веществ (метана, оксида и диоксида углерода, аммиака, сероводорода, цианистых соединений), и паров воды; 2) абиогенном (т.е. происходящем без участия организмов) образовании простых органических веществ, в том числе мономеров биологических полимеров — аминокислот, Сахаров, азотистых оснований, АТФ и других мононуклеотидов; 3) полимеризации мономеров в биологические полимеры, прежде всего белки (полипептиды) и нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды); 4) образовании предбиологических форм сложного химического состава — протобионтов, имеющих некоторые свойства живых существ; 5) возникновении простейших живых форм, имеющих всю совокупность главных свойств жизни,—примитивных клеток; 6) биологической эволюции возникших живых существ. Возможность абиогенного образования органических веществ, включая мономеры биологических полимеров, в условиях, бывших на Земле около 4 млрд. лет назад, доказана опытами химиков. В лабораторных условиях при пропускании электрических разрядов через различные газовые смеси, напоминающие примитивную атмосферу планеты, а также при использовании других источников энергии ученые получали среди продуктов реакций аминокислоты (аланин, глицин, аспарагиновую кислоту), янтарную, уксусную, молочную кислоты, мочевину, азотистые основания (аденин, гуанин), АДФ и АТФ. Низкомолекулярные органические соединения накапливались в водах первичного океана в виде первичного бульона. Последнее повышало концентрацию этих веществ, создавая тем самым лучшие условия для полимеризации. Предбиологическая эволюция протобионтов осуществлялась в трех главных направлениях. Важное значение имело совершенствование каталитической (ферментной) функции белков. Во-вторых, исключительная роль в эволюции протобионтов принадлежит приобретению полинуклеотидами способности к самовоспроизведению, что сделало возможным передачу информации от поколения к поколению, т.е. сохранение ее во времени. В основе этой способности лежит матричный синтез. Механизм матричного синтеза был использован также для переноса информации с полинуклеотидов на полипептиды. Третье главное направление эволюции протобионтов состояло в возникновении мембран. Отграничение от окружающей среды мембраной с избирательной проницаемостью превращает протобионт в устойчивый набор макромолекул, стабилизирует важные параметры обмена веществ на основе специфического катализа. Различают уровни организации живой материи - уровни биологической организации: молекулярный, клеточный, тканевый, органный, организменный, популяционно-видовой и экосистемный. Молекулярный уровень организации - это уровень функционирования биологических макромолекул - биополимеров: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, липидов, стероидов. С этого уровня начинаются важнейшие процессы жизнедеятельности: обмен веществ, превращение энергии, передача наследственной информации. Этот уровень изучают: биохимия, молекулярная генетика, молекулярная биология, генетика, биофизика. Клеточный уровень - это уровень клеток (клеток бактерий, цианобактерий, одноклеточных животных и водорослей, одноклеточных грибов, клеток многоклеточных организмов). Клетка - это структурная единица живого, функциональная единица, единица развития. Этот уровень изучают цитология, цитохимия, цитогенетика, микробиология. Тканевый уровень организации - это уровень, на котором изучается строение и функционирование тканей. Исследуется этот уровень гистологией и гистохимией. Органный уровень организации - это уровень органов многоклеточных организмов. Изучают этот уровень анатомия, физиология, эмбриология. Организменный уровень организации - это уровень одноклеточных, колониальных и многоклеточных организмов. Специфика организменного уровня в том, что на этом уровне происходит декодирование и реализация генетической информации, формирование признаков, присущих особям данного вида. Этот уровень изучается морфологией (анатомией и эмбриологией), физиологией, генетикой, палеонтологией. Популяционно-видовой уровень - это уровень совокупностей особей - популяций и видов. Этот уровень изучается систематикой, таксономией, экологией, биогеографией, генетикой популяций. На этом уровне изучаются генетические и экологические особенности популяций, элементарные эволюционные факторы и их влияние на генофонд (микроэволюция), проблема сохранения видов. Экосистемный уровень организации - это уровень микроэкосистем, мезоэкосистем, макроэкосистем. На этом уровне изучаются типы питания, типы взаимоотношений организмов и популяций в экосистеме, численность популяций, динамика численности популяций, плотность популяций, продуктивность экосистем, сукцессии. Этот уровень изучает экология. Выделяют также биосферный уровень организации живой материи. Биосфера - это гигантская экосистема, занимающая часть географической оболочки Земли. Это мега-экосистема. В биосфере происходит круговорот веществ и химических элементов, а также превращение солнечной энергии. 