Человек в системе природы

Определение понятия «жизнь»

Жизнь - одна из высших форм движения и организации материи. В основе теории о естественном происхождении жизни лежат философские работы Ф.Энгельса, который писал: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней средой». Американский исследователь Дж. Бернал определил жизнь «как функцию белков и нуклеиновых кислот». Любая живая система постоянно обменивается с окружающей средой энергией, веществами и информацией. С потоком веществ и энергии связано обновление живых систем; размножение обеспечивает связь между поколениями на основе потока информации; три потока - веществ, энергии и информации - принимают участие в регуляции всех процессов, протекающих в живой системе.

Свойства и признаки живого

Жизнь характеризуется тремя фундаментальными свойствами - самообновлением, самовоспроизведением и саморегуляцией. Эти свойства определяют признаки живого:

1) обмен веществ и энергии;

2) наследственность и изменчивость;

3) размножение (репродукция);

4) индивидуальное и историческое развитие (онтогенез и филогенез);

5) раздражимость;

6) гомеостаз;

7) дискретность и целостность.

Обмен веществ и энергии с окружающей средой для живых систем - необходимое условие существования, которое обеспечивает все процессы жизнедеятельности, восстановление разрушенных компонентов, замену их новыми структурами. Протекание этих процессов обеспечивают каталитическая активность белков и наследственная информация, записанная в нуклеиновых кислотах.

Наследственность обеспечивает передачу признаков при репродукции из поколения в поколение, информация о которых содержится и хранится в нуклеиновых кислотах. Изменчивость, в отличие от наследственности, приводит к появлению новых признаков при изменении условий среды. Эти признаки могут быть неблагоприятными для организма и вызывать его гибель. Если измененная информация будет полезной, новый признак закрепляется естественным отбором.

Поддержание жизни на любом уровне биологических систем связано с репродукцией (размножением), так как существование организмов ограничено во времени. Благодаря репродукции не прекращается жизнь, и сохраняются виды.

Каждый организм при размножении получает наследственную информацию о признаках, которые проявляются (формируются) в процессе индивидуального развития. Онтогенез, или индивидуальное развитие, - это развитие организма от образования зиготы и до смерти (появление и развитие различных систем органов, усложнение их функций, увеличение размеров тела).

Филогенетическое развитие, или филогенез, - это историческое развитие видов. Основные его закономерности были установлены Ч. Дарвином

- от одноклеточных организмов к сложным многоклеточным организмам.

Раздражимость - свойство, характерное для всего живого. Это реакция организма, органа, клетки на действие факторов окружающей среды. Ответная реакция одноклеточных подвижных организмов называется таксис. Прикрепленные организмы - растения - отвечают движениями частей тела. Такие реакции называются тропизмы. И таксисы, и тропизмы - это двигательные реакции в сторону раздражителя или от него. Например, движение эвглены в освещенную часть водоема - положительный фототаксис, движение инфузорий от капли химических веществ - отрицательный хемотаксис. У растений корень имеет отрицательный фототропизм, стебель - положительный. Ответная реакция на факторы внешней среды организмов, имеющих нервную систему, проявляется в форме рефлексов - защитный рефлекс, рефлекс заботы о потомстве и другие.

Получение информации из окружающей среды необходимо для саморегуляции в биологических системах, которая осуществляется по принципу обратной связи. Так регулируются процессы обмена веществ, считывание генетической информации, работа всех систем органов многоклеточного организма. Свойство организма поддерживать постоянство внутренней среды и структурной организации называется гомеостаз. Гомеостаз поддерживается и в надорганизменных системах - популяционно­видовой, биоценотический и биосферный гомеостаз.

Жизнь одновременно характеризуется целостностью и дискретностью. Все звенья органического мира взаимосвязаны и взаимозависимы в своем существовании и развитии. Например, зеленые растения в процессе фотосинтеза выделяют кислород, необходимый аэробным организмам для дыхания. В процессе дыхания организмы выделяют углекислый газ, который растения используют для синтеза органических веществ. Органический мир составляют отдельные организмы, или особи. Каждый организм имеет органы и ткани, которые состоят из клеток. Это и есть дискретность живого (лат. discretus - прерывистый).

