24. Термодинамика и энергетика живых систем.

Любые живые организмы являются открытыми сильнонеравновесными термодинамическими системами.

Производство энтропии:

DS_V < 0 – развитие системы; DS_V > 0 – раcпад системы.

Если потоки вещества и энергии постоянны, то состояние системы стационарно. Для стационарного состояния DS_V = 0

Баланс энергии в природе

Первоисточник энергетического потока - энергия солнечного электромагнитного излучения.

Завершение - переработка микробами органических остатков жизнедеятельности и освобождение энергии в виде тепла.

Энтропия поступающего на Землю коротковолнового излучения меньше, чем энтропия длинноволнового излучения, излучаемого нашей планетой.

Автотрофы – организмы, синтезирующие органические вещества внутри себя из неорганических веществ (фотосинтез растений).

Гетеротрофы – организмы (животные и человек), потребляющие энергию из готовых органических веществ, синтезированных автотрофами.

25. Концепция структурных уровней организации жизни: краткая характеристика каждого из уровней.

Уровни организации живой материи — иерархически соподчиненные уровни организации биосистем, отражающие уровни их усложнения. Чаще всего выделяют шесть основных структурных уровней жизни: молекулярный, клеточный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический и биосферный. В типичном случае каждый из этих уровней является системой из подсистем нижележащего уровня и подсистемой системы более высокого уровня.

1. Молекулярно-генетический уровень.

Происходит скачок от неживой материи к макромолекулам живого.

Это уровень функционирования биополимеров: полисахаридов, белков, нуклеиновых кислот.

а) Полисахариды – высокомолекулярные углеводы, участвующие в иммунных реакциях. Обеспечивают сцепление клеток в тканях.

б) Белки – биополимерные макромолекулы, различной геометрии, составляют ~ 50% массы клетки.

Состав – длинные цепи аминокислот, которые соединяются пептидной связью СО – NН.

Из более 170 аминокислот в состав белка входит только 20.

Аминокислоты соединяются пептидной связью СО – NН с выделением молекулы воды.

Функции белков:

1. Строительный материал – образование оболочки, и мембраны клетки; сосудов, сухожилий, волос.

2. Каталитическая функция – ферменты в составе всех клеток.

3. Регуляторная функция – гормоны (инсулин, гормон роста и т.д.).

4. Двигательная функция – сократительные белки вызывают движение.

5. Транспортная функция – белок крови гемоглобин присоединяет кислород и разносит его по тканям.

6. Защитная функция – выработка белковых тел и антител для обезвреживания чужеродных веществ.

7. Энергетическая функция – 1 г белка эквивалентен 17,6 кДж энергии.

Нуклеиновые кислоты

Это фосфорсодержащие биополимеры, носители и передатчики генной информации.

Две разновидности:

1. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК).

2. Рибонуклеиновая кислота (РНК).

Белки и нуклеиновые кислоты обладают хиральностью – несовместимы со своим изображением в плоском зеркале.

В природе:

Белки – поворачивают плоскость колебаний света влево.

Нуклеиновые кислоты – поворачивают ее вправо.

2. Клеточный уровень.

Клетка - мельчайшая элементарная живая система; первооснова строения, жизнедеятельности и размножения всех организмов.

Состоит из трех частей:

1. Плазматическая мембрана, контролирующая переход веществ из окружающей среды в клетку и обратно.

2. Цитоплазма - водно-солевой раствор с растворенными и взвешенными в нем ферментами и другими веществами.

В цитоплазме находятся рибосомы, в которых происходит синтез белка.

3. Ядро, в котором находятся хромосомы.

Хромосома - длинное нитевидное тело, состоящее из ДНК и присоединенного к ней белка.

Ядро хранит и воспроизводит генетическую информацию, а также регулирует процессы обмена веществ в клетке.

В зависимости от типа клеток все организмы делятся на две группы:

а) прокариоты – клетки, лишенные ядра,

например, бактерии.

б) эукариоты – клетки, содержащие ядра. Это

простейшие, грибы, растения, животные.

Отдельная группа вирусы – мельчайшие бесклеточные организмы на границе живой и неживой природы. Они внедряются в среду чужих клеток.

Клеточный цикл эукариот

1. Период клеточного роста – интерфаза, во время которой происходит:

   • синтез белка;

   • удвоение ДНК;

   • подготовка к делению клетки.

• 2. Период клеточного деления:

  • митоз – деление клеточного ядра на два, обеспечивающее одинаковое распределение генетического материала между дочерними клетками;

  • цитокинез - деление тела клетки.

Дочерним клеткам передается полный набор хромосом с генетической информацией (перед делением число хромосом удваивается).

3. Органно-тканевый и организменный уровни.

