биология. 1. Свойства жизни и уровни организации живых систем. Клетка как элементарная структурная и функциональная единица живого. Основные положения клеточной теории
 Скачать 157.87 Kb.
|
|
1.Свойства жизни и уровни организации живых систем. Клетка как элементарная структурная и функциональная единица живого. Основные положения клеточной теории. Самосохранение(СИСТЕМА МЕМБРАН), Саморегуляция(система получения и превращения энергии), Самовоспроизведение(Репликация ,Транскрипция, Трансляция) Доорганизменный: Молекулярный Организменный: Тканевый Клеточный Органный Организменный Надорганизменный: Популяционно-видовой Биоценотический Биосферный Молекулярный уровень. Молекулярный уровень несет отдельные, хотя и существенные признаки жизни. На этом уровне обнаруживается удивительное однообразие дискретных единиц. Основу всех животных, растений и вирусов составляют 20 аминокислот и 4 одинаковых азотистых основания, входящих в состав молекуnл нуклеиновых кислот. У всех организмов биологическая энергия запасается в виде богатой энергией аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Наследственная информация у всех заложена в молекулах дизоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), способной к самовоспроизведению. Реализация наследственной информации осуществляется при участии молекул рибонуклеиновой кислоты (РНК). На этом уровне осуществляются важнейшие процессы ж/д Клеточный уровень. Клетка является основной самостоятельно функционирующей элементарной биологической единицей, характерной для всех живых организмов. У всех организмов только на клеточном уровне возможны биосинтез и реализация наследственной информации. Клеточный уровень у одноклеточных организмов совпадает с организменным. В истории жизни на нашей планете был такой период (первая половина протерозойской эры – 2 млрд лет назад), когда все организмы находились на этом уровне организации. Из таких организмов состояли все виды, биоценозы и биосфера в целом. Тканевый уровень. Совокупность клеток с одинаковым типом организации составляет ткань. Тканевый уровень возник вместе с появлением многоклеточных животных и растений, имеющих различающиеся между собой ткани. Большое сходство между всеми организмами сохраняется на тканевом уровне. Органный уровень. Совместно функционирующие клетки, относящиеся к разным тканям, составляют органы. Всего лишь шесть основных тканей входят в состав органов всех животных и шесть основных тканей образуют органы у растений. Организменный уровень. На организменном уровне обнаруживается чрезвычайно большое многообразие форм. Разнообразие организмов, относящихся к разным видам, а также в пределах одного вида, объясняется не разнообразием дискретных единиц низшего порядка - клеток, тканей, органов, а усложнением их комбинаций, обеспечивающих качественные особенности организмов. В настоящее время на Земле обитает более миллиона видов животных и около полумиллиона видов растений. Каждый вид состоит из отдельных индивидуумов (организмы, особи), имеющих свои отличительные черты. На этом уровне происходит реализация генетической информации. Популяционно-видовой уровень. Совокупность организмов одного вида, населяющих определенную территорию, составляет популяцию. Популяция – это надорганизменная живая система, которая является элементарной единицей эволюционного процесса; в ней начинаются процессы видообразования. Популяция входит в состав биоценозов Биоценотический уровень. Биогеоценозы – исторически сложившиеся устойчивые сообщества популяций различных видов, связанных между собой и окружающей средой обменом веществ, энергии и информации. Они являются элементарными системами, в которых осуществляется вещественно-энергетический круговорот, обусловленный жизнедеятельностью организмов. На этом уровне осуществляются вещественно- энергетические круговороты, связаные с ж/д организмов. Биосферный уровень. Биогеоценозы в совокупности составляют биосферу и обусловливают все процессы, протекающие в ней. Осуществляется объединение всех круговоротов в единый биосферный. КЛЕТКА — элементарная структурная и функциональная единица растительных и животных организмов, способная к самовоспроизведению и развитию. Нек-рые микроорганизмы, напр, бактерии, многие водоросли, грибы и простейшие, могут состоять из одной клетки. Многоклеточные организмы, к к-рым относятся все высшие растения, животные и человек, построены из большого количества различных клеток, объединенных в ткани и органы. Клеточная теория: Шлейден ,Шванн(1838-1839) 1. Клетка - наименьшая единица живого. а) Имеется в виду, что отдельные компоненты клетки (ядро, митохондрии и т.