Уровни организации живого

На основе дискретности выделяют уровни организации живого.

Молекулярно-генетический уровень. Элементарной единицей на этом уровне является ген. Это участок молекулы нуклеиновой кислоты, который несет определенную генетическую информацию. Информация о полипептидах, признаках сохраняется и передается благодаря свойству ДНК, которое называется репликация или самовоспроизведение. Белки всех живых организмов содержат комбинации одних и тех же 20 аминокислот, а молекулы ДНК и РНК всех организмов состоят из 5-ти типов нуклеотидов. Сходство в составе имеют также липиды и углеводы. У всех организмов биологическая энергия запасается в молекулах АТФ, а генетическая информация «записана» в молекулах нуклеиновых кислот.

Клеточный уровень. Все живые организмы состоят из клеток. Клетка является структурно-функциональной и генетической единицей живого. В ней содержится генетическая информация о развитии целого организма, и проходят все процессы жизнедеятельности.

Тканевый уровень. Группа клеток одинаковой структуры, выполняющих одинаковые функции, составляет ткань. Животные организмы имеют 4 вида тканей: эпителиальная, соединительная, мышечная и нервная.

Организменный уровень. Организм - элементарная единица жизни. На Земле существует огромное разнообразие организмов разных видов (только животных насчитывают около 2 млн. видов). Организменный уровень характеризуется процессами онтогенеза (индивидуального развития) и нервной и гуморальной его регуляцией.

Популяционно-видовой уровень. Группа особей одного вида, длительно занимающих определенную территорию, свободно скрещивающихся и относительно изолированных от других групп особей того же вида, составляет популяцию. На уровне популяций начинаются процессы видообразования. Популяция является элементарной единицей эволюции.

Биосферно-биогеоценотический уровень. Биогеоценоз - это группа популяций организмов разных видов, исторически связанных между собой и с определенной территорией проживания. Между популяциями и окружающей средой идет постоянный обмен веществами, энергией и информацией. В сумме биогеоценозы составляют биосферу - область планеты, которую занимают живые организмы.

Предмет биологии. Значение биологии для медицины

Биология (греч.bios - жизнь, живой; logos - учение, наука) изучает жизнь как особую форму движения материи. Предмет ее изучения - все живые организмы - от одноклеточных до многоклеточных, включая и человека, - все уровни организации живого. Современная биология является комплексной наукой. По объектам изучения она подразделяется на микробиологию (изучает бактерии), ботанику (изучает растения), зоологию (изучает животных), биологию человека. В частных разделах этих наук выделяют анатомию, морфологию и физиологию. К числу наиболее крупных направлений биологии относятся такие дисциплины как генетика, паразитология, экология. По уровням организации живого выделяют молекулярную биологию, цитологию (наука о клетке), гистологию (наука о тканях), популяционную биологию.

Изучение биологии имеет важное значение для подготовки врача любой специальности. Знания паразитологии, генетики, цитологии и молекулярной биологии часто помогают диагностировать болезнь и оказать эффективную помощь больному. Развитие и достижения генной инженерии обеспечивают получение ряда лекарственных препаратов (антибиотики, витамины, гормоны). Изучение паразитологии необходимо для лечения инфекционных и инвазионных болезней и для разработки методов их профилактики.

Положение человека в системе животного мира

Как биологический вид человек относится к типу Хордовые, подтипу Позвоночные, классу Млекопитающие, подклассу Плацентарные, отряду Приматы, подотряду Человекообразные (узконосые обезьяны), семейству Гоминиды (люди), роду Homo (человек), виду Homo sapiens (человек разумный).

Человек как биологическое и социальное существо

В человеке объединяются признаки как биологического, так и социального существа. Как для всех хордовых, для человека в эмбриональном периоде характерна закладка осевых органов: хорда, над ней - нервная трубка, под хордой - пищеварительная трубка, под ней, на брюшной стороне - сердце. У всех представителей подтипа позвоночных, в том числе и человека, хорда преобразуется в позвоночник, имеется расположенное на брюшной стороне сердце и 2 пары конечностей. Как для представителя класса млекопитающих, для человека характерны: четырехкамерное сердце, теплокровность, сильно развитая кора головного мозга, млечные железы, наличие волос на кожных покровах. Развитие плода человека в теле матери и питание его через плаценту

- признаки, характерные для плацентарных животных. Родственные связи человека с приматами отражают следующие признаки: большой палец на верхних конечностях противопоставлен остальным, ногти на пальцах, одна пара молочных желез, хорошо развитые ключицы, зубы трех типов и замена молочных зубов на постоянные, рождение в большинстве случаев одного детеныша.

