БИОЛОГИЯ - наука о жизни. Она раскрывает закономерности возникновения и развития жизни. И представляет собой комплекс, систему наук, состоящую из ботаники, микробиологии, вирусологии, физиологии и многих других наук. Наиболее универсальные свойства, закономерности развития и существования организмов и их сообществ изучает общая биология.

Фармацевтические науки также возникли в результате накопления биологических знаний о лекарственных средствах, их применении и действии на живой организм. Поэтому изучение биологии в фармацевтических учебных заведениях способствует формированию знаний, необходимых для изучения таких дисциплин как фармакология, технология лекарственных средств, фармакогнозия, биологическая, фармацевтическая и токсикологическая химии. Современное производство и применение лекарств связано с использованием новейших достижений биологической науки. Широкое распространение получили новейшие биотехнологии в производстве антибиотиков, гормонов, иммунобиологических препаратов, а также растительных препаратов (метод культуры тканей).

Развитие промышленности, транспорта, сельского хозяйства, рост народонаселения породили серьезные экологические проблемы: опасное для здоровья загрязнение окружающей среды, уничтожение лесов, разрушение сообществ растительных и животных организмов. Поиск эффективных путей преодоления указанных проблем невозможен без понимания биологических закономерностей взаимодействия организмов, включая человека, и среды их обитания.

Данное пособие является руководством к выполнению практических занятий по курсу общей биологии и включает следующие разделы: биологические основы жизни, размножение, генетика, онтогенез, основы эволюции, антропогенез, экология и паразитология.

Тема: Устройство световых микроскопов и техника микроскопирования. Строение растительной клетки

Цель: Уметь распознавать эукариотические клетки на основе знания общего определения клетки; идентифицировать в клетках ядро, цитоплазму, оболочку; познакомиться с функциями клетки.

Задание для самоподготовки

Назвать основные части микроскопа, объяснить их назначение и устройство.

Перечислить правила работы с микроскопом.

Фундаментальные свойства живого и атрибуты жизни.

Уровни организации жизни: молекулярный, клеточный, тканевой, органный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический, биосферный.

Строение и функции цитоплазматической мембраны.

Поступление веществ в клетки (проницаемость, осмос, осмотическое давление, активный и пассивный транспорт веществ, фагоцитоз, пиноцитоз).

Заполнить таблицу 1 (см. Приложение 2).

Фундаментальными свойствами живого являются:

Цель: Изучить важнейшее свойство живого - обмен веществ и энергии, которое проявляется на разных уровнях организации.

Задание для самоподготовки

Ассимиляция и диссимиляция в живой клетке, их взаимосвязь, биологическое значение. Продукты ассимиляции и диссимиляции.

Типы ассимиляции (автотрофная, гетеротрофная, миксотрофная)

Фотосинтез. Организмы, способные к фотосинтезу.

Хемосинтез. Сходство и отличие фото - и хемосинтеза.

Строение, функции и образование АТФ.

Типы диссимиляции (аэробный и анаэробный). Дыхание и брожение. Отличие дыхания от брожения.

Характеристика основных этапов энергетического обмена (подготовительный, гликолиз, гидролиз).

Особенности строения ДНК и РНК. Типы РНК. Кодон, антикодон. Определение, строение, расположение в биомолекулах.

Местоположение исходной информации для биосинтеза белка. Условия, необходимые для биосинтеза белка.

Начало синтеза белка: транскрипция, процессинг, роль РНК-полимеразы в транскрипции. Промотор и терминатор транскрипции.

Трансляция, ее осуществление.

Формирование первичной, вторичной, третичной и четвертичной структуры белка. Органоиды, в которых осуществляется этот процесс.

Заполнить таблицы 7, 8, 9, 10, 11 (см. Приложение 2).

Обмен веществ и превращение энергии в клетке (метаболизм) - важнейшее свойство живого. Он представляет собой совокупность химических реакций, протекающих в клетках с поглощением или выделением энергии.

Ассимиляция (анаболизм) - совокупность всех процессов синтеза сложных органических веществ, сопровождающимся поглощением энергии (эндотермический процесс). Это пластический обмен: образуются различные вещества.

