БИОЛОГИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ

План 1. Биология - наука о жизни. 2. Структурный уровень живой материи. 3. Основные отличия живого от неживого. 4. Цитология – наука о клетке. Клеточная теория. Химический состав клетки. 5. Обмен веществ. Фотосинтез. Биосинтез. 6. Размножение и развитие организмов. 7. Основные законы генетики. 8. Происхождение жизни на Земле.

1. Биология – наука о жизни. Планета Земля уникальна тем, что на ней существует ЖИЗНЬ. Жизнь – высшая из природных форм движения материи, она характеризуется самообновлением, самоорганизацией и самовоспроизведением разноуровневых открытых систем, вещественную основу которых составляют белки, нуклеиновые кислоты и фосфорорганические соединения. Жизнь – форма бытия органического мира.

Биология- наука о жизни и живой природе. Термин предложил Ж.-Б. Ламарк в 1804 г. для обозначения науки о жизни как особом явлении природы. Биология - совокупность наук о живой природе - об огромном многообразии вымерших и ныне населяющих Землю живых существ, их строении и функциях, происхождении, распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой. Биология устанавливает общие и частные закономерности, присущие жизни во всех её проявлениях и свойствах.

Основные направления биологических исследований: 1. Изучение закономерностей строения и жизне- деятельности организмов; изучение экосистем. 2. Изучение строения и жизнедеятельности клеток и тканей, наследственного и индивидуального развития организмов. 3. Изучение закономерностей исторического развития организмов. 4. Новейшие направления биологических исследований.

Три «образа» БИОЛОГИИ: 1. Натуралистическая или традиционная биология. 2. Физико-химическая биология. 3. Эволюционная биология.

2. Структурный уровень живой материи Уровень организации – это мера, характеризующая степень и качество развития 1. Молекулярно-генетический уровень. 2. Клеточный уровень. 3. Тканевый уровень. 4. Органный уровень. 5. Организменный уровень. 6. Популяционно-видовой уровень. 7. Биоценотический уровень. 8. Биогеоценотический уровень. 9. Биосферный уровень.

3. Основные отличия живого от неживого 1. Особенности химического состава. 2. Единый принцип структурной организации. 3. Обмен веществ – метаболизм. 4. Репродукция или самовоспроизведение. 5. Наследственность. 6. Изменчивость. 7. Рост и развитие. 8. Раздражимость. 9. Дискретность.

1. Особенности химического состава Живая и неживая природа состоят из одних и тех же химических элементов, но соотношение элементов неодинаково. СОСТАВ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПРИРОДЕ Химические элементы в живой природе Макроэлементы (98 %): Водород (более 60 %) Кислород (около 25 %) Углерод (около 10%) Азот (около 1 %) Микроэлементы (1,9 %) Фосфор, сера, кальций, калий, хлор, магний, натрий Ультрамикроэлементы Йод (0,0001 %), медь (0,0002%), фтор, бор, марганец и др. Химические элементы в неживой природе Кислород 47 % Кремний 27,5 % Алюминий 8,8 % Железо 4,6 % Кальций 3,6 % Натрий 2,6 % Калий 2,5 % Магний 2,1 % Остальные - около 1,5 %

Биоэлементы (органогены): кислород водород углерод азот фосфор сера

2. Единый принцип структурной организации Живые организмы характеризуются сложной упорядоченной структурой. Живое отличается от неживого клеточным строением. Клетка является единой стуктурно- функциональной единицей, а также единицей развития всех обитателей Земли.

3. Обмен веществ – метаболизм Все живые организмы – открытые системы, поэтому способны к обмену веществ с окружающей средой. Обмен веществ состоит из двух взаимосвязанных процессов: 1)ассимиляции, или пластического обмена; 2) диссимиляции, или энергетического обмена.

4. Самовоспроизведение Самовоспроизведение, или репродукция, или размножение – это свойство воспроизводить себе подобных. Репродукция проявляется в виде бесполого или полового размножения особей. В основе самовоспроизведения лежат реакции матичного синтеза.

