Биология / Методические указания к аудиторному занятию на 7 неделе

Методические указания к аудиторному занятию на 7 неделе (12-17.10.2009).

Блоковая контрольная работа по темам занятий первых 6 недель.

Вопросы на контрольную работу №1

1. Почему клетка считается основной единицей живого?

2. Какие виды пассивного транспорта веществ в клетку и из клетки Вы знаете?

3. Какие функции выполняют рибосомы?

4. Универсальная роль воды для жизнедеятельности клетки?

5. Какие органические вещества являются источниками энергии в клетке?

6. Какие этапы окисления глюкозы Вы знаете?

7. С чем связан при транскрипции белок-репрессор?

8. Какие молекулы содержат триплетные антикодоны?

9. Основные условия для репликации ДНК?

10. Назвать продукт с минимальной энергией в одном кг: хлеб, бутылка кукурузного масла, пачка сахара – рафинада

11. Роль Se в организме человека

12. Перечислить функции белков с примерами.

13. Сколько молекул АТФ может синтезироваться при аэробном окислении одной молекулы глюкозы?

14. Назвать пуриновые азотистые основания.

15. Две главные опасности анаэробного окисления.

16. На какой молекуле располагаются триплетные кодоны при трансляции?

17. Обозначить отличия 8 видов нуклеотидов.

18. Чем представлен универсальный двойной слой биомембран?

19. Назвать продукт с максимальной энергией на 1 кг: хлеб, кукурузное масло, сахар – рафинад

20. Почему клетки печени и кожи человека с одинаковой ДНК внешне не похожи друг на друга?

21. Отличия ДНК от РНК по составу нуклеотидов.

22. Функции углеводов с примерами.

23. Три главных условия для полной утилизации энергии в клетках человека.

24. Пример отрицательной обратной связи при регуляции гомеостаза в организме человека

25. Чем опасно перекисное окисление липидов мембран?

26. Где расположены триплетные антикодоны?

27. Сколько триплетов кодируют аминокислоты в биосинтезе белка?

28. Назвать пиримидиновые азотистые основания РНК.

29. С чем связан дерепрессор (индуктор) при транскрипции?

30. Каковы физиологические последствия замещения 1 нуклеотида в ДНК?

31. Функции липидов с примерами.

32. Роль перекисного окисления липидов мембран в клетке.

33. Сколько молекул АТФ может синтезироваться в клетке при анаэробном окислении 1 молекулы глюкозы?

34. Назвать 5 видов азотистых оснований нуклеотидов.

35. В каких органоидах происходит метаболизм ксенобиотиков (в т. ч. лекарств)?

36. Пример фермента транскрипции.

37. Наиболее вероятное последствие выпадения 1 нуклеотида, для структуры белка.

38. Сколько триплетов генетического кода являются «стоп – кодонами»?

39. Пять главных условий для биосинтеза белка.

40. Какая гипотеза биогенеза грубо противоречит теории вероятностей.

41. Пример функции Fe в организме.

42. Функции ДНК и РНК.

43. Почему при ацидозе в клетках нарушаются обменные процессы?

44. Почему точечная мутация "выпадение" опаснее "инверсии"?

45. Привести по 2 примера в каждой из трех главных групп углеводов.

46. Как с помощью генетического кода можно синтезировать небелковые соединения?

47. Кто доказал полуконсервативный характер репликации ДНК?

48. Что лимитирует функции митохондрий (3 фактора)?

49. Пример осмоса в организме человека

50. Почему у людей не отрастают ампутированные конечности, несмотря на наличие строительного материала, энергии и информации?

51. Примеры жирных кислот.

52. Примеры аминокислот.

53. Положительные функции производных циклопентанпергидрофенантрена у людей.

54. Принцип комплементарного спаривания азотистых оснований нуклеиновых кислот.

55. Энергетическая сущность фотосинтеза.

56. Какие органоиды клетки не имеют мембран?

57. В основе всех клеточных мембран лежит двухслойная структура из молекул с гидрофильными и гидрофобными частями. Как называют эти молекулы?

58. Что такое нуклеиновые кислоты?

59. Что «переводят» при трансляции?

60. Почему выпадение трех последовательных нуклеотидов лучше выпадения 1 нуклеотида.?

