Лекция 2. УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИЗНИ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ. Определение понятие «жизнь» . Основные свойства живых организмов. Структурная организация клеток: белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты, аденозинтрифосфорная кислота. Уровни организации живой материи. Разнообразие живых организмов: прокариоты и эукариоты. Вирусы. Прионы
Определение понятия «жизнь» Довольно трудно дать полное и однозначное определение понятию жизни, учитывая огромное разнообразие ее проявлений. Энгельс: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка» . Википедия: жизнь — активная форма существования материи, в некотором смысле высшая по сравнению с её физической и химической формами существования; совокупность физических и химических процессов, протекающих в клетке, позволяющих осуществлять обмен веществ и её деление (вне клетки жизнь не существует, вирусы проявляют свойства живой материи только после переноса генетического материала в клетку). Приспосабливаясь к окружающей среде, живая клетка формирует всё многообразие живых организмов. Основной атрибут живой материи —генетическая информация, используемая для репликации.
Энциклопедия Britanica: «состояние материального комплекса или индивидуума, характеризующееся способностью выполнять определенные функциональные действия, включая метаболизм, рост, воспроизведение и некоторые формы реагирования и адаптации» . Эрик Михайлович Галимов — российский геохимик. Академик РАН, директор Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН. Лауреат Государственной премии Российской Федерации в области науки и технологий за 2015 год. «По-видимому, нельзя определить жизнь через свойства или состояния живых организмов и систем. Принципиальное различие организма и машины состоит не в различии их свойств, а в их предшествующей истории. Поэтому предпочтительны определения жизни, включающие участие фактора эволюции» . «…наиболее общим определением жизни представляется следующее: жизнь - это явление возрастающего и наследуемого упорядочения, присущее при определенных условиях химической истории соединений углерода» .
Жизнь с точки зрения физики рассматривают как активное, то есть идущее с затратой полученной извне энергии, поддержание и самовоспроизведение специфической структуры. Этот процесс объясняется с точки зрения термодинамики. При затрате энергии возможно повышение степени упорядоченности (Пример: если не заниматься уборкой в комнате, то очень скоро в ней воцарится хаос. Чтобы навести порядок, придется затратить энергию). Точно так же и в живых системах — они обязательно имеют какието внешние источники энергии. Для растений это свет солнца, для животных — биомасса растений, других животных и иной пищи. Благодаря этому живые системы Энтропия - как мера могут уменьшать свою энтропию, создавая порядок из неопределённости (неупорядоченности) некоторой хаоса и поддерживая его. системы «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров — белков и нуклеиновых кислот» (советский биофизик М. Волькенштейн)
Основные свойства живых организмов Несмотря на то, что нет единого мнения относительно понятия жизни, однако в современной биологии к основным свойствам живого относят: единство химического состава, клеточное строение, обмен веществ и энергии, размножение, рост и развитие, раздражимость, саморегуляцию. По совокупности этих свойств живое отличается от неживого. 1. Химический состав. В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в тела неживой природы, но соотношение различных элементов неодинаково. В состав неживых тел входят O, Si, Fe, Mg, Al. В живых организмах 98% химического состава приходится на 4 элемента – углерод - C, кислород - O, азот - N, водород - H. В живых организмах эти элементы участвуют в образовании органических молекул.
2. Клеточное строение. Все живые организмы имеют клеточное строение. Клетка является единой структурной единицей, а также единицей развития всех живых организмов. Характеристика прокариотических и эукариотических организмов
3. Обмен веществ и энергии. Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой, поглощая вещества, необходимые для питания, и выделяя продукты жизнедеятельности. Самыми главными процессами в круговороте органических веществ являются процессы синтеза или ассимиляции, и процессы распада или диссимиляции. Обмен веществ и энергии состоит из двух взаимосвязанных и противоположных процессов — ассимиляции и диссимиляции. Ассимиляция, анаболизм, или пластический обмен, — это совокупность реакций синтеза высокомолекулярных органических веществ, сопровождающихся поглощением энергии за счет распада молекул АТФ. Диссимиляция, катаболизм, или энергетический обмен, — это совокупность реакций распада и окисления органических веществ, сопровождающихся выделением энергии и запасанием ее в синтезируемых молекулах АТФ. Эти процессы характерны для живых систем почти всех уровней организации, начиная от клетки и заканчивая биосферой По способу питания, источнику получения органических веществ и энергии все организмы делятся на автотрофные и гетеротрофные.
Автотрофные организмы синтезируют органические вещества в процессе фотосинтеза из неорганических (углекислого газа, воды, минеральных солей), используя энергию солнечного света. К автотрофному питанию способны и хемосинтезирующие бактерии, использующие энергию, которая выделяется при окислении неорганических веществ: серы, железа, азота. Автотрофная ассимиляция связана с процессами фотосинтеза и хемосинтеза и носит название первичного синтеза органического вещества. Гетеротрофные организмы получают готовые органические вещества от автотрофов. Источником энергии для них является энергия, запасенная в органических веществах и выделяющаяся при химических реакциях распада и окисления этих веществ. Гетеротрофная ассимиляция включает процессы потребления пищи, переваривания ее, усвоения и синтеза новых органических веществ. Этот процесс носит название вторичного синтеза органических веществ.
