Определение науки билогия. Её предмет, методы изучения. Определение сущности жизни.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАУКИ БИЛОГИЯ. ЕЁ ПРЕДМЕТ, МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СУЩНОСТИ ЖИЗНИ.

Биология – наука о живой природе. В настоящее время биология – комплекс наук, предметом изучения одних является жизнь как явление окружающего мира, других – проявления жизни на том или ином уровне организации или сегменте.

Методы изучения:

1) Наблюдение и описание – самый старый (традиционный) метод биологии. Этот метод широко используется и в наше время (в зоологии, ботанике, цитологии, экологии и др.)

2) Сравнение, т.е. сравнительный метод дает возможность найти сходства и различия, общие закономерности в строении организмов.

3) Опыт или эксперимент. Например, опыты Г.Менделя или работы И.П.Павлова в физиологии.

4) Моделирование – создание определенной модели или процессов и их изучения. Например, моделирование условий и процессов (недоступных наблюдению) происхождения жизни.

5) Исторический метод – Биология(bios – жизнь и logos – учение) – комплексная наука, изучающая закономерности, изучение закономерности появления и развития организмов.

Сущность жизни – живые тела представляют собой открытые саморегулирующиеся, самовоспроизводящиеся системы, построенные из полимеров и поддерживающие своё существование за счёт обмена веществ энергии с окружающей средой.

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЖИВОГО. УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОГО.

Свойства живых организмов:

а) Специфическая организация.

Специфичность проявляется в особенностях химического состава, строении и обеспечении их жизнедеятельности.

б) Обмен веществ и энергии.

Обязательное условие существования живого:

· Синтез (ассимияция) – пластический обмен (поглощение энергии)

· Распад (диссимиляция) – энергетический обмен (выделение энергии)

в) Гомеостаз.

Поддержание постоянства внутренней среды. Все процессы направлены на его поддержание.

г) Размножение.

Свойство организмов воспроизводить себе подобных, что обеспечивает непрерывность и преемственность жизни.

д) Развитие.

· Онтогенез – собственное развитие организма

· Филогенез – необратимое развитие живой природы, приводящее к образованию новых видов и усложнению жизни.

е) Раздражимость.

Способность организмов отвечать на внешнее раздражение

ж) Наследственность.

Способность передавать из поколения в поколение характерные признаки вида с помощью ДНК и РНК

з) Изменчивость.

Свойство организмов приобретать новые признаки.

Уровни организации живого:

а) Молекулярно-генетический (ДНК, РНК, белки и их роль в организме)

б) Клеточный (Строение клеток, их компонентов, воспроизведение и реализацию наследственной информации)

в) Организменный (Онтогенез, в ходе которого реализуется наследственная информация)

г) Популяционно-видовой (Обмен генетической информацией при скрещивании, изменение генетического состава популяций и проблемы исчезания видов)

д) Экосистемный (Экосистемы и круговорот веществ в них)

е) Биосферный (Биосфера – область распространения жизни на Земле, состоящая из экосистем)

ЭТАПЫ ЭВОЛЮЦИИ КЛЕТКИ. ГИПОТЕЗЫ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЭУКАРИОТИЧЕСКИХ КЛЕТОК.

Эукариотические клетки произошли от прокариот (1-1,4 млрд. лет назад) двумя путями:

 

1)Путем симбиоза нескольких прокариотических клеток – это симбиотическая гипотеза. Клеткой хозяина мог служить анаэробный организм. Так могли образовываться хлоропласты.

 

2)Путем инвагинации клеточной мембраны. Суть инвагинационной гипотезы заключается в том, что прокариотическая клетка содержала несколько геномов, прикрепленных к клеточной оболочке. Затем происходила инвагинация – впячивание, отшнуровка клеточной мембраны, и эти геномы превращались в митохондрии, хлоропласты, ядро.

КЛЕТКА КАК ОТКРЫТАЯ СИСТЕМА. ОРГАНИЗАЦИЯ ПОТОКОВ ВЕЩЕСТВА, ЭНЕРГИИ И ИНФОРМАЦИИ В КЛЕТКЕ.

Поток информации в клетке

Благодаря потоку информации клетка приобретает структуру живого, выработанную эволюцией ее предков. Также поток информации обеспечивает поддержание процессов жизнедеятельности в клетке, передачу информации о клеточной структуре и функциональности в ряду поколений.

