Опорный конспект лекций Биология




страница1/8
Дата06.06.2016
Размер1.27 Mb.
  1   2   3   4   5   6   7   8




МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Кемеровский государственный университет» (КемГУ)
филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования «Кемеровский государственный университет» в г. Юрге (ЮФ КемГУ)


ЦМК социально – гуманитарных дисциплин и

по основам безопасности жизнедеятельности

Опорный конспект лекций


Биология

Для специальности 40.02.02. Правоохранительная деятельность

Юрга

2014


Введение.

Биология - наука о жизни. Изучение многообразия живых организмов, закономерностей их строения, жизнедеятельности, индивидуального развития и эволюции, взаимоотношения со средой обитания — важнейшие задачи биологии.

Все живые организмы на Земле делятся на две империи — империя Доклеточные и империя Клеточные. К доклеточным организмам относятся вирусы, объединенные в царство Вирусы. Империя Клеточные объединяет организмы, имеющие клеточное строение. Наиболее древние представители клеточных, не имеющие ядра, объединяются в надцарство Прокариот (доядерных), царство Дробянок. Среди них выделяют три подцарства: Архебактерии — наиболее древние анаэробные бактерии, Эубактерии и Оксифотобактерии (сине-зеленые). Считается, что именно древние архебактерии вступили в симбиоз с сине-зелеными и бактериями окислителями, в клетке обособилось ядро, так появились ядерные организмы, которые объединены в надцарство Эукариоты, царства Растения, Животные и Грибы.

Живые организмы приобретают качественные особенности, отличающие их от неживой природы. С другой стороны, эти отличия достаточно условны, поэтому для характеристики живого организма нужно рассматривать все его признаки.

1. Важнейший признак живого организма — способность к размножению, способность, к передаче генетической информации следующему поколению. При бесполом размножении следующее поколение получает генетическую информацию от материнского организма, при половом — происходит объединение генетической информации двух организмов.

2. Живой организм является открытой системой, в него поступают питательные вещества, он использует различные виды энергии — энергию света, энергию, выделяющуюся при окислении органических и неорганических веществ, выделяет в окружающую среду продукты обмена веществ и энергию. Другими словами, между организмом и средой обитания происходит постоянный обмен веществ и энергии.

3. Клетки живых организмов образованы различными биополимерами, важнейшими из которых являются нуклеиновые кислоты и белки. Но мертвая лошадь также состоит из биополимеров, поэтому важно подчеркнуть их постоянное самообновление.

4. Пока организм жив, он воспринимает воздействия окружающей среды, под влиянием раздражителя происходит возбуждение и развивается ответная реакция на возбуждение. Возбудимость — важнейшее свойство организма.

5. В результате естественного отбора организмы удивительным образом адаптировались к конкретным условиям обитания. Эта адаптация началась с эволюции на уровне молекул, затем на уровне органоидов клетки — на клеточном уровне, затем на уровне многоклеточного организма.

6. Для живых организмов характерна высокая степень организации, которая проявляется в сложном строении биологических молекул, органоидов, клеток, органов, их специализации к выполнению определенных функций.

7. Также к признакам живых организмов относятся рост, старение и смерть.



Уровни организации живой материи

(живых организмов, живых систем)

В процессе эволюции происходило постепенное усложнение организации живой материи. При образовании более сложного уровня предыдущий уровень, возникший ранее, входил в него как составная часть. Именно поэтому уровневая организация и эволюция являются отличительными признаками живой природы. В настоящее время жизнь как особая форма существования материи представлена на нашей планете несколькими уровнями организации (рис. 2). .



Молекулярно-генетический уровень. Как бы сложно ни была организована любая живая система, в ее основе лежит взаимодействие биологических макромолекул: нуклеиновых кислот, белков, углеводов, а также других органических веществ. С этого уровня начинаются важнейшие процессы жизнедеятельности организма: кодирование и передача наследственной информации, обмен веществ, превращение энергии.

