Лекция 1. СОВРЕМЕННОЕ ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ. Современные проблемы биологии.
ЖИЗНЬ КАК ОСОБАЯ ФОРМА СУЩЕСТВОВАНИЯ МАТЕРИИ Александр Иванович Опарин определял жизнь как «особую, очень сложную форму движения материи» . Австрийский физик Л. Больцман (1844 – 1906) сделал первую попытку дать определение жизни с физических позиций. Он писал, что «всеобщая борьба за существование – это борьба за отрицательную энтропию, становящуюся доступной при переходе от пылающего Солнца к холодной Земле» . Фридрих Энгельс в «Диалектике природы» писал: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является обмен веществом и энергией с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка» . Русский геохимик Владимир Вернадский (1863– 1945) отметил около двадцати различий между живым и неживым. Основываясь на них, он дал следующее обобщение: «Жизнь есть космическое явление, в чем-то резко отличное от косной материи» .
• Жизнь – это макромолекулярная открытая система, которой свойственны - иерархическая организация, - способность к самовоспроизведению, самосохранению и саморегуляции, - обмен веществ, - тонко регулируемый поток энергии. Согласно данному определению жизнь представляет собой ядро упорядоченности, распространяющееся в менее упорядоченной Вселенной.
НЕКЛЕТОЧНЫЕ И ИМЕЮЩИЕ КЛЕТОЧНОЕ СТРОЕНИЕ К неклеточным относятся вирусы и фаги. Вирусы - это особая группа организмов, значительно меньших размеров и простого строения. Они не имеют клеточной структуры (нет ядра, цитоплазмы, оболочки), величина измеряется миллимикронами. Бактериофаги - это вирусы, паразитирующие на бактериях Все организмы, имеющие клеточное строение, делятся на две группы: предъядерные ПРОКАРИОТЫ (бактерии и цианобактерии) ядерные ЭУКАРИОТЫ (грибы, растения и животные)
АВТОТРОФЫ И ГЕТЕРОТРОФЫ Автотрофы сами синтезируют необходимые органические вещества, используя абиотические внешние источники энергии и минеральные вещества, поглощаемые из окружающей среды. Фотоавтотрофы (фотосинтетики). Хемоавтотрофы (хемосинтетики). К фотоавтотрофам относятся зеленые растения и фотосинтезирующие бактерии, к хемоавтотрофам различные виды хемосинтезирующих бактерий. Автотрофы используя разные источники энергии, из минеральных элементов синтезируют органическое вещество и запасают энергию уже в виде связей этого вещества Гетеротрофные организмы, в отличие от автотрофов, неспособны использовать энергию абиотических источников для синтеза сложных органических соединений. Гетеротрофами являются все животные, грибы, актиномицеты, подавляющее большинство бактерий, некоторые водоросли и бесхлорофильные высшие растения. Энергию и органические вещества для поддержания и построения своей биомассы они получают с пищей, представляющей собой живую или мертвую массу автотрофов и гетеротрофов, а также продукты их жизнедеятельности.
ПРОДУЦЕНТЫ КОНСУМЕНТЫ РЕДУЦЕНТЫ автотрофы - продуценты(производители) консументы(потребители). Фитофаги — это консументы первого порядка. Хищники или паразиты относятся к плотоядным, — консументы второго порядка. Консументы третьего порядка — это плотоядные, питающиеся плотоядными. редуценты – как правило, бактерии: разлагают мертвое органическое вещество на составные минеральные части,
ЦАРСТВА отдельно царство ВИРУСОВ – доклеточные формы жизни, 2 надцарства: ПРОКАРИОТЫ и ЭУКАРИОТЫ ПРОКАРИОТЫ: царство БАКТЕРИИ и царство АРХЕИ ЭУКАРИОТЫ: царство ГРИБЫ царство ЗЕЛЕНЫЕ РАСТЕНИЯ царство ЖИВОТНЫЕ
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ. Единство химического состава Обмен веществ и энергии Самовоспроизведение Наследственность Изменчивость Способность к росту и развитию. Индивидуальное развитие. Историческое развитие Раздражимость Дискретность Поддержание гомеостаза (от гр. homoios – «подобный, одинаковый» и stasis – «неподвижность, состояние» ) Структурная организация Адаптация
УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОЙ МАТЕРИИ Микросистемы (доорганизменная ступень) включают в себя молекулярный (молекулярно-генетический) и субклеточный уровни. Мезосистемы (организменная ступень) включают в себя клеточный, тканевый, организменный уровни. Макросистемы (надорганизменная ступень) включают в себя популяционно-видовой, биоценотический и глобальный уровни (биосферу в целом).
УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОЙ МАТЕРИИ Молекулярно-генетический Клеточный Тканевый Органный Организменный Популяционно - видовой Биогеоценотический Биосферный Ноосферный
ПО ОБЪЕКТАМ ИЗУЧЕНИЯ зоология; ботаника; вирусология ПО ПРОЯВЛЕНИЯМ ЖИЗНИ Ботаническими науками являются: микология (наука о грибах); альгология (наука о водорослях); бриология (наука о мхах) и т. д. К зоологическим наукам относятся: протозоология - учение о простейших; гельминтология - о паразитических червях; арахнология - о паукообразных; энтомология - о насекомых и т. д. Науки о строении организмов (морфология) – анатомия (растений, животных, человека) наука о тканях и о микроскопическом строении тела - гистология наука, изучающая развитие организма на самых ранних стадиях, предшествующих метаморфозу, вылуплению или рождению – эмбриология наука о клетке - цитология систематика – вирусов, бактерий, грибов, растений, животных. Науки о жизнедеятельности организмов – физиология; общая биология; экология; биогеография. Науки о психике и поведении организмов – психология; зоопсихология; этология Генетика – наука о наследственности и изменчивости КЛАССИФИКАЦИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЖИВЫХ СИСТЕМ Макроэлементы составляют до 99 % массы клетки, из которых до 98 % приходится на 4 элемента: кислород, азот, водород и углерод. Микроэлементы – преимущественно ионы металлов (кобальта, меди, цинка и др. ) и галогенов (йода, брома и др. ). Они содержатся в количествах от 0, 001 % до 0, 000001 %. Ультрамикроэлементы. Их концентрация ниже 0, 000001 %. К ним относят золото, ртуть, селен и др.
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЖИВЫХ СИСТЕМ Большая часть неорганических веществ в клетке находится в виде солей – либо диссоциированных на ионы, либо в твердом состоянии. Из катионов важны K+, Na+, Ca 2+ , Mg 2+, Из анионов важны H 2 PO 4 - , Cl-, HCO 3 -. Основными органическими соединениями клетки являются: Белки Жиры Углеводы Нуклеиновые кислоты
БИОГЕННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ Азот Углерод Кислород Водород Фосфор Калий Кальций Сера Магний Элементы и соединения, требующиеся организмам в сравнительно больших количествах, называют макроэлементами. Элементы и их соединения, которые хоть и необходимы для жизнедеятельности биологических систем, но требуются в крайне малых количествах обычно называют следовыми или микроэлементами. макроэлементы С О Н N P S Ca Mg Na микроэлементы Fe Mn Cu Zn Si В Mo Cl
НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ Нуклеиновые кислоты – это фосфорсодержащие биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды Существует 2 вида нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Нуклеотиды, входящие в состав ДНК, содержат углевод дезокси-рибозу, в состав РНК – рибозу
ДНК представляет собой спираль, состоящую из двух комплементарных полинуклеотидных цепей, закрученных вправо. В состав нуклеотидов ДНК входят: азотистое основание дезоксирибоза остаток фосфорной кислоты. Азотистые основания делят на пуриновые (аденин и гуанин) пиримидиновые (тимин и цитозин). Две цепи нуклеотидов соединяются между собой через азотистые основания по принципу комплементарности: между аденином и тимином возникают две водородные связи, между гуанином и цитозином – три А II Т Г III Ц