Доказательствами животного происхождения человека является также наличие у него рудиментов и атавизмов. Рудименты - органы, которые подвергаются обратному развитию, из-за того, что они не функционируют (например: червеобразный отросток, третье веко). Атавизмы - это признаки возврата к предкам (например: наличие хвоста у детей - при увеличении числа хвостовых позвонков; сплошной волосяной покров верхней части тела - "львиные мальчики", наличие нескольких пар молочных желез).

Только для вида Homo sapiens характерны следующие признаки: прямохождение, подвижная кисть руки, позвоночник с четырьмя изгибами, большой объем головного мозга с развитой корой, более крупные размеры мозгового черепа по сравнению с лицевым, абстрактное мышление, наличие второй сигнальной системы, изготовление орудий труда.

Прогресс человечества подчиняется социальным законам - законам общества. Жизнь человека вне общества невозможна. Появление членораздельной речи было связано с необходимостью общения во время совместной охоты и защиты от врагов. Появление огня и употребление термически обработанной пищи привело к уменьшению жевательного аппарата и лицевого отдела черепа и к увеличению головного мозга. Развитие общественных отношений шло на основе изготовления орудий труда и охоты. Развивался головной мозг, мышление, сознание. Совершенствовались речь и трудовая деятельность. В развитии человека большую роль стали играть социальные факторы. Знания, умения и духовные ценности передаются в человеческом обществе посредством обучения и воспитания молодого поколения.

Лекция 2 Тема: Клетка. Клеточная теория.

Организация потоков веществ и энергии в клетке

План лекции

1. Клетка - элементарная единица живого.

2. Клеточная теория; современное ее состояние.

3. Основные формы клеточной организации.

4. Строение, свойства и функции элементарной мембраны.

5. Организация потока веществ в клетке.

6. Организация потока энергии в клетке.

В 1665 году английский физик Р.Гук, изучая срез пробки дерева, описал ячейки, которые назвал «cellula» (лат.) - ячейка, клетка. Изучение клетки шло параллельно с развитием микроскопической техники. Голландец А.ван Левенгук обнаружил в воде одноклеточные организмы. В 1825 году чешский ученый Я.Пуркине описал полужидкое, студенистое содержимое клетки и назвал его «протоплазма» (греч. protos - первый, plasma - образование). В 1831г. английский ботаник Р.Броун обнаружил в клетке ядро.

В 1838-1839 гг. немецкие исследователи Т.Шванн (зоолог) и М.Шлейден (ботаник) объединили полученные данные и сформулировали клеточную теорию. Ее основные положения: 1) клетка - основная структурная единица животных и растений; 2) процесс образования клеток обусловливает рост, развитие и дифференцировку тканей растений и животных.

В 1858 году была опубликована работа немецкого патологоанатома Р.Вирхова «Целлюлярная патология», в которой было два важных положения: 1) каждая клетка происходит от клетки в результате деления, 2) основой всех болезней организма являются изменения структуры и функций клеток.

Основные положения современной клеточной теории:

1. Клетка - элементарная структурно-функциональная и генетическая
единица всего живого, открытая саморегулирующаяся система, через которую постоянно идут потоки веществ, энергии и информации.

2. Клетки всех организмов имеют сходное строение, химический состав и процессы жизнедеятельности.

3. Клетки многоклеточного организма выполняют разные функции и образуют ткани.

4. Новые клетки образуются при делении материнской клетки.

Строение, химический состав, размножение и развитие, взаимодействие

Бактериофаги (паразиты бактерий)

клеток в многоклеточном организме изучает цитология (лат. cytos - клетка, logos

- наука).

Неклеточные формы жизни:

Вирусы (возбудители болезней человека, животных и растений)

Вирус от латинского слова «vira» - яд. Были открыты в 1892 году Д.И. Ивановским. Широко распространены в природе. Размеры вирусов от 20 до 300 нм (видны только в электронном микроскопе).