2. Живая система-определение и свойства. Уровни организации живых систем. Живая система — единство, состоящее из самоорганизующихся, самовоспроизводящихся элементов, активно взаимодействующих с окружающей средой, имеющее специфические признаки присущие живым существам. Свойства: Целостность и Дискретность (Живая система дискретна, так как состоит из отдельных, но взаимодействующих между собой частей, которые в свою очередь также являются живыми системами.) Структурированность Противоэнтропийная направленность Открытость живых систем. (Используют внешние источники энергии в виде пищи, света и т.д) Единство химического состава (В живых организмах – 98% химического состава приходится на шесть элементов: кислород (–62%), углерод (–20%), водород (–10%), азот (–3%), кальций (–2,5%), фосфор (–1,0%)) Саморегуляция и самоорганизация (Саморегуляция – свойство живых систем устанавливать и поддерживать на определённом уровне те или иные физиологические показатели системы. Самоорганизация – свойство живой системы приспособляться к изменяющимся условиям за счет изменения структуры своей системы управления.) Самовоспроизведение Изменчивость Способность к росту и развитию Раздражимость Уровни организации: Макромолекулярный (Например: Биополимеры) Субклеточный (Клеточные компоненты) Клеточный Тканевой Организменный (организм, органы) Популяционно-видовой Биогеоценотический (экосистемный) 3.Отличия про- и эукариотической клеточной организации. Особенности экспрессии генов у про- и эукариот. Структурно-функциональнаяорганизацияпро-иэукариотическихклеток. Клетки прокариотического типа имеют особенно малые размеры ( не более 0,5-3,0мкм в диаметре) . у них нет морфологически обособленного ядра, т.к. ядерный материал в виде ДНК не отграничен от цитоплазмы оболочкой. В клетке отсутствует развитая система мембран. Генетический аппарат образован единственной кольцевой хромосомой, которая лишена основных белков- гистонов. У прокариот отсутствует клеточный центр. Для них не типичны внутриклеточные перемещения цитоплазмы и амебоидное движение. Время , необходимое для образования двух дочерних клеток ( время генерации), сравнительно мало и исчисляется десятками минут. Прокариотические клетки не делятся митозом. К этому типу клеток относятся бактерии и сине-зеленые водоросли. Эукариоты Особенностью организмов простейших является то, что они (исключая колониальные формы) соответствуют в структурном отношении уровню одной клетки, а в физиологическом — полноценной особи. В связи с этим одной из черт клеток части простейших является наличие в цитоплазме миниатюрных образований, выполняющих на клеточном уровне функции жизненно важных органов многоклеточного организма. Таковы (например, у инфузорий) цитостом, цитофарингс и порошица, аналогичные пищеварительной системе, и сократительные вакуоли, аналогичные выделительной системе. Клетки многоклеточных организмов имеют оболочку. Плазмолемма ( клеточная оболочка) образована мембраной покрытой снаружи слоем гликокаликса. В клетке выделяют ядро и цитоплазму. В ядре есть оболочка, ядерный сок, ядрышко , хроматин. Цитоплазма представлена основным веществом( матрикс, гиалоплазма), в котором распределены включения и органеллы( шероховатая и гладкая эпс, пластинчатый комплекс, митохондрии, рибосомы, полисомы, лизосомы, пероксисомы, микрофибриллы, микротрубочки, центриоли клеточного центра. В растительных клетках выделяют еще и хлоропласты. Экспрессия генов- это совокупность процессов в клетке обеспечивающих реализацию информации гена в признак. а. Этапы экспрессии генов у эукариот. В сформированном организме эукариот экспрессия структурных генов несущих информацию о структуре белка состоит из нескольких этапов: транскрипции – процессинга – трансляции – фолдинга – биохимического процесса, участником которого является белок-фермент – физиологической реакции и признака. Транскрипция — процесс синтеза РНК с использованием ДНК в качестве матрицы, Процессинг-процесс формирования зрелых молекул РНК из их предшественников. Трансляция — процесс синтеза белка из аминокислот на матрице информационной (матричной) РНК (иРНК, мРНК), осуществляемый рибосомой. Фолдинг-процесс спонтанного сворачивания полипептидной цепи в уникальную нативную пространственную структуру (так называемая третичная структура). Но для некоторых структурных генов, кодирующих ферменты, этапы экспрессии могут быть другие. Например, может отсутствовать фолдинг, может отсутствовать физиологический процесс и биохимический цикл может сразу реализоваться в какой-либо признак и т.