61. Назвать 2 основных этапа биосинтеза белка.

62. Принцип комплементарности при репликации ДНК.

63. Указать два главных преимущества аэробного окисления перед анаэробным.

64. Пример дерепрессии генов.

65. Зачем в сердечных клетках - миокардиоцитах так много митохондрий (34%)?

66. Пример специализированного органоида клетки.

67. Пример немембранного органоида клетки.

68. Почему вставка трех последовательных нуклеотидов лучше вставки 1 нуклеотида?

69. Какой процесс требует наличия и тесной связи всех трех видов РНК?

70. Какие гипотезы биогенеза не отвечают на вопрос о происхождении жизни во вселенной?

71. Кто выдвинул гипотезу о регуляции активности генов с помощью белков – репрессоров?

72. Где конкретно идет анаэробное окисление глюкозы в клетке?

73. Почему клетка погибает при разрушении лизосом?

74. Какая РНК осуществляет транспорт информации к рибосомам?

75. Чем отличаются активный и пассивный транспорт по отношению к градиенту концентрации?

76. Эндогенные компоненты антиоксидантной системы клетки.

77. Сущность гипотезы биогенеза «стационарное состояние».

78. Пример индукции гена.

79. Что наблюдается при попадании эритроцитов в гипертонический раствор?

80. При каких видах точковых мутаций может возникать стоп-кодон?

81. Какой органоид клетки имеет главную роль в фагоцитозе?

82. Почему генетический код называют триплетным?

83. Локализация кодонов и антикодонов на РНК.

84. Почему точечные мутации "вставки" опаснее "замещений"?

85. Пример инактивации экзогенных веществ на гладком эндоплазматическом ретикулуме.

86. Зачем нужны гены - операторы?

87. Главная функция митохондрий.

88. Четыре вида точковых мутаций.

89. Какова роль РНК – полимеразы при репликации ДНК?

90. Главная функция пластинчатого аппарата клетки (комплекса Гольджи).

91. Чем хорош вырожденный триплетный код?

92. Что лимитирует функции митохондрий (3 главных фактора)?

93. Пример транспортной функции белков.

94. Пример регуляторной функции липидов.

95. Почему опасно нарушать границы рН в клетках?

96. Что происходит с белками - репрессорами после завершения биосинтеза белка?

97. Чем «инверсия» хуже «замещения»?

98. Где синтезируется ДНК прокариотов?

99. Какова примерная длина белка (число аминокислот), если на его структурном гене 300 нуклеотидов?

100. Понятие о гомеостазе.

101. Назвать главные функции гладкой эндоплазматической сети

102. Почему митохондрии называют жизненноважными органоидами?

103. Пример защитной функции белков

104. Какие основные условия необходимы для биосинтеза белка?

105. Пример специализированных органоидов клетки.

106. Что необходимо для 2-го этапа окисления в клетке (3 фактора)?.

107. С чем комплементарно спаривается аденин?

108. Назвать две наименее тяжелые точковые мутации.

109. Какую теорию биогенеза окончательно «похоронил» Пастер?

110. Основные условия для репликации ДНК

111. Строение лизосом

112. Как при недостатке кислорода изменяется рН клетки?

113. Пример сигнальной функции белков и углеводов.

114. К чему ведет разрушение мембран лизосом?

115. Точковая мутация –инверсия и её последствия для кодируемых белковых молекул

116. Сколько молекул АТФ содержится в составе 1 молекулы глюкозы?

117. Сколько молекул АТФ можно получить при анаэробном окислении 1 молекулы глюкозы?

118. Принцип комплементарности при репликации ДНК

119. Что сытнее (энергетическая ценность) килограмм сливочного масла, килограмм жирной колбасы или килограмм сахара –рафинада?

120. Указать два главных преимущества аэробного окисления

121. Анаэробное окисление глюкозы – энергетический выход.

122. Пример дерепрессии генов.

123. Кем доказана гипотеза полуконсервативного характера репликации ДНК?

124. Виды активного транспорта.

125. Экзогенные компоненты антиоксидантной системы клетки.

126. Сущность гипотезы Уотсона и Крика

127. Что наблюдается при попадании эритроцитов в гипертонический раствор?

128. Локализация кодонов и антикодонов РНК.