Диссимиляция (катаболизм) - совокупность реакций расщепления; переход веществ, богатых энергией, в простые, менее энергетически богатые (экзотермический процесс). Это энергетический обмен: образуются различные виды энергии.

Ассимиляция и диссимиляция являются противоположными сторонами одного процесса - обмена веществ. Реакции ассимиляции нуждаются в энергии, которая поступает из реакций диссимиляции; а для осуществления реакций диссимиляции необходим постоянный синтез белков-ферментов, которые образуются в реакциях ассимиляции.

Совокупность реакций ассимиляции и диссимиляции лежит в основе жизнедеятельности организмов и обусловливает связь организма с окружающей средой.

По характеру ассимиляции различают автотрофные, гетеротрофные и миксотрофные организмы. Автотрофные - это организмы, которые сами синтезируют органические вещества из неорганических. Они могут использовать разные источники энергии (энергия солнечного света или химических процессов) для производства углеводов, жиров, белков, необходимых для поддержания жизнедеятельности. Это все организмы, содержащие хлорофилл (сине-зеленые водоросли, бурые водоросли, высшие растения), и некоторые бактерии.

Гетеротрофы используют готовые органические соединения в качестве пищи с последующей ее механической и химической переработкой. Гетеротрофами являются все животные, грибы. Миксотрофы - организмы, способные как к синтезу органических веществ, так и использованию их в готовом виде (эвглена зеленая).

Фотосинтез - синтез органических соединений в зеленых растениях из воды и двуокиси углерода с использованием солнечной энергии, поглощаемой хлорофиллом. В гранах (тилакоидах) протекают реакции, вызываемые светом (световые), а в строме - реакции, не связанные со светом (темновые или реакции фиксации углерода).

Световая фаза фотосинтеза. Протекает в тилакоидах хлоропластов при участии солнечного света и молекул хлорофилла. При поглощении кванта света молекулой хлорофилла один электрон переходит в возбужденное состояние и поднимается на более высокий энергетический уровень. Одновременно с этим происходит фотолиз воды с образованием ионов Н⁺ и ОН^-.

Возбужденный электрон присоединяется к иону Н⁺, восстанавливая его до атома Н. Далее два образовавшихся атома Н соединяются с никотинамиддинуклеотидфосфатом (НАДФ) и восстанавливают его до НАДФ·Н₂. Электроны от гидроксид-ионов возвращаются в молекулу хлорофилла на место возбужденных, а сами гидроксид-ионы превращаются в свободные радикалы и, взаимодействуя друг с другом, образуют воду и свободный кислород.

В процессе переходов протоны скапливаются на внутренней стороне мембраны граны хлоропласта, а электроны на наружной поверхности, создавая, таким образом, разность потенциалов. Когда разность потенциалов достигает критического уровня, протоны проходят по специальным каналам мембран, в которых находятся ферменты, синтезирующие АТФ.

Таким образом, в световую фазу происходят следующие процессы: фотолиз воды с выделением кислорода, восстановление НАДФ, синтез АТФ.

Темновая фаза фотосинтеза не зависит от света и протекает в строме хлоропластов, как на свету, так и в темноте. Энергия, накопленная в световую фазу, используется для синтеза моносахаридов из диоксида углерода (поступает из воздуха через устьица) и водорода (отщепляется от НАДФ·Н₂) путем сложных ферментативных реакций в цикле Кальвина:

6 СО₂ + 24 Н⁺ > С₆Н₁₂О₆ + 6 Н₂О

Хемосинтез - синтез органических соединений из неорганических с использованием энергии химических процессов (окислительно-восстановительных реакций). В отличие от фотосинтезирующих автотрофов, использующих световую энергию, хемосинтезирующие автотрофы используют энергию окислительно-восстановительных реакций. К хемоавтотрофам относятся некоторые бактерии (нитрифицирующие, серобактерии, железобактерии).