4. Размножение. Свойство организмов воспроизводить себе подобных, в результате чего поддерживается длительное существование вида и обеспечивается преемственность родители – дети. Самовоспроизведение или репродукция проявляется в виде бесполого или полового размножения особей. Фазы мейоза: А – первое деление; Б – второе деление. 1, 2 – профаза I; 3 – метафаза I; 4 – анафаза I; 5 – телофаза I; 6 – профаза II; 7 – метафаза II; 8 – анафаза II; 9 – телофаза II
5. Рост и развитие. Необратимые направленные изменения живых организмов. Выделяют индивидуальное развитие живых организмов или онтогенез, в результате которого постепенно проявляются индивидуальные свойства организмов. Историческое развитие или филогенез, сопровождающееся образованием новых видов и прогрессивным усложнением жизни. Результатом эволюции является всё многообразие жизни на Земле. Рост – это увеличение размеров тела или его частей. В его основе лежат следующие процессы: 1) увеличение числа клеток, или гиперплазия; 2) увеличение размеров клеток, или гипертрофия; 3) увеличение межклеточного пространства, или аккреция. Развитие – качественные изменения в организме, обусловленные дифференцировкой клеток (разделением по морфологическим, биохимическим, функциональным признакам). Созревание характеризуют как процесс перехода к зрелому состоянию, однако само понятие зрелости варьирует в зависимости от того, о каком из биологических параметров идет речь.
6. Раздражимость и движение. Способность организмов реагировать на определённые воздействия окружающей среды той или иной активной реакцией, помогающей им выжить. Реакции многоклеточных организмов на раздражение осуществляется с участием нервной системы и называется рефлексом. Реакцию организмов, не имеющих нервной системы называют таксисами или тропизмами, они могут быть как положительными так и отрицательными.
7. Саморегуляция. Способность живых организмов, обитающих в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды, поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность физиологических процессов – гомеостаз. Представление о постоянстве внутренней среды организма было введено в физиологию и медицину французским физиологом Клодом Бернаром. В 1878 г. он сформулировал гипотезу об относительном постоянстве внутренней среды живых организмов. И только в 1929 (1932) г. американский физиолог Уолтер Кэннон предложил для обозначения постоянства внутренней среды организма термин “гомеостаз”. Он показал, что способность организма к поддержанию гомеостаза обеспечивается специальными системами регуляции. Гуморальная – регуляция работы организма происходит за счет химических веществ – гормонов. Нервная – согласует и регулирует деятельность организма с помощью ЦНС
Структурная организация клеток: белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты. Все живые существа на Земле имеют одинаковый биохимический состав: 20 аминокислот, 5 азотистых оснований, глюкоза, жиры. Нуклеиновые кислоты C, H, N, O, P Белки C, H, N, O, S Углеводы C, H, O Липиды C, H, O Функции белков, липидов и углеводов. Белки выполняют следующие функции: структурную, ферментативную, обеспечивают движение клетки, передачу сигналов, и практически все происходящие в клетке процессы. Белки и углеводы выполняют структурную функцию, углеводы и липиды откладываются в качестве запасных питательных веществ. Структура и разнообразие белков Белки: состоят из мономеров – аминокислот (а/к). Каждая а/к имеет аминогруппу (-NH 2), кислотную группу (-COOH), радикал (R). Всего в состав белков входят 20 типов а/к; они различаются лишь хим. структурой R. Аминокислоты отличаются строением боковой цепи (R): могут быть разветвленные цепи, они могут содержать ароматические кольца.
Белки: состоят из мономеров – аминокислот (а/к). Каждая а/к имеет аминогруппу (-NH 2), кислотную группу (-COOH), радикал (R). Всего в состав белков входят 20 типов а/к; Полимеризация а/к с образованием они различаются лишь хим. структурой R. белка происходит за счет связывания СООН-группы предыдущей а/к с NH 2 группой следующей а/к. Итоговая цепь а/к – первичная структура белка. Радикалы не принимают участия в ее формировании. Средняя длина белковой молекулы – 300 -700 а/к. У каждого белка – своя уникальная первичная структура. R 1 R 2 R NH 2 CH COOH R 3 1 -ая а/к 2 -я а/к 3 -я а/к и т. д. R 4 14
R 1 R 2 R 3 R 4 1 -ая а/к 2 -я а/к 3 -я а/к и т. д. При записи первичной структуры аминокислоты обозначают либо трехбуквенным кодом, по первым трем буквам названия, либо используют однобуквенный код. Следующий этап: образование вторичной структуры белка. Она формируется за счет присутствия на аминогруппах довольно большого положительного заряда, на кислотных группах – отрицательного заряда. Взаимное притяжение таких (+) и (–) ведет к укладке белковой цепи в спираль (на каждом витке примерно 3 а/к; радикалы в этом вновь не участвуют). 15
Третичная структура белка – белковый клубок, формируется за счет взаимодействия радикалов (и, следовательно, зависит от первичной структуры). Взаимодействие радикалов может происходить благодаря: образованию ковалентной химической связи притяжению неравномерно заряженных областей контакту углеводородных участков (как в случае «хвостов» липидных молекул) и др. 16