В клетке информация хранится в ДНК хромосом, которые у эукариот локализованы в ядре. Такие макромолекулы и структуры как мРНК, тРНК, рибосомы, различные ферменты переносят информацию в цитоплазму и осуществляют ее трансляцию, что можно понимать как реализацию информации.

Синтезированные полипептиды принимают третичную и четвертичную структуру и в основном используются как ферменты или структурные белки.

В потоке информации в клетках эукариот также участвуют геномы митохондрий и хлоропластов.

Поток энергии

Поток энергии в клетке обеспечивается дыхательным обменом, фотосинтезом, хемосинтезом, брожением. Последние три процесса характерны только для определенных групп организмов.

Дыхательный обмен включает реакции расщепления органических веществ: глюкозы, жирных кислот, аминокислот. Энергия, которая выделяется в этих реакциях, идет на синтез высококалорийных молекул АТФ.

Впоследствии энергия АТФ преобразуется в какую-либо работу: осуществляется синтез веществ, поддерживается осмос, движение и др. Так в клетках поперечно-полосатой мускулатуры система, состоящая из сократительных белков и фермента аденозинтрифосфатазы, расщепляет АТФ. Высвобождающаяся при этом энергия используется для выполнения механического движения.

АТФ относится к группе макроэргических соединений. В них энергия, запасенная в химических связях, доступна для использования в биологических процессах.

Главный клеточный органоид дыхательного обмена, а, следовательно, и потока энергии, – митохондрия. В ней происходит окислительное фосфорилирование, приводящее к синтезу большого количества молекул АТФ. Однако в цитоплазме протекает немаловажный этап дыхательного обмена — гликолиз — анаэробное расщепление глюкозы.

При гликолизе глюкоза окисляется не полностью, извлекается лишь около 10% заключенной в ее связях энергии. Продукт гликолиза — пируват — поступает для дальнейшего окисления в митохондрии. Здесь протекает аэробное (с участием молекулярного кислорода) дыхание.

В растительных клетках в потоке энергии также участвует фотосинтез, при котором происходит преобразование энергии света в энергию химических связей.

Энергетические процессы в клетках весьма эффективны. Коэффициент полезного действия митохондрий может достигать 60%.

Поток веществ в клетке

В клетках поток веществ тесно связан с реакциями дыхательного обмена, которые помимо поставки энергии обеспечивают клетку веществами, необходимыми для синтеза разнообразных соединений. Такими строительными блоками являются многие продукты расщепления питательных веществ.

Поток веществ объединяет метаболические пути расщепления и синтеза углеводов, жиров, белков и нуклеиновых кислот.

Большое разнообразие строительных блоков поставляет цикл Кребса, функционирующий в матриксе митохондрий. Через него проходят многие соединения, являющиеся промежуточными продуктами синтеза основных молекул клетки.

В цикле Кребса происходит выбор пути превращения определенного соединения, переключение обмена клетки с одного пути на другой, например, с углеводного на жировой.

В общей сложности поток веществ в клетке можно представить как поступление в нее одних веществ, из расщепление, синтез необходимых веществ и выведение из клетки ненужных ей веществ.

СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ БЕЛКОВ.

Белки — непериодические полимеры, мономерами которых являются α-аминокислоты. Обычно в качестве мономеров белков называют 20 видов α-аминокислот, хотя в клетках и тканях их обнаружено свыше 170.

В зависимости от того, могут ли аминокислоты синтезироваться в организме человека и других животных, различают: заменимые аминокислоты — могут синтезироваться; незаменимые аминокислоты — не могут синтезироваться. Незаменимые аминокислоты должны поступать в организм вместе с пищей. Растения синтезируют все виды аминокислот.

В зависимости от аминокислотного состава, белки бывают: полноценными — содержат весь набор аминокислот; неполноценными — какие-то аминокислоты в их составе отсутствуют. Если белки состоят только из аминокислот, их называют простыми. Если белки содержат помимо аминокислот еще и неаминокислотный компонент (простетическую группу), их называют сложными. Простетическая группа может быть представлена металлами (металлопротеины), углеводами (гликопротеины), липидами (липопротеины), нуклеиновыми кислотами (нуклеопротеины).

Выполнение белками определенных специфических функций зависит от пространственной конфигурации их молекул, кроме того, клетке энергетически невыгодно держать белки в развернутой форме, в виде цепочки, поэтому полипептидные цепи подвергаются укладке, приобретая определенную трехмерную структуру, или конформацию. Выделяют 4 уровня пространственной организации белков.

