Долбик Г.М. Опорный конспект лекций по дисциплине Основы биологии. Основы общей биологии

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Международный государственный экологический университет имени

А."Д."Сахарова»

Кафедра биологии человека и экологии

Долбик Г.М.

Опорный конспект лекций

по дисциплине «Основы биологии. Основы общей биологии»

Минск, 2009

Тема: «Биология как наука о жизни и ее значение»

Окружающую нас природу изучают естественные науки. Различают

природу «живую» и «неживую». Неживая природа изучается такими

естественными науками, как физика, химия, астрономия, география и т.д.

Живую природу изучает такая естественная наука, как биология (лат. Bios -

жизнь). Биология – наука о жизни. Она изучает живые организмы, их

строение, жизнедеятельность, взаимоотношения их друг с другом и

окружающей средой, а также закономерности исторического развития живых

организмов (эволюция).

Живые организмы характеризуются целым рядом признаков

(отличающих организмы от неживых объектов) – включая упорядоченность

строения, обмен веществ и энергией, рост, развитие, размножение, питание,

дыхание, выделение, раздражимость и способность приспосабливаться к

окружающей среде.

Жизнь – способ существования открытых коллоидных систем,

способных к саморегуляции, воспроизведению и развитию на основе

взаимодействия белков, нуклеиновых кислот и других соединений вследствие

преобразования поступивших из внешней среды веществ и энергии.

Жизнь проявляет себя в многообразных формах. Различают уровни

организации жизни: клеточный, организменный, популяционно-видовой,

биогеоценотический и биосферный. Каждый из этих уровней имеет свои

особенности функционирования и развития.

Биологические науки дифференцированы в зависимости от того,

какой объект изучается (во-первых) и какой аспект данного объекта

изучается (во-вторых). В соответствии с первым критерием биология может

быть представлена такими науками, как ботаника (наука о растениях),

зоология (наука о животных), микробиология (наука о микроорганизмах),

микология (наука о грибах). В этом же плане можно далее подразделять

каждую из названных наук. Например, ботаника как наука о растениях

представлена альгологией (наука о водорослях), дендрологией (наука о

древесных растениях), бриологией (наука о мхах) и т.д. Аналогично зоология

как наука о животных представлена ихтиологией (наука о рыбах),

орнитологией (наука о птицах), гельминтологией (наука о червях) и т.д.

В соответствии со вторым критерием биологические науки

представлены морфологией (изучает внешнее строение организмов),

анатомией (изучает внутреннее строение организмов), биохимией (наука о

химических превращениях веществ в организме).

Указанные биологические науки, принадлежащие к двум группам,

конечно, взаимосвязаны. Например, можно говорить о физиологии мхов,

биохимии птиц, анатомии млекопитающих.

Наиболее общими методами научных исследований являются

наблюдение, сравнение, эксперимент, моделирование и исторический метод.

Уровнями изучения биологических объектов являются молекулярный,

субклеточный, клеточный, тканевой, органный, организменный,

популяционно-видовой, биогеоценотический и биосферный.

Значение биологии для человечества огромно. Биологические знания

позволили разработать методы диагностики, профилактики и лечения

различных болезней, методы повышения продуктивности различных

экосистем, помогли в деле рационального использования природных

ресурсов и в других областях.

Клетку называют структурно-функциональной единицей жизни.

Именно клетка есть наименьшая по размеру биологическая система, которая

характеризуется всей совокупностью свойств, характерных для живых

организмов. Любые структурные элементы клетки, несмотря на свою

сложность, не обладают этой совокупностью свойств.

Клеточная теория явилась важнейшим обобщением естественных

наук XIX века, значение ее велико и теперь. Методы изучения клетки

разнообразны и включают микроскопию (световую и электронную),

дифференциальное центрифугирование, культивирование, генную

инженерию, рентгеноструктурный анализ, биохимические методы и ряд

других.

Тема: «Химический состав клетки»

Химический состав клеток различных типов даже у одного организма

(индивидуума) различается. Клетки организмов представителей различных

систематических групп тем более различаются. Поэтому можно говорить о

некоем «собирательном образе» усредненной клетки. В клетках организмов

содержится около 70 химических элементов, роль примерно 20 химических

элементов установлена. Более 95% массы клеток приходится на О, С, H, N;

эти 4 элемента называют основными. Важнейшими являются элементы,

относящиеся к группе макроэлементов, составляющих вместе > 4%. Это – Ca,

P, S, K, Cl, Na, Mg. Остальные химические элементы составляют около 1%;

это микроэлементы: Fe, J, Cu, Mn, Mo, Co, Zn, B, F, Se.