Третичная структура (белковый клубок), как правило, имеет ямку ( «активный центр» ). Здесь происходит захват молекулы-мишени ( «лиганда» ) по принципу «ключ-замок» . После этого белок способен выполнить с лигандом те или иные операции. Тип операции с лигандом = тип белка. лиганд белки-ферменты; транспортные белки (белки крови, каналы, насосы); белки-рецепторы; двигательные белки; защитные (антитела), строительные и др. 17
Белок-фермент, управляющий распадом вещества-лиганда (пример: пищеварит. ферменты) 2 1 1 3 2 Транспортный белок крови (например, гемоглобин, переносящий кислород) Белок-фермент, управляющий синтезом нового вещества из двух лигандов 18
3 Постоянно открытый белок-канал: похож на цилиндр с отверстием; встроен в мембрану клетки; через него может идти диффузия (как правило, строго определенных мелких частиц – молекул Н 2 О, ионов К+, Na+ и др. ). Диффузия – движение частиц среды из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией; чем больше разность концентраций, тем интенсивнее диффузия. 19
канал закрыт канал открыт Белок-канал со створкой: также встроен в мембрану клетки; его отверстие перекрыто петлей-створкой, ( «канал закрыт» ). Створка при определенных условиях может открываться, «разрешая» диффузию (условия открытия: появление определенных химических веществ, электрические воздействия и др. ) 20
Белок-насос: 1. «Чаша» белка встроена в мембрану клетки и открыта, например, в сторону внешней среды; происходит присоединение лиганда. 2. Изменение пространственной конфигурации белка-насоса (как правило, требует затрат энергии АТФ; перенос лиганда не зависит от разности концентраций). 3. Белок-насос открывается в сторону цитоплазмы, высвобождая лиганд; затем – возвращение белка-насоса в исходную конфигурацию. 21
инсулин глюкоза Пример: действие гормонов и медиаторов. Так, инсулин, выделяемый поджелудочной железой, активирует работу насосов, транспортирующих внутрь клетки глюкозу. Белки-рецепторы: Встроены в мембрану клетки и выполняют информационную функцию. Лиганд в этом случае – сигнал об определенном событии во внешней (межклеточной) среде. После присоединения лиганда рецептор запускает реакцию клетки, влияя на ферменты, насосы, ионные каналы и т. п. 22
Другие типы белков: защитные белки (белки-антитела; захватывают лиганды-антигены – вредные чужеродные вещества) антиген антитело двигательные белки (актин и миозин; за счет их взаимодействия происходит сокращение мышечных клеток) строительные белки (коллаген – белок межклеточного вещества соединительной ткани; кератин – волосы и ногти) запасающие белки (казеины молока, глютены пшеницы и др. ) сеть молекул коллагена 23
УГЛЕВОДЫ: Полисахариды: крахмал целлюлоза гликоген (запасающая функция) Углеводы состоят из углерода и воды. Глюкоза - основной моносахарид. Все остальные углеводы клетка стремится перевести в глюкозу, а потом уже ее использовать. Моносахариды: глюкоза (С 6 Н 12 О 6) (энергетическая функция; 0. 1% в плазме крови) фруктоза рибоза мономер: глюкоза гликоген: несколько тысяч молекул глюкозы 24
Липиды: глицерин + три остатка- «углеводородных хвоста» жирных кислот Глицерин: СН 2 ОН-СН 2 ОН Жирная кислота: СООН-СН 2 -…-СН 2 -СН 3 25
Фосфолипиды: глицерин + два углеводородных хвоста + фосфорная к-та В водном растворе липиды и фосфолипиды образуют капли и двуслойные пленки. Такие пленки – основа всех биологических мембран 26
Отличительным свойством живых организмов является способность к самовоспроизведению. ДНК и РНК являются молекулами, с которыми эта функция живых организмов непосредственно связана. Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). ДНК несет генетическую информацию и передает ее потомству. Передача потомству = репликация ДНК (размножение на молекулярном уровне). Генетическая информация = информация о первичной структуре белков. Ген – фрагмент молекулы ДНК, несущий информацию о структуре определенного белка. Всего ДНК человека (23 молекулы) содержит около 30 тыс. генов. Каждая молекула ДНК (хромосома) в обычных клетках присутствует в двух экземплярах: отцовском и материнском. РНК выполняет вспомогательную функцию, обеспечивая превращение генетической информации в конкретные белки (и-РНК – связующее звено между ДНК и рибосомами). Каждая молекула ДНК содержит боль- шое число генов Ген белка Х Ген белка У Ген белка Z 27
Уровни организации живой материи В современной биологии мир живого рассматривается как огромная система систем, в которой каждый компонент обладает собственными специфическими свойствами и соединяется с другими особым типом связей. Система – совокупность взаимосвязанных элементов, объединенных для реализации общей цели, обособленная от окружающей среды и взаимодействующая с ней как целостное целое и проявляющая при этом основные системные свойства. Выделяют 15 основных системных свойств, к которым относятся: эмергентность (эмерджентность - наличие у какой-либо системы особых свойств, не присущих её элементам); цельность; структурированность; целостность; подчиненность цели; иерархичность, открытость и др. Биологическая система — совокупность функционально связанных элементов или процессов, объединенных в целое для достижения биологически значимого результата. Биологическая система - целостная система компонентов, выполняющих определенную функцию в живых системах. К биологическим системам относятся сложные системы разного уровня организации: биологические макромолекулы, субклеточные органеллы, клетки, органы, организмы, популяции.
