Уровни организации живого, органического мира
| Основные группы | Уровни |
| 1.Биология микросистем 2.Биология мезосистем 3. Биология макросистем | 1. Молекулярный 2. Мицеллярный (субклеточный) 3. Клеточный 4. Тканевой 5. Органный 6. Организменный (организм как целое) 7. Видовой (популяционный) 8. Биоценотический (сообщества, биоценозы) 9. Биосфера в целом (глобальный) |
На всех уровнях проявляются основные закономерности ( см.выше), но каждый уровень имеет свои качественные особенности, свою упорядоченность. Также различно для каждого уровня будет понятие среды. Для молекулярного и надмолекулярного уровней окружающей средой будет внутренняя среда клетки, для клеток и тканей – внутренняя среда организма. Для организмов среду составляют такие же организмы и внешняя среда, т.е. объекты неживой природы. Существование жизни на высшем уровне определяется структурой низшего уровня. Следует отметить частичное сходство на низших уровнях и все более возрастающее различие на высших. Даже на клеточном уровне обнаруживается изменчивость всех живых организмов – всего лишь 5 тканей входит в состав органов животных, однако на организменном уровне обнаруживается трудновообразимое многообразие форм.
Вопросы для самоподготовки:
1. Дать определение понятию «жизнь».
2. Объяснить отличие обмена веществ у живых организмов от обменных процессов, протекающих в неживой природе.
3. Дать определение понятию «субстрат жизни».
4. Перечислить и обосновать закономерности, характеризующие жизнь.
5. Доказать, почему клетки, ткани и органы в сумме ещё не представляют собой целостный организм.
6. Назвать и охарактеризовать уровни организации живой материи.
Лекция 2
КЛЕТКА.
План лекции:
1. ИСТОРИЯ УЧЕНИЯ О КЛЕТКЕ.
2. СТРУКТУРНЫЕ КОМПОНЕНТЫ КЛЕТКИ.
3. СТРУКТУРНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ЦИТОПЛАЗМЫ.
4. СТРУКТУРНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ЯДРА.
5. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ.
Главной структурной единицей всех живых тканей является клетка. Предпосылкой открытия клетки было изобретение микроскопа.
В 1665 г. английский физик Роберт Гук, рассматривая срез пробки, обнаружил ячейки, которые напоминали пчелиные соты – он назвал их (celula) – клетка. Точно такое же строение он обнаружил у камыша, бузины.
В XVII веке появились работы итальянца Мальпиги, англичанина Грю, посвящённые изучению клетки. Голландец Левенгук впервые обнаружил в воде одноклеточные водоросли. Во II половине XIX века чех Ян Пуркинье обнаружил, что клетка заполнена полужидким содержимым. Он назвал его протоплазмой ( protos – первый, plasma – образование).
В 1831 г. англичанин Роберт Броун обнаружил ядро, а немецкий ботаник Шлейден к тридцатым годам XIX века сделал заключение, что в любой растительной клетке имеется ядро.
В 1839 г. немецкий зоолог Шванн опубликовал труд под названием «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений». Именно Шванн является основоположником клеточной теории. Вот её основные положения:
Большинство живых организмов состоит из одной или нескольких клеток, клетка является главной структурной единицей всех живых организмов.
Размножение клеток происходит из одной клетки, процесс образования клеток обеспечивает рост и развитие тканей.
Несмотря на огромное разнообразие внешнего строения, сходство внутреннего строения свидетельствует о родстве различных форм жизни.
Большой вклад в развитие клеточной теории внес немецкий ученый Р. Вирхов. Положение Вирхова «Omnis cellula e cellula» - каждая клетка из клетки – блестящее подтверждение дальнейшего развития биологии. В настоящее время неизвестны иные способы появления новых клеток, кроме деления. Однако возможно, что на заре развития жизни клетки образовывались из неклеточных структур.
Положение Вирхова о том, что вне клетки нет жизни, не потеряло своего значения и сейчас. Примитивные организмы – вирусы приобретают способность к жизнедеятельности, лишь проникнув в клетку.
Наука о клетке – цитология – тесно связана с изобретением микроскопа. Первые микроскопы давали увеличение в 200 – 300 раз, сейчас – 2000 – 3000 раз, электронный микроскоп увеличивает в 10000 и 100000 раз. Именно электронная микроскопия позволила выявить особенности строения мышечных клеток у спортсменов и изменения в них в процессе занятий спортом.
