Министерство здравоохранения Республики Беларусь

«ГРОДНЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра медицинской биологии и общей генетики
Ю.Г. Амбрушкевич

О.И. Левэ

Пособие

Гродно 2010

УДК 574/577(07)

ББК 28.0

Рекомендовано к изданию Центральным научно-методическим советом УО «ГрГМУ»

(протокол № 2 от 25 ноября 2009 г.).

Авторы: ст. преподаватель кафедры медицинской биологии и общей генетики, канд. биол. наук Ю.Г. Амбрушкевич

доцент кафедры медицинской биологии и общей генетики, канд. мед. наук

О.И. Левэ

Рецензент: доцент кафедры нормальной физиологии УО «ГрГМУ», канд. мед. наук Ю.М. Емельянчик.

Амбрушкевич Ю.Г.

А-61 Введение в биологию: пособие для слушателей подготовительного отделения факультета иностранных учащихся / Ю.Г. Амбрушкевич, О.И. Левэ. – Гродно: ГрГМУ, 2010. – 54 с.

ISBN
Пособие подготовлено в соответствии с программой по биологии для поступающих в ВУЗы.

Предназначено для слушателей подготовительного отделения факультета иностранных

учащихся и факультета довузовской подготовки

Ответственный за выпуск: В.А.Снежицкий
УДК 574/577(07)

ББК 28.0
ОГЛАВЛЕНИЕ

Предмет, задачи и методы цитологии 5

Основные положения клеточной теории 6

Химический состав клетки 7

Вода и другие неорганические вещества, их роль в жизнедеятельности клетки 7

Органические вещества: липиды, углеводы, их роль в организме 8

Белки, их строение и функции 9

Ферменты, их роль в процессах жизнедеятельности 10

Нуклеиновые кислоты, их структура и функции 11

Самоудвоение ДНК 12

АТФ и ее значение 12

Структурная организация клетки 13

Биологические мембраны, их строение, свойства и функции. Цитоплазмати-

ческая мембрана. Оболочка клетки 14

Цитоплазма: гиалоплазма, цитоскелет, органоиды, включения 16

Строение и функции органоидов, имеющих мембранное строение 16

Строение и функции органоидов, имеющих немембранное строение 19

Строение и функции клеточного ядра. Хроматин. Хромосомы 20

Кариотип и его видовая специфичность 21

Особенности строения прокариотических и эукариотических клеток 22

Особенности строения растительной и животной клеток 23

Обмен веществ и энергии - основа жизнедеятельности клетки. Взаимосвязь

процессов пластического и энергетического обмена 23

Пластический обмен. Фотосинтез – синтез первичного органического вещества 24

Генетический код и его свойства. Биосинтез белка. Реакции матричного синтеза 25

Энергетический обмен: гликолиз, клеточное дыхание 27

Клеточный цикл. Подготовка клетки к делению. Прямое и непрямое деление

клетки. Митоз, биологическая сущность и значение 28

Мейоз, биологическая сущность и значение 30

Типы размножения организмов. Бесполое размножение, его формы 31

Половое размножение. Половые клетки: яйцеклетки и сперматозоиды, их обра-

зование и развитие 32

Развитие половых клеток 33

Оплодотворение, онтогенез, эмбриональное развитие зародыша у животных 34

Постэмбриональное развитие (прямое и непрямое) 36

Перечень вопросов к вступительному экзамену по разделу «Цитология» 37

Генетические эксперименты Г. Менделя по наследованию при моногибрид-

ном скрещивании: закон единообразия гибридов первого поколения и

закон расщепления 38

Взаимодействие аллельных генов: типы доминирования – полное и неполное 40

Закономерности наследования при дигибридном скрещивании: закон незави-

симого наследования 41

Неаллельные гены и формы их взаимодействия (комплементарность,

эпистаз, полимерия) 42

Сцепление генов, эксперименты Т. Моргана по сцепленному наследова-

нию. Кроссинговер 44

Представление о генетической карте хромосомы 45

Хромосомная теория наследственности 46

Генетика пола. Хромосомное определение пола. Половые хромосомы 46

Наследование признаков, сцепленных с полом 47

Изменчивость организмов, ее типы. Модификационная изменчивость (норма

реакции, статистический характер закономерностей) 47

Роль генотипа и условий внешней среды в формировании фенотипа 49

Генотипическая изменчивость (мутационная и комбинативная) 49

Виды мутаций: генные, хромосомные, геномные 50

Мутации соматические и генеративные, спонтанные и индуцированные 51

Мутагенные факторы 51

Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости 52

Особенности наследственности и изменчивости человека и методы их изучения 52

Методы изучения наследственности и изменчивости 53

Перечень вопросов к вступительному экзамену по разделу «Генетика» 54

Список рекомендуемой литературы 55

Биология как наука. Основные свойства живых организмов.
Биология - наука о жизни и живых организмах. Биология является комплексной наукой и включает разделы, такие как:

1. 
   Цитология – наука, изучающая строение, химический состав, процессы жизнедеятельности и размножения клеток.
   
2. 
   Анатомия - наука о строении тела и органов.
   
3. 
   Ботаника - наука о растениях.
   
4. 
   Зоология - наука о животных.
   
5. 
   Генетика - наука о наследственности и изменчивости.
   
6. 
   Микробиология - наука о микроорганизмах.
   
7. 
   Гистология - наука о микроскопическом строении тканей.
   
8. 
   Физиология - наука о функциях органов, систем органов и целого организма.
   
9. 
   Биохимия - наука о химических процессах, происходящих в живых организмах.
   
10. 
    Экология - наука о взаимосвязях организмов с внешней средой.
    
11. 
    Эмбриология - наука о развитии зародышей.
    

Свойства живых организмов:

1. 
   Обмен веществ. Обмен веществ - это наиболее общее свойство живого, характерное всем живым организмам. Обмен веществ выполняет две функции: обеспечение клетки строительным материалом и обеспечение клетки энергией. Поэтому выделяют:
   

б) Энергетический обмен – это все реакции расщепления органических соединений, которые обеспечивают клетку энергией. Энергию организмы получают в процессе энергетического обмена при расщеплении белков, жиров, углеводов до воды и углекислого газа. Энергия накапливается в молекулах АТФ.

2. 
   Раздражимость - это способность живых организмов реагировать на изменение внешней и внутренней среды.
   
3. 
   Движение. Живые организмы или их части способны двигаться.
   
4. 
   Выделение. Химические реакции в организме приводят к образованию углекислого газа и воды. Это продукты обмена веществ, которые должны выводится из организма через органы выделения.
   
5. 
   Размножение. Все организмы способны воспроизводить потомство. При размножении образуются организмы похожие на родителей. Размножение бывает половое и бесполое. Размножение обеспечивает постоянное существование вида.
   
6. 
   Рост. Это увеличение в размерах, увеличение массы тела. Рост - результат обмена веществ.
   

Предмет, задачи и методы цитологии.

К задачам цитологии относятся: изучение строения и функций клеток; их химического состава; обменных процессов в клетке (энергетический и пластический обмен); размножения и развития клеток; приспособления их к условиям окружающей среды. Для решения этих задач в цитологии используются следующие методы:

Цитология тесно связана с другими биологическими дисциплинами: с ботаникой, зоологией, анатомией, молекулярной биологией, экологией, эмбриологией, генетикой и другими науками.

Основные положения клеточной теории.
История открытия и изучения клетки связана с изобретением и усовершенствованием микроскопа. Клетка была открыта в 1665 г. Робертом Гуком, который описал клеточные стенки пробки. А.В. Левенгук впервые наблюдал одноклеточные организмы. Я. Пуркинье описал внутреннее содержимое клетки - протоплазму. Р.Броун открыл ядро. В 1839 году зоолог Т. Шванн на основе данных ботаника М. Шлейдена сформулировал основное положение клеточной теории:

а) все живые организмы состоят из клеток;

б) клетки животных и растений сходны по строению и химическому составу.

Немец Р. Вирхов дополнил клеточную теорию положением:

в) каждая клетка образуется путем деления материнской клетки.

Современная клеточная теории включает следующие положения:

1. 
   Клетка - наименьшая структурная и функциональная единица живого.
   
2. 
   Клетки всех живых организмов сходны по строению и химическому составу, процессам обмена веществ и важнейшим проявлениям жизнедеятельности.
   
3. 
   Новые клетки образуются путем деления материнской клетки.
   
4. 
   Клетки многоклеточных организмов специализированы по функциям и образуют ткани, из которых построены органы.
   