Из тканей состоят различные органы живых организмов. Система совместно функционирующих органов образует организм.

Эти уровни отражают

а) строение и функции органов живых существ;

б) признаки отдельных особей, их строение, физиологию, поведение. 

4. Популяционно-видовой уровень.

Популяция - совокупность организмов одного типа, относительно изолированных от других групп. Это генетически открытые системы, элементарные единицы эволюции. Вид состоит обычно из нескольких популяций. Особи одного вида могут скрещиваться. На популяционно-видовом уровне реализуется биологический эволюционный процесс.

5. Биогеоценотический уровень.

Биогеоценоз - устойчивая саморегулирующаяся экологическая система, в которой связаны органические и неорганические компоненты.

Совокупность двух понятий:

а) биоценоз - исторически сложившееся сообщество популяций, проживающих на одной территории;

б) биотоп - относительно однородное пространство, занятое одним биоценозом.

6. Биосферный уровень.

Биосфера Земли - совокупность биогеоценозов. Наивысший уровень организации жизни, охватывающий все явления жизни на нашей планете.

26. Концепция структурных уровней организации жизни: молекулярно – генетический уровень.

Это тот уровень организации материи, на котором совершается скачок от атомно-молекулярного уровня неживой материи к макромолекулам живого. При изучении молекулярно-генетического уровня достигнута, видимо, наибольшая ясность в определении основных понятий, а также в выявлении элементарных структур и явлений. Развитие хромосомной теории наследственности, анализ мутационного процесса, изучение строения хромосом, фагов и вирусов вскрыли основные черты организации элементарных генетических структур и связанных с ними явлений.

Молекулярно-генетический уровень составляет предмет изучения молекулярной биологии. На этом уровне изучают строение белков, их функции, роль нуклеиновых кислот в хранении, репликации и реализации генетической информации, то есть процессы синтеза ДНК, РНК и белков.

Элементарной единицей этого уровня является ген, а элементарное явление — это редупликация и внутриклеточный перенос генетической информации.

Белки— высокомолекулярные органические вещества, состоящие из соединённых в цепочку пептидной связью альфа-аминокислот. В живых организмах аминокислотный состав белков определяется генетическим кодом, при синтезе в большинстве случаев используется 20 стандартных аминокислот. Множество их комбинаций дают большое разнообразие свойств молекул белков. Кроме того, аминокислоты в составе белка часто подвергаются посттрансляционным модификациям, которые могут возникать и до того, как белок начинает выполнять свою функцию, и во время его «работы» в клетке. Часто в живых организмах несколько молекул белков образуют сложные комплексы, например, фотосинтетический комплекс.

Функции белков:

1. Строительный материал – образование оболочки, и мембраны клетки; сосудов, сухожилий, волос.

2. Каталитическая функция – ферменты в составе всех клеток.

3. Регуляторная функция – гормоны (инсулин, гормон роста и т.д.).

4. Двигательная функция – сократительные белки вызывают движение.

5. Транспортная функция – белок крови гемоглобин присоединяет кислород и разносит его по тканям.

6. Защитная функция – выработка белковых тел и антител для обезвреживания чужеродных веществ.

7. Энергетическая функция – 1 г белка эквивалентен 17,6 кДж энергии.

Система воспроизведения организма (ДНК и РНК) содержит информацию для построения белка.

Структура ДНК

ДНК - хранитель генетической информации, вместе с белками образует хромосомы.

В ДНК две комплементарные пары:

тимин + аденин (Т-А) или цитозин + гуанин (Ц-Г).

В 1953 г. Дж. Уотсон (американский биохимик) и Ф. Крик (английский генетик) доказали, ДНК представляет собой двойную спираль.

Мономеры ДНК и РНК – нуклеотиды (10-25 тысяч).

Состав: сахарофосфатные группировки и

азотистое основание.

Длина одной ДНК – порядка 90 см.

Структура РНК

РНК - считывает, переносит генетическую информацию и строит белки.

В РНК комплементарные пары:

урацил + аденин (У-А) или цитозин + гуанин (Ц-Г).

Три вида РНК

• матричная (информационная) – считывание с ДНК и перенос информации о структуре белка;

• транспортная – перенос аминокислот в рибосомы к месту синтеза белка.

• рибосомная – служит ферментом для осуществления синтеза белка;

Процесс воспроизводства жизни

Передача генетической информации

Г. Гамов, русский физик:

Для кодирования одной аминокислоты в белке используется сочетание из трех нуклеотидов ДНК, это сочетание называется кодОн.

Последовательность нуклеотидов в цепочке ДНК образует генетический код.

Ген – участок ДНК, элементарная единица наследственности.

Каждый ген определяет строение одного из белков и тем самым участвует в формировании признака или свойства организма.

Совокупность генов образует генОм организма.