Уровни организации жизни — иерархически соподчинённые уровни организации биосистем, отражающие уровни их усложнения. Чаще всего выделяют семь основных структурных уровней жизни: молекулярный, клеточный, организменный, популяционновидовой, биогеоценотический, биосферный. В типичном случае каждый из этих уровней является системой из подсистем нижележащего уровня и подсистемой системы более высокого уровня. Следует подчеркнуть, что построение универсального списка уровней биосистем невозможно. Выделять отдельный уровень организации целесообразно в том случае, если на нём возникают новые свойства, отсутствующие у систем нижележащего уровня. К примеру, феномен жизни возникает на клеточном уровне, а потенциальное бессмертие — на популяционном. Необходимо отметить, что биогеоценотический и биосферный уровни организации живой материи выделяют не всегда, поскольку они представлены биокосными системами, включающими не только живое вещество, но и неживое. Также часто не выделяют субклеточный и органно-тканевой уровни, включая их в клеточный и организменный соответственно.
Молекулярно-генетический уровень Элементарные единицы: • нуклеиновые кислоты • белки • углеводы • липиды Гелеобразный осадок нуклеиновой кислоты Элементарная единица– это структура, закономерные изменения которой, обозначаемые как элементарные явления, составляют на соответствующем уровне содержание эволюционного процесса. Основные процессы: - объединение молекул в комплексы (мембрана и др. ); - химические реакции; - хранение и запись генетической информации. Элементарной единицей на молекулярно-генетическом уровне служит ген – фрагмент молекулы нуклеиновой кислоты, в котором записан определенный в качественном и количественном отношении объем биологической информации. Основная стратегия - способность создавать живое вещество и кодировать информацию, приобретенную в меняющихся условиях среды Науки, ведущие исследования на этом уровне – биохимия, биофизика, молекулярная биология, молекулярная генетика
Клеточный уровень Элементарные единицы: • митохондрии • рибосомы • хлоропласты и другие органеллы Основные процессы: - обмен веществ и энергии (биосинтез, фотосинтез); - передача генетической информации (деление клеток); - рост и регенерация Основная стратегия - вовлечение химических элементов Земли и энергии Солнца в живые системы Схема типичной животной клетки Органеллы: (1) Ядрышко (2) Ядро (3) рибосома (маленькие точки) (4) Везикула (5) шероховатый эндоплазматический ретикулум(ER) (6) Аппарат Гольджи (7) Цитоскелет (8) Гладкий эндоплазматический ретикулум (9) Митохондрия (10) Вакуоль (11) Цитоплазма (12) Лизосома (13) Центриоль и Центросома Науки, ведущие исследования на этом уровне: генная инженерия, цитогенетика, цитология, эмбриология
Организменный уровень Элементарные единицы: • микроорганизмы • растения • грибы • животные Основные процессы: - дифференцировка клеток и тканей; - обмен веществ; - регуляция жизнедеятельности (поддержание гомеостаза); - раздражимость; - размножение; - онтогенез; - нервно-гуморальная регуляция процессов жизнедеятельности Особь - это морфофизиологическая единица, происходящая от одной зиготы или гаметы (споры, почки) и индивидуально подлежащая действию элементарных эволюционных факторов Науки, ведущие исследования на этом уровне: анатомия, морфология, физиология.
Популяционно-видовой уровень Элементарная единица - популяция Основные процессы: - взаимодействие между особями и популяциями (внутри вида); - адаптация к окружающей среде; - эволюционные процессы. Основная стратегия - более полное использование возможностей среды обитания, в стремлении к возможно более длительному существованию, в сохранении свойств вида и самостоятельном развитии Науки, ведущие исследования на этом уровне: генетика популяций, экология
Биоценогенетический уровень Основные структурные элементы - популяции и виды. Основные процессы: - межвидовые взаимодействия; - круговороты веществ и энергии, поддерживающие жизнь; - регуляция динамического равновесия компонентов биогеоценоза Основная стратегия - стремлении к возможно более длительному существованию, сохранении устойчивости Науки, ведущие исследования на этом уровне: биогеография, биогеоценология, экология
Биосферный уровень Биосфера – земная оболочка, область существования живого вещества. Она включает в себя не только живые организмы, но и изменённую ими среду обитания (кислород в атмосфере, горные породы органического происхождения и т. п. ). Основные структурные элементы - биогеоценозы (экосистемы и окружающая их среда Основные процессы: - активное взаимодействие живого и неживого вещества планеты; -биологический глобальный круговорот веществ и энергии - активное биогеохимическое участие человека во всех процессах биосферы, его хозяйственная и этнокультурная деятельность Слои геосферы Основная стратегия - стремление обеспечить динамическую устойчивость Науки, ведущие исследования на этом уровне: экология
Разнообразие живых организмов: прокариоты и эукариоты. Все клеточные формы жизни на Земле можно разделить на два надцарства на основании строения составляющих их клеток: прокариоты (доядерные) — более простые по строению и возникли в процессе эволюции раньше; эукариоты (ядерные) — более сложные, возникли позже. Организация клеток всех живых организмов подчинена единым структурным принципам. Содержимое клетки отделено от окружающей среды плазматической мембраной, или плазмалеммой. Внутри клетка заполнена цитоплазмой, в которой расположены различные органоиды и клеточные включения, а также генетический материал в виде молекулы ДНК. Каждый из органоидов клетки выполняет свою особую функцию, а в совокупности все они определяют жизнедеятельность клетки в целом.