д. б. Особенности экспрессии генов у прокариот сходны с таковыми для эукариот. Однако есть отличия · В реализации генетической информации у прокариот отсутствует этап называемый процессинг. · Поскольку в прокариотической клетке отсутствует пространственное разграничение ядра и цитоплазмы, а так же по ряду других причин у прокариот процессы транскрипции иРНК и трансляции с этой иРНК информации происходят одновременно. · Цепочка реализации гена в признак у прокариот короче т.к. упрощён (или отсутствует) громоздкий аппарат физиологических реакций. 4. Молекулярно-генетический уровень организации жизни. Нуклеиновые кислоты и белки, их строение и значение. Генетический код и его свойства. Молекулярно-генетический уровень организации жизни. Молекулярный уровень является глубинным в организации живого и представлен молекулами нуклеиновых кислот, белков, жиров, липидов, углеводов и стероидов, находящихся в клетках и получивших название биологических молекул. На этом уровне начинаются все важнейшие процессы в организме. Основная масса всех химических элементов составлена углеродом, кислородом, водородом и азотом. Большинство соединений в клетке – белки и нуклеиновые кислоты. Их макромолекулы – полимеры. У всех живых организмов (кроме РНК-содержащих вирусов) наследственная информация заключена в ДНК. В качестве поставщика энергии используют химические соединения (например, АТФ). АТФ у всех организмов образуется в схожих путях. Гены соединяются в группы сцепления на хромосомах. В перечне всеобщих, обусловленных структурой эволюционного процесса, уровней организации земной жизни молекулярно-генетический уровень занимает первую строку. Элементарной структурой на этом уровне является ген, определяемый как фрагмент молекулы ДНК, несущий определенный объем биологически целесообразной (полезной для жизнедеятельности, репродукции и индивидуального развития) генетической информации. Элементарное явление на этом уровне состоит в ковариантной редупликации ДНК, т. е. в самоудвоении молекул нуклеиновой кислоты путем самокопирования с некоторым количеством ошибок. Такого рода ошибки (генные, истинные мутации) сохраняются в ряду поколений клеток и особей. Кроме генных мутаций, имеются также хромосомные и геномные мутации, к которым, однако, неприложимо определение «истинные». Различия состоят в том, что генные мутации способны производить принципиально новую биологическую информацию, тогда как хромосомные и геномные мутации заключаются либо в изменении количества (дозы) уже имеющейся информации, либо в появлении ее новых комбинаций. Вне явлений наследственности и изменчивости, обусловливающих в своем взаимодействии консерватизм и динамичность структур и функций в мире жизни, реальность появления и сохранения во времени новых адаптаций (приспособлений) и, следовательно, процесс биологической эволюции, невозможны. Нуклеиновые кислоты Являются макромолекулами, молекулярная масса которых варьируется от 20 тысяч до десятка миллиардов (РНК от десятков тысяч до нескольких миллионов, а ДНК от миллионов до миллиардов). Эти полимеры состоят из мономеров – нуклеотидов. Нуклеотид состоит из 3х компонентов – остатка фосфорной кислоты, пентозы и азотистого основания, при этом пентоза и азотистое основание составляют нуклеозид. Нуклеозид соединен с фосфатной группой сложноэфирной связью (через O). Затем образуется вторичная структура – спираль (в случае ДНК двойная). Комплементарные связи между пуриновыми (аденин, гуанин) и пиримидиновыми (цитозин, урацил, тимин) азотистыми основаниями представлены водородными связями. Третичная связь нуклеиновых кислот представлена в виде линейной, кольцевой, суперкольцевой и компактной клубковой форм. Между этими формами переход осуществляется особыми ферментами – топоизомеразами. Белки Макромолекулы, состоящие из 20 α-аминокислот (канонических аминокислот) в результате поликонденсации в присутствии ферментов. Молекулярная масса варьируется от 10.000 до 1 000 000 и выше. Первичная структура Пептидная связь -NH-COO- Вторичная структура Альфа-структура, бета-структура и неупорядоченная структура. В основном водородные связи. Третичная структура Пространственное расположение белка Четвертичная структура (необязательная) Возникает в случае взаимодействия нескольких полипептидов (субъединиц). В растворах при пропускании света образуется эффект Тиндаля. Генети́ческий код — свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов. В ДНК используется четыре азотистых основания — аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (T), которые в русскоязычной литературе обозначаются буквами А, Г, Ц и Т. Эти буквы составляют алфавит генетического кода. В РНК используются те же нуклеотиды, за исключением нуклеотида, содержащего тимин, который заменён похожим нуклеотидом, содержащим урацил, который обозначается буквой U (У в русскоязычной литературе). В молекулах ДНК и РНК нуклеотиды выстраиваются в цепочки и, таким образом, получаются