129. Почему точечные мутации "вставки" опаснее "замещений" одного нуклеотида?

130. Пример инактивации экзогенных веществ на гладком эндоплазматическом ретикулуме

131. Как называется функциональнозначимый участок ДНК?

132. Чем белки отличаются от полипептидов с точки зрения биолога?

133. Чем преимущественно определяются функции клеточных мембран с точки зрения химика?

134. Функции РНК.

135. Что может произойти с эритроцитами при внутривенном введении 1л очищенной (дистиллированной) воды?

136. Два вида самых тяжелых точковых мутаций.

137. Пример транспортной функции белков

138. Пример функции F в организме человека.

139. В каком этапе биосинтеза белка не принимает участия ДНК- полимераза.

140. Какие виды РНК нужно иметь для трансляции?

141. Чем знаменит Норберт Винер?

142. Функции гранулярной эндоплазматической сети.

143. Пример защитной функции белков

144. Какие основные условия необходимы для биосинтеза белка?

145. Пример специализированных органоидов клетки.

146. Что необходимо для 2-го этапа окисления в клетке (3 главных условия)

147. С чем аденин комплементарно спаривается при транскрипции?

148. Основные условия для репликации ДНК.

149. Почему при недостатке кислорода изменяется рН клетки?

150. Пример сигнальной функции белков и углеводов

151. Точковые мутация вставка и её последствия для кодируемых белковых молекул

152. Этапы окисления глюкозы и их энергетическое значение

153. Роль I, в организме человека

154. Назвать функции белков (9).

155. Обозначить строение нуклеотидов ДНК.

156. Условия для полного окисления глюкозы в клетке

157. Пример отрицательной обратной связи при регуляции гомеостаза в организме человека

158. Почему при ацидозе в клетках нарушаются обменные процессы?

159. Что такое сдвиг рамки триплетного кода?

160. При каких мутациях не может возникнуть сдвиг рамки триплетного кода.

Основная литература:

1. Чебышев Н.В. и др., Биология (Учебник). –М.:ВУНМЦ 2000. С. 9-101, 229-236, 354-356, 384-387, 394-399.

2. Конспекты лекций № 1 - 6.

Конспект лекции № 6.

Биогенез – это рождение (возникновение) жизни.

Единственная известная на Земле форма жизни называется белково-полинуклеотидной, так как в её основе находятся два класса органических соединений: белки и нуклеиновые кислоты. Гипотезы биогенеза. В настоящее время существует 5 основных гипотез возникновения жизни на нашей планете: 1 – самопроизвольного (спонтанного) зарождения; 2 – стационарного состояния; 3 – панспермии; 4 – креационизма; 5 – биохимической эволюции. Каждая из них, в определенное историческое время, считалась доказанной гипотезой и получала статус "теории".

1. Самопроизвольное (спонтанное) зарождение. Сущность этой теории в том, что определенные частицы вещества содержат "активное начало", которое при подходящих условиях может создать живой организм. В качестве "активного начала" предлагались разные "субстанции": солнечный свет, оплодотворенное яйцо, тина, гниющее мясо. Ван Гельмонт (1577-1644) описал эксперимент, доказывающий возможность создания живых существ. Для этого нужны: горсть пшеницы, темный шкаф и грязная рубашка, поскольку "активным началом" был человеческий пот. Через 3 недели в шкафу были обнаружены мыши.

В 1668 году Франческо Реди подверг теорию самозарождения серьёзному испытанию. Он доказал, что черви не появляются в бутылях с мясом, если их плотно закрыть и запечатать. В незапечатанных сосудах, куда свободно залезали мухи, мясо зачервивело. Реди установил, что маленькие белые червячки, появляющиеся в мясе – это личинки мух. После ряда аналогичных наблюдений он получил подтверждение гипотезы о том, что жизнь может возникнуть только из предсуществующей жизни. «Добил» теорию спонтанного биогенеза Луи Пастер. Он доказал отсутствие самозарождения бактерий. Казалось, данная теория была окончательно погребена.