Вирусы - внутриклеточные паразиты. Свойства живого - обмен веществ, размножение, - проявляют только в клетке хозяина. Покоящаяся форма вируса, которая переходит из клетки в клетку, называется вирион.

Генетический аппарат вируса (молекула ДНК или РНК) находится в его головке, которая покрыта «белковым чехлом». Хвост вируса имеет полую сердцевину, спиральный белок снаружи и хвостовые нити на конце (рис.1).

Описано более 3 000 вирусов, которые вызывают болезни человека (грипп, гепатит, энцефалит, ВИЧ и др.), животных (лейкоз, бруцеллез и др.) и растений (табачная мозаика, карликовость и др.). У человека и животных вирусы поражают лимфатическую, кровеносную и нервную системы.

Прокариоты не имеют оформленного ядра. Их генетический аппарат - кольцевая нить ДНК, не связанная с белками - гистонами, называется нуклеоид.

Наиболее примитивными из прокариот являются микоплазмы. Их возраст

- 3 млрд. лет. Диаметр 0,1 - 0,25 мкм. Большинство из них симбионты и факультативные паразиты млекопитающих, насекомых и растений. В отличие от вирусов они способны к самовоспроизведению, в отличие от бактерий - не имеют клеточной стенки. Поражение плодов человека микоплазмами приводит к заболеваниям - микоплазмозам. Они поражают легкие и ЦНС. Способны оказывать тератогенное действие, вызывая хромосомные нарушения. У взрослых отмечаются микоплазмозы легких, дыхательных и мочеполовых путей.

Основные формы клеточной организации

Прокариоты (доядерные)

одноклеточные организмы (протисты)

клетки многоклеточных

бактерии

организмов

микоплазмы

Эукариоты (ядерные)

цианобактерии

Эукариоты имеют оформленное ядро, окруженное ядерной мембраной. Генетический аппарат - сложного строения ДНК, связанная с белками - гистонами (рис.2).

Различия клеток прокариот и эукариот

Рис. 2. Строение прокариотической (А) и эукариотической (Б) клеток.

А

Б

1 - нуклеоид, 2 - плазмалемма, 3 - рибосомы, 4 - мезосома, 5 - цитоплазма, 6 - жгутик, 7 - клеточная стенка, 8 - клеточный центр, 9 - митохондрия, 10 - гранулярная ЭПС, 11 - ядрышко, 12 - ядро, 13 - комплекс Гольджи, 14 - гладкая ЭПС

Внутреннее содержимое клетки - протоплазма - состоит из цитоплазмы и кариоплазмы (ядра). В цитоплазме различают гиалоплазму (цитоплазматический матрикс), органоиды и включения. Снаружи клетка покрыта оболочкой, основным компонентом которой является элементарная (биологическая) мембрана.

Строение, свойства и функции элементарной мембраны

Первую модель элементарной мембраны предложили в 1943г. Н.Даусон и Р.Даниелли. Это была модель «сэндвича» - бутербродная модель: (рис. 3)

Между двумя слоями белковых молекул расположены два слоя молекул липидов. Каждая молекула липида имеет два конца - гидрофильный (водорастворимый) и гидрофобный (водонерастворимый). Гидрофобные части молекул направлены друг к другу, гидрофильные части направлены в сторону белковых молекул.

Более совершенная модель - жидкостно-мозаичная, - отвечающая свойствам и функциям элементарной мембраны предложена, С. Сингером и Г.Николсоном в 1972г. (рис. 3).

1

А

- сплошные слои белка, 2 - билипидный слой, 3 - гидрофильные головки фосфолипидов, 4 - гид­рофобные хвостики фосфолипидов, 5 - олигосаха- ридная цепь гликолипида, 6 - олигосахаридная цепь гликопротеина, 7 - молекула холестерола, 8 - полуинтегральный белок, 9 - интегральный белок

Рис. 3. Схема моделей элементарной мембраны: А - сэндвича (бутербродная), Б - жидкостно-мозаичная.

