3. Свойства и уровни организации живых систем.

а) Определение сущности жизни по Ф. Энгельсу.

Жизнь – это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней средой, причём с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка.

б) Современные представления о сущности жизни. Жизнь как форма существования открытых, саморегулирующихся систем.

Жизнь – это способ существования белковых тел и нуклеиновых кислот, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней средой, причём с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка и нуклеиновых кислот.

в) Основные свойства живых систем и их содержание.

1. Специфичность организации.

2. Обмен веществ (метаболизм). (Это совокупность физических и химических превращений, происходящих в живом организме и обеспечивающих его жизнедеятельность во взаимосвязи с окружающей средой. Ассимиляция — совокупность процессов синтеза, в основе его лежит усвоение организмом веществ и образование из них свойственных ему сложных органических соединений. Диссимиляция — совокупность процессов разрушения органических веществ.)

3. Саморегуляция (авторегуляция). (Это способность живых организмов находясь в постоянно меняющихся условиях среды поддерживать гомеостаз.)

4. Раздражимость.

5. Движение.

6. Рост и развитие.

7. Наследственность и изменчивость. (Наследственность – свойство живых организмов обеспечивать материальную и функциональную преемственность в ряду поколений. Изменчивость – возникновение индивидуальных различий между особями одного вида.)

8. Самовоспроизведение (репродукция). (Репродукция – способность воспроизводить себе подобных.)

г) Уровни организации жизни.

1. Молекулярно-генетический

2. Субклеточный

3. Клеточный

4. Тканевой

5. Органный

6. Системный

7. Организменный (онтогенетический)

8. Популяционный

9. Видовой

10. Биоценотический

11. Биогеоценотический

12. Биосферный

д) Элементарные единицы уровней организации жизни и их характеристика

Элементарной единицей на молекулярно-генетическом уровне служит ген (участок молекулы ДНК, кодирующий последовательность аминокислот в полипептиде или последовательность нуклеотидов в тРНК или рРНК.)

На клеточном уровне – клетка (элементарная структурно-функциональная единица всех живых организмов, их морфофизиологический компонент.)

Элементарной единицей организменного уровня является особь в ее развитии от момента зарождения до прекращения существования в качестве живой системы.

Элементарной единицей популяционно-видового уровня служит популяция — совокупность особей одного вида.

Биогеоценозы (однородный по топографическим, климатическим и т. п. участок биосферы) служат элементарной единицей биогеоценотического (экосистемного) уровня.

4. Клеточная теория.

а) История формирования представлений о клетке и ее строении.

1665 г. – Р. Гук впервые употребил термин «клетка» (изучал строение пробки, считал, что клетки пустые, а живое в-во – клеточные стенки).

Левенгук наблюдал «зародыши» и различные одноклеточные организмы, в т. ч. бактерии.

1831-1833 гг. – Р. Браун описал ядро как характерное сферическое тельце, обнаруживаемое в растительных клетках.

1838-1839 гг. – Шлейден и Шванн – «клеточная теория».

1840 г. – Пуркинье предложил название «протоплазма» для клеточного содержимого, позже «цитоплазма».

1855 г. – Вирхов: клетки образуются из других клеток путём деления.

1858 г. – Дарвин заложил основы теории эволюции;

1865 г. – Мендель, Морган (1910-1916 гг.), Уотс открыл фундаментальные законы наследственности;

1898 г. – Гольджи обнаружил сетчатые структуры вокруг ядра в нервных клетках (аппарат Гольджи);

1928 г. Гриффитс провел эксперимент, доказывающий, что бактерии способны передавать генетическую информацию по механизму трансформации;

1944 г. – Эвери установил природу трансформирующего агента – нуклеиновая кислота;

1953 г. – Уотсон и Крик – описали строение ДНК;

1954 г. – Уилкинс и Франклин обнаружили, что молекула ДНК представляет форму двойной спирали;

1961 г. – Жакоб и Мано создали концепцию оперона;

1972 г.– Сингер и Николсон представили жидкостно-мозаичную модель мембраны.