Клеточный уровень. Клетка — это структурно-функциональная единица всего живого. Существование клетки лежит в основе размножения, роста и развития живых организмов. Вне клетки жизни нет, а существование вирусов только подтверждает это правило, потому что они могут реализовывать свою наследственную информацию только в клетке.

Тканевый уровень. Ткань — это совокупность клеток и межклеточного вещества, объединенных общностью происхождения, строения и выполняемой функции. В животных организмах выделяют четыре основных типа ткани: эпителиальную, соединительную, мышечную и нервную. В растениях различают образовательные, покровные, проводящие, механические, основные и выделительные (секреторные) ткани.

Органный уровень. Орган — это обособленная часть организма, имеющая определенную форму, строение, расположение и выполняющая конкретную функцию. Орган, как правило, образован несколькими тканями, среди которых одна (две) преобладает.

Организменный (онтогенетический) уровень. Организм — это целостная одноклеточная или многоклеточная живая система, способная к самостоятельному существованию. Многоклеточный организм образован совокупностью тканей и органов. Существование организма обеспечивается путем поддержания гомеостаза (постоянства структуры, химического состава и физиологических параметров) в процессе взаимодействия с окружающей средой.

Популяционно-видовой уровень. Популяция — совокупность особей одного вида, в течение длительного времени проживающих на определенной территории, внутри которой осуществляется в той или иной степени случайное скрещивание и нет существенных внутренних изоляционных барьеров; она частично или полностью изолирована от других популяций данного вида.

Вид — совокупность особей, сходных по строению, имеющих общее происхождение, свободно скрещивающихся между собой и дающих плодовитое потомство. Все особи одного вида имеют одинаковый ка-риотип, сходное поведение и занимают определенный ареал.

На этом уровне осуществляется процесс видообразования, который происходит под действием эволюционных факторов.



Биогеоценотический (экосистемный) уровень. Биогеоценоз — исторически сложившаяся совокупность организмов разных видов, взаимодействующая со всеми факторами их среды обитания. В биогеоценозах осуществляется круговорот веществ и энергии.

Биосферный (глобальный) уровень. Биосфера — биологическая система высшего ранга, охватывающая все явления жизни в атмосфере, гидросфере и литосфере, которая объединяет все биогеоценозы (экосистемы) в единый комплекс. Здесь происходят все вещественно-энергетические круговороты, связанные с жизнедеятельностью всех живых организмов, обитающих на Земле.

Признаки живых организмов: 1) размножение; 2) обмен веществ и энергии; 3) возбудимость; 4) важнейшие биополимеры — НК и белки; 5) адаптированность в результате эволюции; 6) специализация от молекул до органов и высокая степень организации.

Уровни организации: 1) молекулярный; 2) клеточный; 3) тканевой; 4) органный; 5) организменный; 6) популяционно-видовой; 7) биогеоценотический; 8) биосферный.

Методы: наблюдение, сравнение, эксперимент.


Характеристика неорганических соединений клетки.

Все клетки, независимо от уровня организации, сходны по химическому составу. В клетке содержится несколько тысяч веществ, которые участвуют в разнообразных химических реакциях.

В живых организмах обнаружено около 80 химических элементов периодической системы Д. И. Менделеева

По количественному содержанию в живом веществе элементы делятся на три категории.



Макроэлементы (О, С, Н, N; К, Na, Са, Mg, S, Р, Cl, Fe) К макроэлементам относят элементы, концентрация которых превышает 0,001%. Они составляют основную массу живого вещества клетки (около 99%). Особенно высока концентрация С, N, Н, О (98% всех макроэлементов).

Микроэлементы (Zn, Мn, Сu, Со, Мо и многие другие), доля которых составляет от 0,001% до 0,000001 % (1,9% массы клетки). Микроэлементы входят в состав биологически активных веществ — ферментов, витаминов и гормонов.

Ультрамикроэлементы (Аu, U, Ra и др.), концентрация которых не превышает 0,000001%. Роль большинства элементов этой группы до сих пор не выяснена.