Б

Основные компоненты мембраны - липиды - составляют от 20 до 80% их массы. Это - фосфолипиды, лецитин, холестерин. Молекулы белков находятся в двойном слое липидных молекул, которые образуют «липидное море». Молекулы белков, которые проходят через два слоя липидных молекул, называются интегральными. Те молекулы, часть которых находится в билипидном слое,
называются полуинтегральными. На поверхности липидов лежат периферические белки. Третий компонент элементарной мембраны - это гликопротеины, образующие на ее поверхности рецепторный аппарат (гликокаликс).

Свойства элементарной мембраны:

• пластичность (быстро восстанавливается после повреждения, а также растягивается и сжимается при клеточных движениях);

• полупроницаемость (избирательно пропускает определенные молекулы);

• способность самозамыкаться (образование фагосом и вакуолей при питании амебы).

Функции элементарной мембраны:

• структурная (суть мембранного принципа структуры органоидов в том, что в состав всех клеточных органоидов, кроме рибосом и центросомы, входят мембраны);

• барьерная (защищает клетку от внешних воздействий и поддерживает ее состав);

• участие в процессах обмена веществ клетки (многие биохимические реакции протекают на мембранах);

• рецепторная (получение и распознавание сигналов, узнавание веществ).

Организация потока веществ в клетке

Поток веществ в клетке проходит 3 этапа:

а) поступление веществ в клетку (мембранный транспорт);

б) превращение и распределение веществ в клетке;

в) выделение из клетки продуктов обмена.

Механизмы мембранного транспорта

Пассивный транспорт идет по градиенту концентрации без затраты энергии. Вода и мелкие молекулы могут поступать в клетку фильтрацией, диффузией, через поры или при растворении в липидах. Облегченная диффузия связана с участием в переносе молекул белков-переносчиков - пермеаз. Так попадают в клетку аминокислоты, сахара, жирные кислоты.

Активный транспорт требует затрат энергии, так как проходит против градиента концентрации. Для такого переноса необходимы ферменты, молекулы АТФ и образование специальных ионных каналов. Примером такого механизма является натрий-калиевый насос.

Цитоз - участие самой мембраны в захвате частиц или молекул и переносе их в клетку (эндоцитоз) или выведение из клетки (экзоцитоз). Цитоз - это обратимые изменения архитектоники (очертаний) мембраны. Перенос макромолекул или твердых частиц называется фагоцитозом, перенос капель жидкости называется пиноцитозом.

Вещества и молекулы, которые прошли клеточную мембрану, распределяются по клетке.

ядро и все органоиды

Пластический обмен, или реакции ассимиляции, проходят в анаболической системе клетки. Она включает органоиды: рибосомы, эндоплазматическую сеть (ЭПС), комплекс Гольджи.

Органоиды - это дифференцированные участки цитоплазмы, имеющие постоянную структуру и выполняющие определенные функции (рис.4).

Рибосомы - сферические тельца (диаметр 15-35 мкм), состоящие из большой и малой субъединиц. Могут располагаться свободно в цитоплазме, на наружной ядерной оболочке, на каналах эндоплазматической сети. Большая субъединица рибосомы содержит три различные молекулы р-РНК и 40 молекул белков, малая субъединица - одну молекулу р-РНК и 33 молекулы белков. Сборка рибосом происходит в области пор ядерной мембраны. Информация о структуре р-РНК и белках рибосом содержится в «ядрышковых организаторах» (участки молекулы ДНК в области вторичных перетяжек спутничных хромосом). Рибосомы непосредственно участвуют в сборке молекул белка. Свободные рибосомы синтезируют белки для жизнедеятельности самой клетки, прикрепленные - белки для вывода из клетки.

Рис. 4. Схема тонкой структуры клетки 1 - гранулярная ЭПС, 2 - митохондрия, 3 - комплекс Гольджи, 4 - микроворсинки, 5 - гладкая ЭПС, 6 - микротрубочки, 7 - лизосома, 8 - рибосомы, 9 - клеточный центр, 10 - ядерная оболочка, 11 - ядерная пора, 12 - ядрышко, 13 - хроматин, 14 - цитоплазма

Эндоплазматическая сеть (ЭПС) - это каналы, расположенные по всей клетке и соединяющиеся с перинуклеарным пространством ядра и с полостями комплекса Гольджи. Стенка каналов - элементарная мембрана. Каналы ЭПС выполняют функцию компартментализации цитоплазмы клетки - разделение ее на участки, в которых протекают различные биохимические реакции. Гранулярная ЭПС (на ее мембранах расположены рибосомы) участвует в биосинтезе белков, которые затем транспортируются к комплексу Гольджи. На мембранах гладкой ЭПС (не содержит рибосом) синтезируются углеводы (гликоген) и липиды (холестерин). Она принимает участие в синтезе стероидных гормонов, в выделении ионов хлора (клетки эпителия желез желудка), в обезвреживании токсических веществ клетками печени.