5. Наследственность Любое живое существо рождает себе подобных. Наследственность – способность организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение. Признаком называют любую особенность строения на самых разных уровнях организации живой материи, а под свойствами понимают функциональные особенности в основе которых лежат конкретные структуры. Наследственность обусловлена генетическим кодом.

6. Изменчивость Изменчивость – свойство противоположное наследственности. Изменчивость – это способность организмов приобретать новые признаки и свойства, в основе которых лежат изменения биологических матриц – молекул ДНК. Изменчивость создаёт разнообразный материал для естественного отбора.

7. Способность к росту и развитию. Рост – это увеличение размеров и массы организма с сохранением общих черт строения. Рост сопровождается развитием. Развитие – новое качественное состояние объекта, вследствие которого изменяется его состав и структура. Развитие живой материи представлено индивидуальным развитием (онтогенезом) и историческим развитием (филогенезом).

8. Раздражимость Раздражимость – свойство организмов отвечать на воздействия внешней среды изменениями своего состояния или деятельности. Реакция многоклеточных животных на раздражение осуществляется через нервную систему и называется рефлексом. Для организмов, не имеющих нервной системы, характерны реакции таксиса или тропизма. Таксис – направленные движения организмов под влиянием света, температуры, химических веществ и др. Тропизмы – ростовые движения органов растений.

9. Дискретность Дискретность с латинского языка переводится как прерывистый, состоящий из отдельных частей. Любая биологическая система (например,организм, вид, биоценоз) состоит из отдельных, но тем не менее взаимодействующих частей, образующих структурно- функциональное единство.

4. Цитология - наука о клетке Клетка – элементарная живая система, основная структурная единица живых организмов, способная к самообразованию, саморегуляции и самовоспроизведению.

Основные положения клеточной теории 1. Клетка – элементарная живая система, основа строения, жизнедеятельности, размножения и индивидуального развития прокариот и эукариот. 2. Новые клетки возникают только путём деления ранее существовавших клеток. 3. Клетки всех организмов сходны по строению и химическому составу. 4. Рост и развитие многоклеточного организма – следствие роста и размножения одной или несколькими исходными клетками. 5. Клеточное строение организмов –свидетельство того, что всё живое имеет единое происхождение.

ОРГАНИЗМЫ ПРОКАРИОТЫ - организмы, в клетках которых нет оформленного клеточного ядра. Бактерии. Сине-зелёные водоросли. ЭУКАРИОТЫ – организмы, клетки которых обладают оформленным клеточным ядром. Грибы. Растения. Животные.

Химический состав клетки НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА Вода Минеральные соли ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА Углеводы Жиры Белки Нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК) АТФ и др.

Многие органические вещества клетки являются биополимерами – огромными молекулами (макромолекулами). Они состоят из повторяющихся сходных по структуре низкомолекулярных соединений - мономеров, связанных ковалентной связью. МОНОМЕР + МОНОМЕР + МОНОМЕР +…--- ПОЛИМЕР А + А + А + А + А + … --- РЕГУЛЯРНЫЙ ПОЛИМЕР А + В + В + А + Б + … --- НЕРЕГУЛЯРНЫЙ ПОЛИМЕР МОНОСАХАРИД + МОНОСАХАРИД + … --- ПОЛИСАХАРИД АМИНОКИСЛОТА + АМИНОКИСЛОТА +… ---- БЕЛОК НУКЛЕОТИД + НУКЛЕОТИД +…--- НУКЛЕИНОВАЯ КИСЛОТА

УГЛЕВОДЫ Углеводы, или сахариды – органические вещества с общей формулой С m (H 2 O) n МОНОСАХАРИДЫ, или простые сахара Глицерин (3 атома С) Молочная кислота Рибоза (5 атомов С) Глюкоза (6 атомов С) Фруктоза (6 атомов С) Галактоза (6 атомов С) ПОЛИСАХАРИДЫ, или сложные сахара Дисахариды Сахароза (из 2 мономеров) Лактоза (из 2 мономеров) Полисахариды Крахмал Гликоген Клетчатка (целлюлоза)

Функции углеводов 1. Энергетическая функция (в 1 г – 17,6 к Дж). 2. Строительная функция (целлюлоза,хитин). 3. Запасающая функция (крахмал, гликоген). 4 Защитная функция (секреты).