2. Теория стационарного состояния отрицает факт возникновения жизни. Жизнь никогда не возникала, она существует вечно, как и наша планета и вселенная. В настоящее время, сторонников этой теории мало. Главный аргумент против этой теории состоит в том, что астрономические явления в наблюдаемой вселенной показывают динамическую картину с тенденцией к расширению. Тогда, в определенный момент прошлого вселенная была сосредоточена в крайне малом объеме – точка сингулярности. В таких условиях невозможно существование не только белков полинуклеотидов, но и атомов.

3. Теория панспермии - жизнь на планету Земля была занесена из космоса после попадания спор живых организмов с космической пылью или метеоритами. Ряд направлений этой гипотезы считают биосферу земли результатом экспериментов внеземного разума и доказывают это наблюдениями НЛО, археологическими находками и контактами с инопланетянами.

Данная гипотеза уходит от вопроса о происхождении жизни. Она говорит лишь о появлении живых существ на нашей планете. Тем не менее, эта гипотеза стала наиболее популярной в последние годы в связи с кризисом теории биохимической эволюции.

4. Креационизм – теория сотворения. Жизнь была создана в результате разумной целенаправленной деятельности существа или существ, которые не принадлежат к известной нам белково-полинуклеотидной форме жизни, а, возможно, и материи. Данная теория объясняет все невероятные совпадения, которые обеспечивают жизнь на Земле. Некоторые ученые не считают эту теорию научной, называя её главным недостатком недоказуемость и невозможность экспериментального подтверждения.

Однако, никаких законов формальной логики используемых в научном подходе к проблеме данная теория не нарушает. Она является предметом веры не более, чем любая другая гипотеза биогенеза.

5. Теория биохимической эволюции объясняет происхождение жизни, как результат случайного взаимодействия молекул неорганических соединений в далеком прошлом (несколько миллиардов лет назад).

Процесс формирования белково-полинуклеотидной жизни можно разделить на 5 этапов: (1) возникновение подходящей планеты с первичной атмосферой из СО₂, Н₂О, СН₄, NН₃; (2) концентрирование в океанах органического бульона, состоящего из относительно простых органических молекул аминокислот и нуклеотидов, фосфолипидов, АТФ и др.; (3) образование сложных биополимеров – белков, полинуклеотидов; (4) соединение компонентов жизни воедино под общей мембраной; (5) развитие самовоспроизводящегося генетического кода.

Теория биохимической эволюции не что иное, как реанимированная теория самопроизвольного зарождения жизни, отнесенная в далекое прошлое, когда условия на нашей планете отличались от современных.

Научные основы этой теории заложил Александр Опарин (1923). На основе эволюционного учения Дарвина, Опарин предположил возможность постепенного усложнения неживой материи до уровня простых одноклеточных живых организмов. Ярким доводом в пользу теории биохимической эволюции стали исследования Стенли Миллера (1953). В течение недели газовую смесь, находящуюся под высоким давлением и состоящую из водорода, метана, аммиака и водяного пара, подвергали интенсивному воздействию электрических разрядов высокого напряжения. В результате были обнаружены аминокислоты, аденин и простые сахара. После этого, теория Опарина завоевала широкое признание, как приемлемая общая схема биогенеза, а научные споры вокруг неё связаны только с деталями процесса.

Проблемы возникновения белково-полинуклеотидной формы жизни из неживой материи.

Вторая половина ХХ века началась с бурного прогресса в молекулярной биологии, который катализировало открытие структуры ДНК Уотсоном и Криком (1953). Одновременно открылась гигантская пропасть между живыми существами и неживой материей, о которой и не подозревал Опарин. По этой причине, к концу ХХ века теория биохимической эволюции стремительно утратила свой авторитет. Основные положения случайного возникновения жизни по теории биохимической эволюции вступили в противоречие не только с новыми данными молекулярной биологи, но и со здравым смыслом. Все 5 этапов встречают серьезные возражения.

1. Возникновение подходящей планеты с первичной атмосферой из СО₂, Н₂О, СН₄, NН₃. Случайное возникновение такой планеты весьма проблематично. Используя формулу Дрейка для подсчета числа цивилизаций в галактике, академик Шкловский И. С. (1977) заключает, что вероятность второй (подобной нашей по молекулярной основе) цивилизации практически равна 0. Главной уменьшающей вероятность составляющей этого подсчета является отсутствие достаточного количества планет для жизни, без которой нет и цивилизации.