Прокарио ты (лат. Procaryota, от др. -греч. πρό «перед» и κάρυον «ядро» ), или доя дерные — одноклеточные живые организмы, не обладающие (в отличие от эукариот) оформленным клеточным ядром и другими внутренними мембранными органоидами (за исключением плоских цистерн у фотосинтезирующих видов, например, у цианобактерий). Для клеток прокариот характерно отсутствие ядерной оболочки. Тип питания осмотрофный и автотрофный (фотосинтез и хемосинтез). Единственная крупная кольцевая (у некоторых видов — линейная) двухцепочечная молекула ДНК, в которой содержится основная часть генетического материала клетки (нуклеоид) не образует комплекса с белками-гистонами (хроматином). Прокариоты разделяют на два таксона: Бактерии (Bacteria) и Археи (Archaea). Строение типичной клетки прокариот: капсула, клеточная стенка, плазмалемма, цитоплазма, рибосомы, плазмида, пили, жгутик, нуклеоид. Микрофотография среза цианобактерии. Концентрические мембраны внутри клетки схожи строением с тилакоидными мембранами хлоропластов растительных клеток. Это сходство поддерживает гипотезу о происхождении хлоропластов из симбиотических цианобактерий.
Строение клетки прокариот У прокариотических клеток есть цитоплазматическая мембрана, также как и эукариотических. У бактерий мембрана двуслойная (липидный бислой), у архей мембрана довольно часто бывает однослойной. Мембрана архей состоит из веществ, отличных от тех, из которых состоит мембрана бактерий. Поверхность клеток может быть покрыта капсулой, чехлом или слизью. У них могут быть жгутики и ворсинки. Строение типичной клетки прокариот: капсула, клеточная стенка, плазмалемма, цитоплазма, рибосомы, плазмида, пили, жгутик, нуклеоид. Клеточное ядро, такое как у эукариот, у прокариот отсутствует. ДНК находится внутри клетки, упорядоченно свернутая и поддерживаемая белками. Этот ДНКбелковый комплекс называется нуклеоид. У эубактерий белки, которые поддерживают ДНК, отличаются от гистонов, которые образуют нуклеосомы (у эукариот). А у архибактерий гистоны есть, и этим они похожи на эукариот.
Энергетические процессы у прокариот идут в цитоплазме и на специальных структурах - мезосомах (выростах клеточной мембраны, которые закручены в спираль для увеличения площади поверхности, на которой происходит синтез АТФ). Внутри клетки могут находиться газовые пузырьки, запасные вещества в виде гранул полифосфатов, гранул углеводов, жировых капель. Могут присутствовать включения серы (образующейся, например, в результате бескислородного фотосинтеза). У фотосинтетических бактерий имеются складчатые структуры, называемые тилакоидами, на которых идет фотосинтез. Формы размножения — бесполый способ, имеется псевдосексуальный процесс, в результате которого происходит лишь обмен генетической информацией, без увеличения числа клеток.
Размножение. Бактерии размножаются бесполым способом — делением «материнской клетки» надвое. Перед делением происходит репликация ДНК. Редко у бактерий наблюдается половой процесс, при котором происходит рекомбинация генетического материала. Но у бактерий никогда не образуются гаметы, не происходит слияние содержимого клеток, а имеет место передача ДНК от клетки-донора к клетке-реципиенту. Различают три способа передачи ДНК: конъюгация, трансформация, трансдукция. Хромосомная ДНК (1) и плазмиды (2) в бактериальной клетке Конъюгация — однонаправленный перенос F-плазмиды от клеткидонора в клетку-реципиента, контактирующих друг с другом. При этом бактерии соединяются друг с другом особыми F-пилями (F-фимбриями), по каналам которых фрагменты ДНК и переносятся. Конъюгацию можно разбить на следующие этапы: 1) раскручивание F-плазмиды, 2) проникновение одной из цепей F-плазмиды в клетку-реципиента через Fпилю, 3) синтез комплементарной цепи на матрице одноцепочечной ДНК (происходит как в клетке-доноре (F+), так и в клетке-реципиенте (F-)). F-плазми да, или F-фактор — это конъюгативная эписома клеток Escherichia coli K-12, т. е. клеточный элемент, необходимый для одного из типов полового процесса бактерий — конъюгации. Трансформация — однонаправленный перенос фрагментов ДНК от клетки-донора к клеткереципиенту, не контактирующих друг с другом. При этом клетка-донор или «выделяет» из себя небольшой фрагмент ДНК, или ДНК попадает в окружающую среду после гибели этой клетки. В любом случае ДНК активно поглощается клеткой-реципиентом и встраивается в собственную «хромосому» . Трансдукция — перенос фрагмента ДНК от клетки-донора к клетке-реципиенту с помощью бактериофагов
Размер различных представителей прокариот Самая маленькая бактерия – это паразитическая микоплазма (она живет внутри клеток эукариот). Она имеет размер 0, 1 мкм. Самые большие представители прокариот видны невооруженным глазом (граница видимости – 70 -80 мкм). Эта спирохета имеет длину 250 мкм. Типичный же представитель прокариот имеет размер 0, 5 мкм в ширину и 2 мкм в ширину. Микоплазма – может поражать как легкие, так и мочеполовую систему
Форма прокариотических клеток не так уж и разнообразна. Круглые клетки называются кокки. Такую форму могут иметь как археи, так и эубактерии. Стрептококки – это кокки, вытянутые в цепочку. Стафилококки – это «грозди» кокков, диплококки –кокки, объединенные по две клетки, тетрады - по четыре, и сарцины – по восемь. Палочкообразные бактерии называются бациллами. Две палочки – диплобациллы, вытянутые в цепочку – стрептобациллы. Еще выделяют коринеформные бактерии (с расширением на концах, похожим на булаву), спириллы (длинные завитые клетки), вибрионы (коротенькие загнутые клетки) и спирохеты (завиваются не так, как спириллы).