Первичная структура белка — последовательность расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи, составляющей молекулу белка. Связь между аминокислотами — пептидная.

Если молекула белка состоит всего из 10 аминокислотных остатков, то число теоретически возможных вариантов белковых молекул, отличающихся порядком чередования аминокислот, — 10²⁰. Имея 20 аминокислот, можно составить из них еще большее количество разнообразных комбинаций. В организме человека обнаружено порядка десяти тысяч различных белков, которые отличаются как друг от друга, так и от белков других организмов.

Именно первичная структура белковой молекулы определяет свойства молекул белка и ее пространственную конфигурацию. Замена всего лишь одной аминокислоты на другую в полипептидной цепочке приводит к изменению свойств и функций белка. Например, замена в β-субъединице гемоглобина шестой глутаминовой аминокислоты на валин приводит к тому, что молекула гемоглобина в целом не может выполнять свою основную функцию — транспорт кислорода; в таких случаях у человека развивается заболевание — серповидноклеточная анемия.

Вторичная структура — упорядоченное свертывание полипептидной цепи в спираль (имеет вид растянутой пружины). Витки спирали укрепляются водородными связями, возникающими между карбоксильными группами и аминогруппами. Практически все СО- и NН-группы принимают участие в образовании водородных связей. Они слабее пептидных, но, повторяясь многократно, придают данной конфигурации устойчивость и жесткость. На уровне вторичной структуры существуют белки: фиброин (шелк, паутина), кератин (волосы, ногти), коллаген (сухожилия).

Третичная структура — укладка полипептидных цепей в глобулы, возникающая в результате возникновения химических связей (водородных, ионных, дисульфидных) и установления гидрофобных взаимодействий между радикалами аминокислотных остатков. Основную роль в образовании третичной структуры играют гидрофильно-гидрофобные взаимодействия. В водных растворах гидрофобные радикалы стремятся спрятаться от воды, группируясь внутри глобулы, в то время как гидрофильные радикалы в результате гидратации (взаимодействия с диполями воды) стремятся оказаться на поверхности молекулы. У некоторых белков третичная структура стабилизируется дисульфидными ковалентными связями, возникающими между атомами серы двух остатков цистеина. На уровне третичной структуры существуют ферменты, антитела, некоторые гормоны.

Четвертичная структура характерна для сложных белков, молекулы которых образованы двумя и более глобулами. Субъединицы удерживаются в молекуле благодаря ионным, гидрофобным и электростатическим взаимодействиям. Иногда при образовании четвертичной структуры между субъединицами возникают дисульфидные связи. Наиболее изученным белком, имеющим четвертичную структуру, является гемоглобин. Он образован двумя α-субъединицами (141 аминокислотный остаток) и двумя β-субъединицами (146 аминокислотных остатков). С каждой субъединицей связана молекула гема, содержащая железо.

Если по каким-либо причинам пространственная конформация белков отклоняется от нормальной, белок не может выполнять свои функции.

Функция	Примеры и пояснения
Строительная	Белки участвуют в образовании клеточных и внеклеточных структур: входят в состав клеточных мембран (липопротеины, гликопротеины), волос (кератин), сухожилий (коллаген) и т.д.
Транспортная	Белок крови гемоглобин присоединяет кислород и транспортирует его от легких ко всем тканям и органам, а от них в легкие переносит углекислый газ; в состав клеточных мембран входят особые белки, которые обеспечивают активный и строго избирательный перенос некоторых веществ и ионов из клетки во внешнюю среду и обратно.
Регуляторная	Гормоны белковой природы принимают участие в регуляции процессов обмена веществ. Например, гормон инсулин регулирует уровень глюкозы в крови, способствует синтезу гликогена, увеличивает образование жиров из углеводов.
Защитная	В ответ на проникновение в организм чужеродных белков или микроорганизмов (антигенов) образуются особые белки — антитела, способные связывать и обезвреживать их. Фибрин, образующийся из фибриногена, способствует остановке кровотечений.
Двигательная	Сократительные белки актин и миозин обеспечивают сокращение мышц у многоклеточных животных.
Сигнальная	В поверхностную мембрану клетки встроены молекулы белков, способных изменять свою третичную структуру в ответ на действие факторов внешней среды, таким образом осуществляя прием сигналов из внешней среды и передачу команд в клетку.
Запасающая	В организме животных белки, как правило, не запасаются, исключение: альбумин яиц, казеин молока. Но благодаря белкам в организме могут откладываться про запас некоторые вещества, например, при распаде гемоглобина железо не выводится из организма, а сохраняется, образуя комплекс с белком ферритином.
Энергетическая	При распаде 1 г белка до конечных продуктов выделяется 17,6 кДж. Сначала белки распадаются до аминокислот, а затем до конечных продуктов — воды, углекислого газа и аммиака. Однако в качестве источника энергии белки используются только тогда, когда другие источники (углеводы и жиры) израсходованы.
Каталитическая	Одна из важнейших функций белков. Обеспечивается белками — ферментами, которые ускоряют биохимические реакции, происходящие в клетках. Например, рибулезобифосфаткарбоксилаза катализирует фиксацию СО2 при фотосинтезе.