2. Концентрирование в океанах органического бульона, состоящего из относительно простых органических молекул аминокислот и нуклеотидов, фосфолипидов, АТФ и др.

Это положение оспаривается тем, что энергия солнечных космических излучений, послужившая для синтеза органических мономеров, должна сразу же разрушать эти сложные молекулы. Их концентрация определяется динамическим равновесием и не имеет тенденции к увеличению, если их не удалять из зоны реакции.

3. Образование сложных биополимеров – белков, полинуклеотидов. Допустим, что аминокислоты каким-то образом добрались из атмосферы в океаны и скрылись от губительного излучения в толщу воды. Но, тогда они потеряют источник энергии для дальнейшей полимеризации и синтеза белков и полинуклеотидов не будет. Более того, условия водной среды способствуют не полимеризации (усложнению), а деполимеризации (растворению). Распад идет гораздо быстрее, чем синтез. Даже на этом этапе вероятность случайного возникновения биополимеров равна 0.

Вероятность того, что, бросая игральный кубик (кость), один раз выпадет шестерка равна 1/6. Вероятность того, что, бросая два кубика один раз, выпадут две шестерки равна 1/6^.1/6=1/36. Вероятность того, что, бросая три кубика один раз выпадут три шестерки равна 1/6^.1/6^.1/6=1/216. Вероятность того, что в первичном бульоне случайно образуется простая молекула белка равна 1/10¹¹³. Однако, любое событие, вероятность которого снижается до 1/10⁵⁰, уже отклоняется математиками, как неосуществимое в реальном мире.

4. Соединение компонентов жизни под общей мембраной. Вспомнив сложное строение клеточных органоидов, трудно представить себе, что все эти сложные молекулярные комплексы случайно соберутся вместе. Для осуществления жизненных процессов требуется не 1, а около 2000 белков. Но этого мало, для химических реакций первая клетка должна доставлять энергию в точки взаимодействия молекул. Случайное возникновение этих сложных ферментативных механизмов делает вероятность биохимической эволюции исчезающе призрачной.

5. Развитие самовоспроизводящегося генетического кода. Проводя анализ возникновения генетического кода, видно, что если бы все указанные выше этапы произошли, то и это не привело бы к возникновению жизни. Её фундаментальным свойством является способность к воспроизведению. Это означает, что одновременно и случайно, должны возникнуть строго соответствующие друг другу белки и нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК), кодирующих все белки и последовательности их сборки. Микрококк простейшая самодостаточная форма жизни состоит из 10 000 сложных молекул, но он погибнет от голода без других форм жизни, способных усваивать солнечную энергию.

Серьезным возражением в пользу возможности случайного возникновения жизни кажется утверждение о длительном времени (миллиарды лет), отведенном на этот процесс. Но известно, что даже за 30 миллиардов лет (10¹⁸ секунд), в которые с большим запасом оценивается возраст вселенной (Земле, по подсчетам сторонников случайного биогенеза 5 миллиардов лет) произойдет всего 10^{80 .}10^9.10¹⁸=10¹⁰⁷ реакций. Здесь 10⁸⁰ – число электронов, позитронов и аналогичных им частиц, а 10⁹ (миллиард) – число реакций одной частицы в секунду. Для случайного возникновения коротенькой (100 аминокислот) белковой молекулы (из 20 видов аминокислот генетического кода) вероятность много ниже 1/10⁵⁰. Тогда в даже в 1 000 000 000 000 000 000 000 (миллиард триллионов) вселенных заполненных первичным бульоном вероятность образования одной такой молекулы равна 1%. Что тогда говорить о скромной планете с тонкой пленкой воды? Возникновение живого в результате описанных случайных взаимодействий молекул "столь же нелепа и неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронесшийся над мусорной свалкой может привести к сборке Боинга-747" (Фред Хойл). Самое простое живое существо - микрококк имеет вероятность случайного возникновения (по очень щедрым расчетам) 10^-40000.

Лабораторной работы на этой неделе нет.

Методические указания для самоподготовки к занятию на 7 неделе (12-17.10.2009).

Тема. Блоковая контрольная работа по темам занятий 1-7. Раздел клетка.

Цель самоподготовки. Повторить пройденный материал. Расширить и закрепить представления по вопросам темы.