Роль указанных химических элементов очень велика несмотря на

значительные различия в их содержании внутри клетки и организма. (Роль

отдельных химических элементов изложена в учебной литературе).

Все многообразие химических веществ клетки делят на 2 группы:

неорганические вещества (вода и минеральные соли) и органические

(аминокислоты, углеводы, липиды, белки, нуклеиновые кислоты и некоторые

другие).

Вода занимает в количественном отношении 20-90% веществ клетки.

Роль воды определяется ее уникальными свойствами – малым размером

молекул, их полярностью и способностью образовывать водородные связи

друг с другом. Важно помнить не только физические свойства воды

(универсальный растворитель с высокими значениями теплоемкости,

теплопроводности, теплоты парообразования и поверхностного натяжения),

но и связанные с этим биологические функции воды: транспортную,

метаболическую и структурную.

Минеральные соли в вводной среде диссоциируют в разной степени

на катионы и анионы (необходимо помнить важнейшие из них). Анионы

угольной и фосфорной кислот обладают буферными свойствами,

поддерживая кислотность среды на определенном уровне. Например,

фосфатная буферная система поддерживает слабокислую среду внутри

клеток, а бикарбонатная буферная система – слабощелочную среду вне

клетки.

Органические вещества, как свидетельствует название, образуются

только в организмах и представляют собой весьма разнообразную группу

соединений. Эти вещества можно разделить на 2 группы:

1. Малые биологические молекулы (органические кислоты, моно-

и дисахариды, нуклеотиды, глицерол, холин и др.)

2. Биополимеры с молекулярной массой 10

– 10

и состоящих из

повторяющихся звеньев (мономеров). В эту группу входят

полисахариды, белки, и нуклеиновые кислоты. Общий план

строения и функции этих важнейших веществ изложены в

учебной литературе.

Тема: «Строение клеток. Органеллы и биомембраны»

Клетки весьма разнообразны по морфологии и выполняемым

функциям. Форма клеток может быть округлой, овальной, звездчатой,

вытянутой. Размеры – колеблются в широких пределах; наиболее мелкие –

это бактериальные клетки (до 0,2 мкм), большинство растительных и

животных клеток составляет примерно 10-100 мкм. Наиболее крупные –

яйцеклетки страусов, гусей, пингвинов (10 – 20 см), а также нервные клетки –

до 1 м (с аксоном).

Все живые организмы делят на про- и эукариотические. Это

разделение основано на различиях в строении клеток. К прокариотам относят

организмы, клетки которых лишены оформленного ядра, содержат малого

размера рибосомы и особое впячивание клеточной мембраны – мезосому,

развитую в разной степени у разных видов клеток и выполняющую функции

дифференцированных органелл эукариотических клеток. К этой группе

прокариот относят бактерии и цианобактерии. К эукариотам относят

организмы, клетки которых имеют оформленное ядро, развитую систему

мембран, органеллы и рибосомы более крупного (чем у прокариот) размера.

К этой группе относятся протисты, растения, грибы, животные.

Общая схема строения клеток такова: клетка состоит из оболочки и

живого содержимого – протопласта. Последний представлен наружной

мембраной – плазмалеммой и внутренним содержимым – цитоплазмой.

цитоплазма состоит из гиалоплазмы и органоидов. Тонкое строение

гиалоплазмы (по крайней мере у эукариот) таково – в коллоидный раствор

различных белков погружены особые белковые структуры в виде тяжей и

трубочек, составляющих вместе так называемую микротрабекулярную

систему.

Органоиды – особой и характерной формы мембранные образования,

погруженные в гиалоплазму и выполняющие специфические функции.

Деятельность органоидов (называемых также органеллами) строго

координируется, причем механизмы координации не ясны. Считается,

однако, что все процессы жизнедеятельности клетки и функциональная

активность ее органелл находится под контролем ядра – важнейшей

органеллы эукариотической клетки. Эту же роль в прокариотической клетке

выполняет бактериальная хромосома, содержащая кольцевую кольцевую

молекулу ДНК. В эукариотических клетках наряду с ядром содержатся такие

органеллы, как митохондрии, пластиды (в клетках растений),

эндоплазматическая сеть (гладкая и шероховатая), аппарат Гольджи,

лизосомы и рибосомы. Строение и выполняемые функции клеточных

органелл изложены в учебных пособиях, но стоит подчеркнуть, что

органоиды клетки представлены двумембранными структурами (ядро,

митохондрии, пластиды) и одномембранными структурами (остальные

органоиды, кроме рибосом и клеточного центра, не имеющих мембранного

строения). Важно также отметить, что клеточная ДНК содержится не только

в ядре, но и в митохондриях и пластидах.