ФУНКЦИИ ДНК обеспечивает сохранение и передачу генетической информации регуляция всех процессов
АВТО-РЕПРОДУКЦИЯ ДНК Процесс самовоспроизведения (ДНК называется репликацией. Репликация обеспечивает копирование генетической информации и передачу ее из поколения в поколение Репликация происходит в синтетический период интерфазы митоза. Фермент репликаза движется между двумя цепями спирали ДНК и разрывает водородные связи между азотистыми основаниями. Затем к каждой из цепочек с помощью фермента ДНКполимеразы по принципу комплементарности достраиваются нуклеотиды дочерних цепочек. В результате репликации образуются две идентичные молекулы ДНК. Количество ДНК в клетке удваивается
РНК – одноцепочечный полимер из полинуклеотидов. В состав нуклеотидов РНК входят азотистые основания углевод рибоза остаток фосфорной кислоты Азотистые основания делят на пуриновые (аденин, гуанин) пиримидиновые (урацил, цитозин) 3 вида РНК. Информационная РНК (и. РНК) выполняет функцию переноса наследственной информации из ядра в цитоплазму клетки. Транспортная РНК (т. РНК), имеет самую короткую и сложную цепь, доставляет аминокислоты к рибосомам в процессе трансляции – биосинтеза белка. Рибосомальная РНК (р. РНК) имеет цепь средней длины и определяет структуру рибосом.
ДНК И РНК
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД Ген — структурная и функциональная единица наследственности контролирующая развитие определённого признака или свойства. Гены — это участки ДНК, несущие какую-либо целостную информацию — о строении одной молекулы белка или одной молекулы РНК. Сущность кода ДНК состоит в том, что каждой аминокислоте соответствует участок цепи ДНК из трех рядом стоящих нуклеотидов – триплета (кодона). Свойства генетического кода Генетический код однозначен. Каждый кодон шифрует одну аминокислоту. Между генами имеются «знаки препинания» . Каждый ген кодирует одну белковую цепочку. Поэтому в генетическом коде существуют три специальных триплета (УАА, УАГ, УГА), каждый из которых обозначает прекращение синтеза одной беловой цепи. Они находятся в конце каждого гена. Внутри гена нет «знаков препинания» . Нарушение смысла может возникнуть при выпадении одного или дух нуклеотидов из гена. Ген в цепи ДНК имеет строго фиксированное начало считывания. Код универсален. Код един для всех живущих на Земле существ. У бактерий, грибов, человека, краба, астры одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты.
ХРОМОСОМЫ Информация, записанная в ДНК, хранится в хромосомах. Хромосомы имеют сложное строение. В начальных и средних фазах клеточного деления они состоят из двух тесно прилегающих друг к другу нитевидных или палочкообразных телец, называемых хроматидами. Каждому виду растений и животных свойственно точно определенное число хромосом. Хромосомы, имеющие одинаковое строение, называют гомологичными. Негомологичные хромосомы имеют различное строение. Все соматические (неполовые) клетки имеют двойной набор хромосом – диплоидный. В половых клетках – гаплоидный, или половинный набор хромосом.