Комплекс Гольджи состоит из пузырьков, трубочек, мешочков. Основные элементы комплекса - диктиосомы. Диктиосомы - это стопки из 10-15 элементарных мембран, которые на концах имеют расширения. Эти расширения образуют пузырьки, которые отделяются и превращаются в лизосомы и вакуоли. Часть этих пузырьков выводит из клетки секреты или продукты обмена. Функции комплекса Гольджи: 1) сортировка и упаковка в пузырьки синтезированных в ЭПС веществ; 2) образование сложных соединений (липопротеинов, гликопротеинов); 3) сборка элементарных мембран; 4) образование лизосом, глиоксисом и вакуолей; 5) секреция веществ.

Энергетический обмен, или реакции диссимиляции, проходят в катаболической системе клетки. В нее входят: митохондрии, лизосомы, микротельца (пероксисомы и глиоксисомы).

Первичные лизосомы образуются в комплексе Гольджи. Это округлые тельца (размером 0,2-0,4 мкм в диаметре), покрытые элементарной мембраной. В их состав входит примерно 50 различных гидролитических ферментов. Расщепление веществ происходит во вторичных лизосомах, которые образуются при слиянии первичной лизосомы и фагосомы. Лизосомы способны растворять структуры отдельных органоидов.

Пероксисомы образуются в ЭПС. Их ферменты (оксидазы) окисляют аминокислоты с образованием перекиси водорода (Н₂О₂).

Глиоксисомы образуются в комплексе Гольджи, Их ферменты превращают жиры в углеводы.

Митохондрии в световом микроскопе имеют форму палочек, нитей, гранул. Величина митохондрий - от 0,5 до 7 мкм. Число их неодинаково в клетках
с различной активностью. Стенка митохондрии имеет наружную и внутреннюю мембраны. Выросты внутренней мембраны образуют кристы, между которыми находится гомогенный внутренний матрикс. Промежуток между мембранами стенки митохондрии заполнен наружным матриксом. В митохондриях находятся

3 системы ферментов: во внутреннем матриксе - ферменты цикла Кребса, или цикла лимонной кислоты; на внутренней мембране и в наружном матриксе - ферменты тканевого дыхания; в АТФ-сомах (кристы) - ферменты окислительного фосфорилирования. Митохондрия имеет автономную систему биосинтеза белка. Во внутреннем ее матриксе находятся рибосомы, различные виды РНК и кольцевые молекулы ДНК.

Функции митохондрий: синтез АТФ (превращение энергии расщепляемых соединений в энергию фосфатных связей), синтез специфических белков и стероидных гормонов.

Организация потока энергии в клетке

Энергетический обмен имеет 3 этапа:

I - подготовительный

II - бескислородный (анаэробный)

III - кислородный (аэробный)

Первичным источником энергии на планете является Солнце.

Солнце

С₆Н1₂О₆ + 6О₂ ^ биологическая работа хи^мич^еская бСО₂ + 6Н₂О + ~ Ф

энергия ____________________________________

зеленые растения

животные J

тепло

Подготовительный этап протекает в пищеварительной системе организмов и в фагосомах клеток, где сложные органические соединения расщепляются до простых: полисахариды до моносахаридов, белки до аминокислот, жиры до глицерола и жирных кислот. Выделяемая при этом энергия рассеивается в виде тепла.

Анаэробный этап протекает в цитоплазме клеток. В нем участвуют 10
ферментов. Глюкоза расщепляется до пировиноградной кислоты, и образуются 2 молекулы АТФ. Пировиноградная кислота может поступать в митохондрии (для дальнейших превращений). При работе мышц в них образуется молочная кислота.