Все клетки имеют мембраны, но эукариотические клетки имеют

наиболее развитую систему мембран. Области клетки, ограниченные

мембранами, называются компартменты (отсеки), в каждом из которых

происходят строго определенные процессы и реакции.

Общая схема строения биомембраны такова: двойной слой липидов

(главным образом фосфолипидов), содержащий многочисленные белки либо

по обеим его сторонам либо пронизывающие его насквозь. Стабилизация

мембраны осуществляется за счет гидрофильно-гиброфобных взаимосвязей.

Важнейшие характеристики мембраны – динамичность и избирательная

проницаемость. Перемещение веществ через мембрану осуществляется

путем диффузии, облегченной диффузии и активного транспорта.

Тема: «Общая характеристика обмена веществ клетки»

Важнейший признак живых организмов – способность к обмену

веществ и энергии с окружающей средой. Пространственная организация

сложных процессов обмена веществ и энергии в многоклеточном организме

отличается от обмена веществ на клеточном уровне. Мы рассмотрим в этой

лекции обмен веществ клетки. Обмен веществ, или метаболизм, – это

совокупность всех биохимических реакций, протекающих в клетке (или

организме). Процесс обмена веществ имеет два аспекта, две стороны –

пластический и энергетический обмен.

Пластический обмен (анаболизм) – совокупность всех реакций синтеза

необходимых организму органических веществ. Энергетический обмен –

совокупность реакций распада органических веществ и высвобождение при

этом необходимой энергии.

Для процессов роста и развития организм нуждается в органических

веществах, которые являются основным источником как пластических

веществ, так и энергии. Органические вещества подвергаются распаду до

мономеров – мелких органических молекул, часть из которых расходуется

для синтеза своих собственных органических веществ, а часть –

расщепляется частично или полностью (до CO

и H

O) с высвобождением

энергии.

Важнейшие анаболические процессы – биосинтез белка и фотосинтез.

Биосинтез белка – универсальный анаболический процесс, протекающий в

цитоплазме клеток организмов представителей всех царств. Для этого

процесса необходимы рибосомы, и-РНК, т-РНК, аминокислоты и ряд

дополнительных факторов. Процесс протекает в несколько этапов и будет

подробно рассмотрен в следующей лекции.

Говоря о фотосинтезе уместно вспомнить, что по способности

образовывать необходимое для жизни органические вещества все организмы

делятся на автотрофные (самостоятельно синтезирующие нужные для себя

вещества) и гетеротрофные (нуждающиеся в готовых органических

веществах, поступающих извне).

Автотрофы представлены фотоавтотрофами (если энергию для

синтезов даёт свет) и хемоавтотрофы (если энергия для синтезов поступает за

счёт окисления некоторых неорганических соединений). Фотоавтотрофы –

это растения и некоторые бактерии, хемоавтотрофы – некоторые бактерии.

Гетеротрофы – это животные, большинство бактерий и грибы.

Промежуточное положение занимают автогетеротрофы, которые в

зависимости от условий поглощают либо готовые органические, либо

образуют их на свету за счёт фотосинтеза. К этим организмам относят

эвглену, хламидомонаду и некоторых других.

Фотосинтез – это процесс образования под действием света

органических веществ из CO

и H

O в хлоропластах, при котором в качестве

побочного продукта выделяется свободный кислород. Это сложный

многоступенчатый процесс, который делят на световую и темновую фазу.

Световая фаза представлена фотолизом воды и фотофосфорилированием и

происходит в телоноидах гран. В результате образуются НАДФ·H

, АТФ и

. Темновая фаза (цикл Кальвина) протекает в строме; в результате этой

фазы образуются органические вещества (глюкоза и первичный крахмал).

Значение фотосинтеза состоит в образовании первичного органического

вещества и О

, за счёт которых существует всё живое на Земле. Кроме того

→ О

(озон), слой которого задерживает опасную для живых организмов

часть солнечной радиации.