По характеру диссимиляции различают аэробные и анаэробные организмы. Аэробы - это организмы, использующие для процесса окисления (дыхания) свободный кислород. Дыхание - совокупность процессов, обеспечивающих газообмен между организмами и внешней средой (внешнее дыхание) и окислительные процессы в клетках с выделением энергии (внутреннее или клеточное дыхание). Энергия, выделяющаяся в результате окисления органических веществ, обеспечивает разнообразные процессы жизнедеятельности. Анаэробы - организмы, осуществляющие окисление веществ без присутствия кислорода. Это могут быть различные типы брожения: спиртовое (конечный продукт - этиловый спирт), молочнокислое (конечный продукт - молочная кислота), пропионовокислое (конечный продукт - пропионовая кислота).

Углеводы, жиры, белки подвергаются расщеплению, а затем окислению. Выделяющаяся энергия фиксируется в виде макроэргических связей в молекулах АТФ, которые являются переносчиками энергии от одного процесса к другому. Синтез АТФ происходит в митохондриях в процессе окислительного фосфорелирования (образование АТФ из АДФ с участием фосфата) в результате цикла Кребса. АТФ представляет собой нуклеотид, состоящий из остатков аденина, рибозы и трифосфата.

Этапы энергетического обмена:

1. Подготовительный этап. Он заключается в распаде белков, жиров, углеводов на мономеры. У человека это происходит в желудочно-кишечном тракте под действием пищеварительных ферментов. При этом выделяется только тепловая энергия. Белки расщепляются до аминокислот, липиды - до глицерина и жирных кислот, крахмал - до глюкозы.

2. Гликолиз (бескислородный этап) осуществляется в цитоплазме клетки. Идет с участием различных ферментов. Происходит анаэробное расщепление 1 молекулы глюкозы на 2 молекулы пировиноградной кислоты. При этом образуются 2 молекулы АТФ, что составляет 35% энергии 1 молекулы глюкозы.

В анаэробных условиях глюкоза расщепляется на 2 молекулы молочной кислоты, или этилового спирта, или пропионовой кислоты. Этот процесс называется брожением.

3. Гидролиз (кислородный этап) осуществляется в митохондриях, связан с матриксом и внутренней мембраной митохондрий. Происходит конечное окисление пировиноградной кислоты с участием различных ферментов до углекислого газа и воды с регенерацией всей оставшейся энергии в цикле Кребса (цикл трикарбоновых кислот, цикл лимонной кислоты). При этом образуются 36 молекул АТФ.

Главенствующая роль в хранении и потоке информации принадлежит нуклеиновым кислотам. В каждый нуклеотид входит молекула фосфорной кислоты, пентоза и одно из четырех азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т) или урацил (У). Цепь чередующихся нуклеотидов, соединенных фосфодиэфирными связями, образует первичную структуру нуклеиновых кислот.

ДНК является биополимером, состоит из двух цепей нуклеотидов, в состав которых кроме молекулы фосфорной кислоты, входит дезоксирибоза и азотистые основания: А, Т, Г, Ц. ДНК может иметь вторичную и третичную структуры. Вторичная структура ДНК - двойная спираль: две цепи комплементарны, антипараллельны, закручены в правую спираль, азотистые основания внутри соединены водородными связями, снаружи - фосфатно-сахарная лента.

РНК состоит из одной цепи нуклеотидов, в состав которых входит рибоза и азотистые основания: А, Г, Ц, У. РНК не способна к редупликации. Существует несколько типов РНК:

матричная (м-РНК) или информационная (и-РНК) РНК - метаболически нестабильная копия гена или группы генов, она имеет вторичную (короткая спираль) и третичную структуры (образует комплексы с белками - информасома);

рибосомная РНК (р-РНК) - образует рибосому, она имеет вторичную (короткая спираль, образованная 1 цепью, принцип комплементарности не соблюдается) и третичную структуру (образует комплексы с белками - домены, которые образуют субъединицы рибосомы);

транспортная РНК (т-РНК) - переносит аминокислоты к рибосоме, имеет вторичную структуру в виде трилистника; антикодон - участок молекулы т-РНК, состоящий из трех нуклеотидов и "узнающий" соответствующий ему участок из трех нуклеотидов в молекуле м-РНК, с которым взаимодействует комплементарно.

Транскрипция - процесс копирования генетической информации с ДНК с образованием РНК. Осуществляется с помощью фермента - РНК-полимеразы, который копирует одну из цепей ДНК и действует по принципу комплементарности.

Начальный участок ДНК, с которого начинается транскрипция, называется промотор. К нему присоединяются белки, облегчающие начало транскрипции, и фермент транскрипции РНК-полимераза. Оператор - участок ДНК, связывающий белки-регуляторы транскрипции. К оператору примыкают структурные гены, содержащие перемежающиеся участки интронов и экзонов. Отдельные участки генов несут разную функцию. Одна группа участков относится к информативным, а другая - к неинформативным. К информативным относятся структурные гены, несущие информацию о структуре полипептидной цепи или нематричных РНК (р-РНК, т-РНК); неинформативные выполняют другие функции и не содержат генетической информации. Но и во многих структурных генах, особенно эукариотов, генетическая информация записана с перерывами. Участки в структурных генах, несущие информацию, называются экзонами, а неинформативные - интронами. В конце транскриптона имеется последовательность нуклеотидов - терминатор, которая является своего рода сигналом об окончании транскрипции.

Процесс транскрипции можно разбить на три фазы:

1. Инициация: фермент РНК-полимераза присоединяется к промотору, расплетает спираль ДНК на 1 виток и начинает синтезировать короткие фрагменты РНК, которые отщепляются: идет абортивная транскрипция. После достижения определенной массы РНК-продукта, начинается продуктивная транскрипция.

2. Элонгация: РНК-полимераза скользит вдоль матрицы ДНК и читает только одну цепь. Каждый следующий нуклеотид спаривается с комплементарным основанием в ДНК-матрице, а РНК-полимераза "скрепляет" его с растущей цепью РНК фосфодиэфирными связями. Для движения РНК-полимеразы необходима энергия АТФ.

3. Терминация: РНК-полимераза достигает нуклеотидных последовательностей терминатора ДНК, являющихся стоп-сигналами. После окончания транскрипции синтезированная РНК отделяется от ДНК. На этом этапе РНК представляет собой точную копию ДНК и называется проинформационная РНК (про-и-РНК).

Цель: Иметь представление о жизненном цикле, хромосомах и кариотипе, изучить митотический цикл диплоидных клеток, его периоды и фазы.

Задание на самоподготовку

Геном, ген, генетический код.

Компактизация ДНК.

Строение и морфологические типы хромосом.

Кариотип и построение идиограмм.

Жизненный и митотический циклы клетки. Биологическое значение.

Периоды интерфазы. Какие процессы происходят в клетках в эти периоды?

Митоз и амитоз. Фазы митоза и цитокинез. Особенности цитокинеза в животных и растительных клетках.

Заполнить таблицы 12, 13 (см. Приложение 2).

Ген - минимальный отрезок ДНК, который определяет (детерминирует) один признак (функцию) и который кодирует одну полипептидную цепь (один белок). Геном - совокупность генов организма. Генетический код - система последовательного расположения и сочетания нуклеотидов в ДНК, определяющая последовательность аминокислот в белке.

Хроматин - особое состояние хромосом (комплекс ДНК с белками), это деспирализованые и гидратированые хромосомы. Хроматин интерфазных ядер представляет собой хромосомы, которые находятся в состоянии деконденсации, и теряют в это время свою компактную форму. Степень такого разрыхления может быть различной. Зоны полной деконденсации, содержащие активные гены, называются эухроматиновыми. При неполном же разрыхлении хромосом в интерфазном ядре видны участки конденсированного хроматина, называемого гетерохроматином.

Во время деления клетки хроматин конденсируется, образуя хромосомы. Выделяют несколько уровней упаковки ДНК: нуклеосомный, нуклеомерный, хромомерный, хромонемный, хроматидный.

В хромосомах различают первичную перетяжку (центромеру), делящую ее на два плеча. На ней располагается кинетохор, к которому при делении клетки прикрепляются нити веретена деления. В зависимости от места первичной перетяжки различают метацентрические, субметацентрические, акроцентрические, спутниковые и телоцентрические хромосомы. Концевые участки хромосом называются теломерами и имеют специфический набор нуклеотидов, препятствующий склеиванию хромосом между собой.