б) Основные положения и этапы развития клеточной теории (М.Шлейдена и Т.Швана.)

1838-1839 гг. – Шлейден и Шванн сформулировали клеточную теорию - 2 положения:

1) клетка является элементарной структурно-функциональной единицей живых организмов;

2) клетки растений и животных схожи по своему строению и выполняемым функциям.

в) Развитие клеточной теории в работах Р.Вихрова.

1858 г. – Вирхов дополнил клеточную теорию:

3) клетка возникает путем деления материнской клетки.

4) клетки входят в состав многоклеточного организма, который представляет собой совокупность взаимосвязанных между собой клеток.

г) Современное состояние клеточной теории. Мировоззренческое значение клеточной теории.

3 главных современных положения:

· Клетка – биологическая единица всех живых организмов. Жизнь в ее структурном, функциональном и генетическом отношении обеспечивается только клеткой;

· Клетка возникает путем деления предшествующей клетки;

· Клетки входят в состав многоклеточных организмов, для которых характерен принцип целостности и системной организации.

д) Типы клеточной организации и их характеристика.

1) прокариоты:

- возникли 3,5-3,7 млрд. лет назад;

- По форме: одноклеточные

- ДНК: маленькая, кольцевая, нет интронов, располагается в цитоплазме.

- отсутствуют мембранные органоиды и клеточные включения.

- представители: бактерии, сине-зелёные водоросли.

2) эукариоты:

- возникли 1,2-1,5 млрд. лет назад;

- По форме: одноклеточные, многоклеточные

- ДНК: большая, находится в ядре, имеет экзон-интронное строение.

- Органоиды, клеточные включения присутствуют.

- представители: грибы, растения и животные.

5. Организация эукариотической клетки.

а) Клеточные мембраны, их структура и функциональное значение.

Одним из основных компонентов клетки является клеточная мембрана (плазмолемма, плазматическая мембрана), которая состоит из бислоя (двойного слоя) липидов, белков и углеводов. Липиды имеют полярные “головки” и неполярные хвосты. В двойном слое гидрофобные “хвосты” липидных молекул обращены друг к другу, а гидрофильные “головки” направлены кнаружи, образуя гидрофильные поверхности. По своему расположению относительно липидного бислоя мембранные белки подразделяются на: А) периферические – непосредственно связаны с поверхностью мембраны и обычно находятся вне билипидного слоя; В) полуинтегральные – погружены в билипидный слой частично; С) интегральные – полностью погружены в билипидный слой.

Многие мембранные белки соединены с углеводами, образуя гликопротеины. Углеводы, соединенные с липидами, образуют гликолипиды. Гликолипиды и гликопротеиды располагаются только в наружном слое мембраны.

Клеточная мембрана играет важную роль: отделяет клеточное содержимое от внешней среды; регулирует обмен между клеткой и средой; делит клетки на отсеки, или компартменты; выполняет рецепторную функцию; на мембране протекают некоторые химические реакции. Клеточные мембраны обладают избирательной проницаемостью. Это свойство определяет различные пути поступления питательных веществ в клетку. Различают: активный (“ионный насос”, фагоцитоз, пиноцитоз) и пассивный (диффузия, осмос, облегченная диффузия) пути поступления веществ.

б) Цитоплазма как внутренняя среда организма.

Цитоплазма – состоит главным образом из воды с большим количеством растворенных в ней веществ, содержащих глюкозу, белки и ионы. Пучки белковых волокон, находящихся в цитоплазме, образуют цитоскелет, определяющий форму клетки и обеспечивающий клеточное движение.

в) Цитоплазматические включения: классификация, характеристика.