Клеточное дыхание – процесс образования и накопления энергии в

доступной для клетки форме (то есть в форме АТФ). При наличии О

дыхание протекает в три этапа: подготовительный, бескислородный (в

цитоплазме) и кислородный (в митохондриях). В отсутствии или при

недостатке О

происходит анаэробное дыхание (брожение), характерное для

многих бактерий, простейших, микроскопических грибов. Различают

молочнокислое и спиртовое брожение, которые находят широкое

применение в пищевой промышленности.

Тема: «Деление клетки и реализация наследственной информации»

Клетка является не только структурной и функциональной единицей

жизни. Клетка является еще – единицей развития. Новые клетки возникают

из уже существующих. Например, из зиготы путем множества клеточных

делений возникает сложный многоклеточный организм. Деление клеток

обеспечивает непрерывность жизни одно- и многоклеточных организмов. В

этом состоит биологическое значение деления клетки.

Делению клетки предшествует:

1. её рост до определенного размера;

2. удвоение клеточных структур (хромосом, пластид, митохондрий,

центриолей и т.д.)

Удвоение хромосом связано в первую очередь с репликацией ДНК.

Клеточный цикл – жизнь клетки с момента ее образования из

материнской клетки до собственного деления или смерти. Клеточный цикл

состоит из четырех последовательных этапов, или периодов:

1. постмитотического (синтез РНК, белков, органелл)

2. синтетического (репликация ДНК)

3. премитотического (подготовка к митозу – синтез и-РНК, белков

веретена деления)

4. собственно деление клетки (например, митоз)

1-3 периоды составляют интерфазу.

Известно несколько типов деления клетки:

1. прямое бинарное деление. Характерно для бактериальных клеток;

кольцевая ДНК, прикрепленная к мезосоме реплицируется давая

2 молекулы кольцевой ДНК; между ними врастает клеточная

мембрана и в каждой дочерней клетке оказывается по 1

кольцевой молекуле ДНК.

2. митоз. Непрямое деление, основной способ деления

эукариотических клеток; сложный поэтапный процесс в

результате из 1 материнской клетки возникает 2 дочерних,

имеющих такой же хромосомный набор.

3. мейоз. Редукционное деление, в результате которого образуются

клетки с половинным набором хромосом; с помощью мейоза

образуются споры и гаметы.

4. амитоз. Прямое деление интерфазного ядра перетяжкой без

образования веретена деления, хромосомы неразличимы;

встречается у протистов, а у многоклеточных организмов

характерен для специализированных, патологических,

ослабленных физиологически клеток.

Биологическое значение различных типов деления клеток и

последовательность этапов деления при митозе и мейозе изложены в учебной

литературе.

Известно, что в ДНК хранится наследственная информация. Роль ДНК

была открыта в 1944 г. благодаря работам Эвери с сотрудниками при

изучении передачи признака вирулентности у бактерий. В 1953 г.

американские ученые Уотсон и Крик предложили модель строения ДНК в

виде двойной спирали. Эта модель объясняла молекулярный механизм

удвоения генетической информации при делении клеток. Процесс

реализации наследственной информации в клетках живых организмов

описывается последовательными этапами ДНК → и-РНК → белок. Процесс

передачи наследственной информации с одной из нитей ДНК на

однонитевую и-РНК называется транскрипцией, а преобразование

информации с и-РНК в последовательность аминокислот синтезируемого на

рибосомах белка называется трансляцией. Биосинтез белка – важнейший

анаболический процесс во всех живых клетках, весьма сложен, многоэтапен

и осуществляется с затратой энергии.

Связь между последовательностью оснований отрезка ДНК (гена) или

его РНК-транскрипта с последовательностью аминокислот

соответствующего пептида осуществляется посредством генетического кода.

Генетический код:

1. триплетный;

2. множественный;

3. однозначный;

4. непрерывный;

5. универсальный;

6. неперекрывающийся.

Кодирование 20 аминокислот осуществляется 61 триплетом, 3

определенных триплета не кодируют аминокислоту, а определяют

терминацию синтеза полипептидной цепи.

Функциональный отрезок ДНК, несущий информацию о структуре

одной полипептидной цепи, т-РНК, и-РНК или взаимодействующий с

регуляторным белком называется гéном.

Регуляция активности генов наиболее изучена у бактерий благодаря

классическим работам французских ученых Жакоба и Моно. Они

предложили структуру гена (теория оперона), механизм его индукции и

репрессии и выделили особый белок-репрессор, регулирующий генную

активность.