Жиры (липиды) Липиды – соединения высокомолекулярных жирных кислот и трёхатомного спирта глицерина. Жиры гидрофобны. Функции липидов 1. Энергетическая функция (в 1 г–38,9 к Дж). 2. Строительная функция. 3. Запасающая функция. 4. Функция терморегуляции. 5. Регуляторная функция (эстрадиол, тестостерон).

БЕЛКИ Белки - высокомолекулярные органические соединения, нерегулярные полимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Строение аминокислоты R | H 2 N - CH - COOH

Белки различаются по: 1) составу аминокислот; 2) числу аминокислот; 3) порядку следования аминокислот в цепи.

Разнообразие белков Простые белки. Сложные белки. Глобулярные белки. Фибриллярные белки.

Строение белков 1. Первичная структура (цепь – ковалентная связь). 2. Вторичная структура (спираль – водородная связь). 3. Третичная структура (клубок, фибрилла). 4. Четвертичная структура (сложный белок, например гемоглобин).

Функции белков –строительная функция – белки входят в состав мембранных структур, рибосом; –каталитическая (ферментативная) функция - ферменты – биокатализаторы; все ферменты - белки, но не все белки – ферменты; –сигнальная функция – белки реагируют на раздражение; –двигательная функция - сократительные белки мышц; –транспортная функция - белки обеспечивают транспорт ионов через клеточные мембраны кислорода и углекислого газа (гемоглобин); –защитная функция - антитела, иммуноглобулины - особые белки, обеспечивают иммунную защиту организма; –регуляторная функция - гормоны – инсулин, глюкагон; –энергетическая функция - при расщеплении 1 г белка выделяется 17,6 к Дж; –механическая функция – белок входит в состав кожи, шерсти, шёлка.

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ: 1. ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота ДНК – биологический полимер, мономером которого является нуклеотид. Молекула ДНК состоит из 2 полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в спираль. ДНК – полимер с очень большой молекулярной массой. В одну молекулу может входить 10 нуклеотидов.

Участок двуспиральной ДНК

Нуклеотид – это химическое соединение остатков трёх веществ: азотистого основания, углевода – дезоксирибозы и фосфорной кислоты. Строение нуклеотида ДНК АЗОТИСТОЕ ДЕЗОКСИРИБОЗА ---- ОСТАТОК ОСНОВАНИЕ: (углевод) ФОСФОРНОЙ аденин (А), КИСЛОТЫ или тимин (Т), или цитозин (Ц), или гуанин (Г)

Строение полинуклеотидной цепи ДНК Нуклеотиды соединяются между собой ковалентной связью, образуя полинуклеотидную цепь через углевод одного нуклеотида и фосфорную кислоту другого нуклеотида. Цепи построены из мономеров 4 типов, специфичность которых определяется одним из 4-х азотистых оснований: А, Т, Ц, Г. Сочетание трёх рядом стоящих нуклеотидов в цепи ДНК (триплеты, или кодоны) составляют генетический код.

Строение молекулы ДНК Молекула ДНК состоит из 2 полинуклеотидных цепей, которые соединяются по принципу комплементарности (дополнение) водородными связями между азотистыми основаниями (три водородные связи между Г и Ц и две водородные связи между А и Т): А = Т Г Ц Если на одной цепи ДНК следуют нуклеотиды А, Г, Ц, Т, А Ц, Ц, то на другой цепи окажутся комплементарные им Т, Ц, Г, А, Т, Г, Г.

Функции ДНК: хранение наследственной информации, которая заключена в последователь- ности нуклеотидов одной из цепей ДНК; передача наследственной информации из поколения в поколение. ДНК содержится в ядре клетки и входит в состав хромосом, а также в митохондриях и хлоропластах.

2. РНК - рибонуклеиновая кислота РНК – так же, как ДНК, представляет собой полимер, мономерами которого являются нуклеотиды. Большинство РНК являются одноцепочными молекулами, но у ряда вирусов встречаются и двуцепочные РНК.

Строение нуклеотида ДНК АЗОТИСТОЕ РИБОЗА ---- ОСТАТОК ОСНОВАНИЕ: (углевод) ФОСФОРНОЙ аденин (А), КИСЛОТЫ или урацил (У), или цитозин (Ц), или гуанин (Г)

Как и в ДНК, структура РНК создаётся чередованием четырёх типов нуклеотидов, но имеются отличия: в РНК вместо азотистого основание тимин (Т) входит другое – урацил (У); углевод в РНК не дезоксирибоза, а рибоза.

Виды и функции РНК - транспортные РНК (т-РНК) – транспортируют аминокислоты к рибосомам для синтеза белка; –информационные РНК (и-РНК) – переносят информацию с ДНК о структуре белка к месту синтеза белка; –рибосомные РНК (р-РНК) - входят в состав рибосом; –вирусные РНК – генетический аппарат вирусов. При участии РНК осуществляется реализация генетической информации.

АТФ-аденозинтрифосфорная кислота В каждой клетке содержится АТФ. По химической структуре АТФ относится к нуклеотидам и состоит из азотистого основания (аденина), углевода (рибозы) и 3-х остатков фосфорной кислоты.

АТФ – неустойчивая структура. Под действием фермента АТФ-азы, отщепляются остатки фосфорной кислоты, и АТФ переходит в АДФ, а затем в АМФ. АТФ АДФ АМФ Молекула АТФ энергоёмка. Отщепление концевого фосфата АТФ сопровождается выделением 40 к Дж вместо 12 к Дж, выделяемых при разрыве обычных химических связей. АТФ + Н О АДФ + Н РО + 40 к Дж Благодаря богатым энергией связям в молекулах АТФ клетка может накапливать большое количество энергии в очень небольшом пространстве и расходовать её по мере надобности. Синтез АТФ осуществляется в митохондриях. Отсюда молекулы АТФ поступают в разные участки клетки, обеспечивая энергией процессы жизнедеятельности.

3. ЦИТОЛОГИЯ Цитология – наука о клетке, изучает строение и функционирование клеток как элементарных живых систем, исследует функции отдельных клеточных компонентов, процесс воспроизводства клеток, приспособления их к условиям среды.

КЛЕТКА Клетка – элементарная живая система, основная структурная единица живых организмов, способная к самообразованию, саморегуляции и самовоспроизведению. Клетка может существовать как отдельный организм (бактерии, простейшие, некоторые водоросли и грибы) или в составе тканей многоклеточных животных, растений, грибов. Лишь вирусы представляют собой неклеточные формы жизни.

Основные положения клеточной теории Клетка – элементарная живая система, основа строения, жизнедеятельности, размножения и индивидуального развития прокариот и эукариот. Вне клетки жизни нет. Новые клетки возникают только путём деления ранее существовавших клеток. Клетки всех организмов сходны по строению и химическому составу. Рост и развитие многоклеточного организма – следствие роста и размножения одной или несколькими исходными клетками. Клеточное строение организмов – свидетельство того, что всё живое имеет единое происхождение.

ПРОКАРИОТЫ И ЭУКАРИОТЫ Прокариоты (от лат. pro - вперёд, вместо и греч. karyon - ядро) – организмы, в клетках которых нет оформленного клеточного ядра. К прокариотам относятся бактерии и сине-зелёные водоросли (Цианобактери). Эукариоты (от лат. eu – полностью и karyon – ядро) – организмы, клетки которых обладают оформленным клеточным ядром, ограниченным от цитоплазмы ядерной оболочкой. Генетический материал заключён в хромосомах. Для эукариот характерен половой процесс. К эукариотам относятся грибы, растения и животных.

МЕТАБОЛИЗМ – ОСНОВА СУЩЕСТВОВАНИЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ Метаболизм (обмен веществ) – совокупность всех ферментативных реакций клетки, связанных между собой и с внешней средой. Метаболизм складывается из двух взаимосвязанных процессов – ассимиляции и диссимиляции. Обмен веществ выполняет две функции: - обеспечение клетки строительным материалом (ассимиляция); - обеспечение клетки энергией (диссимиляция).

Ассимиляция (пластический обмен, анаболизм) – совокупность реакций синтеза органических веществ, сопровождающихся поглощением энергии за счёт распада молекул АТФ. Диссимиляция (энергетический обмен, катаболизм) – реакции распада (расщепления) и окисления органических веществ, связанных с выделением энергии и синтезом молекул АТФ.