Вопросы для самостоятельного изучения задания.

1. Развитие представлений о сущности жизни.

2. Роль К. Линнея, Т. Шванна и М. Шлейдена, Ч. Дарвина, Г. Менделя, Дж. Уотсона и Ф. Крика, В. И. Вернадского в развитии биологии.

3. Второе открытие генетики в начале XX века.

4. Молекулярная биология в конце XX века.

5. Перспективы биологии XXI века и будущего.

Блок дополнительной информации.

Интерес к познанию мира живых существ возник на самых ранних стадиях зарождения человечества, отражая практические нужды людей. Для них этот мир был источником средств к существованию, так же как и определенных опасностей для жизни и здоровья.

По мере накопления конкретных знаний наряду с представлением о разнообразии организмов возникла идея о единстве всего живого. Особенно велико значение этой идеи для медицины, так как это указывает на универсальность биологических закономерностей для всего органического мира, включая человека. В известном смысле история современной биологии как науки о жизни представляет собой цепь крупных открытий и обобщений, подтверждающих справедливость этой идеи и раскрывающих ее содержание.

Важнейшим научным доказательством единства всего живого послужила клеточная теория Т. Шванна и М. Шлейдена (1839). Открытие клеточного строения растительных и животных организмов, уяснение того, что все клетки (несмотря на имеющиеся различия в форме, размерах, некоторых деталях химической организации) построены и функционируют в целом одинаковым образом, дали толчок исключительно плодотворному изучению закономерностей, лежащих в основе морфологии, физиологии, индивидуального развития живых существ.

Открытием фундаментальных законов наследственности биология обязана Г. Менделю (1865), Г. де Фризу, К. Корренсу и К. Чермаку (1900), Т. Моргану (1910-1916), Дж. Уотсону и Ф. Крику (1953). Эти законы раскрывают всеобщий механизм передачи наследственной информации от клетки к клетке, а через клетки - от особи к особи и перераспределения ее в пределах биологического вида. Законы наследственности важны в обосновании идеи единства органического мира; благодаря им становится понятной роль таких важнейших биологических явлений, как половое размножение, индивидуальное развитие - онтогенез, смена поколений.

Представления о единстве всего живого получили основательное подтверждение в результатах исследований биохимических (обменных, метаболических) и биофизических механизмов жизнедеятельности клеток. Хотя начало таких исследований относится ко второй половине XIX в., наиболее убедительны достижения молекулярной биологии, ставшей самостоятельным направлением биологической науки в 50-е гг. XX столетия, что связано с описанием Дж. Уотсоном и Ф. Криком (1953) строения дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). На современном этапе развития молекулярной биологии и генетики возникло новое научно-практическое направление - геномика, имеющая в качестве главной задачи прочтение ДНК-текстов геномов человека и других организмов. На основе доступа к личной биологической информации, возможно ее целенаправленное изменение, в том числе путем введения генов от других видов. Такая возможность представляет собой важнейшее доказательство единства и универсальности базисных механизмов жизнедеятельности.

Молекулярная биология уделяет главное внимание изучению в процессах жизнедеятельности роли биологических макромолекул (нуклеиновые кислоты, белки), закономерностей хранения, передачи и использования клетками наследственной информации. Молекулярно-биологические исследования раскрыли универсальные физико-химические механизмы, от которых зависят такие всеобщие свойства живого, как наследственность, изменчивость, специфичность биологических структур и функций, воспроизведение в ряду поколений клеток и организмов определенного строения.

Клеточная теория, законы наследственности, достижения биохимии, биофизики и молекулярной биологии свидетельствуют в пользу единства органического мира в его современном состоянии. То, что живое на планете представляет собой единое целое в историческом плане, удобно обосновывается гипотезой эволюции. Основы названной гипотезы заложены Ч. Дарвином (1858). Свое дальнейшее развитие, связанное с эволюционным толкованием достижений генетики и популяционной биологии, она получила в трудах А. Н. Северцова, Н. И. Вавилова, Р. Фишера, С. С. Четверикова, Ф, Р. Добжанского, Н. В. Тимофеева-Ресовского, С. Райта, И. И. Шмальгаузена, чья плодотворная научная деятельность относятся к XX столетию.