 

Теломерная теория

В 1961 году американский геронтолог Л. Хейфлик установил, что человеческие фибробласты – клетки кожи, способные к делению, – «в пробирке» могут делиться не более 50 раз. В честь первооткрывателя это явление назвали «пределом Хейфлика». Однако Хейфлик не предложил никакого объяснения этому явлению. В 1971 г. научный сотрудник Института биохимической физики РАН А.М. Оловников, используя данные о принципах синтеза ДНК в клетках, предложил гипотезу, по которой «предел Хейфлика» объясняется тем, что при каждом клеточном делении хромосомы немного укорачиваются. У хромосом имеются особые концевые участки – теломеры, которые после каждого удвоения хромосом становятся немного короче, и в какой-то момент укорачиваются настолько, что клетка уже не может делиться. Тогда она постепенно теряет жизнеспособность – именно в этом, согласно теломерной теории, и состоит старение клеток. Открытие в 1985 г. фермента теломеразы, достраивающего укороченные теломеры в половых клетках и клетках опухолей, обеспечивая их бессмертие, стало блестящим подтверждением теории Оловникова. Правда, предел в 50-60 делений справедлив далеко не для всех клеток: раковые и стволовые клетки теоретически могут делиться бесконечно долго, в живом организме стволовые клетки могут делиться не десятки, а тысячи раз, но связь старения клеток с укорочением теломер является общепризнанной. Любопытно, что сам автор недавно решил, что теломерная гипотеза не объясняет причин старения, и выдвинул сначала еще одну, редусомную, а потом и вторую, не менее фантастическую – луногравитационную. Обе они не получили ни экспериментального подтверждения, ни одобрения коллег.

Теория свободных радикалов

Практически одновременно выдвинутая Д.Харманом (1956) и Н.М.Эмануэлем (1958), свободнорадикальная теория объясняет не только механизм старения, но и широкий круг связанных с ним патологических процессов (сердечно-сосудистых заболеваний, ослабления иммунитета, нарушений функции мозга, катаракты, рака и некоторых других). Согласно этой теории, причиной нарушения функционирования клеток являются необходимые для многих биохимических процессов свободные радикалы – активные формы кислорода, синтезируемые главным образом в митохондриях – энергетических фабриках клеток.

Если очень агрессивный, химически активный свободный радикал случайно покидает то место, где он нужен, он может повредить и ДНК, и РНК, и белки, и липиды. Природа предусмотрела механизм защиты от избытка свободных радикалов: кроме супероксиддисмутазы и некоторых других синтезируемых в митохондриях и клетках ферментов, антиоксидантным действием обладают многие вещества, поступающие в организм с пищей – в т.ч. витамины А, С и Е. Регулярное потребление овощей и фруктов и даже несколько чашек чая или кофе в день обеспечат вам достаточную дозу полифенолов, также являющихся хорошими антиоксидантами. К сожалению, избыток антиоксидантов – например, при передозировке биологически активных добавок – не только не полезен, но может даже усилить окислительные процессы в клетках.

Старение – это ошибка

Гипотеза «старения по ошибке» была выдвинута в 1954 г. американским физиком М. Сциллардом. Исследуя эффекты воздействия радиации на живые организмы, он показал, что действие ионизирующего излучения существенно сокращает срок жизни людей и животных. Под воздействием радиации происходят многочисленные мутации в молекуле ДНК и инициируются некоторые симптомы старения, такие как седина или раковые опухоли. Из своих наблюдений Сцилард сделал вывод, что мутации являются непосредственной причиной старения живых организмов. Однако он не объяснил факта старения людей и животных, не подвергавшихся облучению.

Его последователь Л. Оргель считал, что мутации в генетическом аппарате клетки могут быть либо спонтанными, либо возникать в ответ на воздействие агрессивных факторов – ионизирующей радиации, ультрафиолета, воздействия вирусов и токсических (мутагенных) веществ и т.д. С течением времени система репарации ДНК изнашивается, в результате чего происходит старение организма.

ВИДЫ И СПОСОБЫ ТРАНСПЛАНТАЦИИ. ПОНЯТИЕ О ТРАНСПЛАНТАЦИОННОМ ИММУНИТЕТЕ И ИММУНОЛОГИЧЕСКОЙ ТОЛЕРАНТНОСТИ.

Трансплантация – это приживления и развитие пересаженных тканей на новом месте.

Виды:

1) Аутотрансплантация – донор и реципиент – 1 организм.

2) Гомотрансплантация – донор и реципиент – 1 вид

3) Гетеротрасплантация – донор и реципиент – разные виды

Трансплантационный иммунитет - состояние повышенной иммунной реактивности организма, возникающее в ответ на пересадку органа или ткани, взятых от другой, генетически отличающейся особи. Реакции трансплантационного иммунитета тем сильнее, чем больше выражены генетические различия между донором и реципиентом. Развитие Т. и. приводит к гибели пересаженной ткани.

Иммунологическая толерантность(от лат. tolerantia – терпение) – это состояние ареактивности иммунной системы, специфической «неотвечаемости» организма только на определенные антигены (предварительно введенные). При этом сохранена способность к иммунному ответу на любые другие антигены. Следовательно, толерантность специфична по отношению к тому антигену, который ее вызвал. Толерантность может быть полной (нет иммунного ответа) или частичной (существенное снижение ответа).

Иммунологическая толерантность представляет особую форму иммунного ответа, характеризующуюся запретом, налагаемым Т- и В-супрессорами на образование клеток-эффекторов против данного, в т.ч. собственного, антигена

 Выделяют два варианта проявления этого феномена:

• естественную толерантность, когда состояние ареактивности формируется к «своему», т. е. к антигенам собственных тканей;

• индуцированную толерантность к «чужому» антигену – чужеродным клеткам, белкам, полисахаридам, гаптенам и др.

В настоящее время ученые и медики работают над проблемой подавления иммунной реакции отторжения, преодоления иммунологической несовместимости. Большое значение имеет иммунологическая толерантность (терпимость) к чужеродным клеткам. В настоящее время существует несколько способов, которые позволяют предотвращать отторжение трансплантата:

- подбор наиболее совместимого донора

- облучение рентгеновскими лучами иммунной системы костного мозга и лимфатических тканей. Облучение подавляет образование лимфоцитов и таким образом замедляется процесс отторжения.

- использование иммунодепрессантов, т.е. веществ которые не просто подавляли иммунитет, а избирательно, специфически подавляли именно иммунитет трансплантационный, сохраняя функцию защиты от инфекций. В настоящее время ведется поиск специфических иммунодепрессантов. Есть примеры жизни больных с пересаженными почками, печенью, поджелудочной железы.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАУКИ БИЛОГИЯ. ЕЁ ПРЕДМЕТ, МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СУЩНОСТИ ЖИЗНИ.

Биология – наука о живой природе. В настоящее время биология – комплекс наук, предметом изучения одних является жизнь как явление окружающего мира, других – проявления жизни на том или ином уровне организации или сегменте.

Методы изучения:

1) Наблюдение и описание – самый старый (традиционный) метод биологии. Этот метод широко используется и в наше время (в зоологии, ботанике, цитологии, экологии и др.)

2) Сравнение, т.е. сравнительный метод дает возможность найти сходства и различия, общие закономерности в строении организмов.

3) Опыт или эксперимент. Например, опыты Г.Менделя или работы И.П.Павлова в физиологии.

4) Моделирование – создание определенной модели или процессов и их изучения. Например, моделирование условий и процессов (недоступных наблюдению) происхождения жизни.

5) Исторический метод – Биология(bios – жизнь и logos – учение) – комплексная наука, изучающая закономерности, изучение закономерности появления и развития организмов.

Сущность жизни – живые тела представляют собой открытые саморегулирующиеся, самовоспроизводящиеся системы, построенные из полимеров и поддерживающие своё существование за счёт обмена веществ энергии с окружающей средой.