В настоящее время разработаны новые методы изучения клеток. Метод последовательного центрифугирования позволяет изучить химический состав различных частей клеток. Метод меченых атомов – проследить за последовательностью химических реакций, определить время их действия. Метод микрохирургии – оперировать на клетке, пересаживать ядро, органоиды.
Итак, под клеткой понимают элементарную живую систему, которая является основой строения, развития и жизнедеятельности растений и животных.
В клетке происходят все основные процессы жизни – обмен веществ и превращения энергии, питание, выделение, рост и размножение. Некоторые клетки обладают способностью реагировать на раздражение изменением своего состояния или сокращением. Клетки различны по внешнему виду в зависимости от условий существования и функции. Они могут быть круглыми – кровяные тельца, звёздчатыми – нервные клетки, нитевидными – мышцы. Некоторые так малы (кровяные тельца), что в 1 см2 их можно уложить до 3 тысяч, а другие достигают нескольких сантиметров – мышечные клетки. Несмотря на внешнее различие, строение клетки имеет сходные черты:
каждая клетка окружена мембраной;
каждая заполнена цитоплазмой;
каждая имеет одно или несколько ядер;
каждая имеет внутриклеточные органоиды и включения.
Клеточная мембрана – под электронным микроскопом видно, что содержимое клетки отделено от окружающей среды тонкой мембраной, имеющей 3 слоя – внешний и внутренний – белковый, средний – жировой. Мембрана клетки пронизана мельчайшими отверстиями – порами.
Функции мембраны:
она защищает клетки от повреждений и вредных влияний внешней среды;
она полупроницаема, обеспечивает поступление воды и определенных химических веществ (рецепторы);
через неё выделяются все отходы жизнедеятельности клетки;
ферменты мембран определяют последовательность химических реакций.
Клетки присоединяются друг к другу наружными мембранами. На мембранах мышечных волокон имеются выросты, которые прочно соединяют клетки между собой.
Цитоплазма представляет собой полужидкую (коллоидную) систему. В состав её входит вода, соли и другие органические вещества (белки), органоиды. Различают органоиды общего и специфического назначения. Общего – эндоплазматическая сеть, рибосомы, митохондрии, комплекс Гольджи, лизосомы и клеточный центр. Специфические: в мышечных волокнах – миофибриллы, обеспечивающие сокращение, в нервных волокнах – нейрофибриллы, обеспечивающие передачу возбуждения.
Эндоплазматическая сеть – пронизывает цитоплазму. Это система тонких трубочек, которые связывают между собой все части клетки. Каждому виду клетки свойственна определенная архитектура сети. Она может быть шероховатой – густо окруженной округлыми тельцами – рибосомами (их много тысяч), которые участвуют в образовании белковых молекул из аминокислот. Их называют белковыми фабриками клетки. В каждой клетке рибосомы синтезируют специфический белок. В частности, в мышечной клетке – мышечный белок (миозин). Гладкая эндоплазматическая сеть не имеет рибосом. В ней образуются жиры и углеводы. Эндоплазматическая сеть обеспечивает внутриклеточный обмен и обмен между клетками.
Для образования белков, жиров, углеводов, а также для других процессов жизнедеятельности клетки требуется энергия, которая обеспечивается другими органоидами клетки – митохондриями. Они имеют вид палочек, зерен, нитей. Их количество в клетке неодинаково. Существуют «быстрые» и «медленные» мышечные волокна. В «медленных» мышечных волокнах митохондрий больше, чем в «быстрых».
В митохондриях происходит образование АТФ за счёт окислительных процессов (ферменты). АТФ является универсальным источником энергии.
Комплекс Гольджи – это упаковочный цех клетки, где в крупных и мелких пузырьках, цистернах скапливаются белки, жиры, углеводы. Эти вещества используются в ходе жизнедеятельности клетки или выводятся из неё.
Липосомы – органоиды, осуществляющие пищеварение в клетке.
Клеточный центр – играет роль при делении клеток.
Ядро – является обязательным компонентом большинства клеток, их может быть одно или несколько. Клетки, не имеющие ядра, не делятся (эритроциты). Ядро – обычно шаровидной формы, занимает 1/5 объема клетки. Оно имеет оболочку, через которую осуществляется обмен веществ между ядром и цитоплазмой. Внутри его – ядерный сок, хроматин, ядрышки.
Хроматин – вещество, состоящее из белков и ДНК. Когда клетка начинает делиться – хроматин оформляется в хромосомы, имеющие вид изогнутых палочек. В молекулах ДНК хромосом записана особым химическим языком – генетическим кодом – наследственная информация. У каждого организма строго определенный набор хромосом. У человека – 46, у картофеля и у козы – 60. Строго характерны их вид, расположение, величина.
Ядрышки – их может быть несколько в ядре. Они исчезают, когда наступает деление клетки, если их убрать – деление клетки не наступает. Считается, что ядрышки участвуют в образовании РНК, входят в состав рибосом.
Химический состав клетки – неорганические вещества:
вода – 80 – 85 % - растворитель, теплообмен, смазка.
минеральные соли + катионы (К, Мg, Са), – анионы (хлориды, бикарбонаты, фосфаты).
железо – HB, фосфор – хромосомы, сера – белок.
Органические вещества:
Белки
белки – построенные по принципу полимеров – их цепь состоит из мономеров (А) - А-А-А-А. А – аминокислота.
белки обладают видовой специфичностью, ткань одного животного не приживается у животного другого вида.
белки входят в состав ферментов.
белки входят в состав гормонов.
белки являются основой мышц (актин, миозин)
белки обеспечивают процессы роста, образования новых клеток.
белки обеспечивают дыхание (гемоглобин, миоглобин)
Углеводы – состоят из углерода, кислорода и водорода.
Простые – моносахара (глюкоза), сложные (крахмал). Углеводы обеспечивают клетку энергией. Так при мышечной работе в качестве источника энергии используется гликоген печени. Под влиянием тренировок содержание гликогена в печени увеличивается на 50 % и более.
Жиры и липоиды – играют роль в образовании клеточных оболочек, мембран клеток и её структурных элементов.
Нуклеиновые кислоты. ДНК и РНК состоят из углерода, кислорода, азота, водорода, фосфора.
ДНК – в хромосомах клеточного ядра.
РНК – в ядре и цитоплазме.
ДНК – молекула напоминает веревочную лестницу, свернутую в спираль – носитель наследственной информации.
РНК – одинарная спираль. Функции её:
рибосомная,
информационная,
транспортная.
Вопросы для самоподготовки:
1. Этапы развития цитологии, методы изучения клетки.
2. Дать определение понятию «клетка».
3. Раскрыть основные положения клеточной теории.
4. Описать строение и функции общих органоидов клеток.
5. Перечислить специфические органоиды клетки, их роль.
6. Назвать неорганические компоненты клетки, объяснить их роль.
Лекция 3.
БИОСИНТЕЗ БЕЛКА В КЛЕТКЕ.
План лекции:
1. ТРАНСКРИПЦИЯ.
2. ПОНЯТИЕ О КОМПЛЕМЕНТАРНОСТИ.
3. ТРАНСЛЯЦИЯ.
4. МАТРИЧНЫЙ СИНТЕЗ.
Наиболее сложные органические вещества в клетке – белки. В процессе жизнедеятельности клетки они деформируются, денатурируются и на смену им создаются новые. Таким образом, биосинтез белков идет постоянно – ежеминутно клетка синтезирует несколько тысяч новых белковых молекул. Синтез белка состоит из нескольких этапов.
Транскрипция – Синтез белка происходит при участии ДНК, так как именно в молекуле ДНК записана структура белка, то есть определенный порядок расположения аминокислот. Участок молекулы ДНК, который несет в себе информацию о структуре индивидуального белка, называется геном.
С ДНК информация о структуре создаваемого белка переписывается на другую нуклеиновую кислоту – РНК. Таким образом, ДНК является матрицей, которая обеспечивает “отливку” первоисточника на молекулу РНК. Но РНК не только копирует структуру создаваемого белка, но и передает эту информацию из ядра клетки в рибосомы. Такая РНК называется информационной, она может содержать несколько тысяч нуклеотидов. Процесс переписывания информации с ДНК на РНК называется транскрипцией.
Если бы каждой аминокислоте (их 20) соответствовала своя «буква», то есть свой нуклеотид ДНК – всё было бы просто: определенная аминокислота списывалась бы со своего нуклеотида. Но нуклеотидов всего 4. Значит, на клеточную РНК может быть переписано лишь 4 аминокислоты. Остальные 16 не могли бы осуществить эту операцию. Поэтому природа изобрела другой механизм передачи информации – с помощью специального кода.
Изобретенный природой в процессе эволюции код ДНК состоит из 3 «букв» – 3-х нуклеотидов. Таким образом, каждой аминокислоте соответствует не один нуклеотид, а определенное сочетание 3-х нуклеотидов, которые называются «триплетом».
Например: аминокислота «Валин» кодируется следующей последовательностью нуклеотидов – Ц-А-А (цитозин – аденин – аденин). Аминокислота лейцин – А-А-Ц (аденин – аденин – цитозин). Поэтому, если в определенной части ДНК порядок нуклеотидов будет: Ц-А-А-А-Ц-А-А-А-Ц-Г-Г-Г, то, разбив этот ряд на тройки – «триплеты», можно расшифровать закодированные аминокислоты – Валин – цистеин – лейцин – пролин.
Для того чтобы передать информацию с ДНК на РНК, необходимо, чтобы передающее и воспринимающее устройства были настроены на одну волну посредством комплементарности. То есть, определенным нуклеотидам ДНК должны соответствовать конкретные нуклеотиды РНК. Например: если в одном месте цепи ДНК стоит нуклеотид Г (гуанин), то против него в цепочке РНК должен располагаться нуклеотид Ц (цитозин).
Таким образом, нуклеотиды РНК согласно принципу комплементарности будут располагаться следующим образом: Г(ДНК)-Ц(РНК), Ц(ДНК)-Г(РНК), А(ДНК)-У(РНК), Т(ДНК)-А(РНК) (У-уридил, Т-тимидил ). Таким образом, одна и та же аминокислота – пролин в молекуле ДНК записывается триплетом Г-Г-Г, а после переписи на ДНК кодируется триплетом Ц-Ц-Ц.
Трансляция. Следующий этап состоит в том, что молекулы клеточной РНК покидают ядро и выходят в цитоплазму, где вступают в контакт с рибосомами. К рибосомам также направляется и строительный материал клетки – аминокислоты, из которых собираются молекулы белка в соответствии с кодом клеточной РНК. Транспортировку аминокислот к рибосомам осуществляет особый вид РНК – транспортный. Молекула её представляет собой короткие одинарные цепочки нуклеотидов. Каждая из 20 аминокислот имеет свою транспортную РНК, молекула транспортной РНК строго специфична. Перед тем как принять непосредственное участие в сборке молекулы белка, аминокислота заряжается за счёт АТФ. Эту энергию поставляют митохондрии. Заряженные энергией аминокислоты в сопровождении транспортной РНК направляются к рибосомам, где и происходит синтез белка.
Рибосомы состоят из 2 неравных долей, через которые, как сквозь бусинку, продергивается молекула транспортной РНК. Ещё этот процесс можно сравнить с прохождением магнитной ленты сквозь звукоснимающую головку, только РНК скользит не плавно, а шажками.
Таким образом, имеется 3 вида РНК – информационная, транспортная и рибосомальная – последняя входит в состав рибосом.
При сборке белковых молекул природа использует принцип матричного синтеза, чтобы обеспечить точное соответствие создаваемых молекул белка с планом, который заложен в структуре уже существующей молекулы.
Схематически весь процесс можно представить так: нитевидная РНК унизана телами округлой формы. Это рибосомы. 1 рибосома, нанизанная на нить с левого конца, начинает синтез белка. По мере её продвижения по нити РНК происходит сборка белковой молекулы. Затем на нить вступает 2, 3... и каждая собирает свой белок, который определен матрицей. Одновременно в каждую рибосому, движущуюся по нити РНК, поступают аминокислоты, сопровождаемые транспортным РНК. При этом присоединяется только та аминокислота, которая (согласно комплементарности) соответствует коду молекулы ДНК.
Этот процесс называется трансляцией. Соединение аминокислот между собой происходит под влиянием ферментов. Когда молекула белка готова, рибосомы соскакивает с нити РНК, и она освобождается для сборки новой молекулы. Готовая молекула белка перемещается в тот участок клетки, где она требуется. Процесс сборки молекулы белка идет очень быстро – за четверть секунды образуется молекула белка, состоящая из 146 аминокислот.
Программа сборки молекулы белка поступает в виде информационной РНК в рибосомы. «Строительный материал» – аминокислоты доставляются к месту сборки транспортной РНК. Матричный принцип обеспечивает такое построение белковой молекулы, который был ранее определен ДНК. Производство белка связано с расходованием энергии и осуществляется с участием ферментов. Энергию поставляют митохондрии, а переносчиком её является богатое энергией вещество АТФ.
Вопросы для самоподготовки:
1. Функции белка в клетке.
2. Этапы биосинтеза белка.
3. ДНК: расположение в клетке, роль в биосинтезе белка.
4. Разновидности РНК, их функции.
5. Транскрипция, участие ДНК и РНК.
6. Трансляция, роль рибосом.
7. Понятие о комплементарности.
Лекция 4