МУТАЦИИ Мутации – это редкие, случайно возникшие стойкие изменения генотипа, затрагивающие весь геном, целые хромосомы, их части или отдельные гены. Они могут быть полезны, вредны и нейтральны для организмов
МУТАЦИИ Геномными называют мутации, приводящие к изменению числа хромосом. Структурные изменения хромосом АБВГДЕ – нормальный порядок генов АБВВГДЕ удвоение, ДУПЛИКАЦИЯ АБВДЕнехватка участка, ДЕЛЕЦИЯ АБГВДЕ поворот на 180 град. , ИНВЕРСИЯ АБВГМК – перемещение на другую хромосому, ТРАНСЛОКАЦИЯ Генные мутации – наиболее часто встречающийся класс мутационных изменений. Генеративные и соматические мутации. Мутации могут возникнуть в любых клетках организма. Те из них, которые возникают в клетках половых зачатков и зрелых половых клетках, получили название генеративных. Мутации, возникающие во всех клетках тела, за исключением половых, называют соматическими.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МУТАЦИОННОЙ ТЕОРИИ - мутации – это дискретные изменения наследственного материала; - мутации – редкие события; - мутации могут устойчиво передаваться из поколения в поколение; - мутации возникают ненаправленно (спонтанно) и, в отличие от модификаций, не образуют непрерывных рядов изменчивости
БЕЛКИ: СОСТАВ гетерополимеры, состоящие из 20 различных мономеров – аминокислот. Общее строение можно представить так – R – CNH 2 – COOH кислотные свойства, обусловленные наличием в их молекулах карбоксильной группы —COOH основные свойства, обусловленные аминогруппой —NH 2
БЕЛКИ: СОСТАВ Аминокислоты: заменимые (синтезируются в самом организме) незаменимые, которые животный организм получает с пищей. Среди белков различают протеины – состоят только из аминокислот протеиды – содержат небелковую часть (например, гемоглобин, который состоит из белка глобина и порфирина – гемма) В процессе метаболизма молекула белка гидролизуется до отдельных аминокислот, из которых может быть синтезирована новая белковая молекула. Такая трансформация белка в процессе метаболизма создает все множество конкретных форм белка, известных в органическом мире. Наличие в одной молекуле кислотной и основной групп обуславливает их высокую реактивность. Между соединившимися аминокислотами возникает связь (—CO—NH—), называемая пептидной, а образовавшееся соединение нескольких аминокислот называют пептидом. Соединение из большого числа аминокислот называют полипептидом
БЕЛКИ: СТРУКТУРА Первичная структура – полипептидная цепь из аминокислот Вторичная структура – полипептидная цепь, закрученная в виде спирали
БЕЛКИ: СТРУКТУРА Третичная структура представляет собой причудливую, но для каждого белка специфическую конфигурацию – глобулу Четвертичная структура образуется благодаря соединению нескольких молекул белка между собой. Если пептидные цепи уложены в виде клубка, то такие белки называются глобулярными. Если полипептидные цепи уложены в пучки нитей, они носят название фибриллярных белков.
ФУНКЦИИ БЕЛКОВ Защитная (интерферон усиленно синтезируется в организме при вирусной инфекции) Структурная (коллаген входит в состав тканей, участвует в образовании рубца) Двигательная (миозин участвует в сокращении мышц) Запасная (альбумины яйца) Транспортная (гемоглобин эритроцитов переносит питательные вещества и продукты обмена) Рецепторная (белки-рецепторы обеспечивают узнавание клеткой веществ и других клеток) Регуляторная (регуляторные белки определяют активность генов); белки-гормоны участвуют в гуморальной регуляции (инсулин регулирует уровень сахара в крови) Белки-ферменты катализируют все химические реакции в организме Энергетическая (при распаде 1 г белка выделяется 17 кдж энергии).
БИОСИНТЕЗ БЕЛКА Источником энергии при синтезе белка является АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) АТФ +Н 2 О = АДФ + Н 3 РО 4 + 40 к. Дж/моль Ген – участок ДНК, где содержится информация о структуре белка Каждой аминокислоте белка в ДНК соответствует последовательность из трех расположенных друг за другом нуклеотидов — триплет. Синтез белка происходит в цитоплазме клетки, на рибосомах Из ядра в цитоплазму информация о структуре белка поступает в виде информационной РНК (и-РНК) ТРАНСКРИПЦИЯ - информация о последовательности нуклеотидов какого-либо гена ДНК «переписывается» в последовательность нуклеотидов и-РНК. Для синтеза и-РНК участок ДНК «разматывается» , деспирализуется, а затем по принципу комплементарности на одной из цепочек ДНК с помощью ферментов синтезируются молекулы РНК. Это происходит следующим образом: против, например, гуанина молекулы ДНК - цитозин молекулы РНК, аденина молекулы ДНК — урацил молекулы РНК, тимина молекулы ДНК — аденин модекулы РНК цитозина молекулы ДНК — гуанин молекулы РНК Таким образом, информация о последовательности нуклеотидов какого-либо гена ДНК «переписывается» в последовательность нуклеотидов и-РНК.