Кислород, углерод, водород и азот входят в состав органических веществ. К, Na - содержатся в клетке в виде ионов, участвуют в поддержании кислотно-щелочного равновесия. Ca - необходим для свертывания крови, входит в состав костей и зубов. Mg - входит в состав хлорофилла; S – белков; P - костей, нуклеиновых кислот, АТФ; Cl - выделяющейся в желудке НCl; Fe – гемоглобина; I - гормонов щитовидной железы; F - зубной эмали; Со – витамина В_12; Zn – гормона поджелудочной железы инсулина.

Химические элементы в клетке образуют:

неорганические вещества органические вещества

вода минеральные соли липиды углеводы белки нуклеиновые кислоты

Вода обладает следующими свойствами:

1. 
   высокой удельной теплоемкостью – поддерживает тепловой баланс при перепадах температуры окружающей среды;
   
2. 
   высокой теплопроводностью – равномерно перераспределяет тепло по организму;
   
3. 
   высокой теплотой парообразования – при этом уносит большое количество тепла;
   
4. 
   высоким поверхностным натяжением – обеспечивает передвижение растворов по тканям, сосудам у животных и растений.
   

1. 
   структурная - составляет основную часть цитоплазмы, поддерживает объем клетки;
   
2. 
   метаболическая - участвует в химических реакциях (расщепление белков, углеводов, жиров и др.), а также является средой, где происходят химические реакции;
   
3. 
   транспортная - передвижение веществ в организме совершается с током воды;
   
4. 
   терморегуляторная - поддерживает оптимальный тепловой режим клетки;
   
5. 
   вода является источником кислорода при фотосинтезе;
   

Липиды делятся на:

1. 
   Жиры и масла (триацилглицеролы) – это сложные эфиры трехатомного спирта глицерола и трех молекул карбоновых кислот). Жирные кислоты бывают насыщенными (пальмитиновая, стеариновая, арахиновая) и ненасыщенными (олеиновая, линолевая, линоленовая). В маслах выше доля ненасыщенных жирных кислот, поэтому при комнатной температуре они находятся в жидком состоянии.
   
2. 
   Фосфолипиды. В них одна из цепей карбоновых кислот замещена на фосфатную группу.
   
3. 
   Воски. Это эфиры одноатомных спиртов.
   
4. 
   Стероиды. В основе их строения – спирт холестерол. К ним относят: жирорастворимые витамины (A, D, E, K), половые гормоны.
   

1. энергетическая - жиры источник энергии в клетке. При расщеплении 1 грамма выделяется 38,9 кДж энергии.

2. структурная (строительная) - липиды входят в состав биологических мембран.

3. защитная и теплоизоляционная - подкожная жировая клетчатка, защищает организм от переохлаждения и травм.

4. запасающая – жиры составляют запас питательных веществ, откладываясь в жировых клетках животных и в семенах многих растений.

5. регуляторная – некоторые гормоны (половые) являются производными холестерола.

6. смазывающая и водоотталкивающая.

7. источник метаболической воды - при окислении 100 г жира образуется 105 г воды. Это используется животными пустыни, так верблюд может не пить 10-12 дней.

Углеводы делятся на простые (моносахариды) и сложные (полисахариды).

По количеству углеродных атомов моносахариды делятся на: триоза, тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы.

1) пентозы (рибоза, дезоксирибоза) - входят в состав нуклеиновых кислот;

2) гексозы (глюкоза и фруктоза) содержатся во многих плодах и в меде, обусловливая их сладкий вкус. Глюкоза является основным энергетическим материалом при обмене веществ.

Полисахариды образуются в процессе полимеризации двух или нескольких моносахаридов. При соединении двух моносахаридов образуются дисахариды: сахароза, состоящая из молекул глюкозы и фруктозы; лактоза, состоящая из молекул глюкозы и галактозы. К полисахаридам относятся гликоген (содержится в клетках животных); крахмал, целлюлоза (содержатся в клетках растений). Мономером гликогена, крахмала и целлюлозы является глюкоза.

Функции углеводов:

1. энергетическая - углеводы источник энергии в клетке. При расщеплении 1 грамма углеводов выделяется 17,6 кДж энергии.

2. строительная - из целлюлозы построены оболочки растительных клеток.

3. запасающая – полисахариды служат запасным питательным материалом.
Белки, их строение и функции.
Белки очень важны для жизни клетки. Они составляют 50-80 % сухого вещества клетки. По химической структуре белки - это полимеры, состоящие из мономеров. Роль мономеров выполняют аминокислоты. В состав белков входит 20 видов аминокислот. Аминокислоты у животных и человека подразделяют на заменимые, которые могут синтезироваться в организме человека, и незаменимые (лизин, валин, лейцин, метионин, триптофан, и др.), которые должны поступать с пищей. Общая формула аминокислоты:

R NH₂ - аминогруппа

| COOH - карбоксильная группа.

COOH СН NH ₂ R - радикал, разный во всех аминокислотах

Аминокислоты соединяются между собой связью CO-NH (ковалентная, пептидная связь), при этом от амино- и карбоксильной группы отщепляется молекула воды: СО[OH + H]NH. Соединения из не­скольких аминокислот называют пептидами. В зависимости от их количества бывают ди-, три- или полипептиды. В состав белков входит 300—500 аминокислотных остатков, есть и более крупные белки. Различия белков определяются не только составом и числом аминокислот, но и последова­тельностью чередования их в полипептидной цепи.

Уровни организации белковых молекул:

1) первичная структура - это последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Аминокислоты соединены пептидными связями. Первичная структура специфична для каждого белка и определяется аминокислотной последовательностью, закодированной в ДНК. Замена только одной аминокислоты приводит к изменению функций белка.

2) вторичная структура - это закрученная в спираль полипептидная цепь. Витки спирали удерживаются водородными связями.

3) третичная структура - уложенная в пространстве спираль, образующая глобулу или фибриллу. Белок активен только в виде третичной структуры. Она поддерживается дисульфидными, водородными и ионными связями.

4) четвертичная структура - формируется при объединении нескольких белков, имеющих первичную, вторичную и третичную структуры. Например - белок крови гемоглобин, который состоит из четырех молекул белка глобина и небелковой части.

Белки по строению бывают простые (протеины) и сложные (протеиды). Простые белки состоят только из аминокислот. Сложные имеют в своем составе кроме аминокислот другие химические соединения (например: липопротеиды, гликопротеиды, нуклеопротеиды и др.).

При действии на белок различных химических веществ, высокой температуры происходит разрушение структуры белка. Этот процесс называется денатурацией. Процесс денатурации иногда обратим. Если прекратилось действие фактора, вызвавшего денатурацию, возможно самопроизвольное восстановление структуры белка - ренатурация. Ренатурация возможна, если не разрушилась первичная структура белка.

Функции белков:

1. 
   Строительная функция - белки входят в состав всех клеточных мембран и органоидов клетки.
   

1. 
   Каталитическая (ферментативная) - белки-ферменты ускоряют химические реакции в клетке.
   

2. 
   Двигательная (сократительная) - белки участвуют во всех видах движений клетки. Так сокращение мышц обеспечивается сократительными белками: актином и миозином.
   

1. 
   Транспортная - белки транспортируют химические вещества. Так белок гемоглобин переносит кислород к органам и тканям.
   

1. 
   Защитная - белки крови антитела (иммуноглобулины) распознают чужеродные для организма вещества и способствуют их уничтожению.
   

1. 
   Энергетическая - белки являются источником энергии в клетке. При расщеплении 1 грамма белков выделяется 17,6 кДж энергии.
   

3. 
   Регуляторная - белки участвуют в регуляции обмена веществ в организме (инсулин, гормон роста и др.).
   
4. 
   Рецепторная - белки лежат в основе работы рецепторов.
   
5. 
   Запасающая – белки альбумины являются основными резервными белками организма (в яичном белке содержится овальбумин, в молоке - лактальбумин).
   

В настоящее время общепринятой является международная классификация ферментов в зависимости от типа реакции, которую они катализируют:

1. 
   Оксидоредуктазы катализируют окислительно-восстановительные реакции.
   
2. 
   Трансферазы катализируют перенос группы атомов (метильной и др.) от одного вещества к другому.
   
3. 
   Гидролазы ускоряют реакции расщепления сложных органических соединений до простых путем присоединения воды в месте разрыва связей.
   
4. 
   Лиазы катализируют негидролитическое присоединение к веществу или отщепление от него группы атомов за счет разрыва или образования двойных связей.
   
5. 
   Изомеразы осуществляют внутримолекулярные перестройки, превращение одного изомера в другой.
   
6. 
   Синтетазы (лигазы) катализируют реакции соединения двух молекул с образование новых связей.
   

Свойствами ферментов являются:

1. 
   Специфичность (способность ускорять только определенные химические реакции);
   
2. 
   Максимальная активность ферментов проявляется при температуре тела, при определенной рН среды (фермент желудка - пепсин действует в кислой среде, а фермент поджелудочной железы - трипсин в щелочной).
   