Включениями называют относительно непостоянные компоненты цитоплазмы, которые служат запасными питательными веществами (жир, гликоген), продуктами, подлежащими выведению из клетки (гранулы секрета), балластными веществами (некоторые пигменты)

Цитоплазматические включения:

- секреторные – специфические продукты жизнедеятельности клеток, как правило встречаются в железистых клетках;

- экскреторные – конечные продукты жизнедеятельности клетки, подлежащие удалению из неё;

- трофические – питательные вещества клетки (жиры, углеводы, иногда белки).

г) Ядро как система управления клетки. Структура ядра.

Ядро – самая крупная органелла, заключенная в двухмембранную оболочку, пронизанную ядерными порами. Внутреннее содержимое: нуклеоплазма (ядерный сок), хроматин, одно или два ядрышка, которые являются “мини-фабриками” по производству рибосом, и-РНК и т-РНК. Ядро содержит наследственный материал и является центром регуляции активности клетки. Наружная оболочка ядра переходит в эндоплазма-

тический ретикулум. Ядрышко – округлая структура внутри ядра не имеющая мембраны, в области которой происходит синтез рибосомальной РНК. В ядре может быть одно или несколько ядрышек, в состав которых входит р-РНК и белок. Ядрышки располагаются в области участков ДНК, несущих информацию о структуре рибосомальных РНК. В ядрышке (ядрышковые организаторы) из р-РНК и белка происходит образование субъединиц (малой и большой) рибосом. Внутреннее содержимое ядра – нуклеоплазма (кариоплазма или ядерный сок) содержит растворы, включающие нуклеозид трифосфат для синтеза ДНК и комплекс ферментов (ДНК-полимеразы и др.), которые регулируют репликацию, восстановление, транскрипцию ДНК. Также в состав нуклеоплазмы входят белки, нуклеотиды, углеводы, минеральные соли, ионы.

Хроматин состоит из ДНК, связанной с основными белками, называемыми гистонами. Выделяют конденсированный (спирализованный) хроматин или гетерохроматин и деконденсированный (деспирализованный) хроматин или эухроматин. Гетерохроматин располагается ближе к оболочке, в транскрипции не участвует. Эухроматин локализуется ближе к центру ядра и транскрибируется.

д) Теории происхождения эукариотических клеток.

1) Синтетическая теория возникновения эукариотических клеток. Концепция состоит в том, что источником некоторых частей эукариотических клеток была эволюция симбиозов, т.е. формирование постоянных ассоциаций между организмами разных видов. Предполагается, что три класса органелл - митохондрии, реснички и фотосинтезирующие пластиды – произошли от свободно живущих бактерий, которые в результате симбиоза были в определенной последовательности включены в состав клеток прокариот - хозяев.

2) Согласно инвагинационной гипотезе, предковой формой эукариотической клетки был аэробный прокариот. Внутри такой клетки-хозяина находилось одновременно несколько геномов, первоначально прикреплявшихся к клеточной оболочке. Органеллы, имеющие ДНК, а также ядро, возникли путем впячивания и отшнуровывания участков оболочки с последующей функциональной специализацией в ядро, митохондрий, хлоропласты. В процессе дальнейшей эволюции произошло усложнение ядерного генома, появилась система цитоплазматических мембран.

6. Организация эукариотической клетки.

а) Органоиды клетки, их классификация.

Органеллы — это постоянные структуры цитоплазмы, выполняющие в клетке жизненно важные функции.

Классификация органоидов по наличию мембраны:

• мембранные (ядро, митохондрии, пластиды, эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы, пероксисомы)

• немембранные (рибосомы, клеточный центр, элементы цитоскелета (микротрубочки, микрофиламенты, промежуточные филаменты), жгутики и реснички)

Классификация органоидов по функциональной специализации:

• органеллы общего назначения (гладкая и шероховатая эндоплазматическая сеть, митохондрии, рибосомы и полисомы, пластинчатый комплекс, пероксисомы, микрофибриллы и микротрубочки, центриоли клеточного центра, пластиды)

• специфические (микроворсинки кишечника, реснички эпителия трахеи и бронхов, жгутики, миофибриллы)

б) Двумембранные органоиды (митохондрии, пластиды), их строение и функции.