Макро- и микроэлементы присутствуют в живой материи в виде разнообразных химических соединений, которые подразделяются на неорганические и органические вещества.



К неорганическим веществам относятся:

— вода, составляющая примерно 70—80% массы организма;

— минеральные вещества — 1—1,5%.

Вода. Самое распространенное в живых организмах неорганическое соединение. Ее содержание колеблется в широких пределах: в клетках эмали зубов вода составляет по массе около 10%, а в клетках развивающегося зародыша — более 90%.

Без воды жизнь невозможна. Она не только обязательный компонент живых клеток, но и среда обитания организмов. Биологическое значение воды основано на ее химических и физических свойствах.

Химические и физические свойства воды объясняются, прежде всего, малыми размерами молекул воды, их полярностью и способностью соединяться друг с другом водородными связями. В молекуле воды один атом кислорода ковалентно связан с двумя атомами водорода. Молекула полярна: кислородный атом несет частичный отрицательный заряд, а два водородных — частично положительные заряды. Это делает молекулу воды диполем. Поэтому при взаимодействии молекул воды между ними устанавливаются водородные связи. Они в 15—20 раз слабее ковалентной, но поскольку каждая молекула воды способна образовывать 4 водородные связи, они существенно влияют на физические свойства воды. Большая теплоемкость, теплота плавления и теплота парообразования объясняются тем, что большая часть поглощаемого водой тепла расходуется на разрыв водородных связей между ее молекулами. Вода обладает высокой теплопроводностью. Вода практически не сжимается, прозрачна в видимом участке спектра. Наконец, вода —вещество, плотность которого в жидком состоянии больше, чем в твердом, при 4 °С у нее максимальная плотность, у льда плотность меньше, он поднимается на поверхность и защищает водоем от промерзания.

Физические и химические свойства делают ее уникальной жидкостью и определяют ее биологическое значение.



Вода — хороший растворитель ионных (полярных), а также некоторых неионных соединений, в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы. Любые полярные соединения в воде гидратируются (окружаются молекулами воды), при этом молекулы воды участвуют в образовании структуры молекул органических веществ. Если энергия притяжения молекул воды к молекулам какого-либо вещества больше, чем энергия притяжения между молекулами вещества, то вещество растворяется. По отношению к воде различают: гидрофильные вещества — вещества, хорошо растворимые в воде; гидрофобные вещества — вещества, практически нерастворимые в воде.

Большинство биохимических реакций может идти только в водном растворе; многие вещества поступают в клетку и выводятся из нее в водном растворе.

Большая теплоемкость и теплопроводность воды способствуют равномерному распределению тепла в клетке.

Благодаря большой теплоте испарения воды происходит охлаждение организма.

Благодаря силам адгезии и когезии вода способна подниматься по капиллярам (один из факторов, обеспечивающих движение воды в сосудах растений).

Вода является непосредственным участником многих химических реакций (гидролитическое расщепление белков, углеводов, жиров и др.).

Вода определяет напряженное состояние клеточных стенок (тургор), а также выполняет опорную функцию (гидростатический скелет, например, у круглых червей)

Минеральные вещества клетки.

В основном представлены солями, которые диссоциируют на анионы и катионы

Для процессов жизнедеятельности клетки наиболее важны катионы К+, Na+ , Са2+, Mg2+, анионы НРO42+, Сl+, НСО3-. Концентрации ионов в клетке и среде ее обитания различны, например, во внешней среде (плазме крови, морской воде) К+ всегда меньше, a Na+ всегда больше, чем в клетке. Существует ряд механизмов, позволяющих клетке поддерживать определенное соотношение ионов в протопласте и внешней среде.

Различные ионы принимают участие во многих процессах жизнедеятельности клетки: катионы К+, Na+, Сl- обеспечивают возбудимость живых организмов; катионы Mg2+, Mn2+, Zn2+, Са2+ и др. необходимы для нормального функционирования многих ферментов; образование углеводов в процессе фотосинтеза невозможно без Mg2+ (составная часть хлорофилла): буферные свойства клетки (поддержание слабощелочной реакции содержимого клетки) поддерживаются анионами слабых кислот (НСО3-, НРO42+ ) и слабыми кислотами (Н2СО3).