В природе существуют два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Молекула ДНК представляет собой две спирально закрученные одна около другой цепи. Каждая цепь ДНК - полимер, мономерами которого являются нуклеотиды. Нуклеотид состоит из азотистого основания, углевода (дезоксирибоза) и остатка фосфорной кислоты. ДНК всех живых организмов образованы соединением всего лишь четырех видов нуклеотидов. Во всех четырех нуклеотидах углевод и фосфорная кислота одинаковы. Нуклеотиды отличаются только по азотистым основаниям. В состав ДНК входят азотистые основания: пуриновые: аденин, гуанин, пиримидиновые: тимин и цитозин.

Цепи ДНК соединяются по принципу комплементарности – принципу строгого соответствия одних азотистых оснований другим: аденин всегда комплементарен тимину, гуанин — цитозину. Водородные связи образуются между азотистыми основаниями. Количество азотистых оснований, содержащих тимин, равно числу азотистых оснований, которые содержат аденин. И соответственно гуанин = цитозин. Между аденином и тимином образуется 2 водородные связи, а между гуанином и цитозином -3.

В каждой цепочке ДНК нуклеотиды соединяются между собой ковалентными связями, которые соединяют фосфат одного нуклеотида и дезоксирибозу другого.

В эукариотической клетке основная масса ДНК находится в ядре клетки (около 99%), где она связана с белками и образует хроматин. Остальная ДНК находится в двумембранных органоидах (митохондриях и пластидах).

С

амоудвоение ДНК.

ДНК выполняет разнообразные функции:

1) хранение наследственной информации, записанной в виде последовательности нуклеотидов;

2) передача наследственной информации из ядра в цитоплазму. Для этого при транскрипции иРНК снимает копию с ДНК и переносит информацию к рибосомам - месту синтеза белка;

3) воспроизведение наследственной информации при редупликации ДНК и передача наследственной информации от материнской клетки к до­черним клеткам.

Молекула РНК - полимер, ее мономерами также являются нуклеотиды. В отличие от ДНК, РНК - это:

1) одноцепочечная молекула;

2) вместо углевода дезоксирибозы в РНК входит рибоза;

3) вместо азотистого основания тимин в РНК входит урацил;

4. 
   РНК состоит из меньшего количества нуклеотидов, чем ДНК.
   

Важную роль в жизни клетки играет аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Это свободный нуклеотид, он не образует полимеров и содержит азотистое основание аденин, пятиуглеродный сахар - рибозу и три остатка фосфорной кислоты. Два остатка фосфорной кислоты соединены между собой макроэргическими связями. В процессе гидролиза (присоединения воды) АТФ расщепляется под действием ферментов до аденозиндифосфорной кислоты (АДФ), при этом выделяется 40 кДж энергии.

АТФ + Н₂О  АДФ + Н₃РО₄ + 40 кДж

АДФ + Н₂О  АМФ + Н₃РО₄ + 40 кДж

Образуется АТФ в результате реакций фосфорилирования за счет энергии, выделяющейся в ходе энергетического обмена. Присоединение остатка фосфорной кислоты сопровождается затратой около 40 кДж энергии

Структурная организация клетки.
Клетка – это структурная единица живых организмов. Строение клетки можно рассмотреть на рисунке и схеме.



КЛЕТКА


Оболочка клетки Протоплазма

Цитоплазма Ядро

-Кариолемма

-Трофические -Кариоплазма

-Секреторные -Хроматин

Общего Специального -Эскреторные -Ядрышко

назначения назначения - Пигментные

-жгутики

немембранного мембранного

строения строения

-рибосомы

-клеточный одномембранные двумембранные

-лизосомы -пластиды

Одной из особенностей эукариотических (ядерных) клеток, является обилие биологических мембран. Мембрана является внешней частью цитоплазмы, отграничивает ядро, многие органоиды. Рассмотрим строение биологических мембран на примере плазматической мембраны (плазмалеммы), которая отграничивает содержимое клетки (протоплазму) от внешней среды.

Плазмалемма состоит из двух слоев липидов, молекулы которых расположены таким образом, что их полярные «головки» (гидрофильные участки) обращены к внутренней и внешней водной среде, а их длинные неполярные «хвосты» (гидрофобные участки) находятся в глубине мембраны и обра­щены друг к другу. Снаружи с головками соединены периферические мембранные белки. Другие белковые молекулы погружаются в липидный слой (погруженные белки), большая часть из них - ферменты. Часть белков пронизывают мембрану насквозь (пронизывающие белки), они образуют поры, через которые химические вещества могут переходить с одной стороны мембраны на другую. Плазмалемма снаружи может быть покрыта слоем гликокаликса, основными компонентами которого служат комплексы полисахаридов с белками (гликопротеиды) и жирами (гликолипиды). Из таких же по строению мембран построены мембранные органоиды клетки.

1. 
   Текучесть – могут изменять свою конфигурацию, поскольку между молекулами липидов и белков отсутствуют ковалентные связи.
   
2. 
   Динамичность – могут растягиваться и сжиматься при клеточных движениях.
   
3. 
   Индивидуальность – для каждого типа клеток характерны свои особенности химического состава мембран, соотношения белков, липидов и гликопротеинов.
   
4. 
   Избирательная проницаемость – различные молекулы и ионы способны проходить через мембраны с различной скоростью, в зависимости от их размера.
   

1. 
   отграничение и защита содержимого цитоплазмы от воздействий окружающей среды;
   
2. 
   обеспечение связи между клетками;
   
3. 
   рецепторная функция - на плазмолемме располагаются рецепторы, воспринимающие и передающие сигналы извне внутрь клетки;
   
4. 
   место протекания многочисленных биохимических процессов, благодаря встроенным ферментам.
   
5. 
   трансмембранный транспорт веществ:
   

б). Активный транспорт. Транспорт веществ осуществляется белками-переносчиками против градиента концентрации веществ с затратами энергии. Например: натрий-калиевый насос - интегральный белок, выкачивает из клетки ионы натрия в обмен на ионы калия, использует для этого энергию АТФ.

Транспорт веществ в мембранной упаковке:

Эндоцитоз - поглощение клеткой веществ, которые не способны проникать через мембранные поры. Плазматическая мембрана образует впячивания, которые затем отделяясь, превращаются в вакуоли. Виды эндоцитоза: фагоцитоз (захват и поглощение клеткой твердых частиц) и пиноцитоз (поглощения капелек жидкости).

Экзоцитоз - процесс, обратный эндоцитозу. Таким способом осуществляется выведение из клетки различных веществ: из пищеварительных вакуолей удаляются твердые непереваренные частицы, а из секреторных клеток выводятся жидкие секреты.

Клеточная стенка (оболочка) - обязательный компонент клеток растений и грибов, бактерий. Она придает клеткам механическую прочность, защищает их содержимое от повреждений и избыточной потери воды, поддерживает форму, препятствует разрыву клеток в гипотонических условиях, участвует в обмене различных ионов и транспорте веществ.

Основой клеточной оболочки растений, ее каркасом, являются молекулы целлюлозы, собранные в микрофибриллы. Каркас погружен в матрикс, состоящий из гемицеллюлозы и пектиновых веществ. В зависимости от типа ткани, в состав которой входит клетка, в клеточной оболочке могут быть и другие органические вещества: лигнин (приводит к одревеснению клеточных оболочек); суберин (откладывается на оболочку изнутри и делает ее практически непроницаемой для воды и растворов, при отмирании клетки, приводит к опробкованию); кутин и воск (образуются снаружи и защищают клетки от повреждений и уменьшают испарение воды).

Структурным компонентом клеточной стенки грибов является хитин. Основу клеточной стенки прокариот представляет жесткая решетка, состоящая из пептидогликана (муреина), в которую встроены другие вещества: белки, полисахариды.

Цитоплазма: гиалоплазма, цитоскелет, органоиды, включения.

Цитоплазма - представлена гиалоплазмой или основным веществом, в которой располагаются органоиды и включения. Гиалоплазма – жидкая часть цитоплазмы, составляет около половины объема клетки, заполняет пространство между плазмолеммой, ядерной оболочкой, органоидами; она обеспечивает клетке эластичность, вязкость, внутреннее движение. Гиалоплазма состоит из двух фаз – жидкой и твердой. Жидкая - представляет собой коллоидную систему, состоящую из воды, белков, углеводов, нуклеиновых кислот и др. веществ.

В жидкой фазе имеется система тонких белковых нитей – микротрабекул, пересекающих цитоплазму в различных направлениях – это микротрабекулярная система (твердая фаза) гиалоплазмы. Вместе с микротрубочками, микрофиламентами эта система образует цитоплазматический скелет (цитоскелет) клетки. Цитоскелет придает клетке определенную форму.