БИОСИНТЕЗ БЕЛКА В цитоплазме обязательно должен быть набор аминокислот, необходимых для синтеза белка. Эти аминокислоты образуются в результате расщепления пищевых белков. Аминокислота может попасть к месту непосредственного синтеза белка, т. е. в рибосому, только прикрепившись к специальной транспортной РНК (т-РНК). Для переноса каждого вида аминокислот в рибосомы нужен отдельный вид т-РНК. Так как в состав белков входит около 20 аминокислот, существует столько же видов т-РНК. ПРОЦЕССИНГ - созревание молекулы РНК. Молекулы т-РНК образуют своеобразные структуры, напоминающие по форме лист клевера. Виды т-РНК обязательно различаются по триплету нуклеотидов, расположенному на «верхушке» , антикодону. Каждый антикодон по генетическому коду соответствует той аминокислоте, которую предстоит переносить этой т. РНК. К «черешку листа» специальный фермент прикрепляет обязательно ту аминокислоту, которая кодируется триплетом, комплементарным антикодону.
БИОСИНТЕЗ БЕЛКА ТРАНСЛЯЦИЯ — это перевод последовательности нуклеотидов молекулы и. РНК в последовательность аминокислот синтезируемого белка. На тот конец и-РНК, с которого нужно начать синтез белка, нанизывается рибосома. Рибосома перемещается по молекуле и-РНК прерывисто, «скачками» , задерживаясь на каждом триплете приблизительно 0, 2 с. За это мгновение одна т-РНК из многих способна «опознать» своим антикодоном триплет, на котором находится рибосома. И если антикодон комплементарен этому триплету и-РНК, аминокислота отсоединяется от «черешка листа» и присоединяется пептидной связью к растущей белковой цепочке. Эта операция повторяется столько раз, сколько аминокислот должен содержать «строящийся» белок. Когда в рибосоме оказывается один из триплетов, являющийся «стоп-сигналом» между генами, то ни одна и-РНК к такому триплету присоединиться не может, так как антикодонов к ним у т-РНК не бывает. В этот момент синтез белка заканчивается.
УЧЕБНИКИ Тейлор Д. , Грин Э. , Стаут У. Биология: в 3 -х т. М. : Мир: 2004. Т. 1. 454 с. Т. 2. 436 с. Т. 3. 451 с. Биология. Справочник студента (под ред. А. А. Каменского) М, , «СЛОВО» , 2001, 640 с. Анисимов А. П. Концепции современного естествознания. Биология. Владивосток: ДВГУ, 2000 г. 100 с. Миркин Б. М. , Наумова Л. Г. Основы общей экологии. М. : Университетская книга, 2005. 240 с. Николайкин Н. И. , Николайкина Н. Е. , Мелехова О. П. Экология. 7 -е изд. М. : Дрофа, 2009. 622 с. И. А. Шилов Экология Высшая школа 2000 г. Бродский А. К. Краткий курс общей экологии 2001. Основы общей биологии. п/ред. Э. Либберта. Москва, Мир, 1982. 438 с. Пехов А. П. Биология с основами экологии. СПб: Лань, 2000. 672 с.
Скачать презентацию Лекция 1 СОВРЕМЕННОЕ ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ Современные проблемы биологии
лекция по биологии 1.pptx