последовательности генетических букв. Генетический код Белки практически всех живых организмов построены из аминокислот всего 20 видов. Эти аминокислоты называют каноническими. Каждый белок представляет собой цепочку или несколько цепочек аминокислот, соединённых в строго определённой последовательности. Эта последовательность определяет строение белка, а следовательно все его биологические свойства. Реализация генетической информации в живых клетках (то есть синтез белка, кодируемого геном) осуществляется при помощи двух матричных процессов: транскрипции (то есть синтеза мРНК на матрице ДНК) и трансляции генетического кода в аминокислотную последовательность (синтез полипептидной цепи на мРНК). Для кодирования 20 аминокислот, а также сигнала «стоп», означающего конец белковой последовательности, достаточно трёх последовательных нуклеотидов. Набор из трёх нуклеотидов называется триплетом. Принятые сокращения, соответствующие аминокислотам и кодонам, изображены на рисунке. Свойства Триплетность — значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов (триплет, или кодон). Непрерывность — между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно. Неперекрываемость — один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов (не соблюдается для некоторых перекрывающихся генов вирусов, митохондрий и бактерий, которые кодируют несколько белков, считывающихся со сдвигом рамки). Однозначность (специфичность) — определённый кодон соответствует только одной аминокислоте (однако, кодон UGA у Euplotes crassus кодирует две аминокислоты — цистеин и селеноцистеин) Вырожденность (избыточность) — одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов. Универсальность — генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности — от вирусов до человека (на этом основаны методы генной инженерии. Помехоустойчивость — мутации замен нуклеотидов, не приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют консервативными; мутации замен нуклеотидов, приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют радикальными. Знаки препинания — триплеты выполняют функцию знаков препинания. 5. Химическая и структурная организация хромосом эукариот. Эу- и гетерохроматин. Интерфазные и митотические хромосомы. Химический состав хромосом эукариотических клеток: Большая часть ДНК и белки (гистоновые(60-80% ) и негистоновые). РНК и липиды. В малых количествах- полисахариды, ионы металлов(Са, Мg). Гистоны учувствуют в процессе компактизации хроматина. Структурная организация эукариотической хромосомы: В основе структуры хроматина находится фибрилла, представляющая собой цепочку повторяющихся единиц-нуклеосом. Нуклеосомный уровень. Нуклеосомная нить (диаметр-11нм)- образуют гистоны Н2А, Н2В, Н3, Н4. Нуклеомерный. Хроматиновая фибрилла(д-30 нм)- образуют Н1, скручивает нуклеосомную нить в спираль. Хромомерный. Петельно-доменный уровень (д-300 нм)- образуют негистоновые белки. Хромонемный (д-700 нм)-фибриллы диаметром 300 нм складываются по длине и превращаются в метафазные хроматиды. Хроматидный (д-1400 нм)-состоит из двух хроматид. Эу- и гетерохроматин: Эухроматин-низкая степень компактизации и, следовательно , не плотно упакованный хромосомный материал. Гетерохроматин- высокая степень компактизации. Выделяют факультативный и конститутивный гетерохроматин. Факультативная гетерохроматизация-инструмент выключения из функционирования групп хромосом, геномов или генов на известных стадиях онтогенеза или в соответствующих физиологических условиях (пример: тельце Барра) Конститутивная гетерохроматизация- постоянство локализации гетерохроматизированных участков по длине хромосом и сохранением названного состояния хроматина во времени. Интерфазные и митотические хромосомы: Митотические хромосомы образуются в клетке во время митоза. Это неработающие хромосомы, и молекулы ДНК в них уложены чрезвычайно плотно. Благодаря компактности митотических хромосом обеспечивается равномерное распределение генетического материала между дочерними клетками при митозе. Интерфазными называются хромосомы (хроматин), характерные для стадии интерфазы клеточного цикла. В отличие от митотических это работающие хромосомы: они участвуют в процессах транскрипции и репликации. ДНК в них уложена рыхло, чем в митотических хромосомах. 6. Этапы реализации генетической информации у эукариот. Транскрипция и посттранс- крипционные преобразования.. Реализация генетической информации – это путь от гена к признаку. В основе признака лежит белок. Ген – это участок молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), содержащий информацию о строении белка, а также т- или р-РНК. То есть реализация генетической информации – это синтез белка. Этапы реализации генетической информации: Транскрипция Посттранскрипционные процессы Трансляция Посттрансляционные процессы |