Энергетический обмен (синтез АТФ) сложный химический процесс, который осуществляется в 3 этапа: 1 ЭТАП Подготовительный – расщепление высокомолекулярных органических веществ до низкомолекулярных: Белки + Н О аминокислоты + Q Жиры + Н О глицерин + жирные высшие кислоты + Q Полисахариды + Н О глюкоза + Q Это реакции гидролиза. Процесс протекает в пищеварительном тракте, а на клеточном уровне – в лизосомах. Вся энергия подготовительного этапа расходуется в виде тепла.

2 ЭТАП Гликолиз – бескилородный этап (анаэробное расщепление), протекает в цитоплазме. На этом этапе образуется 2 молекулы АТФ. 3 ЭТАП Дыхание (кислородное расщепление или биологическое окисление), протекает при участии кислорода и происходит в митохондриях. На этом этапе образуется 36 молекул АТФ. В итоге в процессе энергетического обмена образуется 38 молекул АТФ.

ФОТОСИНТЕЗ Фотосинтез – процесс, протекающий в хлоропластах (хлорофилл) растений за счёт энергии солнечного света. Из неорганических веществ – воды и углекислого газа – происходит синтез органических веществ. Суммарное выражение фотосинтеза: 6 СО + 6Н О С Н О + 6О

Фотосинтез многоступенчатый процесс, в котором выделяются 2 фазы: 1. Световая фаза, при которой за счёт энергии солнечного света, поглощаемого пигментом – хлорофиллом происходит фотолиз воды, и выделяется кислород, которым мы дышим. 2. Темновая фаза, в которой фиксируется углерод (из углекислого газа) и происходит синтез глюкозы.

ХЕМОСИНТЕЗ Хемосинтез – образования некоторыми бактериями органических веществ из неорганических за счёт энергии окислительно-восстановительных реакций соединений азота, железа, серы. Хемосинтез открыл русский микробиолог С.Н. Виноградский в 1887 году. Роль хемосинтеза: бактерии-хемосинтетики разрушают горные породы, очищают сточные воды, участвуют в образовании полезных ископаемых. Хемосинтезирующие бактерии наряду с фотосинтезирующими растениями и микроорганизмами составляют группу автотрофных организмов.

БИОСИНТЕЗ БЕЛКОВ Ген – участок молекулы ДНК, где закодирована информация о первичной структуре одного определённого белка. Для кодирования одной аминокислоты используется сочетание из трёх нуклеотидов ДНК. Эта элементарная единица наследственности, кодирующая одну аминокислоту, называется триплет или кодон. Генетический код – это организация молекул ДНК, при которой последовательность нуклеотидов определяет порядок аминокислот в белковой молекуле.

Свойства кода Характеристики Код триплетен Каждой аминокислоте соответствует сочетание из 3-х нуклеотидов Код однозначен Каждый трипетный код соответствует только одной аминокислоте Код вырожден Каждая аминокислота имеет более чем 1 код (2-3) Код непрерывен Между кодами нет промежутков. Всего 64 кода; из них 61 – смысловой, то есть соответствует аминокислотам; а 3 кода – стоп-коды, которые не соответствуют аминокислотам, а заполняют промежутки между генами Код универсален Все живые организмы имеют одинаковый код аминокислот

Основные этапы биосинтеза белка 1. ДНК находится в ядре клетки, в ней хранится наследственная информация о первичной структуре белка (генетический код) 2. Транскрипция (буквально - переписывание, от лат. trans – через, пере- и scribo – пишу) – переписывание информации с ДНК на и- РН К в ядре, выход и-РНК из ядра и перемещение к рибосомам. 3. т-РНК присоединяют к себе по принципу комплементарности свою аминокислоту и доставляют её к рибосомам. 4. В рибосомах происходит трансляция (от лат. translatio – передача) – это перевод информации, заключённой в последовательности нуклеотидов (последовательности кодонов) молекулы и-РНК в последовательность аминокислот полипептидной цепи. Все реакции биосинтеза белка катализируются специальными ферментами, а энергию доставляет АТФ.