Митохондрии – двухмембранные органеллы, осуществляющие аэробное дыхание. Внутренняя мембрана образует складки (кристы). Содержит матрикс, в котором располагаются рибосомы, одна кольцевая молекула ДНК, фосфатные гранулы и ферменты для синтеза АТФ и биосинтеза белка.

Пластиды – это органоиды, характерные только для растительных организмов. У высших растений различают 3 типа пластид: зелёные хлоропласты, бесцветные лейкопласты и различно окрашенные хромопласты.

Хлоропласты — тельца округлой формы; они содержат белок, липиды и пигменты (хлорофилл), а также небольшое количество ДНК и РНК. Хлоропласты окружены двойной мембраной и заполнены студенистой стромой (рис.7). В строме находится система мембран, собранных в стопки, или граны. В мембранах тилакоидов сосредоточены пигменты – хлорофилл и каротиноиды. Форма хлоропласта чечевицеобразная, окраска зеленая. В хлоропластах осуществляется синтез органических веществ из неорганических (фотосинтез).

Лейкопласты – это бесцветные пластиды округлой формы, внутренняя мембрана которых образует 2-3 выроста. Служат местом отложения запасных питательных веществ. На свету их строение усложняется, и они

преобразуются в хлоропласты.

Хромопласты – это пластиды красной, желтой, оранжевой окраски. Придают окраску лепесткам цветов, плодам, листьям.

в) Одномембранные органоиды (эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы, вакуоли) их строение и функции.

ЭПР (ЭПС, эндоплазматическая сеть) – одномембранный органоид; сеть полостей и каналов, окружённая мембраной; бывает гладкая и шероховатая. состоит из уплощенных мембранных мешочков, называемых цистернами. Цистерны могут быть покрыты рибосомами, и тогда он называется шероховатым ЭР

· Гладкая ЭПС участвует в синтезе липидов, углеводов, образовании лизосом, транспорте, запасании и обезвреживании токсических веществ, формировании мембран (начальные этап).

· Шероховатая ЭПС (цистерны покрыты рибосомами) Эта внутриклеточная система мембран осуществляет коапартментацию клетки. Она транспортирует синтезированные на рибосомах белки к аппарату Гольджи, который упаковывает их для секреции.

Пластинчатый комплекс Гольджи - одномембранный органоид; система плоских цистерн, вакуолей и пузырьков. Его структурно-функциональная единица – диктиосома. Диктиосома представляет собой 5-20 плоских одномембранных мешочков (цистерн), внутренние полости которых не сообщаются друг с другом. В цистернах накапливаются, конденсируются, обезвоживаются продукты синтеза и распада веществ, поступающих в клетку, а также веществ, которые выводятся из клетки. В комплексе Гольджи происходит упаковка веществ, посттрансляционная модификация и сортировка белков, формирование лизосом.

Лизосомы — одномембранный органоид; тельца, заполненные ферментами, которые ускоряют реакции расщепления белков до аминокислот, липидов до глицерина и жирных кислот, полисахаридов до моносахаридов. В лизосомах разрушаются отмершие части клетки, целые клетки.

Вакуоли – одномембранный органоид; полости в цитоплазме, заполненные клеточным соком, место накопления запасных питательных веществ, вредных веществ; они регулируют содержание воды в клетке.

г) Строение и функции рибосом, клеточного центра, микротрубочек, микрофиламентов, пероксисом.