Функции гиалоплазмы:

1) связывает все органо­иды;

2) обеспечивает обмен веществ между ними;

3) в ней протекает также ряд биохимических реакций (синтез нуклеотидов, некоторых аминокислот, жир­ных кислот, реакции гликолиза);

4) обеспечивает внутриклеточный транспорт веществ;

5) определяет форму клетки.

Органоиды - это постоянные структурные компоненты клетки, выполняющие определенные функции. Органоиды делятся на две группы:

1. 
   органоиды общего назначения, присутствующие в большинстве клеток,
   
2. 
   органоиды специального назначения, встречающиеся в специализированных клетках (реснички, жгутики, пульсирующие вакуоли, миофибриллы и др.).
   

Функции хлоропластов: фотосинтез, синтез АТФ, автономный синтез специфичных для данного органоида белков.

Функции митохондрий - окисление органических веществ; синтез универсального источника энергии в клетке - АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты); автономный синтез специфичных для данного органоида белков.

Транспортная система клетки представлена эндоплазматической сетью и комплексом Гольджи. Она обеспечивает передвижение веществ из одной части клетки в другую или за её пределы.

Эндоплазматическая сеть бывает двух типов:

1. Гранулярная эндоплазматическая сеть. На ее мембранах размещаются рибосомы. Белки, синтезируясь на рибосомах, проходят через мембрану внутрь полостей и по каналам гранулярной ЭПС транспортируются к различным клеточным органоидам. Гранулярная ЭПС связана с ядерной оболочкой и участвует в образовании оболочек новых ядер после деления клетки.

2. Гладкая эндоплазматическая сеть. В ее мембраны встроены ферменты синтеза липидов и углеводов.

Мембрана

Функции гладкой ЭПС синтез углеводов и липидов; транспорт веществ.

Большая субъединица рибосомы

Малая субъединица рибосомы

Каждая центриоль представляет собой цилиндр, построенный из девяти триплетов микро­трубочек.

Центриоли участвуют в образовании нитей митотического веретена деления, обеспечивают равноценное распределение генети­ческого материала между дочерними клетками, растягивая хроматиды (дочерние хромосомы) в анафазе митоза.

Органоиды движения (жгутики и реснички) представляют собой подвижные цитоплазматические выросты. Жгутики и реснички состоят из 20 микротрубочек, скольжение которых друг относительно друга, вызывает их биение. Это обеспечивает перемещение клетки или продвижение частиц. В основании жгутика и реснички находится базальное тельце, по строению идентичное с центриолями.

Кроме органоидов, в цитоплазме встречаются включения — непостоянные структурные компоненты клетки. Их можно разделить на несколько групп:

1) трофические: капельки жиры, зерна крахмала;

2) секреторные: образуются в клетках желез и предназначены для выделения из клетки: гор­моны, ферменты;

3) экскреторные (подлежат выведению из организма): мочевая кислота и др.;

4) пигментные: меланин (пигмент, содержащийся в клетках эпидермиса кожи).

1) ядерной оболочки;

2) ядерного сока;

3) ядрышка;

1. 
   равноплечие - центромера расположена посередине, хромосома имеет плечи равной длины;
   
2. 
   неравноплечие - центромера смещена от центра хромосомы и одно плечо короче другого;
   
3. 
   одноплечие (палочковидные) - центромера расположена у края хромосомы.
   

В соматических клетках присутствует диплоидный (2n) набор хро­мосом, где каждая хромосома имеет себе гомологичную (парную), а в половых клетках - гаплоидный (непарный, n). Гомологичными называются хромосомы, одинаковые по форме, строению, но разные по происхождению (одна материнская, другая отцовская).

Все хромосомы подразделяют на аутосомы (неполовые) и половые хромосомы. Половые - это пара хромосом, различная у мужского и женского полов. Половые хромосомы определяют формирование признаков, характерных мужскому и женскому организмам. В соматической клетке 2 половые хромосомы, а в половой –1. Аутосомы - это хромосомы, одинаковые у мужского и женского полов. В соматической клетке человека 44 аутосомы, а в половой – 22.

Основные признаки прокариот: 1) отсутствует ядро, вместо ядра имеется его эквивалент - нуклеоид, лишенный ядерной оболочки и состоящий из одной молекулы ДНК, замкнутой в кольцо; 2) нет белков гистонов, которые упаковывают ДНК; 3) ДНК не имеет мозаичного строения, то есть между генами нет спейсеров - неинформативных участков; 4) трансляция быстро следует за транскрипцией, нет созревания и-РНК; 5) отсутствуют органо­иды, имеющие мембранное строение, 6) отсутствует клеточный центр; 7) есть рибосомы; 8) есть мезосомы (впячивания плазматической мембраны), выполняющие функции мембранных органоидов; 9) характерно простое деление.

У эукариот: 1) ДНК связана с белками-гистонами, образуя хроматин, который при делении клеток превращается в хромосомы, 2) ДНК имеет мозаичное строение, то есть между генами располагаются неинформативные участки - спейсеры, а гены имеют экзоны (информативные участки) и интроны (неинформативные участки), 3) у эукариот в ядре происходит дозревание и-РНК — процессинг (неинформативные участки вырезаются с помощью ферментов, а информативные сшиваются), 4) имеются все органоиды цитоплазмы, имеющие мембранное и немембранное строение, 5) клетки эукариот делятся путем митоза.
Особенности строения растительной и животной клеток.
Клетки организмов, относящихся к царствам Растения и Животные, относятся к одному надцарству – Эукариоты, поэтому имеют много сходных черт, присущих всем эукариотическим клеткам (см. выше).

1. Пластический обмен (ассимиляция, анаболизм) - все реакции биосинтеза, происходящие в организме. Эти реакции идут с поглощением энергии.

2. Энергетический обмен (диссимиляция, катаболизм) - совокупность реакций ферментативного расщепления органических соединений (белков, жиров, углеводов) с образованием богатых энергией молекул АТФ.

По типу питания живые организмы делятся на две группы: гетеротрофы и автотрофы.

Гетеротрофы - организмы, использующие в виде пищи готовые органические вещества из окружающей среды, они не способны синтезировать органические соединения из неорганических. К ним относятся грибы, животные, многие бактерии.

Автотрофы - организмы, синтезирующие из неорганических соединений органические за счет солнечной энергии (фотосинтезирующие) или энергии химических связей (хемосинтезирующие). К ним относятся зеленые растения и некоторые бактерии.

Некоторые организмы в процессе эволюции приспособились к смешанному типу питания (автогетеротрофы, миксотрофы). В зависимости от условий они могут осуществлять фотосинтез или потреблять готовые органические соединения. К ним можно отнести хламидомонаду и эвглену зеленую.

Основным источником энергии для всех живых организмов, живущих на Земле, служит энергия солнечного света, которую используют растения в процессе фотосинтеза, в результате которого из неорганических соединений синтезируются органические соединения.

Органические вещества, синтезируемые автотрофами, используются гетеротрофами для получения энергии, необходимой для процессов жизнедеятельности. Эта энергия выделяется в процессе энергетического обмена. Энергия запасается в молекулах АТФ и используется гетеротрофами для биосинтеза свойственных им белков, углеводов, жиров, нуклеиновых кислот. Реакции пластического и энергетического обмена в организме тесно связаны, являются основным условием жизни клетки. Это противоположные стороны единого процесса обмена веществ. Для реакций биосинтеза нужна энергия, которая поставляется в процессе энергетического обмена. При энергетическом обмене расщепляются органические соединения, образовавшиеся в результате ассимиляции, при этом выделяется энергия. Для протекания реакций энергетического обмена необходим постоянный синтез ферментов и структур органоидов, которые в процессе жизни постепенно разрушаются.

В разные периоды жизни организма могут преобладать процессы ассимиляции или диссимиляции. Так, в растущем организме преобладают процессы ассимиляции, а в стареющем - диссимиляции.

Пластический обмен - это совокупность всех реакций биосинтеза, которые происходят в организме. К нему относятся фотосинтез, биосинтез белка, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот.

6СО₂+ 6Н₂О _свет С₆Н₁₂О₆  + 6О₂

Фотосинтез представляет собой цепь окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых происходит восстановление СО₂ до углеводов. Он протекает в две фазы: световую и темновую.

Световая фаза фотосинтеза происходит на мембранах тилакоидов хлоропластов только на свету.

В световую фазу под влиянием фотонов солнечного света происходит переход электронов атома магния в молекуле хлорофилла на более высокий энергетический уровень. Электроны приобретают при этом энергию, которую они передают другим соединениям, а сами переходят на наружную поверхность мембраны тилакоидов. В это же время под действием света происходит фотолиз воды с образованием Н⁺ и ОН^- . Ионы гидроксила отдают свои электроны, которые становятся на место недостающих в атоме магния, и превращаются в радикалы ОН, которые взаимодействуют между собой, образуя воду и свободный кислород. Образовавшиеся при фотолизе ионы Н⁺, накапливаются на внутренней поверхности мембраны тилакоидов. Создается разность потенциалов. Когда разность потенциалов достигает критического уровня (200 мВ), ионы водорода Н⁺ проходят через каналы фермента АТФ-синтетазы в мембране и соединяются с электронами на наружной поверхности мембраны с образование атомов Н. Выделяющаяся при этом энергия, идет на синтез АТФ из АДФ и фосфорной кислоты. Атомы водорода (Н) соединяются с НАДФ и восстанавливают его до НАДФ^.Н₂ . Таким образом, основными событиями световой фазы являются: фотолиз воды, выделение кислорода, синтез АТФ и восстановление НАДФ.

Далее наступает темновая фаза фотосинтеза, протекающая в строме хлоропластов, для которой свет не нужен. Здесь идет большое количество реакций, приводящих к синтезу сложных органических соединений за счет энергии АТФ из СО₂ воздуха и водорода, который в строму приносит НАДФ^.Н₂. Одним из способов восстановления является цикл Кальвина. Для синтеза одной молекулы глюкозы необходимо 12 молекул НАДФ^.Н₂ и18 молекул АТФ. Глюкоза затем превращается в крахмал.

На скорость фотосинтеза оказывают влияние: количество падающего света, оптимальное количество влаги, минеральных солей, высокая концентрация СО₂, температура 20-25 градусов (для наших широт).

Значение фотосинтеза.

1. При фотосинтезе растениями синтезируются органические вещества из неорганических. Эти органические вещества используются гетеротрофами для питания.

2. В процессе фотосинтеза поглощается углекислый газ, а выделяется кислород, который все живые организмы используют для дыхания.

Генетическому коду характерны ряд общих свойств.

1. Триплетность - каждая из аминокислот закодирована тремя последовательно расположенными нуклеотидами.

2. Универсальность - генетический код одинаков у всех живых организмов.

3. Вырожденность (избыточность, множественность) - одна аминокислота может быть закодирована двумя или более кодонами (это объясняется существованием 4 нуклеотидов, которыми можно создать 64 различные комбинации по 3 нуклеотида - 4³ = 64, а аминокислот входящих в состав белка только 20). Одним триплетом шифруются только аминокислоты: метионин, который кодируется только триплетом АУГ, и триптофан - УГГ.

4. Специфичность (однозначность) - один кодон шифрует только одну аминокислоту.

5. Однонаправленность - информация считывается в одном направлении.

6. Непрерывность – при выпадении нуклеотида, его место займет нуклеотид из соседнего триплета. Это приведет к изменению порядка считывания (мутации).

7. Триплеты УАА, УАГ, УГА обозначают окончание синтеза полипептидной цепи (триплеты-терминаторы). Они находятся в конце каждого гена.

Биосинтез белков происходит в цитоплазме клеток на рибосомах. В ходе биосинтеза белка можно выделить этапы:

1) транскрипция; 2) процессинг; 3) трансляция.

Информация о структуре белка записана в молекуле ДНК, которая у эукариот находится в ядре и отделена ядерной оболочкой от цитоплазмы. ДНК непосредственного участия в синтезе белков не принимает. Информацию о структуре белка в цитоплазму несет и-РНК, которая по принципу комплементарности строится на матрице ДНК при участии фермента РНК-полимеразы. Переписывание информации с ДНК на иРНК назы­вается транскрипцией. Переписывается одна нить молекулы ДНК, которая называется кодогенной. Если в переписыва­емой нити ДНК стоит нуклеотид с азотистым основанием гуанин (Г), то фермент РНК-полимераза включает в РНК нуклеотид, содержащий цитозин (Ц); если тимин (Т) - то аденин (А); если аденин (А) - то урацил (У). По длине каждая из молекул иРНК в сотни раз короче ДНК. Информационная РНК переписывает информацию только части молекулы ДНК - одного гена, несущего информацию о структуре белка.

Участок молекулы ДНК, содержащий информацию о первичной структуре белка, называется геном.

Информация закодирована в виде триплетов. Один триплет (кодон) кодирует место одной аминокислоты в белковой молекуле, а последователь­ность триплетов кодирует последовательность аминокислот в белковой мо­лекуле. Перевод информации с последовательности кодонов иРНК в последовательность аминокислот молекулы белка называется трансляцией. В иРНК существуют триплеты: инициирующий – АУГ (определяет начало синтеза белка) и терми­нирующие: УАГ, УАА, УГА.

Рис. Схема биосинтеза белка (трансляции).

участок иРНК, равный 2 триплетам. На большую субъединицу рибосомы приходят тРНК. Они имеют два важных участка: к одному из них прикрепляется определенная аминокислота, а другой, называемый антикодоном, содержит триплет нуклеотидов, комплементарный кодону иРНК. Одновременно на большой субъединице могут находиться две тРНК, одна - в пептидильном, другая — в аминоацильном (аминокислотном) участке рибосомы. Во время синтеза белка тРНК приходят в аминоацильный участок, здесь происходит узнавание аминокис­лот путем сопоставления антикодона и кодона, а в пептидильном образуется пептидная связь между аминокислотами.

По принципу комплементарности кодоны иРНК вступают в связь с антикодонами тРНК. Например, если в иРНК будет располагаться кодон АУГ, то к нему подойдет тРНК с комплементарным антикодоном УАЦ. После этого между аминокислотами, находящимися в двух центрах рибосомы, происходит образование пептидной связи. Затем тРНК, находящаяся в пептидиль­ном центре, покидает рибосому и «уходит» в цитоплазму за другой ами­нокислотой, а рибосома передвигается на следующий триплет. Образовавшийсй дипептид располагается в пептидильном центре, а в освободившийся аминоацильный центр рибосомы, приходит новая тРНК с аминокислотой. Так происходит считывание информации. Когда ри­босома окажется на терминирующем триплете, синтез белка заканчивается. В секунду соединяются друг с другом до 50 аминокислот. Поэтому синтез одной молекулы белка длится всего 3—5 с. Для протекания всех этапов синтеза необходима энергией, которая поставляется за счет расщепления АТФ.

В результате трансляции образуется первичная структура белка. Затем формируется вторичная, третичная, четвертичная и он начинает выполнять свои функции.

Энергетический обмен (диссимиляция) - совокупность реакций ферментативного расщепления органических соединений (белков, жиров, углеводов) с образованием богатых энергией молекул АТФ. При этом сложные органические вещества превращаются в простые органические и неорганические. Этот процесс включает три этапа.

Первый этап - подготовительный - протекает в цитоплазме клеток растений, в желудочно-кишечном тракте животных в процессе пищеварения, когда сложные органические соединения (полимеры) расщепляются под действием ферментов на простые органические (мономеры): жиры на глицерин и жирные кислоты, полисахариды на моносахариды, белки на аминокислоты. Этот процесс сопровождается выделением небольшого количества энергии, которая рассеивается в виде тепла.

Второй этап - бескислородный (анаэробный) - идет в цитоплазме клеток. На этом этапе мономеры, образовавшиеся на подготовительном этапе, расщепляются без участия кислорода с выделением энергии. Примером является гликолиз – многоступенчатое бескислородное расщепление глюкозы. Молекула глюкозы расщепляется до двух молекул пировиноградной кислоты.

С₆Н₁₂О₆ + 2АДФ + 2Н₃РО₄ + 2НАД⁺2С₃Н₄О₃ + 2АТФ + 2НАД^.Н₂ + 2Н₂О+200кДж

У анаэробных организмов этот этап является конечным. Он относительно неэффективен, так как продукты расщепления содержат в себе еще большое количество энергии.

Третий этап - кислородный (аэробный, дыхание) - проходит на кристах митохондрий. Представляет собой ряд последовательно идущих реакций, каждая из которых катализируется определенным ферментом. Для протекания этого этапа необходим кислород. Пировиноградная кислота подвергается дальнейшему расщеплению до углекислого газа.

В сумме на кислородном этапе выделяется около 2600 кДж энергии, часть её запасаетсяв 36 молекулах АТФ.

Таким образом, вместе бескислородный и кислородный этапы приводят к накоплению в виде 38 молекул АТФ 1520 кДж энергии.

С₆Н₁₂О₆  + 6О₂ + 38АДФ + 38Н₃РО₄  6СО₂ + 38АТФ + 44Н₂О + 2800 кДж

Синтезированная в митохондриях АТФ по каналам эндоплазматической сети поступает в рибосомы и другие органоиды. Там АТФ превращается в АДФ и отдает накопленную энергию на синтез белков, жиров и углеводов.

Клеточный цикл. Подготовка клетки к делению. Прямое и непрямое деление клетки. Митоз, биологическая сущность и значение.
Продолжительность жизни многоклеточного организма больше продолжительности жизни каждой отдельно взятой его клетки. Поэтому необходимым условием существования организма является постоянное обновление клеток. Это происходит путем деления ранее существовавших клеток. Различают несколько способов деления клеток.

Митоз - непрямое деление клеток, при котором происходит точное распределение хромосом между дочерними клетками.

Амитоз - прямое деление клетки, при котором сохраняется интерфазное состояние ядра. Ядро делится путем перетяжки на две примерно равные части без образования хромосом. Амитоз встречается в клетках эпителия, скелетной мускулатуре, а также в других клетках при некоторых заболеваниях (например, в клетках злокачественных опухолей).

Мейоз - разновидность митоза - особый способ деления клеток, в результате которого уменьшается число хромосом вдвое, и из клетки с диплоидным набором хромосом, образуются гаплоидные клетки.

Совокупность процессов, происходящих в клетке в период подготовки клетки к делению и в период деления, называется митотическим циклом.

Весь период существования клетки от момента ее образования до собственного деления или гибели называется клеточным (жизненным) циклом. В непрерывно размножающихся клетках клеточный цикл совпадает с митотическим и состоит из интерфазы и собственно деления (митоза).

Интерфаза – это период подготовки клетки к делению. Она состоит из пресинтетического, синтетического и постсинтетического периодов.

Пресинтетический (g₁) период идет сразу за делением. В этот период синтезируются РНК, различные белки, АТФ, увеличивается число органоидов. Клетка растет, восстанавливает объем цитоплазмы и выполняет свои функции. Она содержит диплоидный набор деспирализованных хромосом, каждая хромосома состоит из одной хроматиды. Содержание генетического материала будет 2n2с (n - количество хромосом в гаплоидном наборе, с - содержание ДНК в гаплоидном наборе хромосом).

В синтетический период (S) происходит редупликация (удвоение) молекул ДНК, а также синтез РНК и белков. К концу периода хромосомы из однохроматидных становятся двухроматидными и содержание генетического материала будет 2n4с.

В постсинтетический период (G₂) клетка запасается энергией, продолжается синтез РНК и белков (синтезируются белки веретена деления), содержание генетического материала остается прежним - 2n4с. После периода интерфазы клетка приступает к делению.

Митоз - непрямое деление клеток. Митозом делятся соматические клет­ки, в результате чего дочерние клетки получают такой же набор хромосом, какой имела материнская клетка. В митозе выделяют несколько фаз: профазу, метафазу, анафазу, телофазу.

В профазе происходит: 1) спирализация хромосом, к концу профазы они становятся видимыми; 2) исчезает ядрышко; 3) растворяется ядерная оболочка и хромосомы оказываются в цитоплазме; 4) центриоли расходятся к полюсам клетки и 5) формируется веретено деления (2n4с).

В метафазе хромосомы максимально спирализованы и выстраиваются в плоскости экватора; каждая хромосома состоит из двух хроматид, которые соединены в области центромеры. К центромерам прикрепляются нити веретена деления. В этой фазе проводят изучение и подсчет хромосом (2n4с).

В анафазе каждая хромосома делится в области центромеры на две хроматиды (дочерние хромосомы). Сокращаясь нити веретена деления растягивают хромотиды к полюсам клетки. После расхождения хромотиды можно называть дочерними хромосомами. Генетический материал в клетке – 4n4с.

Рис. Митоз животной клетки. А – интерфаза; Б-В – профаза; Г-Д – метафаза; Е – анафаза; Ж-З – телофаза.

1. В результате митоза дочерние клетки получают такой же набор хромосом, какой был у материнской клетки, что обеспечивает эмбриональное развитие, рост организма, процессы регенерации тканей и органов.

3. У одноклеточных организмов митоз является способом размножения.
Мейоз, биологическая сущность и значение.
Мейоз - особый способ деления клеток, в результате которого уменьшается число хромосом вдвое и переход клеток из диплоидного (2n) состояния в гаплоидное (n).

Мейоз состоит из двух последовательных делений: первого (редукционного) и второго, причем полноценная интерфаза происходит только перед первым делением. Основные события, происходящие в интерфазе, те же, что происходят в интерфазе митоза. В мейоз так же, как и в митоз, вступают клетки с хромосомами, состоящими из двух хроматид (2n4с).

Схема мейоза

2n2c

2n4c

n2c
Мейоз II

nc
В каждом делении мейоза выделяют такие же фазы, что и при митозе: профаза, метафаза, анафаза, телофаза.

В профазе 1 мейоза происходит те же 5 событий, что и в профазе митоза и дополнительно еще коньюгация и кроссинговер. Гомологичные хромосомы попарно соединяются, образуя биваленты (структуры, состоящие из двух хромосом, четырех хроматид). Тесное соединение двух гомологичных хромосом по всей длине называется – конъюгацией. Образуются перекресты конъюгирующих хромосом, что приводит к обмену участками между ними, это явление называется – кроссинговер. Формула наследственного материала клетки - (2n4с).

В метафазе 1 мейоза хромосомы максимально спирализованы и располагаются попарно (бивалентами) в плоскости экватора. Нити веретена деления прикреплены к центромерам хромосом (2n4с).

В анафазе 1 мейоза биваленты делятся надвое и за счет сокращения нитей веретена деления к полюсам клетки отходят целые хромосомы, состоящие из двух хроматид. Содержание генетического материала в клетке – 2n4с.

В телофазе 1 мейоза при формировании ядер и делении цитоплазмы в каждую дочернюю клетку попадает только по одной из каждой пары гомологичных хромосом. Хромосомы полностью не деспирализуются. Содержание генетического материала в каждой образовавшейся клетке - n2с (содержание хромосом уже гаплоидное, но каждая из них содержит двойное количество ДНК, т.е. хромосомы двухроматидные).

После первого деления интерфаза очень короткая (в ней не происходит синтез ДНК), и быстро наступает второе деление. Во втором мейотическом делении происходят те же события, что и в митозе. Разница заключается лишь в том, что клетки, вступающие в мейоз 2, имеют гаплоидный набор хромосом (n2c).

В профазе 2 мейоза - растворяется ядерная оболочка, и спирализованные хромосомы оказываются в цитоплазме; формируется веретено деления (n2с).

В метафазе 2 хромосомы располагаются в плоскости экватора; каждая хромосома состоит из двух хроматид (n2с).

В анафазе 2 хромосомы делятся в области центромеры на две хромотиды, которые расходятся к полюсам (2n2с).

В телофазе 2 образуются 4 гаплоидные клетки, содержание генетического материала в каждой образовавшейся клетке - nс (гаплоидный набор хромосом, каждая из них состоит из одной хромотиды).

Биологическое значение мейоза.

1. 
   Мейоз обеспечивает поддержание постоянства числа хромосом во всех поколениях организмов, размножающихся половым путем.
   
2. 
   Мейоз обеспечивает комбинативную изменчивость организмов:
   

б) в метафазе 1 образуется большое число комбинаций негомологичных хромосом (комбинируются в различных сочетаниях материнские и отцовские хромосомы).

При бесполом размножении новая особь: а) образуется из соматических (вегетативных) клеток; б) является потомком одной родительской особи; в) генетически идентична с ней.

При половом размножении новый организм: а) образуется из половых гаплоидных клеток; б) образуемых, как правило, двумя родительскими особями (мужской и женской), в) содержит комбинации признаков обоих родителей.

Бесполое размножение. У одноклеточных организмов выделяют следующие формы бесполого размножения:

1. Деление. Прокариоты размножаются простым делением надвое. Эукариоты (амеба, инфузория, эвглена) делятся митотически.

2. Шизогония (множественное деление). Материнская клетка образует большое количество дочерних (малярийный плазмодий).

3. Почкование наблюдается у дрожжевых грибов.

4. Спорообразование. Дочерний организм развивается из специализированной клетки-споры (хламидомонада, хлорелла).

У многоклеточных организмов различают следующие формы бесполого размножения:

1. Вегетативное размножение встречается у цветковых растений. Новые особи формируются из вегетативных органов материнского организма.

2. Спорообразование наблюдается у водорослей, грибов, мхов, папоротников.

3. Фрагментация встречается у грибов, водорослей, лишайников. Заключается в распаде тела многоклеточного организма на фрагменты, каждый из которых, за счет регенерации, восстанавливает недостающие части.

4. Почкование наблюдается у кишечнополостных. Потомок формируется как вырост на теле родителя.

5. Полиэмбриония встречается на ранних этапах эмбрионального развития млекопитающих. У человека приводит к образованию однояйцевых близнецов.

6. Стробиляция наблюдается у некоторых кишечнополостных, при этом полип поперечными перетяжками делится на дочерние особи (стробилы).

Для участия в половом размножении в родительских организмах вырабатываются гаметы. Слияние гамет приводит к возникновению зиготы, из которой развивается дочерний организм. Яйцеклетки вырабатываются в женском организме, а сперматозоиды в мужском. Образование гамет обоих видов в одном организме, называют гермафродитизмом (встречается у плоских червей). Половое размножение может происходить с оплодотворением, когда генетический материал объединяется, и без оплодотворения (партеногенез). Партеногенез – развитие организма из неоплодотворенного яйца. Например, трутни у пчел образуются из неоплодотворенной яйцеклетки.

Гаметы - это половые клетки, обеспечивающие передачу наследственной информации от родителей потомкам. Половые клетки образуются в половых органах. Мужские половые органы - у животных – семенники, у растений, грибов – антеридии, в них образуются мужские гаметы - сперматозоиды. Это мелкие, подвижные клетки, состоящие из головки, шейки и хвостика. В головке располагается ядро и акросома (видоизмененный комплекс Гольджи). Акросома содержит ферменты, обеспечивающие проникновение сперматозоида в яйцеклетку. В шейке находятся центриоли и митохондрии. Хвостик дает подвижность сперматозоидам. Сперматозоиды образуются в огромных количествах. При половом акте мужчина выделяет около 200 млн. сперматозоидов. Женские половые органы – у животных - яич­ники, у растений, грибов – архегонии, в них образуются яйцеклетки. Яйцеклетки неподвижны, могут достигать значительных размеров (у страуса 10-11 см в диаметре), в цитоплазме содержат огромное количество питательных веществ, покрыты оболочками. Яйцеклеток образуется меньше, чем сперматозоидов. Их у женщины в течение жизни созревает около 400.
Развитие половых клеток.
Процесс развития гамет называется гаметогенезом. Развитие сперматозоидов - сперматогенез, развитие яйцеклеток - овогенез.

Сперматогенез. Разви­тие сперматозоидов происходит в стенках извитых канальцев семенников. Развивающиеся клетки проходят четыре периода.

1. 
   Период размножения - сперматогонии (диплоидные клетки – 2n2с) делятся митозом на протяжении всей жизни мужчины. После наступления половой зрелости, часть сперматогоний периодически вступает в период роста.
   
2. 
   Период роста - сперматогонии растут, удваивается ДНК и образуются сперматоциты первого порядка (2n4с). Этот период соответствует интерфазе 1 мейоза.
   
3. 
   Период созревания - в нем проходят 2 деления мейоза; в результате первого образуются 2 сперматоцита второго порядка (n2с); в результате второго деления образуются 4 сперматиды (nс).
   

О О 2n2с О О

О О О О О О О ---

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

роста сперматоцит О овоцит

1-го порядка 2n4с 1-го порядка

2-го п.

сперматиды О О О О nc

яйцеклетка редукционные т.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

формирования

сперматозоиды 0 0 0 0 nс

1. 
   Период размножения - происходит у человека в эмбриональный период и заканчивается еще до рождения девочки. Овогонии делятся митозом и количество их увеличивается (2n2с).
   

1. 
   Период роста - овогонии к моменту рождения превращаются в овоциты первого порядка: удваивается ДНК (2n4с), увеличивается размер клеток, накапливаются белки, жиры, углеводы.
   
2. 
   Период созревания - с наступлением половой зрелости овоциты первого порядка вступают в период созревания. Происходят 2 деления мейоза. В результате первого: из овоцита первого порядка образуется овоцит второго порядка (n2с) и редукционное тельце (n2с). В редукционное тельце уходит избыток хромосомного материала, а запас питательных веществ остается в овоците второго порядка. В результате второго деления образуется яйцеклетка (nс) и три редукционных тельца (nс).
   

1. При сперматогенезе из одной исходной клетки (сперматогонии) образуется 4 сперматозоида, а при овогенезе из одной овогонии образуется одна яйцеклетка и три редукционных тельца.

2. При сперматогенезе период размножения длится в течение всей жизни мужчины, а при овогене­зе - заканчивается еще до рождения.

3. При сперматогенезе период роста относительно короткий, а при овогене­зе - длинный (накапливается запас питательных веществ для будущего зародыша).

4. При сперматогенезе период формирования выражен, при ово­генезе – отсутствует.

Оплодотворение, онтогенез, эмбриональное развитие зародыша у животных.
Оплодотворением называется процесс слияния половых клеток. Оплодотворению предшествует осеменение. Осеменение - процесс, обеспечивающий встречу сперматозоидов и яйцеклеток. Различают:

1) наружное осеменение, когда сперматозоиды и яйцеклетки выбрасываются в воду, где происходит их слияние. Характерно для водных животных (рыбы);

2) внутреннее осеменение, при котором самцы с помощью копулятивных органов вводят сперматозоиды в половые пути самки (наземные животные).

Оплодотворение приводит: а) к образованию диплоидной зиготы; б) зигота побуждается к развитию.

При встрече с яйцеклеткой сперматозоид выделяет ферменты гиалуронидазу и муциназу, которые раз­рушают оболочки яйцеклетки, и сперматозоид проникает в яйцеклетку. После этого образуется оболочка оплодотворения, препятствующая проникновению других сперматозоидов. Ядро сперматозоида еще некоторое время набухает, достигнув размеров ядра яйцеклетки, они сливаются, восстанавливается диплоидный набор хромосом - образуется зигота.

После образования зиготы начинается онтогенез - индивидуальное развитие организма.

Онтогенез подразделяют на два периода: эмбриональный (с момента образования зиготы до выхода из яйцевых оболочек или рождения) и постэмбриональный (от выхода из яйцевых оболочек или рождения до смерти).

Эмбриональный период включает три этапа: дробление, гаструляцию, и органогенез.

1. 
   Дробление – начинается процесс дробления с образования зиготы и завершается образованием бластулы.
   
2. 
   Гаструляция - с бластулы и заканчивается образованием двух- или трехслойного зародыша – гаструлы.
   
3. 
   Органогенез - начинается образованием комплекса осевых органов, завершается выходом из яйцевых оболочек).
   

Следующий этап - образование двуслойного зародыша - гаструляция - у ланцетника осуществляется путем впячивания бластодермы в полость бластоцели. Гаструла имеет два слоя клеток (зародышевые листки): наружный - эктодерма и внутренний - энтодерма. Полость гаструлы называется гастроцель (первичная кишка), а вход в кишку - бластопор (первичный рот). Животные (черви, моллюски), у которых на месте бластопора развивается ротовое отверстие, называются первичноротыми. Хордовых, иглокожих относят ко вторичноротым, поскольку на месте бластопора у них образуется анальное отверстие, а рот развивается на противоположном конце тела. На стадии двух зародышевых листков заканчивают свое развитие двуслойные животные (кишечнополостные). У остальных между экто- и энтодермой образуется третий зародышевый листок- мезодерма. У хордовых это происходит путем отшнуровывания от энтодермы мезодермальных карманов.

Каждый зародышевый листок, на этапе гисто- и органогенеза, дает начало только определенным органам.

Из эктодермы развиваются: спинной и головной мозг, периферические нервы; эпидермис кожи и его производные (ногти, волосы, сальные и потовые железы, эмаль зубов, воспринимающие клетки органов зрения, слуха и др).

Из энтодермы развивается эпителий: полостей тела, пищеварительной и дыхательной систем, печени и поджелудочной железы и др., а также хорда. Хорда у низших хордовых сохраняется в течение всей жизни, а у высших замещается позвоночником.

Из мезодермы развиваются: скелетная мускулатура, все виды соединительной ткани, кровеносная, выделительная и половая системы.

Органогенез завершается в основном к концу эмбрионального периода развития. Однако дифференцировка и усложнение органов продолжаются в постэмбриональном периоде.

Постэмбриональное развитие (прямое и непрямое).
Постэмбриональный период начинается от выхода из яйцевых оболочек или рождения и заканчивается смертью. Он может проходить двумя путями. Различают прямое и непрямое постэмбриональное развитие.

При прямом развитии появившийся организм похож на взрослую особь, но отличается от нее меньшими размерами и недоразвитием некоторых систем органов (например, половой). Этот тип развития встречается у животных, яйцеклетки которых содержат большое количество желтка (рыбы, пресмыкающиеся, птицы), или при внутриутробном развитии (млекопитающие).

Непрямое развитие характеризуется наличием одной или нескольких личиночных стадий. Из яйца выходит личинка, резко отличающаяся по строению от взрослого организма. Она может жить в другой среде обитания, иметь другой тип питания по сравнению с взрослыми животными, что позволяет снизить интенсивность внутривидовой борьбы за существование. Такой тип развития характерен для организмов, яйцеклетки которых содержат малое количество желтка (насекомые, земноводные и др.).

В процессе превращения личинки во взрослую особь происходит перестройка всего организма (метаморфоз). У насекомых различают развитие с полным и неполным метаморфозом. Полный метаморфоз у насекомых характеризуется тремя последовательными стадиями: личинка, куколка, взрослая особь - имаго (чешуекрылые, двукрылые, жесткокрылые и др.). При неполном превращении личинки имеют общие черты строения с взрослыми особями, проходят только две стадии: личинка и имаго (клопы, прямокрылые, вши и др.). Стадия куколки отсутствует, личинка в процессе превращения во взрослую особь проходит несколько линек.

1. 
   Цитология как наука.
   
2. 
   Методы изучения клетки.
   
3. 
   Клеточная теория.
   
4. 
   Содержание химических элементов в клетке, их роль.
   
5. 
   Вода и минеральные соли, их роль в клетке.
   
6. 
   Липиды, углеводы – их роль в клетке.
   
7. 
   Белки, их строение, роль в клетке.
   
8. 
   Ферменты как биологические катализаторы. Нуклеиновые кислоты, их строение и роль в клетке.
   
9. 
   АТФ и ее значение.
   
10. 
    Биологические мембраны, их строение, свойства и функции. Цитоплазматическая мембрана. Оболочка клетки.
    
11. 
    Цитоплазма: гиалоплазма, цитоскелет, органоиды, включения.
    
12. 
    Органоиды клетки, их строение и функции: эндоплазматический ретикулум, комплекс Гольджи, лизосомы.
    
13. 
    Органоиды клетки, их строение и функции: митохондрии, пластиды, рибосомы, клеточный центр, органоиды движения.
    
14. 
    Строение и функции клеточного ядра. Хроматин.
    
15. 
    Хромосомы. Кариотип и его видовая специфичность.
    
16. 
    Особенности строения прокариотической и эукариотической клеток. Особенности строения растительной и животной клеток.
    
17. 
    Взаимосвязь процессов ассимиляции и диссимиляции. Пластический обмен.
    
18. 
    Фотосинтез – синтез первичного органического вещества. Генетический код и его свойства.
    
19. 
    Биосинтез белка. Реакции матричного синтеза.
    
20. 
    Энергетический обмен: гликолиз, клеточное дыхание.
    
21. 
    Клеточный цикл. Подготовка клетки к делению. Прямое и непрямое деление клетки.
    
22. 
    Митоз, биологическая сущность и значение.
    
23. 
    Мейоз, биологическая сущность и значение.
    
24. 
    Сходства и различия между митозом и мейозом.
    
25. 
    Типы размножения организмов. Бесполое размножение, его формы.
    
26. 
    Половое размножение. Половые клетки: яйцеклетки и сперматозоиды, их образование и развитие.
    
27. 
    Оплодотворение, онтогенез, эмбриональное развитие зародыша у животных.
    
28. 
    Постэмбриональное развитие (прямое и непрямое).
    

Процесс передачи наследственной информации в ряду поколений называется наследованием. В основе наследования лежит способность ДНК к репликации.

К общим задачам генетики относится изучение:

1) материальных носителей, механизмов кодирования, передачи и реализации генетической информации;

2) способов хранения и восстановления (репарации) генетической информации;

3) закономерностей и механизмов изменчивости и наследственности, роли изменчивости в эволюционном процессе;

Для решения этих задач используются различные методы исследования (см. далее).

Единицами наследственности и изменчивости являются гены. Ген - это участок молекулы ДНК, кодирующий первичную структуру белка.

Каждый ген существует в нескольких альтернативных формах. Эти формы называются аллельными генами или аллелями.

Аллельные гены – это гены, которые расположены в одинаковых локусах (местах) гомологичных хромосом и определяют развитие альтернативных признаков. Альтернативные (взаимоисключающие) признаки - например, желтая и зеленая окраска, гладкая и морщинистая форма семян гороха. Гомологичные хромосомы - это хромосомы, одинаковые по размерам, форме, строению и составу генов, но разные по происхождению: одна - от матери, другая - от отца. Аллельные гены обозначают одинаковыми буквами латинского алфавита (А и а, В и в).

Если в одинаковых локусах (участках) гомологичных хромосом находятся одинаковые аллели (например: АА, аа), то такой организм называют гомозиготным. Этот организм образует один тип гамет. Если же в гомологичных хромосомах находятся различные аллели (Аа), то такой организм называется гетерозиготным. Он образует два сорта гамет.

Признак и соответствующий ему ген, который проявляется в фенотипе гетерозигот, называется доминантным, а который не проявляется – рецессивным.

Доминантный ген - подавляет проявление других аллелей и проявляется в гетеро- и гомозиготном состоянии; его обозначают прописной буквой латинского алфавита (A).

Рецессивный ген - проявляется только в гомозиготном состоянии; его обозначают строчной буквой латинского алфавита (a).

Р: ♀ АА x ♂ аа Р: ♀ ^А††^А x ♂ ^а††^а

G: G:

F₁: Aa – желтые 100% F₁: ^А††^а

Получив единообразие в первом поколении гибридов, Мендель решил скрестить их между собой. При этом скрещивании было полу­чено расщепление:

Р: ♀ Аа x ♂ Аа Р: ♀ ^А††^а. x ♂ ^А††^а

G: G:

F₁: АА Aa Аа аа F₁: ^А††^А; ^А††^а; ^А††^а; ^а††^а

Для объяснения цитологических основ 1-го и 2-го законов, Бэтсоном было предложено правило чистоты гамет, согласно которому в каждую гамету попадает один из пары аллельных генов, т.е. гаметы «чисты» по аллельным генам. Аллельные гены в гетерозиготном состоянии не изменяют друг друга и не смешиваются.

Цитологически гипотеза чистоты гамет и первые два закона Менделя объясняются анафазой 1-го деления мейоза (расхождением гомологичных хромосом к полюсам клетки), в результате чего каждая гамета получает по одной из пары гомологичных хромосом, а, следовательно, и по одному аллелю из пары.

Взаимодействие аллельных генов: типы доминирования – полное и неполное.
Признаки проявляются в результате взаимодействия генотипа с окружаю­щей средой. Но генотип, это не просто сумма генов, а результат их сложного взаимодействия. Взаимодействуют между собой не гены, а про­дукты, которые кодируются этими генами. Взаимодействовать могут аллельные и неаллельные гены.

Различают следующие типы взаимодействия аллельных генов: полное и неполное доминимирование, сверхдоминирование и кодоминирование.

1) Полное доминирование - взаимодействие аллельных генов, при котором один аллель полностью подавляет проявление другого. Фенотипически гетерозиготы не отличаются от доминантных гомозигот. Пример - наследование окраски семян гороха (1- и 2-ой законы Менделя).

2) Неполное доминирование (промежуточный характер наследования) - взаимодействие аллельных генов, при котором один аллель не полностью, подавляет проявление другого и появляется промежуточная выраженность признака. Пример- наследование окраски цветков растения ночная красавица:

Р: ♀ АА x ♂ аа Р: ♀ Аа х ♂ Аа

G: G:

F₁: Aa F₂: АА Aa Аа аа

3) Сверхдоминирование - взаимодействие аллельных генов, при котором доминантный аллель в гетерозиготном состоянии проявляется сильнее, чем в гомозиготном. Это взаимодействие рассмотрим на примере продолжительности жизни у мушки дрозофилы. А- аллель нормальной продолжительности жизни, а - летальный аллель.

G: Аа - увеличенная продолжительность жизни;

аа - летальный исход.

F: АА Aa Аа аа

4) Кодоминирование - взаимодействие аллельных генов, при котором в гетерозиготном состоянии в фенотипе проявляются оба аллеля. Рассмотрим данное взаимодей­ствие на примере наследования четвертой (АВ) группы крови человека.

_{вторая группа третья группа}

Р: ♀ I^А I^А x ♂ I^В I^В

G:

F:  I^А I^В

Скрещивание, при котором учитывают наследование двух пар альтернативных признаков, называют дигибридным, если трех и более признаков - полигибридным.

Проводя дигибридное скрещивание, Г. Мендель скрещивал растения гороха, отличающиеся по двум парам альтернативных признаков (скрещивались растения с желтыми гладкими семенами и растения с зелеными морщинистыми семенами). В f₁ получено единообразие гибридов, так как желтый цвет (А) доминировал над зеленым (а), а гладкая форма (В) - над морщинистой (в).

При скрещивании гетерозиготных гибридов первого поколения между собой, во втором поколении появились не только сочетания признаков исходных форм, но и новые комбинации (желтые морщинистые, зеленые гладкие), поскольку гены цвета и формы семян гороха и определяемые ими признаки свободно комбинировались - цвет не зависел от формы и наоборот.

Р: ♀ ААВВ x ♂ аавв