Хотя и археи, и бактерии относятся к прокариотическим (безядерным) организмам, строение их клеток имеет некоторые существенные отличия. Бактерии имеют липидный бислой (когда гидрофобные концы погружены в мембрану, а заряженные головки торчат с двух сторон наружу), а археи могут иметь монослойную мембрану (заряженные головки имеются с двух сторон, а внутри единая целая молекула; эта структура может быть более жесткой, чем бислой).
По образу жизни археи отличаются от бактерий тем, что среди них нет паразитирующих организмов. Кроме того, археи часто живут в экстремальных условиях. Диапазон температур, в которых могут существовать прокариоты (от -10 о. С до 110 о. С). В зависимости от оптимальной температуры роста выделяют психрофилов (любителей холода), мезофилов (средний диапазон температур; к ним относятся все симбионты и паразиты человека) и термофилов (любителей тепла). Фотосинтез и азотфиксация. Некоторые виды бактерий и архей способны к фиксации азота. Примерно половина азота, входящего в состав живых организмов, фиксируется бактериями. Фиксация азота – один из наиболее дорогих биохимических процессов: на фиксацию одной молекулы азота расходуется 16 молекул АТФ. Фиксировать азот могут только прокариотические организмы.
Строение эукариотической клетки Эукарио ты (лат. Eukaryota от др. -греч. εὖ- «хорошо» и κάρυον «ядро» ), или я дерные, —домен (надцарство) живых организмов, клетки которых содержат ядро. Животные, растения, грибы, а также группы организмов под общим названием протисты — все являются эукариотическими организмами. Типичной эукариотической клетки не существует, но можно выделить общий план строения. Оболочку, покрывающую клетку снаружи, называют клеточной мембраной. Внутри клетки часто встречаются пузырьки, оболочка которых очень похожа на клеточную мембрану. Их называют мембранными пузырьками, или вакуолями. Различные части клетки называются органоидами: ядра, эндоплазматическая сеть (ЭПС), комплекс Гольджи, митохондрии, центриоли (вместе они имеют название "клеточный центр"). Внутреннее содержимое клетки, за исключением ядра, называют цитоплазмой.
Схема типичной клетки животного. 1. Ядрышко 2. Ядро 3. Рибосома 4. Везикула 5. Шероховатый (гранулярный) эндоплазматический ретикулум 6. Аппарат Гольджи 7. Клеточная стенка 8. Гладкий (агранулярный) эндоплазматический ретикулум 9. Митохондрия 10. Вакуоль11. Гиалоплазма 12. Лизосома 13. Центросома (Центриоль) Согласно наиболее распространённым гипотезам, эукариоты появились 1, 5— 2 млрд лет назад. Важную роль в эволюции эукариот сыграл симбиогенез — симбиоз между эукариотической клеткой, видимо, уже имевшей ядро и способной к фагоцитозу, и поглощёнными этой клеткой бактериями — предшественниками митохондрий и пластид.