Фосфатная буферная система:

http://compendium.su/biology/10-11klas/10-11klas.files/image001.jpg

Бикарбонатная буферная система:



http://compendium.su/biology/10-11klas/10-11klas.files/image002.jpg

Некоторые неорганические вещества содержатся в клетке не только в растворенном, но и в твердом состоянии. Например, Са и Р содержатся в костной ткани, в раковинах моллюсков в виде двойных углекислых и фосфорнокислых солей.



Химические элементы и соединения клетки

Элементы. В клетках более 80 элементов, для 24    известны функции, которые они выполняют, это биогенные элементы.

 

http://compendium.su/biology/10-11klas/10-11klas.files/image003.jpg

 

I группа (98% от массы) — О, С, Н, N.



II группа (1,9%) — К, Na, Са, Mg, S, Р, Cl, Fe.

III группа — микроэлементы (иод, медь, цинк ...).

I и II группы — макроэлементы.

Химические соединения:

Неорганические — вода, соли



Органические соединения

Характеристика углеводов.

Кроме неорганических веществ в состав клетки входят и органические вещества: белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты и низкомолекулярные органические вещества.

Белки 10—20%      

Вода 75—85%

Жиры 1—5%          

Неорганические вещества 1,0—1,5%

Углеводы 0,2—2,0%                   

Нуклеиновые кислоты  1—2%

Низкомолекулярные органические вещества 0,1—0,5%

Органические вещества относятся к группе полимеров. Различают регулярные полимеры и нерегулярные полимеры. Важное место среди них занимают углеводы, соединения, в состав которых входят атомы углерода, кислорода и водорода. Их общая формула Сm(Н2O)n, они делятся на простые и сложные углеводы.



Простые углеводы называют моносахаридами. В зависимости от числа атомов углерода в молекуле моносахаридов различают: триозы (3С), тетрозы (4С), пентозы (5С), гексозы (6С), гептозы (7C). В природе наиболее широко распространены пентозы и гексозы. Важнейшие из пентоз — дезоксирибоза и рибоза, входящие в состав ДНК, РНК и АТФ; из гексоз наиболее распространены глюкоза, фруктоза и галактоза (общая формула С6Н12O6).

Моносахариды могут быть представлены в форме α- и β-изомеров. Гидроксильная группа при первом атоме углерода может располагаться как под плоскостью цикла (α-изомер), так и над ней (β-изомер). Молекулы крахмала состоят из остатков α-глюкозы, целлюлозы — из остатков β-глюкозы.

Дезоксирибоза (С5Н10О4) отличается от рибозы (С5Н10О5) тем, что при втором атоме углерода имеет атом водорода, а не гидроксильную группу, как у рибозы.

Сложными называют углеводы, молекулы которых при гидролизе распадаются с образованием простых углеводов. Среди сложных углеводов различают олигосахариды и полисахариды.



Олигосахаридами называют сложные углеводы, содержащие от 2 до 10 моносахаридных остатков. В зависимости от количества остатков моносахаридов, входящих в молекулы олигосахаридов, различают дисахариды, трисахариды и т. д. Наиболее широко распространены в природе дисахариды, молекулы которых образованы двумя остатками моносахаридов: мальтоза, состоящая из двух остатков α-глюкозы, молочный сахар (лактоза) и свекловичный (или тростниковый) сахар. Встречаются в природе в свободном виде или в составе полисахаридов.

Полисахариды образуются в результате реакции поликонденсации. Важнейшие полисахариды — крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин, муреин. Крахмал — основной резервный углевод растений, гликоген — у животных и человека. Целлюлоза — основной структурный углевод клеточных стенок растений, она нерастворима в воде, является линейным полимером (β-глюкозы.