Аэробный этап энергетического обмена протекает в митохондриях. Пировиноградная кислота в соединении с коферментом А (К₀А) поступает во внутренний матрикс митохондрии. От активированной формы уксусной кислоты (Ацетил К₀А) отщепляются атомы водорода. Из митохондрии выделяется образовавшийся CO₂, а протоны и электроны (из атомов водорода) переходят на систему ферментов тканевого дыхания (рис. 5). Протоны накапливаются на наружной поверхности внутренней мембраны, а электроны - на внутренней. При достижении критического потенциала протоны проходят через каналы в АТФ - сомах. Электроны отдают энергию для присоединения остатков фосфорной кислоты к АДФ и образования АТФ и соединяются с протонами. Образуются атомы водорода, которые с кислородом дают молекулы воды. В результате всех реакций преобразования 1 молекулы глюкозы образуется 36 молекул АТФ + 2 молекулы анаэробного этапа - итого 38 молекул АТФ.

С*со,) Рис. 5. Схема энергетического обмена

Лекция 3

Тема: Организация потока генетической информации

План лекции

1. Структура и функции клеточного ядра.

2. Хромосомы: структура и классификация.

3. Клеточный и митотический циклы.

4. Митоз, мейоз: цитологическая и цитогенетическая характеристика, значение.

Схема потока генетической информации

Клеточный уровень

Молекулярный уровень ДНК

I

и-РНК

Р

рибосомы

J

полипептиды

дочерние клетки и организмы

Структура и функции клеточного ядра

Основная генетическая информация заключена в ядре клеток.

Клеточное ядро (лат. - nucleus; греч. - karyon) было описано в 1831г. Робертом Броуном. Форма ядра зависит от формы и функций клетки. Размеры ядер изменяются в зависимости от метаболической активности клеток.

Оболочка интерфазного ядра (кариолемма) состоит из наружной и внутренней элементарных мембран. Между ними находится перинуклеарное пространство. В мембранах имеются отверстия - поры. Между краями ядерной поры располагаются белковые молекулы, которые образуют поровые комплексы. Отверстие пор закрыто тонкой пленкой. При активных процессах обмена веществ в клетке большинство пор открыто. Через них идет поток веществ - из цитоплазмы в ядро и обратно. Количество пор у одного ядра

достигает 3-4 тысяч. Наружная ядерная мембрана соединяется с каналами эндоплазматической сети. На ней обычно располагаются рибосомы. Белки внутренней поверхности ядерной оболочки формируют ядерную пластинку. Она поддерживает постоянной форму ядра, к ней прикрепляются хромосомы (рис. 6).

Рис. 6. Схема строения клеточного ядра 1 и 2 - наружная и внутренняя мембраны ядерной оболочки, 3 - ядерная пора, 4 - ядрышко, 5 - хроматин, 6 - ядерный сок

Ядерный сок - кариолимфа, коллоидный раствор в состоянии геля, который содержит белки, липиды, углеводы, РНК, нуклеотиды, ферменты.

Ядрышко - непостоянный компонент ядра. Оно исчезает в начале клеточного деления и восстанавливается в конце его. Химический состав ядрышек: белок (~90%), РНК (~6%), липиды, ферменты. Ядрышки образуются в области вторичных перетяжек спутничных хромосом. Функция ядрышек: сборка субъединиц рибосом.

Хроматин ядра - это интерфазные хромосомы. Они содержат ДНК, белки-гистоны и РНК в соотношении 1:1,3:0,2.

ДНК в соединении с белком образует дезоксирибонуклеопротеин (ДНП). При митотическом делении ядра ДНП спирализуется и образует хромосомы.

Функции клеточного ядра:

1) хранит наследственную информацию клетки;

2) участвует в делении (размножении) клетки;

3) регулирует процессы обмена веществ в клетке.

Хромосомы: структура и классификация

Хромосомы (греч. - chromo - цвет, soma - тело) - это спирализованный хроматин. Их длина 0,2 - 5,0 мкм, диаметр 0,2 - 2 мкм.