Особенности строения растительной клетки Важнейшей отличительной особенностью растительной клетки является наличие прочной клеточной стенки, основным компонентом которой является целлюлоза. Клеточная стенка высших растений представляет собой сложноорганизованный, внеклеточный матрикс, окружающий каждую клетку. Растительная клетка, лишённая клеточной стенки - протопласт. В клеточных стенках растений существуют углубления — поры, через которые проходят цитоплазматические канальца — плазмодесмы, осуществляющие контакт соседних клеток и обмен веществами между ними. Химический состав и пространственная организация полимеров клеточной стенки отличаются у разных видов, клеток разных тканей одного растения и иногда у разных частей стенки вокруг одного протопласта. Растительные клеточные стенки выполняют целый ряд функций: они обеспечивают жесткость клетки для структурной и механической поддержки, придают форму клетке, направление её роста и в конечном счете морфологию всему растению. Клеточная стенка также противодействует тургору, то есть осмотическому давлению, когда дополнительное количество воды поступает в растения. Клеточные стенки защищают от патогенов, проникающих из окружающей среды, и Растительная клетка. Зелёная запасают углеводы для растения. оболочка — клеточная стенка
Отличия эукариот от прокариот 1. Расположением генетического аппарата в клетке. Генетический аппарат всех эукариот находится в ядре и защищён ядерной оболочкой. ДНК эукариот линейная, а у прокариот ДНК кольцевая и находится в особой области клетки — нуклеоиде, который не отделён мембраной от остальной цитоплазмы). ДНК связана с белками-гистонами и другими белками хромосом, которых нет у бактерий. 2. В жизненном цикле эукариот обычно присутствуют две ядерные фазы (гаплофаза и диплофаза). Первая фаза характеризуется гаплоидным (одинарным) набором хромосом, далее, сливаясь, две гаплоидные клетки (или два ядра) образуют диплоидную клетку (ядро), содержащую двойной (диплоидный) набор хромосом. Иногда при следующем делении, а чаще спустя несколько делений клетка вновь становится гаплоидной. Такой жизненный цикл и в целом диплоидность для прокариот не характерны.
3. Наличие у эукариотических клеток особых органелл, имеющих свой генетический аппарат, размножающихся делением и окружённых мембраной. Эти органеллы — митохондрии и пластиды. Прокариоты характеризуются малым количеством органелл, и ни одна из них не окружена двойной мембраной. В клетках прокариот нет эндоплазматического ретикулума, аппарата Гольджи, лизосом. 4. Наличие у эукариот эндоцитоза, в том числе у многих групп — фагоцитоза. Этот процесс обеспечивает в организме важную защитную функцию. Появление фагоцитоза у эукариот скорее всего связано со средними размерами. Размеры прокариотических клеток несоизмеримо меньше, и поэтому в процессе эволюционного развития эукариот у них возникла проблема снабжения организма большим количеством пищи. Как следствие среди эукариот появляются первые настоящие, подвижные хищники.
5. Различия в организации цитоскелета. Некоторое время считалось, что цитоскелет свойственен только эукариотам, но в середине 1990 -х гг. белки, гомологичные основным белкам цитоскелета эукариот, были обнаружены и у бактерий. Именно наличие специфическим образом устроенного цитоскелета позволяет эукариотам создать систему подвижных внутренних мембранных органоидов. Кроме того, цитоскелет позволяет осуществлять эндо- и экзоцитоз (как предполагается, именно благодаря эндоцитозу в эукариотных клетках появились внутриклеточные симбионты, в том числе митохондрии и пластиды). Другая важнейшая функция цитоскелета эукариот — обеспечение деления ядра (митоз и мейоз) и тела (цитотомия) эукариотной клетки (деление прокариотических клеток организовано проще). Различия в строении цитоскелета объясняют и другие отличия про- и эукариот — например, постоянство и простоту форм прокариотических клеток и значительное разнообразие формы и способность к её изменению у эукариотических, а также относительно большие размеры последних.
Вирусы. Существуют формы, которые объединяют в себе свойства живого и неживого - вирусы. Слово «вирус» образовано от латинского virus – яд. Вирусы открыты в 1892 г. Д. И. Ивановским при изучении мозаичной болезни табака (пятнистость листьев). С одной стороны, они состоят из белков и нуклеиновых кислот и способны к самовоспроизводству, т. е. имеют признаки живых организмов, но с другой стороны, вне чужого организма или клетки они не проявляют признаков живого – не имеют собственного обмена веществ, не реагируют на раздражители, не способны к росту и размножению. Вирусы выделяют в отдельное царство, иногда описывают вне царств природы. Все вирусы образованы сходным образом. Все они покрыты белковой оболочкой и в их состав входит нуклеиновая кислота - РНК или ДНК может быть кольцевой или линейной, РНК может быть одноцепочечной или двуцепочечной. Размеры вирусов — 10– 300 нм. Форма вирусов: шаровидная, палочковидная, нитевидная, цилиндрическая и др.
Вирусы, паразитирующие в бактериальных клетках, называются бактериофагами. Бактериофаг состоит из головки, хвостика и хвостовых отростков, с помощью которых он осаждается на оболочке бактерий. В цикле репродукции вируса можно выделить следующие стадии. Вирус ВИЧ (А) и бактериофаг (Б) 1. Осаждение на поверхности клетки-хозяина. 2. Проникновение вируса в клетку-хозяина (могут попасть в клетку-хозяина путем: а) «инъекции» , б) растворения оболочки клетки вирусными ферментами, в) эндоцитоза; попав внутрь клетки вирус переводит ее белок-синтезирующий аппарат под собственный контроль). 3. Встраивание вирусной ДНК в ДНК клетки-хозяина (у РНК-содержащих вирусов перед этим происходит обратная транскрипция — синтез ДНК на матрице РНК). 4. Транскрипция вирусной РНК. 5. Синтез вирусных белков. 6. Синтез вирусных нуклеиновых кислот. 7. Самосборка и выход из клетки дочерних вирусов. 8. Затем клетка либо погибает, либо продолжает существовать и производить новые поколения вирусных частиц. Возбудитель СПИДа — вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) — относится к ретровирусам. Имеет сферическую форму, диаметром 100– 150 нм. Наружная оболочка вируса состоит из мембраны, образованной из клеточной мембраны клетки-хозяина. В мембрану встроены рецепторные «грибовидные» образования.