Количество хромосом в клетках постоянно, причем в ядрах соматических клеток они находятся в парах. Диплоидный набор хромосом, характеризующийся числом, величиной и формой, называют кариотипом. Все хромосомы делятся на 2 группы: аутосомы (одинаковые хромосомы у мужчин и у женщин) и гетерохромосомы или половые хромосомы. Половые хромосомы (Х и У) негомологичны друг другу.

При исследовании хромосом после окрашивания их располагают попарно в порядке убывания величины в виде идиограммы.

В результате процессов обмена веществ и энергии клетка все время изменяется, происходит ее онтогенез, т.е. жизненный цикл клетки. Жизненный цикл клетки - совокупность процессов, протекающих в клетке от момента ее появления до гибели или деления на две дочерние, включая само деление. Совокупность процессов, происходящих в клетке от одного деления до следующего, включая само деление, и заканчивающихся образованием двух новых клеток, называется митотическим циклом.

Митоз или кариокинез - одна из форм размножения клеток путем деления. В результате митоза из одной материнской клетки образуются две дочерние клетки. При этом происходит передача информации по наследству от материнской клетки к дочерним. Наследственный материал (ДНК) неизменно и в таком же количестве, в каком он был представлен в материнской клетке, распределяется во время митоза между дочерними клетками. В этом заключается биологический смысл митоза.

Для осуществления митоза необходимо, чтобы в материнской клетке перед ее делением произошло удвоение наследственного материала. Только в этом случае дочерние клетки смогут получить его в равном с материнской клеткой количестве. Удвоение количества ДНК происходит во время интерфазы - периода жизни клетки между двумя делениями.

В интерфазе выделяют три периода: пресинтетический (постмитотический), синтетический и постсинтетический (премитотический).

Пресинтетический период является начальным периодом интерфазы. В этот период ДНК еще не синтезируется, но накапливается РНК и белок, необходимые для образования клеточных структур. Это наиболее длительный период, продолжающийся от нескольких часов до нескольких суток.

Синтетический период характеризуется синтезом ДНК и редупликацией хромосомных структур. Продолжается синтез РНК и белков.

Постсинтетический период отличается накоплением в клетке энергетического резерва и продолжается синтез РНК и белка.

Вслед за интерфазой наступает митоз. Митоз - непрямое деление клетки, которому предшествует удвоение хромосом. Амитоз - прямое деление клетки путем образования перетяжки ядра: ядерный материал делится произвольно и неравномерно. Амитоз характерен для прокариот. Митоз подразделяется на четыре основные фазы: профаза, метафаза, анафаза, телофаза.

Профаза происходит реорганизация ядра:

хромосомы спирализуются, состоят из двух хроматид, соединенных в области центромеры;

ядрышки и ядерная оболочка растворяются;

центриоли расходятся к полюсам, образуя нити веретена деления.

Метафаза образуется метафазная пластинка:

двухроматидные хромосомы выстраиваются на экваторе клетки;

нити веретена деления прикрепляются к кинетохору на центромере;

удваивается центромерный участок хромосом.

Анафаза хроматиды растягиваются нитями веретена деления к полюсам клетки (нити веретена деления разбираются у центриолей - происходит разрушение веретена деления). Хроматиды становятся однонитчатыми хромосомами.

Телофаза восстановление ядра:

хромосомы деспирализуются;

формируются ядрышки и ядерные оболочки.

Далее происходит разделение цитоплазмы, т.е. цитокинез. В растительных и животных клетках он проходит по-разному: в животных клетках образуется борозда деления от периферии клетки к центру до полного смыкания цитоплазматической мембраны, в растительных клетках из элементов аппарата Гольджи и эндоплазматической сети на экваторе клетки образуется клеточная перегородка от центра клетки к периферии.

РАБОТА 1

Митотический цикл клетки

По таблице изучить митотический цикл клетки.

Зарисовать в тетрадь схему, отметить периоды и фазы. Записать процессы, которые происходят в клетках в пресинтетический, синтетический и постсинтетический периоды и фазы митоза.