К свойствам моносахаридов и олигосахаридов относится их растворимость в воде, сладкий вкус. С увеличением числа мономерных звеньев растворимость падает и сладкий вкус исчезает, полисахариды в воде нерастворимы.



Важнейшая функция углеводов — энергетическая, углеводы — основные источники энергии в животном организме. При расщеплении 1 г углевода выделяется 17,6 кДж. Запасающая функция выражается в накоплении крахмала клетками растений и гликогена клетками животных, которые играют роль источников глюкозы, легко высвобождая ее по мере необходимости. Углеводы входят в состав клеточных мембран и клеточных стенок (целлюлоза входит в состав клеточной стенки растений, из хитина образован панцирь членистоногих, различные олиго- и полисахариды образуют клеточную стенку бактерий). Соединяясь с липидами и белками, образуют гликолипиды и гликопротеины. Рибоза и дезоксирибоза входят в состав мономеров нуклеотидов.

Слизи, выделяемые различными железами, богаты углеводами и их производными (например, гликопротеинами). Они предохраняют пищевод, кишечник, желудок, бронхи от механических повреждений, препятствуют проникновению в организм бактерий и вирусов. Гепарин предотвращает свертывание крови в организме животных и человека.



Характеристика липидов.

Липиды — сборная группа органических соединений, не имеющих единой химической характеристики. Их объединяет то, что все они нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в органических растворителях (эфире, хлороформе, бензине). Содержатся во всех клетках животных и растений. Содержание липидов в клетках составляет 5—15% сухой массы, но в жировой ткани может иногда достигать 90%.

В зависимости от особенности строения молекул различают простые и сложные липиды. К простым липидам относятся жиры. Они входят в состав организма человека, животных, растений, микробов, некоторых вирусов. Содержание жиров в биологических объектах, тканях и органах может достигать 90%.



Жиры (триглицериды) — это сложные эфиры высших жирных кислот и трехатомного спирта — глицерина. Это самые распространенные в природе липиды. В составе триглицеридов обнаружено более 500 жирных кислот, молекулы которых имеют сходное строение. Жирные кислоты имеют одинаковую для всех кислот группировку — карбоксильную группу (—СООН) и радикал, которым они отличаются друг от друга. Карбоксильная группа образует головку жирной кислоты. Она полярна, поэтому гидрофильна. Радикал представляет собой углеводородный хвост, отличающийся у разных жирных кислот количеством группировок —СН2. Он неполярен, поэтому гидрофобен. При образовании молекулы триглицерида каждая из трех гидроксильных (—ОН) групп глицерина вступает в реакцию конденсации с жирной кислотой, образуются три сложноэфирные связи, поэтому образовавшееся соединение называют сложным эфиром. Физические свойства зависят от состава их молекул. Если в триглицеридах преобладают насыщенные жирные кислоты, то они твердые (жиры), если ненасыщенные — жидкие (масла). Плотность жиров ниже, чем у воды, поэтому в воде они всплывают и находятся на поверхности.

Воски — группа простых липидов, представляющих собой сложные эфиры высших жирных кислот и высших высокомолекулярных спиртов.

Фосфолипиды — сложные эфиры многоатомных спиртов с высшими жирными кислотами, содержащие остаток фосфорной кислоты. Как правило, в молекуле фосфолипидов имеются два остатка высших жирных и один остаток фосфорной кислоты. Присутствуют во всех клетках живых существ, участвуя главным образом в формировании клеточных мембран.

Гликолипиды — это углеводные производные липидов. Локализованы преимущественно на наружной поверхности плазматической мембраны, где их углеводные компоненты входят в число других углеводов клеточной поверхности.

Липоиды — жироподобные вещества. К ним относятся стероиды (широко распространенный в животных тканях холестерин, эстрадиол и тестостерон — соответственно женский и мужской половые гормоны), терпены (эфирные масла, от которых зависит запах растений), гиббереллины (ростовые вещества растений), некоторые пигменты (хлорофилл, билирубин), часть витаминов (A, D, Е, К) и др.