д.) не могут полноценно существовать в изолированном состоянии: в них быстро развиваются процессы аутолиза и дегенерации. б) В отличие от этого, многие клетки удаётся длительно культивировать в подходящей питательной среде с сохранением их жизнедеятельности. 2. Клетки сходны по общему плану строения (имеют 3 основных компонента): а) плазматическую мембрану, которая отделяет содержимое клетки от внеклеточной среды, б) ядро, содержащее наследственный материал (ДНК), связанный с ядерными белками, в) цитоплазму - внеядерную часть клетки, включающую гомогенную гиалоплазму и многочисленные цитоплазматические структуры. Исключение составляют эритроциты, которые у млекопитающих лишены ядра 3. Клетки размножаются только путём деления ("каждая клетка - из клетки"). а) Не все клетки способны к делению: многие клетки, выполняющие сложные функции, в процессе своего созревания утратили эту способность. б) Но появление новых клеток происходит только путём деления таких клеток, которые способны делиться. 4. В организме клетки функционируют не изолированно, а в тесной связи друг с другом, образуя единое целое (ткани, органы, системы органов). а) Поэтому клетки весьма различны: одни настроены на выполнение одного круга функций, другие - другого. б) Отсюда - различия структуры клеток и образуемого ими межклеточного вещества. 2. Структурно – функциональная организация про- и эукариотических клеток. Прокариоты: Размеры клеток не более 10 мкм, обычно 0,5-3мкм ,отсутствует развитая система мембран, отсутствует клеточный центр, отсутствуют большинство органелл ,отсутствующие органеллы заменяют выросты цитоплазматической мембраны-мезосомы, отсутствует циклоз- движение цитоплазмы ,рибосомы прокариот отличаются от рибосом эукариот ,нет ядра. Есть кольцевая молекула ДНК единственной хромосомы ,лишенная белков гистонов. Оболочка (поверхностный аппарат) клеток прокариот сос¬тоит из плазмалеммы (ПМ) и поверхностных структур (кле¬точная стенка, капсула, слизистый чехол, жгутики, ворсинки). Слизистые слои и капсула- Создают дополнительную защиту, Клеточная стенка (КС)- Придает клетке форму, препятствует ее осмотическому набуханию и разрыву. Через поры КС легко проникают вода, ионы, мелкие молекулы.Основной компонент-муреин. Жгутики-обеспечивают передвижение. Ворсинки (пили)- Служат для прикрепления клеток к субстрату или друг к другу; участвуют в транспорте продуктов обмена веществ Плазмалемма (ПМ)- Сходна с ПМ эукариот, но в ней больше белков . Содержит группу липидов которых нет в ПМ эукариот. ПМ не способна к эндо- и экзоцитозу. Эукариоты: Эукариотические клетки имеют структурно оформленное ядро , возникли на базе прокариотических клеток благодаря эндосимбиозу разных прокариотических клеток. Размеры от10 до 100 мкм. Основные компоненты-оболочка, цитоплазма, ядро. Генетический материал сосредоточен преимущественно в хромосомах ядра. Органеллы — постоянные структурные элементы цитоплазмы клетки, имеющие специфическое строение и выполняющие определенные функции. • мембранные органеллы: митохондрии, эндоплазматическая сеть, пластинчатый комплекс, лизосомы, пероксисомы, пластиды; • немембранные органеллы: рибосомы, клеточный центр, микротрубочки, микрофибриллы, микрофиламенты. Специальные органеллы, имеющиеся в цитоплазме только определенных клеток и выполняющие специфические функции этих клеток. Специальные органеллы делятся на: • цитоплазматические — миофибриллы, нейрофибриллы, тонофибриллы; • органеллы клеточной поверхности — реснички, жгутики. 3. Клеточный цикл. Основные варианты клеточного цикла. Жизненный цикл клетки (ЖЦК) - период существования клетки от ее образования путем деления материнской клетки до собственного деления или смерти. Жизненный цикл пролиферирующих клеток (способных к делению) складывается из гетерокаталитической интерфазы(выполнение своих функции) и митотического цикла. В митотическом цикле выделяют период подготовки клетки к делению (автокаталитическая интерфаза) и само деление - митоз. Автокаталитическая интерфаза подразделяется на периоды: G1 (пресинтетический), S (синтетический), G2 (постсинтетический).Митоз(Профаза, Метафаза, Анафаза, Телофаза) Варианты клеточного цикла: 1. Остановка в G0, дифференцировка 2. Остановка в G2, дифференцировка 3. Дробление: G1 отсутствует, S короткий - синхронная репликация, G2 короткий. 4.Деление амитозом Подготовка к делению (автокаталитическая интерфаза) Пресинтетический период(G1)2n2с - Хромосомы однохроматидные, декон-денсированные, при световой микроскопии не выявляются. Накапливаются белки и РНК, увеличивается количество митохондрий. Синтетический период( S)2n4с - Репликация ДНК, хромосомы двухроматидные, деконденсированные, при световой микроскопии не выявляются. Продолжается синтез РНК и белков. Постсинтетический период (G2)2n4c - Остановка синтеза ДНК, хромосомы двухроматидные, деконденсированные, при световой микроскопии не выявляются. Накапливается энергия, синтезируется РНК и белки, формирующие нити веретена деления. 4. Воспроизведение на молекулярном уровне. Репликация ДНК. Реплика́ция ДНК — это процесс синтеза дочерней молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, который происходит в процессе деления клетки на матрице родительской молекулы ДНК. При этом генетический материал, зашифрованный в ДНК, удваивается и делится между дочерними клетками. Репликацию ДНК осуществляет фермент ДНК-полимераза. Хеликаза, топоизомераза и ДНК-связывающие белки расплетают ДНК, удерживают матрицу в разведённом состоянии и вращают молекулу ДНК. Правильность репликации обеспечивается точным соответствием комплементарных пар оснований и активностью ДНК-полимеразы, способной распознать и исправить ошибку. Репликация у эукариот осуществляется несколькими разными ДНК-полимеразами. Далее происходит закручивание синтезированных молекул по принципу суперспирализации и дальнейшей компактизации ДНК. Синтез энергозатратный. Цепи молекулы ДНК расходятся, образую репликационную вилку, и каждая из них становится матрицей, на которой синтезируется новая комплементарная цепь. В результате образуются две новые двуспиральные молекулы ДНК, идентичные родительской молекуле. ФЕРМЕНТЫ и другие БЕЛКИ, обеспечивающие репликацию ДНК: Геликаза — расплетает двойную спираль ДНК. Дестабилизирующие белки — выпрямляют цепи ДНК. ДНК-топоизомераза — разрывает фосфодиэфирные связи в одной из цепей ДНК, снимает напряжение спирали. РНК-праймаза — обеспечивает синтез РНК-затравки для фрагментов Оказаки. ДНК-полимеразы — синтез полинуклеотидной цепи в направлении 5' ->3'. ДНК-лиеаза - сшивает фрагменты Оказаки после удаления РНК-затравки. 5. Воспроизведение на клеточном уровне. Митотический цикл. Митоз. Профаза(2n4с) ----Начало конденсации хромосом, они различимы при световой микроскопии, двухроматидные. Демонтаж ядерной оболочки, исчезновение ядрышка, деление центриолей и расхождение их к полюсам клетки, построение веретена деления. Метафаза(2n4с)----Хромосомы максимально конденсированы, двухроматидные, располагаются в плоскости экватора клетки, хорошо различимы при световой микроскопии. К центромерам прикрепляются нити веретена деления. Анафаза(4n4с)----Деление центромер, расхождение сестринских хроматид к различным полюсам клетки. Хромосомы максимально конденсированы, однохроматидные, различимы при световой микроскопии. Телофаза(2n2с)----Хромосомы однохроматидные, деконденсированные, не выявляемые при световой микроскопии. Формирование ядрышка, цитотомия, образование двух дочерних клеток. 6.Организация наследственного материала у про- и эукариот. Современное понятие о гене эукариот. Генетический материал эукариотической клетки представ¬лен ДНК хромосом ядра, ДНК митохондрий, а в растительной клетке - ДНК хлоропластов. Ядерный наследственный материал человека содержит 46 хромосом, в каждой хромосоме 1 молекула ДНК (2n2с). Хро-мосомы контактируют с оболочкой ядра теломерными района¬ми. Митохондриальный наследственный материал (обеспечи¬вает цитоплазматическую материнскую наследственность) представлен двухнитчатой кольцевой молекулой ДНК, свобод¬ной от белков. Она содержит 16596 пар нуклеотидов. Ее струк¬турные гены контролируют синтез двух различных молекул рРНК, 22 вариантов тРНК и 13 различных белков, включая не¬которые из ферментов окислительного фосфорилирования. Бо¬лее 95% митохондриальных белков кодируется генами ядерной ДНК. ДНК хлоропласта - двухнитчатая, кольцевая, свободная от белков. Содержание G - С-пар нуклеотидов в ДНК хлоро¬пласта значительно отличается от найденного в ядерной и митохондриальной ДНК. Все гены в геноме хлоропласта транс-лируются на собственных рибосомах этой органеллы. Генетический материал прокариотической клетки хромосомной Днк, плазмидами и мигрирующими генетическими элементам. Хромосомная ДНК Одна (п) кольцевая двухцепочечная суперкон-денсированная молекула ДНК. В нескольких местах контактирует с плазмати¬ческой мембраной, что обеспечивает расхож¬дение дочерних ДНК после репликации. Обеспечивает хранение генетической информа¬ции и регуляцию жизнедеятельности клетки. Плазмиды, их виды (факторы) • F-фактор • Col-факторы • R-факторы Внехромосомные кольцевые двухцепочечные молекулы ДНК. Ряд плазмид являются факто-рами устойчивости к условиям среды. Облада-ют способностью встраивать чужеродную ДНК. Обеспечивает способность к передаче генов при конъюгации бактерий. Продуцируют бактериоцины - антибактериальные вещества. Определяют устойчивость бактерий к антиби-отикам и ряду других лекарственных препа-ратов. Мигрирующие гене-тические элементы: • инсерционные по-следовательности (JS -элементы) • транспозоны Сегменты ДНК, способные к перемещению в пределах одного генома или из одного генома в другой. Размеры от 700 до 5000 нуклеотидов. Обнару-живаются в плазмидах, в хромосомной ДНК. Представлены многими копиями и перемещаются с высокой частотой. По-видимому, участвуют в генетической рекомбинации. Размеры от 2000 до 20500 нуклетотидов. В этих сегментах ДНК заключен ген, окруженный инсерционными последовательностями, обеспечивающими передвижение. Способны вклю¬чаться в любую плазмиду. Структурная организация гена: Структура гена Прокариот: это непрерывная последовательность кодирующих нуклеотидов. Функциональная единица генома –оперон- включает несколько структурных генов, работа которых контролируется одними и теми же регуляторными участками ДНК. Структура гена Эукариот имеет мозаичную структуру состоит из: кодирующих(экзонов) и не кодирующих (интронов) участков. Количество интронов 1-60; количество нуклеотидов в них десятки ,тысячи и более . Благодаря мозаичной структуре повышается их информационная емкость, увеличивается степень комбинативной изменчивости, более совершенная регуляция функции генов. Интроны регулируют Процессинг иРНК . Функциональная единица один структурный ген и множество регуляторных участков ДНК. Промотер- Сайт для соединения с РНК полимеразой. Сайленсер-ослабляет транскрипцию . Энхансер –усиливают транскрипцию. Зона кэпирования-для формирования в зрелой иРНК КЭПа метиловой шапочки. Зона полиаденилирования –для формирования в зрелой иРНК полиаденилиового хвоста. Зона терминации транскрипции. 7.Ген как функциональная единица генома эукариот. Классификация генов Гены – это участки ДНК с определенной последовательностью нуклеотидов, кодирующие функциональную молекулу РНК (мРНК, тРНК, рРНК). В состав генов входят регуляторные участки (промоторы), а также последовательности, кодирующие синтез РНК. Гены эукариот имеют прерывистое строение и состоят из экзонов (кодирующие участки) и интронов (некодирующие участки). После транскрипции интроны вырезаются из первичного транскрипта в процессе сплайсинга. Это участок молекулы ДНК, определенная последовательность нуклеотидов которого соответствует определенной последовательности аминокислот в полипетидной цепи. Классификация генов. По функциям: 1.Структурные 2.Регуляторные:а)модификаторы б)супрессоры По влиянию на жизнеспособность: Летальные, полулетальные, нейтральные. I. СТРУКТУРНЫЕ ГЕНЫ 1. Гены, кодирующие белки: а) уникальные гены (единичные копии в геноме): гены большинства ферментов, транспортных и структурных белков и др. б) гены-повторы: гены рибосомальных белков, гистонов, апобелков, протоонкогены и др. 2. Гены, кодирующие тРНК, рРНК (повторены 300-1600раз). II. РЕГУЛЯТОРНЫЕ ГЕНЫ Регулируют функцию других генов. III. МИГРИРУЮЩИЕ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ(МГЭ) Влияют на активность соседних генов. IV. ПСЕВДОГЕНЫ Нетранскрибируемые аналоги структурных уникальных генов. Свойства генов 1. Дискретность- Не смешиваемость генов 2. Стабильность- Способность сохранять структуру 3. Лабильность- Способность многократно мутировать 4. Множественный аллелизм- Многие гены существуют в популяции во множестве молекулярных форм 5. Аллельное состояние- В генотипе диплоидных организмовтолько две формы гена 6. Специфичность - Каждый ген кодирует свой продукт 7. Плейотропия- Множественный эффект гена 8. Экспрессивность- Степень выражения гена в признаке 9, Пенетрантность- Частота проявления гена в фенотипе 10. Амплификация- Увеличение количества копий гена |