Метафазная хромосома состоит из двух хроматид, которые соединяются центромерой (первичной перетяжкой). Она делит хромосому на два плеча. Отдельные хромосомы имеют вторичные перетяжки. Участок, который они отделяют, называется спутником, а такие хромосомы - спутничными. Концевые участки хромосом называются теломеры. В каждую хроматиду входит одна непрерывная молекула ДНК в соединении с белками- гистонами. Интенсивно окрашивающиеся участки хромосом - это участки сильной спирализации (гетерохроматин). Более светлые участки - участки слабой спирализации (эухроматин).

Типы хромосом выделяют по расположению центромеры (рис.7).

Рис. 7. Типы хромосом

1. Метацентрические хромосомы - центромера расположена посередине, и плечи имеют одинаковую длину. Участок плеча около центромеры называется проксимальным, противоположный - дистальным.

2. Субметацентрические хромосомы - центромера смещена от центра и плечи имеют разную длину.

3. Акроцентрические хромосомы - центромера сильно смещена от центра и одно плечо очень короткое, второе плечо очень длинное.

В клетках слюнных желез насекомых (мух дрозофил) встречаются гигантские, политенные хромосомы (многонитчатые хромосомы).

Для хромосом всех организмов существует 4 правила:

1. Правило постоянства числа хромосом. В норме организмы определенных видов имеют постоянное, характерное для вида число хромосом. Например: у человека 46, у собаки 78, у мухи дрозофилы 8.

2. Парность хромосом. В диплоидном наборе в норме каждая хромосома имеет парную хромосому - одинаковую по форме и по величине.

3. Индивидуальность хромосом. Хромосомы разных пар отличаются по форме, строению и величине.

4. Непрерывность хромосом. При удвоении генетического материала хромосома образуется от хромосомы.

Набор хромосом соматической клетки, характерный для организма данного вида, называется кариотипом.

Классификацию хромосом проводят по разным признакам.

1. Хромосомы, одинаковые в клетках мужского и женского организмов, называются аутосомами. У человека в кариотипе 22 пары аутосом. Хромосомы, различные в клетках мужского и женского организмов, называются гетерохромосомами, или половыми хромосомами. У мужчины это Х и Y хромосомы, у женщины - Х и Х.

2. Расположение хромосом по убывающей величине называется идиограммой. Это систематизированный кариотип. Хромосомы располагаются парами (гомологичные хромосомы). Первая пара - самые большие, 22-я пара - маленькие и 23-я пара - половые хромосомы.

3. В 1960г. была предложена Денверская классификация хромосом. Она строится на основании их формы, размеров, положения центромеры, наличия вторичных перетяжек и спутников. Важным показателем в этой классификации является центромерный индекс (ЦИ). Это отношение длины короткого плеча хромосомы ко всей ее длине, выраженное в процентах. Все хромосомы разделены на 7 групп. Группы обозначаются латинскими буквами от А до G.

Группа А включает 1-3 пары хромосом. Это большие метацентрические и субметацентрические хромосомы. Их ЦИ 38-49%.

Группа В. 4-я и 5-я пары - большие метацентрические хромосомы. ЦИ 24-30%.

Группа С. Пары хромосом 6 - 12: средней величины, субметацентрические. ЦИ 27-35%. В эту группу входит и Х-хромосома.

Группа D. 13 - 15-я пары хромосом. Хромосомы акроцентрические. ЦИ около 15%.

Группа Е. Пары хромосом 16 - 18. Сравнительно короткие, метацентрические или субметацентрические. ЦИ 26-40%.

Группа F. 19 - 20-я пары. Короткие, субметацентрические хромосомы. ЦИ 36-46%.

Группа G. 21-22-я пары. Маленькие, акроцентрические хромосомы. ЦИ 13-33%. К этой группе относится и Y-хромосома.

4. Парижская классификация хромосом человека создана в 1971 году. С помощью этой классификации можно определять локализацию генов в определенной паре хромосом. Используя специальные методы окраски, в каждой хромосоме выявляют характерный порядок чередования темных и светлых полос (сегментов). Сегменты обозначают по названию методов, которые их выявляют: Q - сегменты - после окрашивания акрихин-ипритом; G - сегменты - окрашивание красителем Гимза; R - сегменты - окрашивание после тепловой денатурации и другие. Короткое плечо хромосомы обозначают буквой р, дл