Рибосомы — немембранный органоид, который состоит из малой и большой субъединиц, объединение которых происходит в присутствии матричной (информационной) РНК (мРНК). Одна молекула мРНК обычно объединяет несколько рибосом наподобие нитки бус. Такую структуру называют полисомой. Они свободно располагаются в основном веществе цитоплазмы или прикреплены к мембранам шероховатой ЭПС и служат местом активного синтеза белка и осуществляют процесс трансляции.

Клеточный центр, или центросома — немембранный органоид в клетках эукариот, состоит из двух центриолей и перицентриолярного материала. Стенка центриолей образована 27 микротрубочками, сгруппированными в 9 триплетов. В функцию центриолей входит образование нитей митотического веретена, которые также образованы микротрубочками. Центриоли поляризуют процесс деления клетки, обеспечивая расхождение сестринских хроматид (хромосом) в анафазе митоза.

Микротрубочки — трубчатые образования различной длины. Встречаются в свободном состоянии в цитоплазме клеток или как структурные элементы жгутиков, ресничек, митотического веретена, центриолей. Микротрубочки строятся из стереотипных субьединиц белковой природы (тубулин) путем их полимеризации. В свободном состоянии микротрубочки выполняют опорную функцию, определяя форму клеток, а также являются факторами направленного перемещения внутриклеточных компонентов.

Микрофиламенты – длинные, тонкие образования, иногда образующие пучки и обнаруживаемые по всей цитоплазме. Существует несколько разных типов микрофиламентов:

-Актиновые микрофиламенты благодаря присутствию в них сократимых белков (актин) рассматривают в качестве структур, обеспечивающих клеточные формы движения, например амебоидные. Им приписывают также каркасную роль и участие в организации внутриклеточных перемещений органелл и участков гиалоплазмы.

-По периферии клеток под плазмалеммой, а также в околоядерной зоне обнаруживаются пучки микрофиламентов — промежуточные филстенты. В эпителиальных, нервных, глиальных, мышечных клетках, фибробластах они построены из разных белков. Промежуточные филаменты выполняют, по-видимому, механическую, каркасную функцию

Пероксисомы (микротельца) – одномембранные органоиды, которые составляют сборную группу органелл. Это одномембранные пузырьки с мелкозернистым матриксом и нередко кристаллоидными или аморфными белковыми включениями. Они содержат ферменты оксидазы, катализирующие образование пероксида водорода, который, будучи токсичным, разрушается затем под действием фермента пероксидазы (обмен мочевой кислоты в клетках печени и почек). Все они связаны с окислительными реакциями, которые особенно важны для детоксикации, замедления старения клетки.

д) Особенности морфологии растительных клеток.

Растительные и животные клетки сходны по своему строению. Однако имеется ряд отличий между животной и растительной клеткой. В растительной клетке:

1. Клеточная оболочка представлена целлюлозной клеточной стенкой, благодаря которой они имеют прямоугольную форму. У животных наружный слой представлен тонким, эластичным гликокаликсом, состоящим из полисахаридов и белков. Форма животной клетки может быть различной.

2. В растительных клетках присутствуют вакуоли.

3. В растительных клетках присутствуют пластиды.

4. Образование дочерних клеток в телофазу митотического деления в растительных клетках происходит путем перегородки, в животных клетках путем перетяжки.

Организация наследственного материала в клетке.

а) Генетическая роль ДНК (открытие и доказательства).

1868 г. – Мишер открыл нуклеиновые кислоты.

1928 г. – Гриффитс – эксперимент с пневмококками был выполнен с целью разработки вакцины от пневмонии. Гриффитс работал с двумя штаммами бактерии Streptococcus pneumoniae. Штамм, колонии которого были гладкими (S штамм), имел полисахаридную капсулу и был вирулентным, вызывая у подопытных мышей пневмонию. Капсула предохраняла бактерии от воздействия иммунной системы больного. Колонии второго штамма имели неровную поверхность (R штамм) и не вызывали пневмонию, поскольку не имели капсулы, и после введении в кровоток мыши бактерии погибали. Бактерии S штамма, убитые нагреванием, также не вызывали заболевания. Но когда Гриффитс смешивал убитый S штамм с живым R штаммом и вводил смесь мышам, животные погибали. Когда Гриффитс выделил болезнетворные бактерии из погибших мышей, он обнаружил, что R штамм приобрел капсулу, то есть превратился в вирулентный S штамм и сохранял новоприобретенный фенотип во многих поколениях, то есть передавал его по наследству. Гриффитс предположил, что превращение осуществил некий «трансформирующий фактор», который R штамм получил от убитых бактерий S штамма.

1944 г. – Эйвери – доказал генетическую роль ДНК. В ходе эксперимента пневмококки, образующие гладкие колонии, были убиты нагреванием, и из них был извлечён компонент, растворимый в водно-солевом растворе. Белки были осаждены хлороформом, а полисахаридные капсулы, обусловливающие антигенные свойства бактерий, гидролизованы специфичным ферментом. Химический анализ показал, что соотношение углерода, водорода, азота и фосфора в полученном осадке соответствует соотношению этих же элементов в молекуле ДНК. Для подтверждения того, что действующим началом трансформации является именно ДНК, но не РНК, белки или другие компоненты клетки, они обработали смесь трипсином, химотрипсином, рибонуклеазой, но эта обработка никак не влияла на трансформирующие свойства. Лишь обработка ДНКазой приводила к разрушению трансформирующего начала. Таким образом было установлено, что действующим началом бактериальной трансформации является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК).

1952 г. – Уилкинсон провел структурный анализ ДНК - молекула имеет 2-х нитевую структуру.

1953 г. – Уотсон и Крик – предложили модель пространственной организации ДНК.

б) Строение нуклеотида ДНК. Типы нуклеотидов.

ДНК состоит из нуклеотидов, в состав которых входят сахар — дезоксирибоза, остаток фосфорной кислоты и одно из азотистых оснований — пурин (аденин или гуанин) либо пиримидин (тимин или цитозин).

Соединяются между собой они через остаток фосфорной кислоты на 5' конце и гидроксогруппу на 3' конце, поэтому говорят о 3'-5' строении.

в) Структурная организация молекулы ДНК.

ДНК является материальным субстратом наследственности и изменчивости. Модель строения ДНК была предложена Уотсоном и Криком в1953 г. Согласно этой модели, молекула ДНК состоит из двух антипараллельных цепочек, соединенных между собой водородными связями по принципу комплементарности (т.е. аденин всегда соединяется с тимином, а гуанин с цитозином). Структура ДНК – полимер, структурной единицей которого является нуклеотид.

Другой важной особенностью объединения двух полинуклеотидных цепей в молекуле ДНК является их антипараллельность: 5'-конец одной цепи соединяется с 3'-концом другой, и наоборот. Молекула ДНК, состоящая из двух цепей, образует спираль, закрученную вокруг собственной оси. Диаметр спирали составляет 2 нм, длина шага (1 виток) — 3,4 нм. В каждый виток входит 10 пар нуклеотидов. Растояние между 2 нуклеотидами – 0,34 нм.

г) Свойства и функции ДНК

1. генетический код (хранение наследственной информации);

2. репликация, или ауторепродукция (передача наследственной информации);

3. транскрипция (реализация наследственной информации).

д) Генетический код, его свойства.

1. триплетность (три рядом расположенные нуклеотида кодируют одну аминокислоту)

2. неперекрываемость (соседние триплеты не имеют общих оснований)

3. вырожденность (2 и более триплета кодируют 1 аминокислоту)

4. непрерывность (не содержит разделительных знаков между отдельными триплетами)

5. коллинеарность (последовательность триплетов в молекуле ДНК (или мРНК) полностью совпадает с последовательностью аминокислот в полипептиде)

6. универсальность (одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты у всех живых организмов)

7. линейность (триплеты расположены в линейном порядке)