РАБОТА 2

Кариокинез в клетках корешка лука

На микропрепарате клеток корешка лука при малом увеличении микроскопа найти в поле зрения хорошо видимые клетки. Этот участок изучить при большом увеличении. Найти в клетках стадию интерфазы и различные фазы митотического деления. Нарисовать клетки с разными фазами.

Зарисовать клетки на различных стадиях митоза и в интерфазе. На рисунках должны быть обозначены: интерфаза (ядро, цитоплазма, хроматин), профаза (хромосомы), метафаза (материнская звезда или метафазная пластинка), анафаза (две дочерние звезды), телофаза (ядра дочерних клеток), цитокинез.

Занятие 6

Тема: Гаметогенез. Мейоз.

Цель: Изучить мейоз и процессы, происходящие в разные периоды гаметогенеза, строение половых клеток.

Задание для самоподготовки

Фазы и стадии мейоза.

Биологическое значение мейотических делений.

Отличие мейоза от митоза.

Гаметогенез (периоды). Характеристика каждого периода.

Овогенез.

Сперматогенез.

Строение половых клеток.

Заполнить таблицы 14, 15, 16, 17 (см. Приложение 2).

Мейоз - редукционное деление, происходящее при образовании половых клеток, при котором происходит уменьшение числа хромосом: из одной диплоидной клетки образуется четыре клетки с гаплоидным набором хромосом. Мейоз проходит в два деления, следующие одно за другим: первое деление - редукционное (происходит редукция, или уменьшение, числа хромосом), второе - эквационное деление (уравнивающее). Во время мейоза происходит рекомбинация генетического материала. Первому делению мейоза предшествует интерфаза, когда происходит удвоение ДНК и подготовка клетки к делению.

I деление (редукционное)

ПРОФАЗА I проходит в 5 последовательных стадий:

лептонема (лептотена) - это "стадия тонких нитей”:

начало конденсации хроматина, когда хромосомы выглядят как тонкие слабо спирализованные нити с узелками-хромомерами;

зигонема (зиготена) - это "стадия соединенных в пару нитей”:

происходит коньюгация гомологичных хромосом, при которой хромомеры одной хромосомы прикладываются к соответствующим хромомерам другой, образуя биваленты;

пахинема (пахитена) - это "стадия толстых нитей”:

на фоне продолжающейся спирализации хромосом и их укорочения, осуществляется кроссинговер - обмен участками гомологичных хромосом на уровне хроматид, образуются хиазмы - перекресты хромосом в местах кроссинговера;

диплонема (диплотена) - это "стадия двойных нитей”:

завершается спирализация, гомологичные хромосомы начинают взаимно отталкиваться, оставаясь связанными только в хиазмах, которые постепенно смещаются к концам хромосом;

диакинез - это последняя стадия профазы I:

завершается спирализация - хромосомы максимально укорочены и утолщены, они образуют характерные фигуры - кольца (закрытые биваленты - 2 хиазмы) и кресты (открытые биваленты - 1 хиазма); разрушается кариотека и ядрышко.

МЕТАФАЗА I: образуется метафазная пластинка: биваленты выстраиваются на экваторе клетки, нити веретена деления прикрепляются к кинетохору на центромерах хромосом.

Анафаза I: гомологичные хромосомы растягиваются нитями веретена деления к полюсам клетки - происходит редукция числа хромосом (каждая из хромосом состоит из двух хроматид).

Телофаза I: (эта стадия отсутствует)

Интеркинез - промежуток между делениями, в это время может происходить цитокинез: тогда образуется две клетки.

II деление (эквационное) проходит одновременно в обоих "ядрах" (клетках).

ПРОФАЗА II очень короткая (после первого деления хромосомы остались спирализованными, ядро не образовалось) - формируется веретено деления.

МЕТАФАЗА II хромосомы (каждая из которых состоит из двух рекомбинированных хроматид) располагаются на экваторе клетки и взаимодействуют с нитями веретена деления, удваивается центромерный участок хромосом.

Анафаза II хроматиды растягиваются нитями веретена деления к полюсам клетки, каждая хроматида становится однонитчатой хромосомой.