Бактериофаги состоят из белка и ДНК. Если бактериофаги добавить к бактериям, то они проникают в бактериальную клетку и в ней размножаются. Бактериальная клетка разрывается, и новые бактериофаги выходят наружу.
ДНК-содержащие вирусы : герпес-вирусы (вирусы простого герпеса и ветряной оспы, цитомегаловирус); вирус натуральной оспы; папилломавирус; аденовирусы; вирус гепатита В. Вируса герпеса. Белковая оболочка вируса, называемая нуклеокапсид, построена из белков и представляет правильный шестигранник. Вокруг имеется оболочка, которую вирус строит из кусков клеточных мембран, которые организм не атакует, так как это мембраны его собственных клеток. Правда, эти мембрана инкрустирована вирусными белками, поэтому иммунная система вирус герпеса все-таки может распознать. «Заворачивание» в мембрану – это способ защиты вируса. Внутри белкового шестигранника находится линейная двуспиральная молекула ДНК. Вирус герпеса размножается в клетках кожного эпителия, но при размножении частицы вируса инфицируют нервы, и по нерву вирус проникает в спинной мозг. Там вирусная ДНК встраивается в геном клеток корешков спинного мозга, поэтому, раз инфицировавшись, человек несет в себе вирусную ДНК. Излечить его навсегда невозможно, разве что вместе с клетками спинного мозга удалить. Время от времени геномные копии могут синтезировать новые вирусные ДНК. Но если у человека хорошо работает имунная система, то у него имеются антитела, защищающие его от этого вируса. Эти антитела не дают вирусу выбраться из своего укрытия. Но при ослаблении иммунной системы, например, при простуде, титр антител в крови падает, вирусы выходят из клеток спинного мозга и по нерву добирается до кожного эпителия, и там он уже начинает размножаться. Поэтому пузырьки, высыпающие в тех местах, через которые вирус попал в организм – чаще всего на лице, на губах – называют "простудой".
РНК-содержащие: вирус гриппа; вирус кори; вирус бешенства; вирусы гепатита А и С; вирус иммунодефицита человека; ретравирусы Возбудитель СПИДа — имеет сферическую форму, диаметром 100 – 150 нм. Наружная оболочка вируса состоит из мембраны, образованной из клеточной мембраны клетки-хозяина. В мембрану встроены рецепторные «грибовидные» образования. Под наружной оболочкой располагается сердцевина вируса, имеющая форму усеченного конуса и образованная особыми белками. Внутри сердцевины располагаются две молекулы вирусной РНК. Каждая молекула РНК содержит 9 генов ВИЧ и фермент (обратная транскриптаза), осуществляющий синтез вирусной ДНК на матрице вирусной РНК. Вирус иммунодефицита человека поражает главным образом CD 4 -лимфоциты (хелперы), на поверхности которых есть рецепторы, способные связываться с поверхностным белком ВИЧ. Кроме того, ВИЧ проникает в клетки ЦНС, нейроглии, кишечника. Иммунная система организма человека утрачивает свои защитные свойства и оказывается не в состоянии противостоять возбудителям различных инфекций. Наиболее простые клетки почти неотличимы от вирусов. К ним относятся, например, Micoplasma, Rickettsiae и Chlamydiae. Однако имеется несколько принципиальных отличий клеток от вирусов: (1) наличие клеточной стенки (двуслойной мембраны), (2) наличие собственной протеинсинтезирующей системы, (3) размножение путем деления(Matthews, 1991).
Прио ны (англ. prion от protein — «белок» и infection — «инфекция» , слово предложено в 1982 году Стенли Прузинером) — особый класс инфекционных агентов, представленных белками с аномальной третичной структурой и не содержащих нуклеиновых кислот. Прионы способны увеличивать свою численность, используя функции живых клеток (в этом отношении прионы схожи с вирусами). Прион — это белок с аномальной трёхмерной (третичной) структурой, способный катализировать конформационное п ревращение гомологичного ему нормального клеточного белка в себе подобный (прион). Как правило, при переходе белка в прионное состояние его α-спирали превращаются в βслои. Появившиеся в результате такого перехода прионы могут в свою очередь перестраивать новые молекулы белка; таким образом, запускается цепная реакция, в ходе которой образуется огромное количество неправильно свёрнутых молекул. Прионы вызывают заболевания — губчатые энцефалопатии у различных млекопитающих ( «коровье бешенство» ). У человека прионы вызывают болезнь Крейтцфельдта — Якоба, куру и др. Все известные прионные заболевания поражают головной мозг и другие нервные ткани. Препарат головного мозга коровы, поражённой коровьим бешенством. В сером веществе образуются микроскопические полости, которые придают ткани вид губки
Скачать презентацию Лекция 2 УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИЗНИ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ Определение
лекция 2 - уровни организации жизни-2016.ppt