Функции липидов.

Основная функция липидов — энергетическая. В ходе расщепления 1 г жиров до СO2 и Н2O освобождается 38,9 кДж. Структурная — липиды принимают участие в образовании клеточных мембран. В составе мембран находятся фосфолипиды, гликолипиды, липопротеины. Запасающая функция — жиры являются запасным веществом животных и растений. Это особенно важно для животных, впадающих в холодное время года в спячку или совершающих длительные переходы через местность, где нет источников питания (верблюды в пустыне). Семена многих растений содержат жир, необходимый для обеспечения энергией развивающегося растения. Терморегуляторная — являются хорошими термоизоляторами вследствие плохой теплопроводимости. Защитно-механическая — защищают организм от механических воздействий. Каталитическая функция связана с жирорастворимыми витаминами (А, D, Е, К). Сами по себе витамины не обладают каталитической активностью, но они входят в состав ферментов, без них ферменты не могут выполнять свои функции. Источник метаболический воды. Одним из продуктов окисления жиров является вода. Эта метаболическая вода очень важна для обитателей пустынь. Так, жир, которым заполнен горб верблюда, служит в первую очередь не источником энергии, а источником воды (при окислении 1 кг жира выделяется 1,1 кг воды). Запасы жира повышают плавучесть водных животных.

Состав и строение белков.

Из органических веществ клетки по количеству и значению на первом месте стоят белки. Белки — высокомолекулярные органические вещества, состоящие из остатков α-аминокислот.

В состав белков входят: углерод, водород, азот, кислород, сера. Часть белков образует комплексы с другими молекулами, содержащими фосфор, железо, цинк и медь.

Белки обладают большой молекулярной массой: молекулярная масса альбумина (одного из белков яйца) — 36 000, гемоглобина — 152 000, миозина (одного из белков мышц) — 500 000. Для сравнения: молекулярная масса спирта — 46, уксусной кислоты — 60, бензола — 78.

Белки являются непериодичными полимерами, мономерами которых являются аминокислоты. В клетках и тканях обнаружено свыше 170 различных аминокислот, но в состав белков входит лишь 26. Причем 6 из них являются нестандартными. Они образуются в результате модификации стандартных аминокислот уже после их включения в полипептидную цепь. Поэтому обычными компонентами белков считают лишь 20 α-аминокислот.

В зависимости от того, могут ли аминокислоты синтезироваться в организме, различают: заменимые аминокислоты — десять аминокислот, синтезируемых в организме; незаменимые аминокислоты — аминокислоты, которые в организме не синтезируются. Незаменимые аминокислоты должны поступать в организм вместе с пищей.

В зависимости от аминокислотного состава белки бывают: полноценными, если содержат весь набор аминокислот; неполноценными, если какие-то аминокислоты в их составе отсутствуют. Различают простые белки, состоящие только из аминокислот (фибрин, трипсин), и сложные белки, содержащие помимо аминокислот еще и небелковую — простетическую группу. Она может быть представлена ионами металлов (металлопротеины — гемоглобин), углеводами (гликопротеины), липидами (липопротеины), нуклеиновыми кислотами (нуклеопротеины).

Все аминокислоты содержат хотя бы одну карбоксильную группу (—СООН) и одну аминогруппу (—NH2). Остальная часть молекулы представлена R-группой. В зависимости от количества аминогрупп и карбоксильных групп, входящих в состав аминокислот, различают: нейтральные аминокислоты, имеющие одну карбоксильную группу и одну аминогруппу; основные аминокислоты, имеющие более одной аминогруппы; кислые аминокислоты, имеющие более одной карбоксильной группы.

Аминокислоты являются амфотерными соединениями, так как в растворе они могут выступать как в роли кислот, так и оснований. В водных растворах аминокислоты существуют в разных ионных формах. Это зависит от pH раствора и от того, какая аминокислота: нейтральная, кислая или основная.

  1   2   3   4   5   6   7   8


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница