Основні властивості життя.

1. Обмін речовин та енергії, зміст якого складають процеси асиміляції (процеси синтезу, анаболізм) і дисиміляції (процеси розпаджу, катаболізм). Під час асиміляції створюються або оновлюються різні морфологічні структури, процес відбувається з поглинанням енергії й називається пластичним обміном. Під час дисиміляції відбувається розщеплення складних хімічних сполук до відносно простих, що супроводжується виділенням енергії – енергетичний обмін.

2. Здатність протистояти наростанню ентропії. У живих системах постійно відбуваються біохімічні реакції, що супроводжуються виділенням тепла.Такі процеси проходять за участю ферментів самовільно і характепризуються зменшенням вільної енергії. Енергетичні процеси в клітині здійснюються впорядковано, а не хаотично. За ткаих умов не може бути справжньої рівноваги. Тому клітини як живі організми здатні протистояти зростанню ентропіїї.

3. Самооновлення. В основі самооновлення лежать реакції синтезу, тобто утворення нових молекул і структур на основі інформації, закладеної в послідовності нуклеотидів ДНК.

4. Саморегуляція. Здатність організмів підтримувати відносну сталість хімічного складу та перебігу фізіологічних процесів – гомеостаз. Сигналами для корекції гомеостазу є надлишок або нестача тих чи інших речовин, виведення системи з рівноваги тощо.

5. Подразливість – здатність живих організмів реагувати на певні впливи довкілля. Поширеною формою прояву подразливості є рухи – активні чи пасивні ( у тварин – таксиси, у рослин – тропізми, настії, нутації).

6. Здатність до самовідтворення (розмноження). Виникають організми, схожі з батьківськими формами. Самовідтворення забезпечується ДНК.

7. Спадковість (здатність організму передавати свої ознаки, властивості й особливості розвитку від покоління до покоління) і мінливість(здатність організмів набувати нових ознак і властивостей).

8. Ріст і розвиток (незворотна закономірна зміна біологічної системи). Розвиток складових організму носить назву онтогенез або індивідуальний розвиток. Розвиток живої природи (еволюція) з утворенням нових видів, прогресивним ускладненням форм життя носить назву філогенез або історичний розвиток.

9. Дискретність і цілісність. Дискретність означає, що біологічна система (популяція, організм, орган, клітина) складається з відособлених або обмежених у просторі складових (види, особини, тканини, органели). Але всі ці складові утворюють цілісність, єдине ціле.

Жива природа є складно організованою системою складових, об’єднаних загальною стратегією життя. Внаслідок цього в науці сформувалася уява про рівні організації живої матерії. Виділяють такі рівні живої матерії:

• молекулярно-генетичний рівень (екологічні проблеми рівня – ріст мутагенних впливів і збільшення частки мутацій у генофондах);

• клітинний рівень (екологічні проблеми рівня – ріст клітинної патології внаслідок забруднення середовища, порушення відтворення клітин);

• організмовий рівень (екологічні проблеми рівня – зниження адаптаційних можливостей організмів, розвиток граничних станів у людини: між здоров’ям і хворобою);

• популяційно-видовий рівень (екологічні проблеми рівня – погіршення екологічних показників популяцій – чисельність, щільність, віковий склад тощо);

• біосферно-біогеоценотичний рівень (екологічні проблеми рівня – збільшення кількості антропоцентозів та їх глобальне поширення, забруднення середовища, руйнування озонового екрану Землі).

3

Клітина – елементарна структурно-функціональна одиниця живого. Хімічний склад клітини. Про- та еукаріотичні клітини.

Клітина – найпростіша біологічна система, здатна до самовідновлення, самовідтворення та розвитку. Це динамічно стійка відкрита система, яка складається з багатьох взаємопов’язаних елементів, функціонування яких не тільки визначає життєдіяльність клітини, але має значення для організму як цілого. Клітина є основою будови прокаріотів, одноклітинних, грибів, рослин і тварин.

Прокаріоти	Еукаріоти
Доядерні організми, які не мають типового ядпра, оточеного ядерною оболонкою.	Ядерні організми, які мають ядро, оточене ядерною мембраною.
Генетичний матеріал представлений генофором – ниткою ДНК, яка утворює кільце.	Генетичний матеріал зосереджений переважно у хромосомах, які складаються з ниток ДНК та білкових молекул.
Поділ клітини простий, але йому передує процес реплікації (процес самовідтворення молекул ДНК, який відбувається в результаті комплементарного синтезщу нового ланцюга ДНК на існуючому матричному ланцюгу).	Діляться клітини мітотично (утворення з однієї диплоїдної клітини двох генетично рівноцінних дочірних клітин з таким же набором хромосом).
У клітині прокаріотів відсутні мітохондрії, центріолі, пластиди, розвинена система мембран.	Є центролі, мітохондрії, пластиди. Серед еукаріотів є як одноклітинні, так і багатоклітинні організми.
До прокаріотів належать бактерії та синьозелені водорості.	До еукаріотів належить більшість рослин, гриби і тварини.

Спостерігали та вивчали клітину англійський фізік Р.Гук, ботаніки М.Мальпігі та Н.Грю, голандський оптик А.Левенгук, Я.Пуркіньє, Р.Броун. Основи клітинної теорії були закладені у роботах німецьких вчених: ботаніка М.Шлейдена та зоолога Т.Шванна (1810-1882) «Мікроскопічні дослідження про відповідність у структурі та рості тварин і рослин», яку опублікували у 1839 році. Основними положеннями його теорії були: 1) клітина є головною структурною одиницею всіх організмів; 2) процес утворення клітин зумовлює ріст, розвиток і диференціювання рослинних і тваринних тканин. На подальший розвиток вчення про клітину вплинула праця німецького патолога Р.Вірхова «Целюлярна патологія» (1858). Він підійшов до пояснення патологічних процесів у звязку з морфологічними структурами, з певними змінами в будові клітин. Це дослідження започаткувало нову науку – патологію, яка є основою теоретичної та клінічної медицини.

Для вивчення особливостей організації клітини застосовують методи цитології: світлову мікроскопію, електроні мікроскопи, цитохімічні методи, метод авторадіографії.

З часу створення клітинної теорії вчення про клітину набуло нового змісту. На сучасному етапі розвитку цитології клітинна теорія включає такі положення:

- клітина – елементарна одиниця будови і розвитку всіх живих організмів;

- клітини всіх одноклітинних і багатоклітинних організмів подібні за

походженням, будовою, хімічним складом, основними проявами життєдіяльності;

- кожна нова клітина утворюється виключно внаслідок розмноження материнської шляхом поділу;

- у багатоклітинних організмів, які розвиваються з однієї клітини – зиготи, спори тощо – різні типи клітин формуються завдяки їхній спеціалізації впродовж індивідуального розвитку особини та утворюють тканини;

- із тканин складаються органи, які тісно повязані між собою й підпорядковані нервово-гуморальній та імунній системам регуляції.

Клітинна теорія має велике значення для медицини. Клітина – одиниця патології. Порушення структури і функції одних клітин є першопричиною виникнення і розвитку хвороби, а порушення інших може бути вже наслідком несприятливих змін в організмі (загибель кардіоміоцитів чепрез гостру нестачу кисню при інфаркті міокарда, після цього гіпоксія і зміна функції і структури нейронів головного мозку). Порушення нормального функціонування клітин повязане з багатьма різноманітними чинниками (фізичними, хімічними, біологічними) і характеризуються порушеннями організаціх органел клітин, зміною окремих метаболічних процесів. Несприятливими для клітинни чинниками можуть бути хвильові, іонізуючі випромінювання, низькі й високі температури, різні хімічні сполуки, вірусні, бактеріальні та грибкові інфекції, нестача поживних речовин або окремих фізіологічно активних сполук (вітаміни, мікроелементи, нестача кисню тощо. Широко розповсюдженою причиною патології клітини є проникнення й розмноження в ній вірусів (вірус змушує клітину працювати винятково на себе). Після масового утворення і виходу вірусних часток із клітини вона гине. Деякі патогенні віруси не вбивають клітини, а викликають її переродження. Якщо чинник не цілком ушкодив клітину, то після припинення його дії клітина може відновити свою структуру і функції. Цей процес називається внутрішньоклітинною репарацією.

Жива клітина містить обмежений набір хімічних елементів. Всі хімічні елементи можна поділити на чотири групи:

1. Органогенні – це кисень, водень, вуглець і азот. Їх загальний вміст складає 95-98%.

2. Макроелементи – кальцій, калій, фосфор, сірка, кремній, натрій, хлор, магній, залізо, які містяться в десятих частках відсотка.

3. Мікроелементи – кобальт, цинк, мідь, марганець, хром, бром, йод, літій, радій. Їх вміст складає близько 0,01%.

4. Ультрамікроелементи – всі інші хімічні елементи, вміст яких менше 0,01%.

Хімічні елементи виконують багато важливих функцій: входять до складу органічниї і неорганічних сполук клітини, активують діяльність цілого ряду ферментів, створюють різницю потенціалів на біомембранах тощо. Серед неорганічних сполук важлива роль належить воді. (70-90% маси клітини). Вода визначає фізичні властивості клітини, є середовищем для хімічних реакцій, вона добрий розчинник, забезпечує в клітині терморегуляцію. Важливе значення для життєдіяльності клітин мають калій, натрій, кальцій, магній, фосфор, сірка тощо.

Клітини побудовані із специфічного і водночас обмеженого набору однакових для усіх видів живих істот молекул, що містять вуглець. Основні групи цих молекул є відносно простими вуглеводами, жирними кислотами, амінокислотами і нуклеотидами.

Білки – головний компонент клітини. Функції білків:

• Ферментативна (за хімічною структурою ферменти є білками);

• будувальна (у склад всіх кліткових структур входять білки);

• рухальна (рух клітин забезпечується особливими білковими структурами);

• транспортна (забезпечує переніс речовин до клітини, з клітини, у клітині; наприклад, особливий білок гемоглобін);

• захисна (особливі білки антитела знезаражують бактерії та чужеродні речовини);

• енергетична (при розщепленні білка виділяється енергія).

Вуглеводи є найважливішим джерелом енергії для клітин, вони запасають її, створюють резервні полісахариди. Серед вуглеводів відокремлюють: а) прості – моносахариди, молекула яких містить 6 атомів вуглецю (глюкоза- виноградний цукор, фруктоза – присутня у меді та фруктах, галактоза – міститься у молоці) та моносахариди, молекула яких містить 5 атомів вуглецю (рибоза та дезоксирибоза, які входять у склад нуклеїнових кислот і АТФ);

б) складні – полісахариди (цукроза – буряковий цукор, молочний цукор, глікоген у тваринних клітинах, крохмаль та клітковина у рослинних клітинах).

Ліпіди виконують:

• будувальну функцію (входять у склад кліткових мембран);

• енергетичну (при розщепленні ліпідів виділяється енергія);

• захисна (завдяки поганій теплопровідності запобігає втраті тепла організмом).

Нуклеїнові кислоти – унікальні молекули, необхідні кожній клітині для збереження і передачі генетичної інформації. Нуклеїнові кислоти забезпечують процеси синтезу білків, а цим, у свою чергу, визначається характер обміну речовин, закономірності росту й розвитку, явища спадковості й мінливості. Вперше нуклеїнові кислоти були виявлені Ф.Мішером у 1869 році.

Нуклеїнові кислоти існують у вигляді двох типів: дезоксірибонуклеїнова кислота (ДНК) та рибонуклеїнова кислота (РНК). Роль нуклеїнових кислот величезна. ДНК містить генетичну інформацію і визначає специфічні особливості білків, за допомогою ДНК здійснюється передача спадкових особливостей клітини. Молекула ДНК складається з двох ланцюгів, закручених у спіраль. Кожен ланцюг ДНК – це полімер, мономерами якого є нуклеотиди. У склад нуклеотида входять вуглевод (дезоксірибоза), фосфорна кислота та азотиста основа. Азотиста основа буває чотирьох типів: аденін (А), гуанін (Г), тімін (Т), цитозін (Ц). Аденін і тімін, а також цитозін і гуанін комплементарні. Тому завжди можна визначити порядок розташування нуклеотидів у одному ланцюгі, якщо відомо розташування у іншому.

В 1950 році Ервін аргафф сформулював положення щодо структури ДНК:

Молярна частка пуринів (аденіну і гуаніну) дорівнює молярній частці пірамідинів (цитозину і тиміну), кількість аденіну і цитозину дорівнює кількості гуаніну і тиміну

А+Г=Ц+Т

А=Т; Г=Ц

Спадкова інформація зберігається в молекулі ДНК. Проте ДНК не бере участі в життєдіяльності клітин. Роль посередників у передачі спадкової інформації від ДНК у цитоплазму відіграють рибонуклеїнові кислоти. Взаємовідносини ДНК, РНК і білків можна представити у вигляді схеми : ДНК РНК білок

РНК мають вигляд довгих нерозгалужених полімерних молекул, що складаються з одного ланцюга. РНК приймає участь у біосинтезі білка. Це полімер, який побудован з нуклеотидів. Замість дезоксирибози у РНК присутня рибоза. Замість тіміну у РНК міститься урацил (У). РНК – полімер рибонуклеотидів, що складаються із фосфорної кислоти, рибози й азотистих основ (аденін, гуанін, цитозин, урацил). В синтезованій молекулі аденін ДНК комплементарний урацилу РНК, а гуанін – цитозину.

Існують три вида РНК:

• інформаційна РНК ( молекули інформаційної РНК несуть закодовану інформацію первинної структури білків у цитоплазму, де прикріплюються до рибосом і реалізують цю інформацію);

• транспортна РНК (молекули транспортної РНК утворюються на спеціальних генах. Вони короткі, однониткові, мають форму листка конюшини. Молекули тРНК переносять до місць синтезу білків тільки відповідні їм амінокислоти з цитоплазми);

• рибосомна РНК (міститься у рибосомах, приймає участь у синтезі білка).

Нуклеотидом є і аденозинтрифосфорна кислота. До складу молекули АТФ входять азотиста основа аденін, вуглевод рибоза та три остатки фосфорної кислоти. АТФ має важливе значення у перетворенні енергії клітини. Синтезуя АТФ, клітина накопичує енергію, яку можна використовувати у подальшому в процесі її життєдіяльності.

Реплікацією називається унікальна властивість молекули ДНК подвоюватися перед поділом клітини. Основні етапи реплікації:

1. Ініціація – це активація дезоксирибонуклеотидів, розкручування молекули ДНК з певної точки і початок синтезу поліпептидного ланцюга.

2. Елонгація – процес подовження, нарощування полінуклеотидного ланцюга.

3. Термінація – після завершення процесу реплікації молекули, що утворилися, розділяються, і кожна дочірня нитка ДНК скручується разом з материнською в подвійну спіраль.

Для підтримування генетичної стабільності клітин існує кілька механізмів. По-перше, це самокорекція, а по-друге, - репарація виникаючих змін.

Здатність клітини до виправлення пошкоджень у молекулах ДНК одержала назву репарації.

Генетична інформація може надійно зберігатися в нуклеотидних послідовностях ДНК лише тому, що широкий набір різних реплікаційних ферментів здійснює беззупинний «огляд» ДНК і видаляє з неї ушкоджені нуклеотиди.

Унікальність кожної клітини полягає в унікальності білків. Клітини, що виконують різні функції, здатні синтезувати свої власні білки, використовуючи інформацію, що записана в молекулі ДНК. Ця інформація існує у вигляді особливої послідовності азотистих основ у ДНК і називається генетичним кодом. Генетичний код ДНК має фундаментальні характеристики:

1. Триплетність (три сусідні азотисті основи називаються кодоном і кодують одну амінокислоту).

2. Специфічність (кожний окремий триплет кодує тільки одну певну амінокислоту).

3. Неперекривність (жодна азотиста основа одного кодону ніколи не входить до складу іншого кодону).

4. Відсутність розділових знаків (генетичний код не має «пунктуаційних позначок» між кодуючими триплетами у структурних генах).

5. Універсальність (даний кодон у ДНК або іРНК визначає ту саму амінокислоту в білкових системах всіх організмів від бактерій до людини).

6. Надмірність (одна амінокислота часто має більш ніж один кодовий триплет).

7. Колінеарність (ДНК є лінійним полінуклеотидним ланцюгом, а білок – лінійним поліпептидним. Послідовність амінокислот у білку відповідає послідовності триплетів у його гені. Тому ген і поліпептид, який він кодує, називають колінеарним.)

8. Відповідність гени – поліпептиди (клітина може мати стільки поліпептидів, скільки має генів).

Ген є елементарною структурно-функціональною одиницею спадковості, що визначає розвиток певної ознаки клітини або організму. Слово «ген» було введено В.Йогансеном у 1909 р.

Кожна інтерфазна хромосома має одну молекулу ДНК, що містить велику кількість генів. Гени в ДНК розташовані у лінійному порядку. Кожний ген має своє місце розташування (локус).